[发明专利]一种粗粒砂土水平向渗流模型箱及其试验方法

权利要求书

1.一种粗粒砂土水平向渗流模型箱，其特征在于：包括顶部开口、内部中空的透明的箱体，箱体的内部从左至右依次设有第一多孔板、第二多孔板，将箱体的内部分隔为溢流腔、试样渗流腔和缓冲腔，第一多孔板和第二多孔板均平行于箱体的左侧壁，第一多孔板和第二多孔板的顶面与箱体的顶面齐平；试样渗流腔填装有试样土体，缓冲腔内填装有砾石；

箱体的右侧壁上设有用于液体流入的进水口，箱体的底面位于溢流腔的部分设有排水口，进水口和排水口上均设有球阀；箱体的后侧壁上水平间隔设有若干测压孔，测压孔内安装有孔隙水压力传感器；

箱体的右侧壁、前侧壁和后侧壁的顶部边缘分别设有用于安装顶盖的向外的翻边，其中，前侧壁和后侧壁的翻边自箱体的右端水平向左延伸至箱体溢流腔的位置；顶盖的长度与前侧壁和后侧壁的翻边的长度相适配，翻边与顶盖上设有一一对应的螺栓孔，顶盖与箱体通过螺栓连接，顶盖未完全遮盖箱体的顶部开口；箱体与顶盖的装配面上设有止水垫圈，顶盖上设有排气孔，排气孔安装有排气阀；

箱体左侧的外壁面上部设有集排水槽，箱体的左侧壁的顶部边缘设有向下凹陷的波浪状溢流凹槽；集排水槽与箱体互相靠近的一侧共壁，且集排水槽环绕设置于溢流腔的前侧壁、后侧壁和左侧壁的外壁面以承接溢流腔顶部流出的液体；集排水槽的槽底设有若干自由排水管口，自由排水管口接有排水管。

2.如权利要求1所述的一种粗粒砂土水平向渗流模型箱，其特征在于：所述箱体、顶盖和集排水槽均采用透明有机玻璃制成。

3.如权利要求1所述的一种粗粒砂土水平向渗流模型箱，其特征在于：第二多孔板靠近试样渗流腔的一侧设有用于防止试样进入缓冲区的筛网。

4.如权利要求1所述的一种粗粒砂土水平向渗流模型箱，其特征在于：所述箱体内设有用于固定第一多孔板和第二多孔板的支撑条。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的一种粗粒砂土水平向渗流模型箱的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，前期准备

装样前，确认试验系统各部分连接正确、确认供水路径各部分未出现渗漏情况、确保已排出水表及电子流量计内部的空气，在箱体的内壁涂抹一层约0.5mm厚凡士林，避免试验过程中出现水流沿侧壁集中渗流的现象；

步骤2，装样与饱和

2.1分层装样

试验将混合后的试样按预定的密实度分上下2层，每层厚10cm，装入试样渗流腔并压实，层间做刨毛处理；试样沿渗流方向自右向左分为第1～3层，沿渗流方向的层均为10cm，渗流路径总长为30cm；

2.2试样饱和

装样完毕后，将顶盖与箱体通过螺栓连接进行上部密封；接着关闭箱体底面出水侧的排水口阀门、打开箱体右侧壁的进水口阀门，为彻底排出试样内的空气，同时打开顶盖的排气阀，以大约0.5L/min的速度向箱内注水，试样内水位自下而上逐渐上升，待水位完全浸没试样后，关闭顶板排气阀并暂定供水，静置12h进行浸水饱和；水平渗流初期以0.1的水力梯度增量分级施加，水力梯度达到2后，各级的梯度增量改为0.5～1；

步骤3，试验操作与数据采集

通过外部供水系统提供水力梯度，以大约0.1的水力梯度增量分级施加上游水头，打开进水口，为了达到该级梯度下土体的稳定渗流状态，每级水力梯度维持10min以上，当箱体的溢流腔顶部有水溢出时打开排水口让水流排除直至溢流腔顶部不再有水溢出，试验过程中在各级水力梯度作用下，待孔隙水压力传感器数值达到相对稳定时，按3min的时间间隔，测记该时间段内的外接在进水口上的水表流量差值，若相邻2次间隔内测算得到的土样过流断面的平均渗流速度相近或流量计数据稳定，说明渗流已达到稳定状态，否则继续测记直至流速相近，记录此时的孔压值及流速数值，试验过程中设置高分辨率数码相机纪录各级梯度下箱体正面的土样状态；若出现细颗粒流出现象，则适当延长该水力梯度的作用时间，直至在该水力梯度下不再有细颗粒流失；当发现试样有大变形趋势，即接近临界水力梯度时，适当减小水力梯度的增量；出流浑浊流体流经200目不锈钢过滤袋使其固液分离从而收集出流颗粒，试验过程中纪录排水管处水温；

步骤4，结束试验

当出现流速骤增但土体不能继续承受更高的水力梯度时、涌砂泉眼不断向深部发展或出现非渗流向裂缝时，认为此时试样土体已经达到破坏状态，结束试验并打开排水口排出试样中的滞留水，对试样左侧、右侧分4层分别取样，最后挖出箱体内土样，开始为下一组试验做准备；试验结束后，对取出样和过滤带内的出流颗粒进行烘干、称量和筛分，使用ImageJ软件处理试样各阶段的数字图片，分析试样变形过程中的裂缝或孔隙通道的发展趋势，采用粒子图像测速技术PIV分析土体的变形趋势。