[发明专利]一种法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置及方法

权利要求书

1.一种法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置，其特征在于，包括：

颗粒侵蚀试验仪、流量和颗粒侵蚀量测试装置；

所述的颗粒侵蚀试验仪包括压力仓、橡皮膜、加载锤、变形监测装置和侵蚀装置，所述的加载锤上设有进水通道和出水口，所述的加载锤与压力水罐相连，加载锤穿过压力仓的顶盖为试验中的土样提供渗流压力；所述的橡皮膜用于包裹土样，橡皮膜顶部与加载锤相连，底部与压力仓底板相连；控制采集仪用于控制压力仓内部的气压和水压；所述侵蚀装置由透土器和透土钢珠组成；透土器整体由有机玻璃制成，由半圆板和有机玻璃板组成，透土钢珠和半圆板设置在土体与加载锤之间，并与加载锤紧密相连，有机玻璃板设置在土样内，所述的有机玻璃板用于模拟试验中的接触面；保证只有土体与有机玻璃板接触的土体发生移动并顺利流出；

所述的流量和颗粒侵蚀量测试装置包括第一天平、第二天平、烧杯和异形量水杯；所述的第一天平用于测量烧杯的质量；所述第二天平用于测量异形量水杯及其内物体的质量；所述的异形量水杯设置有纱网和溢流口，用于过滤侵蚀土颗粒；异形量水杯在侧面设置有斜向下的溢流管，异形量水杯内的水面高度一直保持与溢流口下部齐平，使第二天平测得侵蚀土颗粒质量与侵蚀土颗粒排出水的质量之差，第一天平测得从颗粒侵蚀试验仪流出的水量的质量及与侵蚀土颗粒相同体积的水量的质量之和；

在压力仓底板上设有半球形稳流器，半球形稳流器内堆放钢珠，用于通过水流，且半球形稳流器设有卡槽，用于卡住有机玻璃板。

2.如权利要求1所述的法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置，其特征在于，所述的顶盖为圆盘状结构，顶盖上设置有水气流动口、过锤口、气压计；所述的水气流动口与顶盖焊接连接，用于通过试验中的水和气；所述的过锤口用于通过加载锤。

3.如权利要求2所述的法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置，其特征在于，在所述的过锤口内壁上还有设有密封圈，过锤口顶部向内侧凸起形成档口，第一弹簧的一端与密封圈相连，另一端顶住过锤口的挡口。

4.如权利要求1所述的法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置，其特征在于，所述的加载锤包括上、下两部分，上部为圆柱形加载杆和下部为圆盘状加载板，加载杆与加载板之间刚性连接，加载杆内部设置进水通道；加载板上设有与进水通道连通的出水口。

5.如权利要求4所述的法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置，其特征在于，在所述的加载板中间部位设置凹形卡槽，用以安装有机玻璃板，凹形卡槽与有机玻璃之间设置第二弹簧。

6.如权利要求1所述的法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置，其特征在于，所述底板设置有圆环卡扣，在圆环卡扣的外圈设有半圆形隔气垫。

7.基于权利要求1-6任一所述的法向压力作用下接触面颗粒侵蚀试验装置的试验方法，其特征在于，

(1)配置试验所需的土料，按照试验要求的含水率准备土料；

(2)有机玻璃板插入压力仓底板上卡板槽，并将大号钢珠和小号钢珠放入压力仓底板上的半球形侵蚀口；

(3)将装填模具安装在底座上，将土体按照试验要求的密度将土体装填到模具内部；

(4)将侵蚀装置、加载锤和弹簧安装在土体上方；

(5)将橡皮膜套在土体上，一端接在加载锤上一端接在底座上；

(6)将有机玻璃罩安装在底座上，保证有机玻璃罩与底座紧密相连；

(7)将顶盖安装在有机玻璃罩上，将螺栓和螺杆安装在顶盖和底座上，保证顶盖与有机玻璃罩紧密相连；

(8)将控制采集仪与气泵连接，将控制采集仪与压力水罐连接，将控制采集仪与颗粒侵蚀试验仪的三通开关相连，将水泵与颗粒侵蚀试验仪的三通开关相连；

(9)控制颗粒侵蚀试验仪上的三通开关，采用水泵将水抽至颗粒侵蚀试验仪内的压力仓,使压力仓内的水没过加载锤的加载板；

(10)通过控制控制采集仪的输出气压来控制压力仓内的压力及压力水罐内的压力，开展颗粒侵蚀试验；

(11)试验过程中监测流量计的读数为A，第一天平的测得的新增质量为B，第二天平测得的新增质量为C，计算侵蚀土颗粒的密度、体积、质量。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，计算侵蚀土颗粒的密度、体积、质量的公式如下：

m₁＝A×t×ρ₁

V＝B/ρ₁-A×t

m₂＝B+C-A×t×ρ₁

ρ₂＝(B+C-A×t×ρ₁)/(B/ρ₁-A×t)

其中m₁为试验监测时间内的输入装置内水的质量，ρ₁为水的密度，V为侵蚀土颗粒的体积，m₂为侵蚀土颗粒的质量，ρ₂为侵蚀土颗粒的密度。