[发明专利]一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置

说明书

本发明涉及一种应力作用下土体内部侵蚀各向异性研究的渗透试验装置，包括渗流系统、压力供水系统、轴向压力施加系统、出流收集系统和数据采集系统，所述渗流系统包括支座、渗透仪、收集漏斗和孔压传感器，所述渗透仪设置于支座上，所述收集漏斗设置于渗透仪下端并与渗透仪相贯通，孔压传感器设置于渗透仪上，所述的渗透仪包括渗透腔体和顶盖，所述渗透腔体为上下端开口结构，收集漏斗设置于渗透腔体下端并与渗透腔体相贯通，渗透腔体侧壁上开设有孔压传感器布设孔、排气孔和进水口，进水口包括水平渗流进水口和竖向渗流进水口。可通过简易操作实现在同一装置内对侧限条件下垂直应力可控的土体水平向和垂直向渗流模式的切换。

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及渗流模型试验装置，尤其涉及一种能够用于开展应力作用下土体渗流侵蚀各向异性研究的渗透试验装置。

背景技术

据调查统计显示，内部侵蚀是大坝和堤岸渗透变形或破坏的主要诱因，在全球范围内，约50%的大坝和堤岸破坏是由内部侵蚀导致的。土体内部侵蚀(internal erosion)是指其内部细颗粒在水的渗流力作用下克服粒间摩擦力或黏结力而逐步分散脱离，且在土体孔隙通道或粗颗粒间隙中发生运移的侵蚀过程。由于土体的散粒体结构特性决定了土体各向异性的产生，尤其是在分层压实土体中体现的更为显著。此外，在实际工程中进行分层压实的土体，一方面其细观结构为层状，由此会导致土体在水力特性上表现出明显的各向异性，尤其是土体在平行于压实层面方向(水平向)和垂直于压实层面方向(垂直向)上所表现的渗透特性不尽相同；另一方面，土体一般承受应力作用，且研究表明应力作用的存在会直接影响土体的骨架结构、孔隙分布和渗透系数，从而导致土体内部侵蚀特性发生明显变化。大量模型试验及工程实践表明，水平渗流更接近土石坝坝体和坝基的渗透水流特点，更能真实反映土体发生内部侵蚀时所表现出的渗透特性，且研究表明土体在水平向和垂直向渗流情况下的渗透特性存在着显著的各向异性，具体表现为土体在水平向上的渗透系数与相同条件下垂直于压实层面的渗透系数的比值为1~100，即前后两者相差1~2个数量级。因此，考虑渗流-应力耦合作用的可以开展土体内部侵蚀各向异性研究的渗透装置成为岩土工程和水利水电工程领域亟待解决的重要研究课题，对保障坝体沿岸居民的生命财产安全具有十分重要的意义。

为了解决上述研究课题，本领域的科技人员进行了广泛的探索，以期获得土体内部侵蚀各向异性的规律。《大坝观测与土工测试》报道了一种测定土体双向渗透系数的仪器装置(冯郭名, 付琼华. 测定土的双向渗透系数的仪器装置和方法[J]. 大坝观测与土工测试, 1997, 21(3): 32-34.)，该渗透装置是基于三轴仪进行改装完成的，土样尺寸为正方形，渗流方向为垂直方向。使用该渗透装置实现双向渗透系数测定的方法是测量完一个方向的渗透系数后通过将土样调转方向再对另一个方向的渗透系数进行测量。这种方法虽能实现对同一土样的水平渗透系数和竖向渗透系数进行测量，但该装置及试验方法存在着较大的局限性，主要体现在：①土样调转方向需要对土样先去除橡皮膜再调转90°，最后再重新装套橡皮膜，其整个过程较为复杂且对土样扰动较大，且对某些脱离承膜筒或橡皮模就无法成型的试样(如无黏性土)，其双向渗透性的测定是很困难的；②根据内部侵蚀的定义，土体发生内部侵蚀现象时其内部细颗粒会存在迁移及流失的演变过程并进一步改变土体内部粗细颗粒的空间分布，由此利用该装置测量土体的双向渗透性，无论是先测定哪一方向上的渗透性都势必会影响接下来另一方向上的渗透性；③该装置在渗透试验过程中没有对土体的局部孔压进行监测，且采用孔压管进行测定，其测量精度难以保证且较为繁琐；④该装置可容纳的试样尺寸仅为50mm*50mm*50mm，很大程度上限制了测试土样的颗粒粒径。对各种岩土都适用的水平渗透试验装置的水流方向应该是水平的，这样才能和土体的压实层面方向一致，才能测得土体水平方向的真正渗透系数。因此该装置不能测得真实状态下的土体水平方向的渗透系数。