[发明专利]一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置和试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及管涌模型试验装置和使用方法，特别涉及一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置和试验方法，属于岩土工程渗流试验领域。

背景技术

在水利工程和岩土工程中，土层的渗透稳定是影响建筑物安全的关键科学问题。按照渗透流体所引起的局部破坏的特征，渗透变形可分为流土和管涌两种基本形式，而其中管涌是指在渗流作用下土体中的细土颗粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。工程实践表明，在高渗透强度长期作用下，建筑的基础、堤坝的坝身或者其与基础结合部均可能发生管涌，并且我国水利部统计的资料显示，质量问题是造成堤坝失事的主要原因，其占比为42.5%，而在由质量问题所导致的事故案例中，管涌的比例超过六成。管涌的发生、发展显然是颗粒----孔隙尺度的范畴，但已有的关于管涌型土体稳定性的研究大多是基于宏观角度结合土样的颗分曲线进行推测，缺乏细观角度的科学证明，因此深入颗粒---孔隙尺度对渗透作用下粗、细颗粒在应力传递中扮演的角色及其对管涌发生条件的影响进行系统而深入的分析就显得尤为必要了。

在本发明专利前，中国申请发明专利“一种可观测土体内部的渗水力模型试验装置和试验方法”（申请号201310126416.3），公布了一种由透明模型箱、透明土、多孔板、孔隙压力测量装置、排水孔、密封盖板组成的可观测土体内部的渗水力模型的试验装置和试验方法。该技术方案具有应用范围广、设备成本低、试验装置所模拟的力场均匀以及试验材料各部分受力均匀等优点；但是，该试验装置不能真实模拟土体在渗透流体作用下的破坏过程，导致试验结果不够精确。

模型试验方法，原理相对简单，现象也直观，更容易得出具有科学意义的结论，因此是一种有效的研究手段。当前，判断土体在某渗透水头作用下是否会发生管涌的数值仿真技术，一般是无法考虑颗粒流失引起的水土相互作用的，因此无法准确判断管涌发生与否，而现有的判断管涌破坏发生的试验方法，存在着不少的问题：首先，其方法一般基于缩尺模型，辅以相关检测手段，然而获得的往往是模型边界面（表面）或内部少量离散点信息，无法对管涌发生的本质即细颗粒运移及流失规律进行动态、全息地获取。因此，设计出具有透视功能从而实现全息展示细颗粒动态运移的试验装置及试验方法对判断管涌发生与否更有理论和实际意义；其次，力链是指物质颗粒间力的传播路径，决定着颗粒物质宏观及微观的力学性质，通过力链可以揭示了土体在渗透流体作用下有效应力的分布。现有的较多文献资料，仅简单地通过研究土体不同的颗粒级配或者研究土体的有效孔径与粒径的关系进行管涌发生与否的判别，而管涌发生与否在本质上受到土颗粒的有效应力以及孔隙间尺寸的控制。因此，设计出能够依据土体在渗透作用期间的有效孔隙分布曲线和土体的有效应力分布来判别土体是否发生管涌破坏具有非常重要的创新意义。

发明内容

本发明的目的就在于克服已有技术的不足和缺陷，将透明土技术、激光诱发荧光现象技术以及示踪粒子技术与VDIC相结合，提出一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置和试验方法，利用土体在渗透流体作用下的有效孔隙分布曲线和土体的有效应力分布来判断土体是否发生管涌破坏，为水利结构和岩土工程的合理设计提供依据。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置，其特征在于，包括变水头供水系统，变水头供水系统通过供水管与透明模型箱底部连接，所述透明模型箱的顶部设置有出水管，在透明模型箱底部铺设多层多孔盖板用以模拟真实条件下流体对于土体的冲击作用；多层多孔盖板的上方设置有饱和透明土样，所述饱和透明土样为由无定型硅或熔融石英砂混合配置有相同折射率的透明液体形成的透明土、透明液两相混合体，在变水头供水系统内的孔隙流体中加入荧光剂，透明模型箱的外侧安放激光器，透明模型箱的外侧安放CCD相机，透明模型箱内等距布设孔隙压力测量装置。

前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置，其特征在于，所述变水头供水装置中设有供水箱，供水箱内设有与所述透明土样具有相同折射率的孔隙液体，供水箱的顶部设有进水口，在供水箱侧壁的不同高度设置有水位控制阀，供水箱通过供水管与透明模型箱的底部相连，供水管上设有流量计和进水管水阀，流量计与计算机相连，供水箱内设有与所述透明土样具有相同折射率的孔隙液体，并在侧壁的不同高度设有多个水位控制阀。

前述的一种模拟土体管涌破坏发展过程的试验装置，其特征在于，透明模型箱15由树脂玻璃制成，形状为长方体，长大于200mm，宽100mm-200mm，高400mm-500mm，壁厚5mm。