[发明专利]一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置及使用方法

权利要求书

1.一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，其特征是，包括自循环变水头控制装置、透明模型箱、垂直加载装置、数值观测系统以及计算机；

所述自循环变水头控制装置包括水箱、水箱高度控制装置、储水箱以及位于所述储水箱内的潜水泵，所述水箱内部竖直设置有一溢流板将所述水箱分为回流区以及溢流区，所述回流区底部与所述储水箱管道连接，所述溢流区底部设有分别与所述潜水泵连接的管道以及与所述透明模型箱底部连接的进水管，所述进水管上设有流量计以及水阀；

所述透明模型箱为圆筒形，下部为水流缓冲区、中部为饱和透明土填样区以及上部为出流区，所述填样区沿高度方向等距分布有若干孔压计，所述填样区与所述缓冲区之间由第一压力板隔离，所述第一压力板上方还设有过滤层，所述出流区与所述填样区之间由可透砂的第二压力板隔离，所述出流区设有出水口，所述出水口下缘与所述第二压力板上缘平齐，所述出水口设有与所述储水箱连接的出水管，所述出水管上设有水阀以及流量计；

所述垂直加载装置用于施力在所述第二压力板上，使透明土处于不同的应力场中；

所述数值观测系统包括用于采集透明土图像的CCD相机、圆弧导轨、位于圆弧导轨滑台上的用于照射透明土形成散斑场的扇面激光发射器以及用于插入透明土内的参照格栅，CCD相机的拍摄平面始终垂直于扇面激光发射器发射的激光扇面，所述圆弧导轨滑台可旋转角度大于180°；

所述计算机与所述流量计以及所述CCD相机连接。

2.根据权利要求1所述的一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，其特征是，所述垂直加载装置包括反力架、液压千斤顶、液压泵以及传力架，所述反力架包括底板、顶板以及用于连接所述底板以及所述顶板的连接杆，所述透明模型箱位于所述底板上，所述液压千斤顶顶部与所述顶板接触，底部与所述传力架接触，所述传力架底部与所述第二压力板接触。

3.根据权利要求2所述的一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，其特征是，所述顶板与所述连接杆活动连接。

4.根据权利要求1所述的一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，其特征是，所述水箱高度控制装置包括电机、齿轮、齿条以及控制箱，所述电机带动所述齿轮，使所述齿条沿垂直方向上下移动，所述齿条与所述水箱连接，所述控制箱用于控制所述电机。

5.根据权利要求1所述的一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，其特征是，所述透明模型箱由石英制成，内壁直径220mm~250mm，高400mm~500mm，壁厚5~8mm。

6.根据权利要求1所述的一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，其特征是，所述透明模型箱内壁喷涂有一层金刚喷剂，其折射率与透明模型箱材料折射率相同。

7.一种基于权利要求1所述的土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

按照试验的参数要求制备好相应的饱和透明土样，将其置于透明模型箱中；

在水箱内注入与饱和透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体；

安装垂直加载装置，给予透明土样一定的垂直压力；

打开扇面激光发射器，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入饱和透明土样，形成散斑场；

调整CCD相机的可视范围，使其能够包含整个饱和透明土样，并保证其拍摄平面始终垂直于扇面激光发射器发射的激光扇面；

打开圆弧导轨，调整滑台移动速度和移动范围；

打开潜水泵，保持水箱内水位不变，使得在试验过程中饱和透明土样的渗透水头保持不变；

打开进水管水阀和出水管水阀，使得水头调节系统中与饱和透明土样具有相同折射率并添加荧光剂的孔隙流体进入透明模型箱；

控制水箱上升速度，诱使饱和透明土样非稳定渗透水头作用下发生管涌破坏，将流量计的数据以及CCD相机采集的图片传输至计算机；

试验完成之后，通过粒子图像处理软件并结合参照格栅，分析所获得的管涌破坏过程图片，得到土体管涌破坏时土体变形位移场。