考虑扰动和初始状态的多路径动水渗流侵蚀模拟试验装置

1.本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种考虑扰动和初始状态的多路径动水渗流侵蚀模拟试验装置。


背景技术：

2.随着我国交通强国战略实施，城市轨道交通基建规模和盾构装备技术飞速发展，越来越多的盾构隧道需修建在交通繁忙和地下水径流丰富的城市区域，常导致突发性地面坍塌事故，引发重大损失与社会负面影响。如何科学有效防控盾构施工诱发的塌陷事故仍是国内外尚未解决的现场难题。
3.地下空洞一般由自然因素和人为因素造成，自然因素形成的地下空洞包括：可溶性岩石的溶解、土质疏松地层经地下水的冲刷和潜蚀等；人为因素导致的空洞主要是由于地下资源开采和地下工程施工。在施工扰动等外界影响下，地下空洞极易扩展破坏，逐渐向上发展，严重时会导致地面塌陷，给社会带来巨大经济损失、给人们的生命安全带来了严重威胁。
4.现有的地层渗流侵蚀试验装置主要集中于动水条件下砂土地层的渗流侵蚀问题，如一种用于砂土地层中隧道渗流侵蚀模型试验的装置(公开号：cn 212254990u)，该装置可研究隧道位于不同承压水层中、在不同大小形状渗漏缝条件下的渗流侵蚀机理及特征，并可监测隧道周边水土压力。然而，其忽略了外部扰动与内部渗流侵蚀的共同耦合作用，且针对不同路径及高压水头等试验条件的模拟有一定缺陷，如针对高压的模拟主要通过抬高水头的高度，给试验带来不便。
5.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

6.本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种能够模拟动载动水耦合作用、不同渗流路径及高压水头条件下地层渗流侵蚀的模拟试验装置，同时还能模拟地下空洞在不同频率扰动条件下的渗流侵蚀。
7.为了达到上述目的，本发明提供了一种考虑扰动和初始状态的多路径动水渗流侵蚀模拟试验装置，包括恒压组件、供水组件、粗颗粒土渗流组件和数据采集组件；所述粗颗粒土渗流组件包括试验台以及安装在所述试验台上的试验筒，所述试验筒能够水平或竖向布置，所述试验筒内装有试验柱，所述试验筒的第一端布设有第一进水口、第二端布设有渗流口，同时所述试验筒的侧壁上开设有多个测压孔，所述供水组件与所述第一进水口连通，以向所述第一进水口提供渗流水压，所述恒压组件与所述供水组件连接，以稳定控制所述供水组件的水压，所述试验筒与振动仪连接，以对所述试验筒施加振动动载，所述数据采集组件用于采集数据。
8.所述试验柱内埋设可溶性物质块，在渗流过程中所述可溶性物质块在所述试验柱内部逐渐溶解、流失，形成空穴。
9.进一步地，所述供水组件包括供水罐，所述供水罐包括罐体，所述罐体的顶部布设有第二进水口、进气口、排气口和注水压力表，所述罐体的底部布设有出水口和排水口，所述恒压组件与所述进气口连通，所述出水口与所述第一进水口连通，所述第二进水口用于向所述罐体内输水，所述排气口和所述排水口分别用于所述罐体的排气和排水。
10.进一步地，所述罐体的外部还布设有水位监测管，所述水位监测管与所述罐体连通，以查看所述罐体内的水位，所述水位监测管采用透明材质且标有刻度。
11.进一步地，所述恒压组件包括气泵、稳压阀和气管，所述气泵通过所述气管与所述供水组件连通，所述稳压阀安装在所述气管上，能够调节供气气压。
12.进一步地，所述试验筒还开设有排气孔。
13.进一步地，所述试验筒的第二端布设有法兰，所述法兰可选择地与带有所述渗流口的水平渗流接头、第一竖向渗流接头以及第二竖向渗流接头连接。
14.进一步地，所述数据采集组件包括数显压力表，所述数显压力表一一对应地与所述测压孔连接。
15.进一步地，所述试验台上布设有水平压力表固定板以及竖向压力表固定板，所述水平压力表固定板用于水平渗流时安装所述数显压力表，所述竖向压力表固定板用于竖向渗流时安装所述数显压力表。
16.进一步地，所述数据采集组件还包括双视角检测相机、秒表、试验筒筛网、量筒、烘干机和电子秤。
17.本发明的上述方案有如下的有益效果：
18.本发明提供的渗流侵蚀模拟试验装置，粗颗粒土渗流组件的试验筒能够水平以及竖向布置，模拟预设水压下不同渗流路径的多孔介质的渗流侵蚀；同时，依靠恒压组件以及供水组件提供稳定可控的水压，改善了传统试验中通过抬高水位的增加初始水头的方法，简化了试验操作，提高了试验效率；另外，通过振动仪对试验筒施加振动动载，与动水产生耦合作用，能够模拟不同频率扰动条件下的渗流侵蚀；
19.本发明试验柱在预制时，在内部埋设的可溶性物质块可以模拟不同规模、不同埋深、不同形状的地层地下空洞，在渗流过程中可溶性物质块在土体内部逐渐溶解、流失，形成空穴，得到对应的地层缺陷，并且可溶性物质块溶解后不会影响土体试样的渗流情况，同时通过改变预制时可溶性物质块的材料用量，可以控制可溶性物质块的溶解时间，而依靠振动仪既可以模拟动载作用对渗流破坏促进效应，也能模拟动水和动载耦合作用下地层空穴失稳破坏；
20.本发明通过对地下空洞的模拟，可以得到地下空洞在不同施工扰动及动水耦合作用下的失稳破坏模式以及失稳破坏规律，为砂卵石地层盾构隧道施工诱发地面塌陷提供科学防控理论依据。
21.本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
22.图1为本发明的整体结构示意图(水平渗流)；
23.图2为本发明的整体结构示意图(自下而上渗流)；
24.图3为本发明的整体结构示意图(自上而下渗流)；
25.图4为本发明的试验筒结构示意图；
26.图5为本发明的三种法兰接头结构示意图。
27.【附图标记说明】
28.100-恒压组件；101-气泵；102-稳压阀；103-气管；200-供水组件；201-罐体；202-第二进水口；203-进气口；204-排气口；205-注水压力表；206-出水口；207-排水口；208-水位监测管；300-粗颗粒土渗流组件；301-试验台；302-试验筒；303-试验柱；304-第一进水口；305-渗流口；306-排气孔；307-法兰；308-水平渗流接头；309
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第一竖向渗流接头；310-第二竖向渗流接头；311-测压孔；400-数据采集组件；401-数显压力表；402-水平压力表固定板；403-竖向压力表固定板；404-双视角检测相机；500-振动仪；501-微型偏心激振器； 502-振动控制箱。
具体实施方式
29.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。另外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
31.实施例1：
32.如图1-图4所示，本发明的实施例1提供了一种考虑扰动和初始状态的多路径动水渗流侵蚀模拟试验装置，包括恒压组件100、供水组件200、粗颗粒土渗流组件300和数据采集组件400。
33.其中，粗颗粒土渗流组件300包括试验台301以及安装在试验台 301上的试验筒302，试验筒302能够水平或竖向布置，以分别模拟水平渗流路径及竖向渗流路径。具体地，当试验筒302水平布置时，试验筒302通过支座摆放在试验台301上；而当试验筒302竖向布置时，试验台301上开设台阶式的安装孔，使试验筒302能够顺利地竖立在试验台301上，且底端方便接管。
34.试验筒302内装有粗颗粒土试样的试验柱303，试验筒302的第一端布设有第一进水口304、第二端布设有渗流口305，同时试验筒 302的侧壁上开设有多个测压孔311。其中，供水组件200与第一进水口304连通，以向第一进水口304、即试验柱内提供渗流水压，恒压组件100与供水组件200连接，以稳定控制供水组件200的水压，改善了传统模拟试验中通过抬高水位而增加初始水头的方法，简化了试验操作，提高了试验效率。
35.另外在本实施例中，试验筒302与振动仪500连接，以对试验筒 302施加振动动载，
从而与动水产生耦合作用，模拟不同频率扰动条件下的渗流侵蚀。
36.数据采集组件400用于采集数据，包括对试验筒302内介质变化的监测、渗流时间的监测、压力监测、渗流液体和固体的量度等。
37.试验柱303在预制时，在内部埋设有可溶性物质块，通过预制可溶性物质块可以模拟不同规模、不同埋深、不同形状的地层地下空洞，可溶性物质块内部空心，在渗流过程中可溶性物质块在土体内部逐渐溶解、流失，形成空穴，得到对应的地层缺陷，并且可溶性物质块溶解后不会影响土体试样的渗流情况，同时通过改变预制时可溶性物质块的材料用量，可以控制可溶性物质块的溶解时间。
38.而依靠振动仪500产生不同振动频率的动载模拟不同的施工振动情况，既可以模拟动载作用对渗流破坏促进效应，也能模拟动水和动载耦合作用下地层空穴失稳破坏。
39.优选地，可溶性物质块采用盐块等。
40.在本实施例中，供水组件200包括供水罐。其中，供水罐包括高压的罐体201，罐体201的顶部布设有第二进水口202、进气口203、排气口204和注水压力表205，罐体201的底部布设有出水口206和排水口207，恒压组件100与进气口203连通，以向罐体201内输送高压气体，出水口206与第一进水口304连通，以向试验筒302内注水。注水压力表205能够实时显示罐体201顶端的压力，以在达到指定压力后按预设的压头进行渗流试验。第二进水口202与水龙头接通，用于向罐体201内注水，排气口204和排水口207分别用于罐体201 的排气和排水。其中，出水口206、排水口207等均安装有阀门，方便罐体的出水、排水切换。
41.作为进一步改进，本实施例中罐体201的外部还布设有水位监测管208，水位监测管208两端与罐体201均是连通的，因此能够与罐体201内的水位同步，而显示罐体201内的水位。其中，水位监测管 208采用透明材质且标有刻度，方便对水位实时查看，确保以预设的总压(气压 水压)完成注水渗流。
42.当然在其他实施例中，还可采用其他水位监测方式，此处不做具体限制。
43.在本实施例中，恒压组件100包括气泵101、稳压阀102和气管 103。其中，气泵101通过气管103与供水组件200连通，稳压阀102 安装在气管103上，能够调节供气气压。因此开启气泵101向罐体 201内通气时，可以一边观察罐体201上压力表示数，一边调控稳压阀102，能够实时增大或减小压力，并且达到指定压力后能稳定下来，从而达到变压后恒压的目的。
44.在本实施中，试验筒302还开设有排气孔306。当试验筒302水平布置时，排气孔306位于试验筒302的正上方；而当试验筒302竖向布置时，排气孔306位于试验筒302的一侧，以排出试验筒302内的气体，模拟大气环境。
45.由于试验筒302能够水平或竖向布置来模拟不同路径的渗流试验，因此试验筒302的布置方式不同时，渗流口305也需适应性修改，以方便结构的布置和物料的收集。具体地，本实施例中试验筒302的第二端布设有法兰307，同时如图5所示，备有带渗流口305的水平渗流接头308、第一竖向渗流接头309和第二竖向渗流接头310等不同的法兰接头，采用法兰连接的方式拆装较为方便，且密闭性好。
46.其中，水平渗流接头308用于试验筒302水平布置时渗流，其渗流口305相对于中心轴是倾斜向下的；第一竖向渗流接头309用于试验筒302竖直布置时自下而上渗流，其渗流口305相对于中心轴沿径向延伸，此时第一进水口304的相应管路从安装孔处安装；第二竖
向渗流接头310用于试验筒302竖直布置时自上而下渗流，其渗流口 305整体呈漏斗形并相对于中心轴对称，此时漏斗形渗流口305整体从安装孔处向下伸出。因此，需要进行不同路径的渗流时，能够方便地转接不同的法兰接头。
47.在本实施例中，数据采集组件400包括数显压力表401。其中，数显压力表401一一对应地与测压孔311通过测压管连接，以测量、实时显示各个测压孔处的压力。
48.由于试验台301上的试验筒302具有水平和竖向的两种布置方式，为便于各个数显压力表401的安装，本实施例中试验台301上布设有水平压力表固定板402以及竖向压力表固定板403，同样也采用可选择安装的方式。其中，水平压力表固定板402水平布置，用于水平渗流时安装全部的数显压力表401，竖向压力表固定板403竖向布置，用于竖向渗流时安装全部的数显压力表401。因此，各个数显压力表401能够依次安装在距各个测压孔311合适的位置，其测压管无需延长、交错等，进一步提升了装置布设的便捷性。
49.在本实施例中，数据采集组件400还包括双视角检测相机404、秒表、试验筒筛网、量筒、烘干机和电子秤等。其中，双视角检测相机404为分体便携式设备，可以布置在试验筒302的两侧，用于观测渗流的颗粒情况，试验筒302则采用透明材料制成。秒表用于记录渗流所用时间。试验筒筛网放置在试验筒302的第二端，即法兰307位置，用于截留大颗粒的粗颗粒土，防止试验过程中试验柱303的整体坍塌。量筒、烘干机和电子秤用于收集渗流口305出来的液体和固体并分别量度，便于后续对渗流侵蚀进行评估。
50.在本实施例中振动仪500包括微型偏心激振器501和振动控制箱 502，微型偏心激振器501布设在试验筒302的外壁上，由振动控制箱502调节振动频率等。
51.实施例2：
52.本发明的实施例2提供了一种水平渗流路径的具体实施方式，包括如下步骤：
53.步骤一、将粗颗粒土试样等装入试验柱303中。
54.步骤二、连接装置各部分：将气泵101与供水罐经气管103连接，供水罐的出水口206与试验筒302的第一进水口304连通，将测压孔 311与数显压力表401经测压管连接，将试验筒筛网放入法兰307与水平渗流接头308的连接处，连接水平渗流接头308与试验柱303，将试验筒302水平放置于试验台301上，用螺栓固定住试验筒302的支座，水平压力表固定板402安装在试验台301上，将双视角检测相机404置于试验筒302两侧，以便观测试验柱303颗粒情况，连接完成后，关闭供水罐的排气口204、排水口207、出水口206。
55.步骤三、打开水龙头，水经第二进水口202进入罐体201，观察水位监测管208，达到指定液面高度后关闭水龙头。
56.步骤四、打开气泵101，通过调整稳压阀102至注水压力表205 达到指定压力。
57.步骤五、打开出水口206，使水进入试验筒302中，待试样完全饱和。
58.步骤六、收集渗流口305排出的液体及固体，记录数据并进行整理分析。
59.实施例3：
60.本发明的实施例3提供了一种竖向渗流路径(自下而上或自上而下)的具体实施方式，包括如下步骤：
61.步骤一、将粗颗粒土试样等装入试验柱303中。
62.步骤二、连接各部分装置：将气泵101与供水罐经气管103连接，供水罐的出水口206与试验筒302的第一进水口304连通，将测压孔 311与数显压力表401经测压管连接，将
试验筒筛网放入法兰307与第一竖向渗流接头309(或第二竖向渗流接头310)的连接处，连接第一竖向渗流接头309(或第二竖向渗流接头310)与试验柱303，将试验筒302竖立放置于试验台301上，竖向压力表固定板403安装在试验台301上，将双视角检测相机404置于试验筒302两侧，以便观测试验颗粒情况，连接完成后，关闭供水罐的排气口204、排水口 207、出水口206。
63.步骤三、打开水龙头，水经第二进水口202进入罐体201，观察水位监测管208，达到指定液面高度后关闭水龙头。
64.步骤四、打开气泵101，通过调整稳压阀102至注水压力表205 达到指定压力。
65.步骤五、打开出水口206，使水进入试验筒302中，待试样完全饱和。
66.步骤六、收集渗流口305排出的液体及固体，记录数据并进行整理分析。
67.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。