一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置

1.本实用新型涉及岩土工程渗流试验领域，尤其涉及的是一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置。


背景技术：

2.渗流潜蚀是指在一定的水力梯度下，水流在地基中产生较大的动水压力，钙质砂内部抗冲刷能力小的细颗粒容易被渗流溶蚀或挟走，并形成渗流通道的现象，最终使土体结构发生破坏。由于钙质砂受压容易破碎的特性，会导致钙质砂地基在受到地表荷载时发生强度的改变，更容易受到渗流潜蚀的影响。渗流潜蚀是造成回填钙质砂地基发生破坏的主要原因之一，是岩土工程领域研究的重点。
3.目前，对于钙质砂渗流潜蚀的研究均是在钙质砂不发生改变的情况下进行的实验研究，尚未引入钙质砂破碎的相关研究，缺乏试验装置及试验方法。因此，现有的技术还有待完善和发展。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，旨在引入钙质砂经破碎的渗流潜蚀研究，使钙质砂的渗流潜蚀研究更加符合实际情况。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，包括：
7.注水单元、三轴压缩破碎单元、砂水分离单元及渗流量测量单元，其中，所述注水单元，与三轴压缩破碎单元通过水管连接，用于向三轴压缩破碎单元注水；所述三轴压缩破碎单元，用于钙质砂破碎处理，底部设置有一带孔石板，所述带孔石板用于将经破碎获得的钙质砂碎颗粒和注入的水流出；所述三轴压缩破碎单元包括侧面施压子单元、轴向加压子单元及钙质砂放置子单元，其中，所述钙质砂放置子单元，置于侧面施压子单元内，用于放置钙质砂；所述侧面施压子单元，用于向钙质砂放置子单元放置的钙质砂施加恒定的周围压力；所述轴向加压子单元，设置于钙质砂放置子单元上方，用于向钙质砂放置子单元放置的钙质砂施加竖直向下的力；所述砂水分离单元，设置于带孔石板下方，用于分离经带孔石板流出的钙质砂碎颗粒和水；所述渗流量测量单元，用于测量单位时间流出的水量。
8.如上所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其中，所述注水单元包括依次设置的气压罐、气阀、水箱及水压调节阀，其中，所述气压罐用于向水箱输入恒定气压，所述气阀用于控制气压罐的开关，所述水箱用于储存实验用水，在恒定气压推动下水箱中的水以恒定流速流入钙质砂试样；所述水压调节阀用于控制和显示水流速度。
9.如上所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其中，水箱上端设置有气管，气压罐通过气管向水箱输入恒定气压，水箱下端设置有出水管，出水管末端连接在钙质砂放置子单元上方。
10.如上所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其中，所述侧面施压子单元包括有机玻璃罩、空压机及气压调节阀，其中，所述有机玻璃罩将钙质砂试样隔离出一个密封的压力室，所述气压调节阀，与空压机连接，用于调节压力室的气体压强大小。
11.如上所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其中，所述轴向加压子单元由轴向加压电机、传压活塞、压力传感器和位移传感器组成，其中，所述轴向加压电机用于产生轴向压力对钙质砂压缩，所述传压活塞将电机产生的集中力均匀分散并传递给钙质砂，所述压力传感器用于获取钙质砂所受压力，所述位移传感器用于获取钙质砂移动位移。
12.如上所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其中，所述钙质砂放置子单元包括底座、橡皮膜、试样帽和带孔石板，其中，所述橡皮膜用于将钙质砂与压力室空气隔离；所述试样帽用于对放置的钙质砂定形，便于均匀接受活塞的压力。
13.如上所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其中，所述砂水分离单元包括导流底座、过滤容器及滤胆，其中，所述导流底座用于收集流出钙质砂的渗流；所述过滤容器用于接收渗流；所述滤胆用于分离渗流中的细小的钙质砂碎颗粒和水。
14.如上所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其中，所述渗流量测量单元包括量筒和电子秤，其中，所述量筒用来容纳渗流；所述电子秤用于测量单位时间流出钙质砂试样的渗流量。
15.如上所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其中，所述渗流量测量单元包括连通的两个量筒。
16.与现有技术相比，本方案的有益效果如下：
17.本实用新型提供的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，包括注水单元、三轴压缩破碎单元、砂水分离单元及渗流量测量单元，其中，所述注水单元，与三轴压缩破碎单元通过水管连接，用于向三轴压缩破碎单元注水；所述三轴压缩破碎单元，用于钙质砂破碎处理，底部设置有一带孔石板，所述带孔石板用于将经破碎获得的钙质砂碎颗粒和注入的水流出；所述砂水分离单元，设置于带孔石板下方，用于分离经带孔石板流出的钙质砂碎颗粒和水；所述渗流量测量单元，用于测量单位时间流出的水量。使钙质砂的渗流潜蚀研究更加符合实际情况，有助于钙质砂在表面荷载下渗流潜蚀破坏相关机理的研究，克服了钙质砂渗流潜蚀实际工程研究中尺寸过大研究不便、花费较大及耗时较长的缺陷。
附图说明
18.图1是本实用新型的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置示意图；
19.图中各标号：1、气压罐；2、气阀；3、水箱；4、水压调节阀；5、底座；6、带孔石板；7、钙质砂；8、橡皮膜；9、试样帽；10、有机玻璃罩；11、压力室；12、空压机；13、气压调节阀；14、传压活塞；15、压力传感器；16、位移传感器；17、轴向加压电机；18、导流底座；19、过滤容器；20、滤胆；21、量筒；22、电子秤。
具体实施方式
20.本实用新型提供了一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新
型。
21.请参见图1，图1是本实用新型的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置示意图，如图1所示，本实用新型的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，包括：注水单元、三轴压缩破碎单元、砂水分离单元及渗流量测量单元，其中，所述注水单元，与三轴压缩破碎单元通过水管连接，用于向三轴压缩破碎单元注水；所述三轴压缩破碎单元，用于钙质砂破碎处理，底部设置有一带孔石板6，所述带孔石板6用于将经破碎获得的钙质砂碎颗粒和注入的水流出；所述三轴压缩破碎单元包括侧面施压子单元、轴向加压子单元及钙质砂放置子单元，其中，所述钙质砂放置子单元，置于侧面施压子单元内，用于放置钙质砂7；所述侧面施压子单元，用于向钙质砂放置子单元放置的钙质砂7施加恒定的周围压力；所述轴向加压子单元，设置于钙质砂放置子单元上方，用于向钙质砂放置子单元放置的钙质砂施加竖直向下的力；所述砂水分离单元，设置于带孔石板6下方，用于分离经带孔石板流出的钙质砂碎颗粒和水；所述渗流量测量单元，用于测量单位时间流出的水量。具体的，三轴压缩破碎单元用于钙质砂7破碎处理，可以从侧面及上方对钙质砂7施压破碎，钙质砂7破碎后形成钙质砂7碎颗粒，钙质砂7碎颗粒经带孔石板6流入砂水分离单元，砂水分离单元将钙质砂7碎颗粒与水分离。本实用新型采用在渗流条件下的三轴压缩实验，提供钙质砂7地基渗流潜蚀试验装置和实验方法，可实现在颗粒破碎和渗流耦合作用下钙质砂7试样渗流潜蚀导致的失稳破坏，有助于对钙质砂7的相关稳定性机理的研究。
22.关于注水单元的设置，本实用新型提供的较佳实施例，注水单元包括依次设置的气压罐1、气阀2、水箱3及水压调节阀4，其中，所述气压罐1用于向水箱3输入恒定气压，所述气阀2用于控制气压罐1的开关，所述水箱3用于储存实验用水，在恒定气压推动下水箱3中的水以恒定流速流入钙质砂试样；所述水压调节阀4用于控制和显示水流速度。具体的，实验用水在气压的推动下以恒定流速流过钙质砂试样，水压调节阀可以调节水流速度，这样即可研究不同水流流速下钙质砂的渗流侵蚀。
23.关于三轴压缩破碎单元的设置，本实用新型提供的较佳实施例，所述三轴压缩破碎单元包括侧面施压子单元、轴向加压子单元及钙质砂放置子单元，其中，所述钙质砂放置子单元，置于侧面施压子单元内，用于放置钙质砂7；所述侧面施压子单元，用于向钙质砂放置子单元放置的钙质砂7施加恒定的周围压力；所述轴向加压子单元，设置于钙质砂放置子单元上方，用于向钙质砂放置子单元放置的钙质砂7施加竖直向下的力。设置三轴压缩破碎单元是为了模拟地基中钙质砂的真实受力，使钙质砂破碎形成钙质砂碎颗粒，使钙质砂的渗流侵蚀的研究更加符合实际情况。
24.关于侧面施压子单元的设置，本实用新型提供的较佳实施例，所述侧面施压子单元包括有机玻璃罩10、空压机12及气压调节阀13，其中，所述有机玻璃罩10将钙质砂7试样隔离出一个密封的压力室11，所述气压调节阀13，与空压机12连接，用于调节压力室11的气体压强大小。对钙质砂侧面施压，是通过气压完成的，首先用橡皮膜包裹对钙质砂试样包裹，橡皮膜具备弹性和不透气性，然后对橡皮膜外部空气加压，对外部空气进行加压时需要对空气进行隔离，本实用新型采用有机玻璃罩在钙质砂试样周围隔离处一个密封的压力室，然后通过空压机对密封的压力室加压，实现对钙质砂试样的侧面施压。
25.关于轴向加压子单元的设置，本实用新型提供的较佳实施例，所述轴向加压子单元由轴向加压电机17、传压活塞14、压力传感器15和位移传感器16组成，其中，所述轴向加
压电机17用于产生轴向压力对钙质砂7压缩，所述传压活塞14将电机产生的集中力均匀分散并传递给钙质砂7，所述压力传感器15用于获取钙质砂所受压力，所述位移传感器16用于获取钙质砂移动位移。具体的，获取钙质砂所受压力和移动位移，是获取钙质砂试样上表面所受压力和形变大小，由于力是相互的，获取的上表面钙质砂所受压力和形变大小可以反应钙质砂所受压力和移动位移。
26.关于钙质砂放置子单元的设置，本实用新型提供的较佳实施例，所述钙质砂放置子单元包括底座5、橡皮膜8、试样帽9和带孔石板6，其中，所述橡皮膜8用于将钙质砂7与压力室11空气隔离；所述试样帽9用于对放置的钙质砂7定形，便于均匀接受活塞的压力。设置带孔石板6用于将钙质砂碎颗粒和水流出，根据流出的钙质砂碎颗粒质量即可获知钙质砂的渗流侵蚀情况。
27.关于砂水分离单元的设置，本实用新型提供的较佳实施例，所述砂水分离单元包括导流底座18、过滤容器19及滤胆20，其中，所述导流底座18用于收集流出钙质砂7的渗流；所述过滤容器19用于接收渗流，过滤容器19是通过软管深入导流底座18中密封连接的内容，从而形成连通器，渗流能够进入右侧量筒；所述滤胆20用于分离渗流中的细小的钙质砂7碎颗粒和水。具体的，砂水从带孔石板流出，对砂水分离是将砂水中的钙质砂碎颗粒与水分离，分离出钙质砂碎颗粒，是为了研究砂水中钙质砂碎颗粒的含量，以及钙质砂试样的破碎率。
28.关于渗流量测量单元的设置，本实用新型提供的较佳实施例，所述渗流量测量单元包括量筒21和电子秤22，其中，所述量筒21用来容纳渗流；所述电子秤22用于测量单位时间流出钙质砂7试样的渗流量。具体的，研究砂水中钙质砂碎颗粒含量，必须对渗流液定量，则需要测量渗流液体积和质量，渗流液是指砂水分离出钙质砂碎颗粒后液体。需要说明的是，本实用新型设置了两个连通的量筒，在正式实验前，进行的实验准备工作是先开启渗流进入试样并且使得左侧量筒装满水；然后电子秤清零，开启三轴压缩装置开始正式实验。设置两个量筒，左侧量筒用来装实验准备阶段的水，目的是为了正式实验一开始电子秤就能记录数据。如果没有实验准备工作的过程，同时开启压缩装置和渗流，会导致实验一开始水流出试样后还得经过导管和砂水分离系统，对测量钙质砂渗透系数会造成较大误差。在实验过程中装置左侧的水箱始终向钙质砂试样输送渗流，并且会以一定的流速经过试样，并持续对底部水管内的水提供一定的水压，使得量筒中的水位上升并高于底部水管。
29.上述一种用于模拟钙质砂7渗流潜蚀的试验装置的使用方法如下：
30.第一步：准备不同粒径的钙质砂颗粒，并搅拌均匀，根据级配曲线制备出符合要求的钙质砂试样；
31.第二步：在底座5上放置带孔石板6，用橡皮圈将橡皮膜8下端扎紧在底座上。装上对开圆膜，使得橡皮膜紧贴对开圆膜内侧，用漏斗将钙质砂分批次倒入橡皮膜8内；装上试样帽，扎紧橡皮膜8。随后拆除对开圆膜；然后将传压活塞14对准试样帽9中心，装上有机玻璃罩10；
32.第三步：开启空压机12和气压调节阀13，对钙质砂试样7施加一定的围压；打开气压罐1和气阀2，使水箱3中的水充满过滤容器19和渗流量测量单元的量筒21左侧部分。
33.第四步：将压力传感器15、位移传感器16和电子秤22的读数均调整至零；打开轴向加压电机17，选择剪切应变速率每分钟0.1％～5％进行剪切，直到压力传感器达到峰值并
且轴向应变为15％～20％为止；
34.第五步：试样每产生0.3％～0.4％的轴向应变，读取一次压力传感器15、位移传感器16和电子秤22的读数；轴向变形和压力用以绘制钙质砂试样7的强度曲线，单位时间的渗流量用以计算钙质砂试样的渗透系数；
35.第六步：关闭轴向加压电机17和空压机12，关气压罐1，打开压力室外罩10，取出试样烘干，测定试验后的钙质砂颗粒级配；取出滤胆20中的钙质砂细颗粒并烘干称重。
36.综上所述，本实用新型提供的一种用于模拟钙质砂7渗流潜蚀的试验装置，包括注水单元、三轴压缩破碎单元、砂水分离单元及渗流量测量单元，其中，所述注水单元，与三轴压缩模拟单元通过水管连接，用于向三轴压缩破碎单元注水；所述三轴压缩破碎单元，用于钙质砂7破碎处理，底部设置有一带孔石板6，所述带孔石板6用于将经破碎获得的钙质砂7碎颗粒和注入的水流出；所述砂水分离单元，设置于带孔石板6下方，用于分离经带孔石板6流出的钙质砂7碎颗粒和水；所述渗流量测量单元，用于测量单位时间流出的水量。使钙质砂7的渗流潜蚀研究更加符合实际情况，有助于钙质砂7在表面荷载下渗流潜蚀破坏相关机理的研究，克服了钙质砂7渗流潜蚀实际工程研究中尺寸过大研究不便、花费较大及耗时较长的缺陷。
37.应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其特征在于，包括：注水单元、三轴压缩破碎单元、砂水分离单元及渗流量测量单元，其中，所述注水单元，与三轴压缩破碎单元通过水管连接，用于向三轴压缩破碎单元注水；所述三轴压缩破碎单元，用于钙质砂破碎处理，底部设置有一带孔石板，所述带孔石板用于将经破碎获得的钙质砂碎颗粒和注入的水流出；所述三轴压缩破碎单元包括侧面施压子单元、轴向加压子单元及钙质砂放置子单元，其中，所述钙质砂放置子单元，置于侧面施压子单元内，用于放置钙质砂；所述侧面施压子单元，用于向钙质砂放置子单元放置的钙质砂施加恒定的周围压力；所述轴向加压子单元，设置于钙质砂放置子单元上方，用于向钙质砂放置子单元放置的钙质砂施加竖直向下的力；所述砂水分离单元，设置于带孔石板下方，用于分离经带孔石板流出的钙质砂碎颗粒和水；所述渗流量测量单元，用于测量单位时间流出的水量。2.根据权利要求1所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其特征在于，所述注水单元包括依次设置的气压罐、气阀、水箱及水压调节阀，其中，所述气压罐用于向水箱输入恒定气压，所述气阀用于控制气压罐的开关，所述水箱用于储存实验用水，在恒定气压推动下水箱中的水以恒定流速流入钙质砂试样；所述水压调节阀用于控制和显示水流速度。3.根据权利要求2所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其特征在于，水箱上端设置有气管，气压罐通过气管向水箱输入恒定气压，水箱下端设置有出水管，出水管末端连接在钙质砂放置子单元上方。4.根据权利要求3所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其特征在于，所述侧面施压子单元包括有机玻璃罩、空压机及气压调节阀，其中，所述有机玻璃罩将钙质砂试样隔离出一个密封的压力室，所述气压调节阀，与空压机连接，用于调节压力室的气体压强大小。5.根据权利要求3所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其特征在于，所述轴向加压子单元由轴向加压电机、传压活塞、压力传感器和位移传感器组成，其中，所述轴向加压电机用于产生轴向压力对钙质砂压缩，所述传压活塞将电机产生的集中力均匀分散并传递给钙质砂，所述压力传感器用于获取钙质砂所受压力，所述位移传感器用于获取钙质砂移动位移。6.根据权利要求3所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其特征在于，所述钙质砂放置子单元包括底座、橡皮膜、试样帽和带孔石板，其中，所述橡皮膜用于将钙质砂与压力室空气隔离；所述试样帽用于对放置的钙质砂定形，便于均匀接受活塞的压力。7.根据权利要求1所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其特征在于，所述砂水分离单元包括导流底座、过滤容器及滤胆，其中，所述导流底座用于收集流出钙质砂的渗流；所述过滤容器用于接收渗流；所述滤胆用于分离渗流中的细小的钙质砂碎颗粒和水。8.根据权利要求1所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其特征在于，所述渗流量测量单元包括量筒和电子秤，其中，所述量筒用来容纳渗流；所述电子秤用于测量单位时间流出钙质砂试样的渗流量。9.根据权利要求8所述的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，其特征在于,所述
渗流量测量单元包括连通的两个量筒。

技术总结
本实用新型提供的一种用于模拟钙质砂渗流潜蚀的试验装置，包括注水单元、三轴压缩破碎单元、砂水分离单元及渗流量测量单元，其中，所述注水单元用于向三轴压缩破碎单元注水；所述三轴压缩破碎单元用于钙质砂破碎处理，底部设置有一带孔石板，所述带孔石板用于将经破碎获得的钙质砂碎颗粒和注入的水流出；所述砂水分离单元用于分离经带孔石板流出的钙质砂碎颗粒和水；所述渗流量测量单元用于测量单位时间流出的水量。使钙质砂的渗流潜蚀研究更加符合实际情况，有助于钙质砂在表面荷载下渗流潜蚀破坏相关机理的研究。蚀破坏相关机理的研究。蚀破坏相关机理的研究。


技术研发人员：丘元毅 熊昊 金银富 王翔 洪成雨 陈湘生
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：2023.01.12
技术公布日：2023/8/13