專利名稱：一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器。
背景技術(shù)：
水流對(duì)土體的沖刷是巖土工程和水利工程中最復(fù)雜的問題之一，河岸的崩塌、橋墩與丁壩的失穩(wěn)等大部分都是由于沖刷所引起構(gòu)筑物周圍土體流失造成的。土體在經(jīng)受沖刷時(shí)主要受到水流作用力(切應(yīng)力、上舉力)、自身有效重力以及顆粒間的粘結(jié)力的影響。水流作用力是水流施加在土體顆粒上促使其起動(dòng)、懸浮、沖刷的主要?jiǎng)恿?，而有效重力和顆粒間的粘結(jié)力是土體本身所固有的，是使其保持靜止不動(dòng)、抵抗水流運(yùn)移的主要阻力(即抗沖力)。當(dāng)水流作用力超過土體抗沖力時(shí)，就發(fā)生土體顆粒運(yùn)移、流失；如若土體在承受沖刷作用的同時(shí)受到滲流作用，則土體顆粒間的作用力、孔隙水壓力等都會(huì)產(chǎn)生很大的變化，使土體的抗沖力減小，更容易發(fā)生沖刷現(xiàn)象。而沖刷和滲流這兩種現(xiàn)象在河岸崩塌等問題中也時(shí)常相伴而生，如河岸在滲流作用下由于水流沖刷造成河岸土顆粒物質(zhì)的移動(dòng)，從而引起邊岸的變形、崩塌等問題。因此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)沖刷和滲流的問題，進(jìn)行了大量數(shù)值模擬，現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。如國(guó)內(nèi)的何建新教授在2010年初，實(shí)用新型了滲流力作用下泥沙啟動(dòng)流速試驗(yàn)裝置，主要研究滲流力下泥沙起動(dòng)的潛力，可改變傳統(tǒng)的依靠水流拖曳力表層啟動(dòng)泥沙的方式，具有重要的價(jià)值，但是該裝置沖刷槽不封閉，在水流流速等方面的測(cè)量有所欠缺，詳見< 劉亮，何建新，侯杰，楊力行，“點(diǎn)源滲流作用下泥沙起動(dòng)試驗(yàn)研究”，水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2011> Jean-Louis Briaud在 1991 年實(shí)用新型了一種儀器一Erosion Function Apparatus (EFA)用來測(cè)定土體或巖體的沖刷特性，較準(zhǔn)確的不同水流速度下土體或巖體的沖刷速率與切應(yīng)力之間的關(guān)系，最后得到土體或巖體的臨界切應(yīng)力或起動(dòng)流速，該儀器裝置精密， 實(shí)驗(yàn)過程嚴(yán)謹(jǐn)，但沒有考慮土體(或巖體)滲流的情況，詳見〈Briaud J. -L.，Chen H. -C.， 2005, "The EFA, Erosion Function Apparatus: An Overview", Proceedings of the International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering,Osaka, Japan, September 2005 >。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，能夠模擬土體滲流沖刷，實(shí)現(xiàn)各種不同條件下的試驗(yàn)方案；為研究滲流與沖刷耦合作用下土體顆粒的起動(dòng)、定性了解滲流沖刷機(jī)理、揭示沖刷與土樣基本性質(zhì)之間的定性關(guān)系、 修正滲流作用下的沖刷公式等提供實(shí)驗(yàn)條件。為此，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案它包括取土器部分、沖刷機(jī)構(gòu)部分；所述取土器部分包括可升降的垂直管狀盛土容器，所述盛土容器的底部為活塞， 所述盛土容器透明；所述取土器部分還包括能獨(dú)立于盛土容器升降的盛水容器，所述盛水容器連接提供壓縮空氣的裝置，所述管狀盛土容器的底部與盛水容器之間接通并設(shè)有閥；所述沖刷機(jī)構(gòu)部分包括處于管狀盛土容器上方的平放的沖刷管，所述沖刷管在管狀盛土容器的正上方設(shè)有與管狀盛土容器適配的開口，以供管狀盛土容器上升后與沖刷管相接并密封；所述沖刷機(jī)構(gòu)部分在所述開口的上下游分別設(shè)有流量計(jì)，在所述開口的上游設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，在所述開口的下游連接過濾裝置；所述沖刷管在設(shè)置所述開口的區(qū)段設(shè)有觀察窗，所述沖刷管的底部為平底。在采用上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還可采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案所述實(shí)驗(yàn)儀器包括支撐臺(tái)，所述沖刷管設(shè)置在支撐臺(tái)的上方，所述支撐臺(tái)內(nèi)在左右方向上被分呈四個(gè)區(qū)域，自左至右或自右至左依次為液體動(dòng)力區(qū)，用于設(shè)置沖刷用水的增壓水泵；滲流水提供區(qū)，用于設(shè)置所述盛水容器及其升降機(jī)構(gòu)；土樣提供區(qū)，用于設(shè)置盛土容器及其升降機(jī)構(gòu)；氣壓動(dòng)力提供及沖刷水過濾區(qū)，其下部用于設(shè)置向盛水容器提供壓縮氣體的氣壓裝置，其上部用于設(shè)置所述過濾裝置。所述氣壓裝置包括氣壓泵和儲(chǔ)氣罐。所述管狀盛土容器底部的活塞與盛水容器之間接通，所述活塞中空，其下部設(shè)有與水管連接的接口，其上部具有多個(gè)出水孔隙。盛土容器的升降機(jī)構(gòu)包括盛土容器的安裝定位座、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)中的蝸輪固定在所述安裝定位座上并連接有搖輪，蝸桿被固定不動(dòng)。所述活塞也被配備有升降機(jī)構(gòu)，所述升降機(jī)構(gòu)包括第二蝸桿、第二蝸輪，所述活塞和第二蝸桿連接，第二蝸輪安裝在盛土容器的安裝定位座上并連接有搖輪。盛水容器的升降機(jī)構(gòu)包括盛水容器的安裝定位座、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，蝸輪固定在所述安裝定位座上并連接有搖輪，所述蝸桿被固定不動(dòng)。本實(shí)用新型設(shè)有水箱，所述水箱的出水管路與所述水泵連接，所述過濾裝置的濾過水與所述水箱的進(jìn)水管路連接。所述盛水容器具有容積刻度，所述觀察窗上設(shè)有高度刻度。所述沖刷管采用橫截面為矩形的管。由于采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案，本實(shí)用新型在前人研究的基礎(chǔ)上，在模擬水流沖刷作用的同時(shí)還可對(duì)土體施加一個(gè)豎直向上的滲流作用，能研究土體或巖體在滲流作用下的水流沖刷特性，最后可得到巖土試樣的基本性質(zhì)、滲流作用及水流流速三者之間的定性關(guān)系，對(duì)揭示土體承受滲流與沖刷耦合作用的機(jī)理等具有重要的意義。本實(shí)用新型可以用來測(cè)定試樣在豎直滲流作用下被水流沖刷的情況。試驗(yàn)同時(shí)可變換研究土樣類型(粘土、粉土、砂土等)，水流速度，更改滲流的情況，實(shí)現(xiàn)各種不同條件下的試驗(yàn)方案；可研究滲流與沖刷耦合作用下土體顆粒的起動(dòng)，定性了解滲流沖刷機(jī)理，揭示沖刷與土樣基本性質(zhì)之間的定性關(guān)系，修正滲流作用下的沖刷公式等。

圖1為本實(shí)用新型所提供的實(shí)施例的總體示意圖。圖2為圖1的俯視圖。圖3為取土部分的放大示意圖。[0027]圖4為盛土容器的升降機(jī)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施方式
參照附圖。本實(shí)用新型包括取土器部分、沖刷機(jī)構(gòu)部分；所述取土器部分包括可升降的垂直管狀盛土容器1，所述盛土容器1的底部為活塞2，所述盛土容器1透明，附圖標(biāo)號(hào)10為土樣。盛土容器1上還連有活塞2下降的限位螺栓M。所述取土器部分還包括能獨(dú)立于盛土容器1升降的盛水容器3，所述盛水容器具有容積刻度。所述盛水容器通過管路31連接提供壓縮空氣的裝置，所述管狀盛土容器的底部與盛水容器之間通過管路32接通并設(shè)有閥33以控制接通狀態(tài)和流量，附圖標(biāo)號(hào)34為盛水容器的氣壓表。所述沖刷機(jī)構(gòu)部分包括處于管狀盛土容器1上方的平放的沖刷管4，所述沖刷管 4在管狀盛土容器1的正上方設(shè)有與管狀盛土容器1適配的開口 41，以供管狀盛土容器1 上升后與沖刷管4相接并密封；所述沖刷管4在設(shè)置所述開口 41的區(qū)段處設(shè)有觀察窗42， 所述觀察窗上設(shè)有高度刻度；所述沖刷管的底部為平底，以更好地模擬河流的底部形狀，同時(shí)，也便于具體地管狀盛土容器1與沖刷管4的連接密封，在本實(shí)施例中，所述沖刷管4采用橫截面為矩形的管，并通過轉(zhuǎn)接頭43、44分別與其上游和下游的圓形管連接。在所述觀察窗前還設(shè)有相機(jī)支架45。所述沖刷機(jī)構(gòu)部分在所述開口的上下游分別設(shè)有流量計(jì)46、47，在所述開口 41的上游設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥48，在所述開口的下游連接過濾裝置5，所述過濾裝置可采用帶紗網(wǎng)的過濾桶；所述實(shí)驗(yàn)儀器包括支撐臺(tái)6，所述沖刷管4設(shè)置在支撐臺(tái)6的上方，所述支撐臺(tái)6 內(nèi)在左右方向上被分呈四個(gè)區(qū)域，自左至右或自右至左依次為液體動(dòng)力區(qū)100，用于設(shè)置沖刷用水的增壓水泵7 ；滲流水提供區(qū)200，用于設(shè)置所述盛水容器3及其升降機(jī)構(gòu)；土樣提供區(qū)300，用于設(shè)置盛土容器1及其升降機(jī)構(gòu)；氣壓動(dòng)力提供及沖刷水過濾區(qū)400，其下部用于設(shè)置向盛水容器提供壓縮氣體的氣壓裝置，其上部用于設(shè)置所述過濾裝置。所述氣壓裝置包括氣壓泵35和儲(chǔ)氣罐36。本實(shí)施例中，所述管狀盛土容器底部由活塞2與盛水容器3接通，所述活塞中空 21，其下部設(shè)有與水管連接的接口 22，其上部具有多個(gè)出水孔隙23。盛土容器的升降機(jī)構(gòu)包括盛土容器的安裝定位座11、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)中的蝸輪111固定在所述安裝定位座11上并連接有搖輪112，蝸桿113被固定不動(dòng)。搖動(dòng)搖輪112，因蝸桿不動(dòng)，蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)加上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)安裝定位座11上升下降，并進(jìn)而使盛土容器上升下降，當(dāng)盛土容器到位后，將搖輪制動(dòng)及安裝定位座11側(cè)面的螺釘擰緊， 固定好安裝定位座11。附圖標(biāo)號(hào)14為安裝定位座11的升降導(dǎo)向桿。所述活塞2也被配備有升降機(jī)構(gòu)，所述升降機(jī)構(gòu)包括第二蝸桿213、第二蝸輪211， 所述活塞2和第二蝸桿213連接，第二蝸輪211安裝在盛土容器的安裝定位座11上并連接有搖輪212。搖動(dòng)搖輪212，蝸輪211轉(zhuǎn)動(dòng)，因蝸輪211固定在安裝定位座11上不能升降， 從而帶動(dòng)蝸桿213上下移動(dòng)，推動(dòng)活塞2向上移動(dòng)，上到一定高度時(shí)，將搖輪制動(dòng)即可。[0041]盛水容器的升降機(jī)構(gòu)包括盛水容器的安裝定位座37、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，蝸輪311固定在所述安裝定位座37上并連接有搖輪312，所述蝸桿313被固定不動(dòng)。盛水容器的升降方法與盛土容器的相同。附圖標(biāo)號(hào)30為安裝定位座37的升降導(dǎo)向桿。本實(shí)用新型設(shè)有水箱8，所述水箱的出水管路81與所述水泵7連接，附圖標(biāo)號(hào)82 為出水管路81上的閥，所述過濾裝置的濾過水與所述水箱8的進(jìn)水管路83連接。水泵的出水管路為圓管84，圓管84與沖刷管4之間連接的變截面管85內(nèi)裝有穩(wěn)流裝置，用來穩(wěn)定水流。以下結(jié)合試驗(yàn)過程對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述試驗(yàn)前要對(duì)土樣進(jìn)行基本性質(zhì)測(cè)試，得到土樣的滲透系數(shù)K、密度P、含水量ω等基本參數(shù)。然后進(jìn)行裝樣，將裝有土樣10的盛土容器1放入相應(yīng)安裝定位座11上，固定好， 搖動(dòng)搖輪112，使盛土容器1上升，頂部到達(dá)沖刷管4開口 41，停止搖動(dòng)搖輪112，搖動(dòng)搖輪 212，使活塞2上升，推動(dòng)土樣上升，從觀察窗中看到土樣頂部與沖刷管4底部持平時(shí)，停止搖動(dòng)搖輪212。其次開始試驗(yàn)，打開閥門82、48，起動(dòng)水泵7，同時(shí)從觀察窗中觀察水流流態(tài)，直到水流充滿沖刷管4。調(diào)整閥門48，觀測(cè)流量計(jì)46、47的讀數(shù)，使得水流流速調(diào)整到所需的范圍內(nèi)，記錄此時(shí)的流量Qp ( ，并打開設(shè)置在相機(jī)支架45上的高速照相機(jī)，全程監(jiān)控。關(guān)閉閥門33，可進(jìn)行無滲流情況下的沖刷試驗(yàn)，搖動(dòng)搖輪212，推動(dòng)土樣上升，從觀察窗中觀測(cè)土樣上升達(dá)到所需的高度時(shí)，停止搖動(dòng)搖輪212，記錄此時(shí)土樣上升的高度H’，并開始計(jì)時(shí) t0'；打開閥門33，對(duì)滲流作用下土體的沖刷特性進(jìn)行試驗(yàn)，搖動(dòng)氣壓泵搖輪314，直到氣壓表34指針指向所需要的值時(shí)，停止搖動(dòng)，記錄此時(shí)的壓強(qiáng)值Ptl，從盛土容器1中觀測(cè)土樣中水的滲流情況，當(dāng)水流滲流到土樣頂部時(shí)，搖動(dòng)搖輪212，推動(dòng)土樣上升，從觀察窗中觀測(cè)土樣上升達(dá)到所需的高度時(shí)，停止搖動(dòng)搖輪212，記錄此時(shí)土樣上升的高度H，開始計(jì)時(shí)t。，并測(cè)量、記錄整個(gè)滲流過程中盛水容器3與盛土容器1的水頭差Δ h。最后，從觀察窗中觀測(cè)到土樣頂部基本與沖刷管4底部持平時(shí)，認(rèn)為已沖刷完畢， 停止計(jì)時(shí)，記錄此時(shí)、。關(guān)閉水泵7、閥門82、48。試驗(yàn)終止。目的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理階段應(yīng)用到以下幾個(gè)主要參數(shù)1、水流流速V 水流穩(wěn)定時(shí)，由流量計(jì)46、47的讀數(shù)Q1, Q2計(jì)算得到，V= ^，A為沖刷管4的截面面積，采用平均流速；
-Λ2、滲透系數(shù)K 結(jié)合常規(guī)土工試驗(yàn)(滲流試驗(yàn))獲得；3、水頭壓強(qiáng)P 試驗(yàn)時(shí)由氣壓表34讀數(shù)Ptl及滲流作用時(shí)盛水容器3與盛土容器1 的水頭差Δ h根據(jù)公式P= P0+ P水g Δ h計(jì)算得到4、切應(yīng)力τ 根據(jù)水流流速V由Jean-Louis Briaud在文章中提到的公式 τ = -fp￥-查 Moody Chart 得到；
S[0054]5、沖刷速率Ζ:滲流情況下由公式Ζ="^^計(jì)算得到，無滲流情況下由公式
Z= a:計(jì)算得到，Η、Η’為i式驗(yàn)開始時(shí)，搖云力搖輪212使±樣由沖刷管4底部位置±升
的高度，^tci’為沖刷的起始時(shí)間，、為沖刷的終止時(shí)間。試驗(yàn)時(shí)，可改變水流流速值V和水頭壓強(qiáng)P值，最后得到①水流流速V不變時(shí)，沖刷速率Z與滲透系數(shù)K及不同的水頭壓強(qiáng)P的關(guān)系曲線。 試樣土樣的滲透系數(shù)K是一定的，水頭壓強(qiáng)P增大，土體受到的向上滲透力也相應(yīng)增大，使得土體顆粒的抗沖刷力相應(yīng)減小，觀測(cè)此時(shí)的沖刷速率Z的變化，與比無滲流情況進(jìn)行對(duì)比。②水頭壓強(qiáng)P不變時(shí)，沖刷速率Z與水流流速V或切應(yīng)力τ的關(guān)系曲線，得到起動(dòng)流速Vcr或臨界切應(yīng)力τ cr。將此滲流作用下的Z— V或Z— τ曲線與無滲流情況下的 Z—V或Z— τ曲線進(jìn)行對(duì)比，分析土體在滲流作用下的沖刷機(jī)理。③水流流速V和水頭壓強(qiáng)P不變，改變滲透系數(shù)K，即對(duì)不同的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同的沖刷特性，分析驗(yàn)證不同土體的滲流與沖刷耦合作用機(jī)制。
權(quán)利要求1.一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于它包括取土器部分、沖刷機(jī)構(gòu)部分；所述取土器部分包括可升降的垂直管狀盛土容器，所述盛土容器的底部為活塞，所述盛土容器透明；所述取土器部分還包括能獨(dú)立于盛土容器升降的盛水容器，所述盛水容器連接提供壓縮空氣的裝置，所述管狀盛土容器的底部與盛水容器之間接通并設(shè)有閥；所述沖刷機(jī)構(gòu)部分包括處于管狀盛土容器上方的平放的沖刷管，所述沖刷管在管狀盛土容器的正上方設(shè)有與管狀盛土容器適配的開口，以供管狀盛土容器上升后與沖刷管相接并密封；所述沖刷機(jī)構(gòu)部分在所述開口的上下游分別設(shè)有流量計(jì)，在所述開口的上游設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，在所述開口的下游連接過濾裝置；所述沖刷管在設(shè)置所述開口的區(qū)段設(shè)有觀察窗，所述沖刷管的底部為平底。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于所述實(shí)驗(yàn)儀器包括支撐臺(tái)，所述沖刷管設(shè)置在支撐臺(tái)的上方，所述支撐臺(tái)內(nèi)在左右方向上被分呈四個(gè)區(qū)域，自左至右或自右至左依次為液體動(dòng)力區(qū)，用于設(shè)置沖刷用水的增壓水泵；滲流水提供區(qū)，用于設(shè)置所述盛水容器及其升降機(jī)構(gòu)；土樣提供區(qū)，用于設(shè)置盛土容器及其升降機(jī)構(gòu)；氣壓動(dòng)力提供及沖刷水過濾區(qū)，其下部用于設(shè)置向盛水容器提供壓縮氣體的氣壓裝置，其上部用于設(shè)置所述過濾裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于所述氣壓裝置包括氣壓泵和儲(chǔ)氣罐。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于所述管狀盛土容器底部的活塞與盛水容器之間接通，所述活塞中空，其下部設(shè)有與水管連接的接口，其上部具有多個(gè)出水孔隙。
5.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于盛土容器的升降機(jī)構(gòu)包括盛土容器的安裝定位座、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)中的蝸輪固定在所述安裝定位座上并連接有搖輪，蝸桿被固定不動(dòng)。
6.如權(quán)利要求5所述的一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于所述活塞也被配備有升降機(jī)構(gòu)，所述升降機(jī)構(gòu)包括第二蝸桿、第二蝸輪，所述活塞和第二蝸桿連接，第二蝸輪安裝在盛土容器的安裝定位座上并連接有搖輪。
7.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于盛水容器的升降機(jī)構(gòu)包括盛水容器的安裝定位座、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，蝸輪固定在所述安裝定位座上并連接有搖輪，所述蝸桿被固定不動(dòng)。
8.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于它設(shè)有水箱，所述水箱的出水管路與所述水泵連接，所述過濾裝置的濾過水與所述水箱的進(jìn)水管路連接。
9.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于所述盛水容器具有容積刻度，所述觀察窗上設(shè)有高度刻度。
10.如權(quán)利要求1或2所述的一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，其特征在于所述沖刷管采用橫截面為矩形的管。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種用于土體滲流沖刷特性研究的試驗(yàn)儀器，包括取土器部分、沖刷機(jī)構(gòu)部分；取土器部分包括可升降的垂直管狀透明盛土容器，盛土容器的底部為活塞；取土器部分還包括能獨(dú)立于盛土容器升降的盛水容器，盛水容器連接提供壓縮空氣的裝置；所述沖刷機(jī)構(gòu)部分包括處于管狀盛土容器上方的平放的沖刷管，沖刷管在盛土容器的正上方設(shè)有與盛土容器適配的開口，以供管狀盛土容器上升后與沖刷管相接并密封。本實(shí)用新型能夠模擬土體滲流沖刷，實(shí)現(xiàn)各種不同條件下的試驗(yàn)方案；為研究滲流與沖刷耦合作用下土體顆粒的起動(dòng)、定性了解滲流沖刷機(jī)理、揭示沖刷與土樣基本性質(zhì)之間的定性關(guān)系、修正滲流作用下的沖刷公式等提供實(shí)驗(yàn)條件。
文檔編號(hào)G01N3/56GK202305354SQ20112037919
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者國(guó)振, 李玲玲, 王立忠, 馬麗麗 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)