技术摘要：
本发明提供一种模拟砂土内细颗粒水平渗流侵蚀的试验装置及试验方法，包括土体贮存系统、第一水箱、缓冲圆筒、第二水箱以及若干测压管，土体贮存系统由首端试验圆筒、若干中间试验圆筒和末端试验圆筒依次拼装为一体，第一水箱与缓冲圆筒连通，第一水箱的两侧沿高度方向  全部
背景技术：
渗流侵蚀指的是土体中的细颗粒由于渗透水流的作用在粗颗粒之间的孔隙中移 动、流失的现象。近年来针对渗流侵蚀的各项研究表明，无论是在地下工程领域还是在地质 灾害防控领域，如果放任渗流侵蚀持续发展，会造成土体的孔隙比增大，刚度减小，脆性增 大并呈现出各向异性进而危及工程安全。在地质灾害防控领域中，长期渗流侵蚀作用在集 水建筑物周围土体将会改变挡水土坝土体参数最终引起管涌，而坡面径流侵蚀也将引起滑 坡、泥石流等地质灾害。在地下工程领域中，特别是在地下水位较高的地区，渗流过程中孔 隙水冲刷侵蚀土骨架使细颗粒在孔隙中移动造成细颗粒流失，土颗粒重新排列、沉积，导致 土体细观结构、渗透性以及强度等力学特性发生改变，最终造成建(构)筑物及其周围地面 沉降。砂土渗流侵蚀后可能造成细颗粒逐渐流失，由此所引起的渗透系数、颗粒级配、干密 度等砂土土性的变化规律应从细观尺度上进行分析，因此对室内试验精度有着较高的要 求。现有的针对渗流侵蚀的试验研究大多采用竖向渗流的方式而水平方向渗流的试验研究 较少，即使有少量水平渗流侵蚀的试验，在试验精度上尚有欠缺。 经对现有的技术文献检索发现：申请号为CN201820463051.1的中国专利，公开了 “一种用于测量渗流侵蚀的实验装置”；该装置可以模拟不同水力梯度下渗流过程中细颗粒 侵蚀过程，测定渗流侵蚀对土体几何、水力性能的影响，但其模拟的渗流方向仅为竖向。申 请号为CN201710807447.3的中国专利，公开了“一种水平渗流实验装置及其试验方法”；该 装置能够有效模拟自然界中岩土介质体的分层堆积情况，且能够准确测得岩土介质体的水 平渗透系数，但难以模拟土体渗流侵蚀过程及渗流侵蚀后土性的变化。申请号为 CN201810056057.1的中国专利，公开了一种“模拟深部含水层砂土内细颗粒渗流侵蚀的室 内试验方法”，该方法可以用于确定深部含水层砂土内细颗粒渗流侵蚀过程及其对含水层 砂土变形的影响，主要目的是获得砂土变形量。虽然也对颗粒变化进行了分析，但该专利的 实施步骤尤其是在体积相对较大的土贮存槽中铺设土样的过程过于粗犷，由此所获得的颗 粒变化结果有较大可能是试验误差造成的，试验精度较低，且无法测定侵蚀引起的细颗粒 向试验槽外部流失的体量即细颗粒流失量。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模拟砂土内细颗粒水平渗流侵 蚀的试验装置及试验方法。 本发明第一个方面提供一种模拟砂土内细颗粒水平渗流侵蚀的试验装置，包括： 土体贮存系统，包括用于放置土样的试验圆筒，所述试验圆筒包括首端试验圆筒、 若干中间试验圆筒和末端试验圆筒，所述首端试验圆筒、若干所述中间试验圆筒以及所述 6 CN 111579454 A 说　明　书 2/12 页 末端试验圆筒之间首尾依次拼装为一体，且所述首端试验圆筒、所述末端试验圆筒分别位 于若干所述中间试验圆筒的两端；所述试验圆筒的筒体外壁设有用于插入测压管的测压管 接口，且所述测压管接口与筒体的轴线方向垂直；所述末端试验圆筒一侧的端面设有末端 滤网，所述末端滤网的外侧设有底座，所述底座能使所述末端试验圆筒的端面封闭； 设置于所述土体贮存系统一侧的第一水箱，所述第一水箱用于贮存水并调控试验 水位，所述第一水箱的两侧沿高度方向分别设有对称分布的若干溢水口、若干出水口； 设置于所述首端试验圆筒一端的缓冲圆筒，所述缓冲圆筒用于阻隔所述土体贮存 系统中土样的细颗粒反渗入所述第一水箱；所述缓冲圆筒的一端与所述首端试验圆筒的端 部连接，所述缓冲圆筒的另一端与所述第一水箱的出水口通过管路连通； 设置于所述末端滤网下方的具有出水口的第二水箱，所述第二水箱用于贮存水并 收集从所述土样中蚀出的细颗粒； 设置于所述试验圆筒上方的测压管，所述测压管垂直于所述试验圆筒的轴向方 向，所述测压管的下端插入所述测压管接口；所述测压管获取各所述试验圆筒的测压水位， 所述测压管的数量与所述试验圆筒的数量相匹配。 优选地，所述首端试验圆筒、所述中间试验圆筒和所述末端试验圆筒均包括筒体 和法兰盘，所述筒体的内壁上靠近两端开口处各设置一道垂直于轴线方向的障碍圈，用于 防止形成沿筒壁的渗流路径；所述法兰盘设置于所述筒体的两端部，所述法兰盘的内径与 所述筒体直径相同；所述法兰盘上设有螺栓口。 优选地，所述缓冲圆筒包括筒身、隔板和盖板，其中，所述隔板、所述盖板分别设置 于所述筒身的两个端面，所述缓冲圆筒的所述筒身与所述试验圆筒的形状、大小相匹配；所 述筒身的外壁设有用于排出空气的排气口，所述排气口垂直于所述筒身的轴线方向；所述 隔板上设有绕圆心均匀分布的若干螺栓孔，所述隔板用于防止所述试验圆筒的土样中的细 颗粒随水流反渗入所述缓冲圆筒中；所述盖板设有用于连接所述管路的进水口，使所述第 一水箱的水流由所述进水口流入所述筒身中。 优选地，所述隔板包括圆环板区域和多孔区域，所述圆环板区域位于所述多孔区 域的外圈，其中，所述圆环板区域用于连接所述试验圆筒，所述多孔区域的直径与所述筒身 的内径一致，所述若干螺栓孔分布于所述圆环板区域。 优选地，所述盖板的进水口设有第一止水阀。 优选地，所述测压管包括量程段和螺纹段，其中：量程段的管壁标有刻度；所述螺 纹段设有螺纹，所述螺纹段的长度与所述测压管接口相匹配。 优选地，所述第一水箱的所述溢水口、所述出水口设有第二止水阀；所述第二水箱 的出水口设有第三止水阀。 优选地，所述末端滤网的类型包括网格滤网和开口滤网，其中：所述网格滤网、所 述开口滤网均为细密钢丝网，且所述开口滤网在细密钢丝网上设有一定宽度的开口。 优选地，模拟砂土内细颗粒水平渗流侵蚀的试验装置包括U型支架，用于支撑所述 土体贮存系统、所述缓冲圆筒。 本发明第二个方面提供一种模拟砂土内细颗粒水平渗流侵蚀的试验方法，包括： S1、制备试验所需的待测土样，所述土样为含细颗粒的砂土，并按土工试验规范测 得初始颗粒级配； 7 CN 111579454 A 说　明　书 3/12 页 S2、拼装土体贮存系统以及在所述土体贮存系统内铺设土样； S2.1、先将末端试验圆筒的一端与末端滤网、底座连接，并将所述末端试验圆筒竖 直放置且所述底座朝下，关闭所述末端试验圆筒的测压管接口，防止测压管接口漏水； S2.2、将S1中制备的土样分次等厚铺入所述末端试验圆筒内并加水饱和，每铺完 一层均夯实直到经饱和后的土样面不再有气泡冒出，最后一层铺满后土样与所述末端试验 圆筒开口完全平齐； S2 .3、将第一中间试验圆筒的一端与已铺装土样的所述末端试验圆筒的上端连 接，重复S2.2将土样分次等厚铺设在所述第一中间试验圆筒中并加水饱和，关闭所述第一 中间试验圆筒的测压管接口，防止测压管接口漏水； S2.4、将第二中间试验圆筒的一端与已铺装土样的所述第一中间试验圆筒的上端 连接，重复S2.2将土样铺入所述第二中间试验圆筒中并加水饱和，关闭所述第二中间试验 圆筒的测压管接口，防止测压管接口漏水； S2.5、依次连接所有中间试验圆筒及首端试验圆筒，完成土体贮存系统的拼装，在 每个试验圆筒中重复S2.2铺设土样并加水饱和，并关闭每个试验圆筒的测压管接口； S3、再将缓冲圆筒与所述土体贮存系统连接，将所述缓冲圆筒的隔板一端朝下放 置在铺好土样的所述首端试验圆筒的上端，并将隔板的圆环板区域与所述首端试验圆筒的 法兰盘连接，关闭所述缓冲圆筒的排气口； S4、设定初始水位，使所述土体贮存系统中的所述待测土样饱和固结； S4.1、将所述土体贮存系统、所述缓冲圆筒水平放置，使每个所述试验圆筒的测压 管接口朝上，打开所有所述测压管接口，然后在每个所述测压管接口处逐个旋入测压管，并 保证各所述测压管与水平面垂直； S4.2、将第一水箱放置在水平支撑台上，使位于所述第一水箱最下方的出水口高 于所述试验圆筒的所述测压管底面一定距离，然后将该出水口与所述缓冲圆筒的进水口通 过管路连通； S4.3、向所述第一水箱中不断注水，同时打开所述第一水箱最下方的溢水口、出水 口以及所述缓冲圆筒的进水口，将水流导入所述缓冲圆筒和所述土体贮存系统内，直至所 有测压管的读数稳定在同一水平线时，所述土体贮存系统中的土样饱和固结完成； S5、拆除所述土体贮存系统的底座，设定常水位差，进行砂土内细颗粒水平渗流侵 蚀对照试验；所述常水位差为对照试验所设定的水位差；所述水位差为所述第一水箱内的 水面与试验圆筒上测压管底面的高度差； S5.1、关闭S4.3中的出水口、溢水口以及所述缓冲圆筒的进水口，拆除所述末端试 验圆筒上的底座，并在所述末端试验圆筒的末端滤网正下方放置第二水箱； S5.2、根据试验要求的常水位差在所述第一水箱上选定相应的出水口，将该出水 口与所述缓冲圆筒进水口通过管路连接，打开该出水口以及与该出水口位于同一水平线的 溢水口、所述缓冲圆筒的进水口及所述第二水箱的出水口，待末端滤网渗出水时开始进行 渗流侵蚀试验； S5.3、在试验过程中，每间隔一段时间读取渗流侵蚀过程中所有试验圆筒中饱和 土样的测压管读数即获得测压水位，并绘制测压水位与时间的曲线关系图； S5.4、在S5.3中每次读取末端试验圆筒中饱和土样的测压管读数时并将量筒放置 8 CN 111579454 A 说　明　书 4/12 页 在所述末端滤网和所述第二水箱之间承接一定时间的出水量，换算为流速后，绘制成流速 与时间的曲线关系图；结合S5.3的测压水位与时间的曲线关系图，根据各时刻的流速和测 压水位确定该时刻的渗透系数沿渗流路径的变化规律； S5.5、待渗流侵蚀试验结束后，拆除上述土体贮存系统，在每个试验圆筒内按照原 位取土的原则用取土器收集多份试样，根据土工试验规范要求测得每次试验后试样的颗粒 级配及干密度，确定试验后的颗粒级配及干密度沿渗流路径的变化规律； S6、在不同水位差作用下，进行砂土内细颗粒水平渗流侵蚀试验； S6.1、保持土样的细颗粒含量不变，末端滤网类型为网格滤网并保持滤网孔径不 变，通过调节所述第一水箱的出水口高度控制水位差模拟不同水位差作用下的渗流侵蚀试 验；每种水位差作用下的渗流侵蚀试验均应先进行S1～S5，确定各水位差下不同时刻的渗 透系数、试验后的颗粒级配及干密度沿渗流路径的变化规律； S6.2、待不同水位差渗流试验全部进行之后，分析S6.1确定的不同时刻的渗透系 数，试验后的颗粒级配及干密度沿渗流路径的变化规律与水位差的关系； S7、在不同细颗粒含量影响下，进行砂土内细颗粒水平渗流侵蚀试验； S7.1、保持所述第一水箱的出水口高度恒定确保常水位差不变，所述末端滤网类 型选用网格滤网并保持网格滤网的滤网孔径不变，通过改变土样中细颗粒含量，进行不同 细颗粒含量影响下的渗流侵蚀试验；每种细颗粒含量影响下的渗流侵蚀试验均应先进行S1 ～S5，确定各细颗粒含量下不同时刻的渗透系数、试验后的颗粒级配及干密度沿渗流路径 的变化规律； S7.2、待不同细颗粒含量渗流试验全部进行之后，分析S7.1确定的不同时刻的渗 透系数，试验后的颗粒级配及干密度沿渗流路径的变化规律与细颗粒含量的关系； S8、在不同细颗粒流失量影响下，进行砂土内细颗粒水平渗流侵蚀试验； S8.1、保持土样的细颗粒含量不变，同时保持所述第一水箱的出水口高度恒定确 保常水位差不变，末端滤网类型选用开口滤网，通过调整开口滤网的开口宽度进行不同细 颗粒流失量影响下的渗流侵蚀试验；每种细颗粒流失量影响下的渗流侵蚀试验均应先进行 S1～S5，确定各细颗粒流失量下不同时刻的渗透系数、试验后的颗粒级配及干密度沿渗流 路径的变化规律； S8.2、每种开口滤网宽度情况下的渗流侵蚀试验结束后，收集所述第二水箱的过 滤装置上所有的蚀出细颗粒，将其烘干并进行称重获取细颗粒流失量； S8.3、待不同细颗粒流失量影响下渗流试验全部进行之后，分析S8.1确定的不同 时刻的渗透系数，试验后的颗粒级配及干密度沿渗流路径的变化规律与细颗粒流失量的关 系。 与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果： 本发明上述试验装置及试验方法，试验装置通过设置用于放置土样的土体贮存系 统、用于防止土样中的细颗粒反渗入第一水箱的缓冲圆筒、以及设置于土体贮存系统上下 游的第一水箱、第二水箱，第一水箱为设有不同水位的储水装置，第二水箱用于贮存水并收 集从土体贮存系统的土样中蚀出的细颗粒；上述试验方法采用该试验装置能精确模拟不同 水位差、不同细颗粒含量、不同细颗粒流失量的情况下砂土内细颗粒水平渗流侵蚀过程及 其对砂土土性变化的影响规律。弥补了砂土内细颗粒水平渗流侵蚀试验方面的欠缺。 9 CN 111579454 A 说　明　书 5/12 页 附图说明 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显： 图1a为本发明一优选实施例的试验装置整体结构的主视图； 图1b为本发明一优选实施例的试验装置整体结构的俯视图； 图2a为本发明一优选实施例的第一水箱结构的主视图； 图2b为本发明一优选实施例的第一水箱结构的左视图； 图2c为本发明一优选实施例的第一水箱结构的右视图； 图3a为本发明一优选实施例的第二水箱结构的主视图； 图3b为本发明一优选实施例的第二水箱结构的俯视图； 图4a为本发明一优选实施例的土体贮存系统结构的主视图； 图4b为本发明一优选实施例的土体贮存系统结构的左视图； 图4c为本发明一优选实施例的土体贮存系统结构的右视图； 图5a为本发明一优选实施例的试验圆筒结构的主视图； 图5b为本发明一优选实施例的试验圆筒结构的左视图； 图5c为本发明一优选实施例的试验圆筒结构的右视图； 图6a为本发明一优选实施例的末端滤网的网格滤网； 图6b为本发明一优选实施例的末端滤网的开口滤网； 图7a为本发明一优选实施例的缓冲圆筒结构的主视图； 图7b为本发明一优选实施例的缓冲圆筒结构的左视图； 图7c为本发明一优选实施例的缓冲圆筒结构的右视图； 图8为本发明一优选实施例的测压管结构示意图； 图中标记分别表示为：1为第一水箱、2为第二水箱、3为土体贮存系统、4为缓冲圆 筒、5为测压管、6为橡胶水管、11为第一水箱的箱体、12为溢水口、121为第一溢水口、122为 第二溢水口、123为第三溢水口、124为第四溢水口、125为第五溢水口、126为第六溢水口、 127为第七溢水口、13为出水口、131为第一出水口、132为第二出水口、133为第三出水口、 134为第四出水口、135为第五出水口、136为第六出水口、137为第七出水口、21为敞口式的 箱体、211为第二水箱出水口、22为过滤装置、221为亚克力中空板、222为圆形钢丝网、31为 首端试验圆筒、311为筒体、3111为测压管接口、3112为障碍圈、312为法兰盘、32为中间试验 圆筒、321为第一中间试验圆筒、322为第二中间试验圆筒、323为第三中间试验圆筒、324为 第四中间试验圆筒、33为末端试验圆筒、34为末端滤网、341为末端滤网圆环板、342为钢丝 滤网、3421为网格滤网的钢丝滤网、3422为开口滤网的钢丝滤网、41为缓冲圆筒筒身、411为 缓冲圆筒排气口、42为盖板、421为缓冲圆筒进水口、43为隔板、431为圆环板区域、432为多 孔区域、51为量程段、52为螺纹段。