CN100589152C - 土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪。马里奥特瓶顶端接有单向排气阀，马里奥特瓶与马里奥特瓶副瓶底端连通，副瓶顶端接有单向进气阀，试样筒顶部一端设有排水管，底部设置滤水层，马里奥特瓶底端的导管一路经导管和止水阀与试样筒底端连通，另一路经止水夹与进水管连通，马里奥特瓶和相连的副瓶装在动力提升装置上。将洗净的饱和土样盛于试样筒中，记下土样的高度L。关闭止水阀，打开止水夹，以一定水压通过导管将马里奥特瓶注满水，关闭止水夹。摇动手轮，使副瓶中的液面与刻度尺的零刻度相齐。打开止水阀，摇动手轮，使马里奥特瓶上升，直至土体发生流土或管涌破坏。通过刻度尺读出高差H，则临界水力梯度＝(H-L)/L。
Description
技术领域
本发明涉及实验装置，尤其是涉及一种土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪。
背景技术
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现土层剥落、地面***、渗流通道等破坏或变形现象，叫渗透破坏或渗透变形。渗透破坏是土工建筑物破坏的重要原因之一，危害很大。土的渗透破坏主要类型有流土、管涌、接触流土和接触冲刷。就单一土层来说，渗透变形的主要形式是流土和管涌。
在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象叫做流土，主要发生在地基或土坝下游渗流溢出处，如图1所示。
在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动以至流失，随着土的孔隙不断扩大，渗透速度不断增加，较粗的颗粒也被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象叫做管涌。
流土与管涌的生成条件有所不同，流土发生的部位在渗流溢出处，而管涌发生的部位既可以在渗流溢出处，也可以在土体内部。
流土破坏往往是突发性的，而管涌破坏一般有一个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。理论上，只要水力梯度达到一定的数值，任何类型的土都会发生流土破坏；而管涌只发生在有一定级配(如不均匀系数大于10)的无粘性土中，并且土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径。
上述无粘性土体在一定水力梯度作用下产生的渗透破坏现象，可以利用该演示仪形象地演示出来，并能测定其发生渗透破坏时的临界水力梯度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪，它可以形象地演示各种无粘性土体在足够大的水力梯度作用下产生的流土现象，以及一定级配的无粘性土在一定水力梯度作用下产生管涌的现象。并可测定其发生渗透破坏的临界水力梯度。
本发明所采用的技术方案是：
包括马里奥特瓶、马里奥特瓶副瓶、单向排气阀、单向进气阀、试样筒、止水阀、三通、止水夹、立架和动力提升装置；马里奥特瓶底端接导管，马里奥特瓶顶端接有两个单向排气阀，马里奥特瓶与马里奥特瓶副瓶底端连通，马里奥特瓶副瓶瓶顶端接有单向进气阀，试样筒顶部一端设有排水管，试样筒底部设置固定的滤水层，滤水层上装有试验土体，马里奥特瓶底端的导管经三通分为两路，一路经导管和止水阀与试样筒底端连通，另一路经止水夹与进水管连通，马里奥特瓶和相连的马里奥特瓶副瓶装在动力提升装置上。
本发明的有益效果是：通过摇动操作手轮这一简单操作即可观察到各种无粘性土体在足够大的水力梯度作用下产生的流土现象，以及一定级配的无粘性土在一定水力梯度作用下产生管涌的现象。并且，读出刻度尺上的数值即可计算出该种土体发生渗透破坏的临界水力梯度。
附图说明
图1是流土破坏示意图。
图2是马里奥特瓶的结构放大图。
图3是本发明的结构原理示意图。
图中：1、马里奥特瓶，2、马里奥特瓶副瓶，3、单向排气阀，4、单向进气阀，5、试样筒，6、试验土体，7、滤水布，8、滤水石，9、接水盆，10、止水阀，11、三通，12、止水夹，13、链轮轴，14、立架，15、操作手轮，16、抱箍，17、齿轮组，18、配重块，19、提升链条，20、传动轴，21、刻度尺，22、排水孔。
具体实施方式
如图2、图3所示，本发明包括马里奥特瓶1、马里奥特瓶副瓶2、单向排气阀3、单向进气阀4、试样筒5、止水阀10、三通11、止水夹12、立架14和动力提升装置；马里奥特瓶1瓶底端接导管，马里奥特瓶1瓶顶端接有两个单向排气阀3，马里奥特瓶1与马里奥特瓶副瓶2瓶底端连通，马里奥特瓶副瓶2瓶顶端接有单向进气阀4，试样筒5放在接水盆9内，试样筒5顶部一端设有排水孔22，试样筒5底部设置固定的滤水层，滤水层上装有试验土体6，马里奥特瓶1瓶底端的导管经三通11分为两路，一路经导管和止水阀10与试样筒5筒底端连通，另一路经止水夹12与进水管连通，马里奥特瓶1和相连的马里奥特瓶副瓶2装在动力提升装置上。
所述的动力提升装置，是在两根立架14间的上端装有链轮轴13，下端装有另一链轮轴13和传动轴20，马里奥特瓶1的上端两侧分别装有提升链条19，提升链条19经上端链轮轴13上的链轮齿，分别与配重块18上端两侧连接，配重块18下端两侧的提升链条19经下端另一链轮轴13上的链轮齿，分别与马里奥特瓶1的下端两侧连接，传动轴20一侧装有操作手轮，传动轴20另一侧的齿轮组17与另一链轮轴13转动连接，马里奥特瓶1两侧用抱箍16能沿立架14作上下滑动，在一根立架14的一边贴有0～100cm的刻度条21，零刻度与试样筒滤层上表面水平。
所述的试样筒5为透明的有机玻璃筒，上端一侧配有保持试样筒5内水位恒定的排水孔22，试样筒5底部设置固定的滤水层。
所述的滤水层是由底部的滤水石8和滤水石8上部覆有滤水布7组成。
所述的滤水石8为砾石。所述的滤水布7为土工布。
马里奥特瓶经过改装，其进水与出水均经瓶底端导管完成。进水时，通过底端导管以一定水压将水注入，瓶顶端的两个单向排气阀能将瓶内气体排出。马里奥特瓶的副瓶与主瓶底端连通，排水时副瓶中的液面高度恒定，因而可以控制马里奥特瓶保持常水头。水自试样筒底部进水口经过滤层进入土体，这样可以消除水流对土样底部的局部冲击。试样筒顶部一端设有排水孔，可以使试样筒内保持恒定的水位。齿轮组将手轮的转动转化为链条的升降。配重使提升装置具有自锁功能，保证在摇动停止时马里奥特瓶不会下滑。立架的一边贴有刻度条(0～100cm，便于操作的高度范围，并能形成足够的水头差)。演示时，摇动操作手轮，马里奥特瓶沿立架向上或向下运动，以调节水头差，水头差的最大值为100cm-L(L为土样的高度，当L取为20cm时，水头差的最大值为80cm)。当马里奥特瓶高度合适时，在此时的水头差作用下，试验土体产生流土或管涌破坏。为使现象明显，在流土实验中，选用浅色土样(如精白砂粒径0.1mm～0.25mm组或0.25mm～0.5mm组)；在管涌实验中粗细颗粒选用易于区分的不同颜色，如粗颗粒采用精白砂，细颗粒采用黑砂，粗细颗粒质量之比在3∶1到4∶1之间，粒径之比不小于10，如1～2mm粒组与0.1～0.25mm粒组。以上所选用土样均为洗净的样品。这样，试验土样所发生的流土或管涌现象均可透过透明的有机玻璃瓶清楚地观察到。通过刻度尺读出高差H(H为马里奥特瓶副瓶中液面的高度)，即可计算出该种土样发生渗透破坏时的临界水力梯度，其值为：(H-L)/L。在临界水力梯度的测定实验中，所用试样可不局限于权利要求书中给出的，对于其它土样也可以测定。
首先，将洗净的饱和土样6盛于试样筒5中，记下土样6的高度L。所选用土体6，在流土实验中为浅色土样，如精白砂；在管涌实验中为粗细颗粒质量比3∶1到4∶1之间的混合均匀的无粘性土样，粗颗粒采用精白砂，细颗粒采用黑砂。然后，关闭止水阀10，打开止水夹12，以一定水压通过导管将马里奥特瓶1注满水，关闭止水夹12。摇动操作手轮15，使马里奥特瓶副瓶2中的液面与刻度尺的零刻度相齐。然后打开止水阀10，缓慢摇动操作手轮15，使马里奥特瓶1缓慢上升，直至土体发生流土或管涌破坏。
此时通过刻度尺读出高差H，则水头差为H-L，临界水力梯度＝(H-L)/L。该公式适合于任何土体临界水力梯度的测定。
Claims (5)
1、土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪，其特征在于：包括马里奥特瓶(1)、马里奥特瓶副瓶(2)、单向排气阀(3)、单向进气阀(4)、试样筒(5)、止水阀(10)、三通(11)、止水夹(12)、立架(14)和动力提升装置；马里奥特瓶(1)瓶底端接导管，马里奥特瓶(1)瓶顶端接有两个单向排气阀(3)，马里奥特瓶(1)与马里奥特瓶副瓶(2)瓶底端连通，马里奥特瓶副瓶(2)瓶顶端接有单向进气阀(4)，试样筒(5)上端一侧设有排水孔(22)，试样筒(5)底部设置固定的滤水层，滤水层上装有试验土体(6)，马里奥特瓶(1)瓶底端的导管经三通(11)分为两路，一路经导管和止水阀(10)与试样筒(5)筒底端连通，另一路经止水夹(12)与进水管连通，马里奥特瓶(1)和相连的马里奥特瓶副瓶(2)装在动力提升装置上；
所述的动力提升装置，是在两根立架(14)间的上端装有链轮轴(13)，下端装有另一链轮轴(13)和传动轴(20)，马里奥特瓶(1)的上端两侧分别装有提升链条(19)，提升链条(19)经上端链轮轴(13)上的链轮齿，分别与配重块(18)上端两侧连接，配重块(18)下端两侧的提升链条(19)经下端另一链轮轴(13)上的链轮齿，分别与马里奥特瓶(1)的下端两侧连接，传动轴(20)一侧装有操作手轮，传动轴(20)另一侧的齿轮组(17)与另一链轮轴(13)转动连接，马里奥特瓶(1)两侧用抱箍(16)能沿立架(14)作上下滑动，在一根立架(14)的一边贴有0～100cm的刻度条(21)，零刻度与试样筒滤水层上表面水平。
2、根据权利要求1所述的土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪，其特征在于：所述的试样筒(5)为透明的有机玻璃筒，上端一侧配有保持试样筒(5)内水位恒定的排水孔(22)，试样筒(5)底部设置固定的滤水层。
3、根据权利要求1所述的土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪，其特征在于：所述的滤水层是由底部的滤水石(8)和滤水石(8)上部覆有滤水布(7)组成。
4、根据权利要求3所述的土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪，其特征在于：所述的滤水石(8)为砾石。
5、根据权利要求3所述的土体渗透破坏现象演示及临界水力梯度测定仪，其特征在于：所述的滤水布(7)为土工布。
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