專利名稱：一種土體滲透破壞現(xiàn)象演示及臨界水力梯度測(cè)定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及實(shí)驗(yàn)裝置，尤其是涉及一種土體滲透破壞現(xiàn)象演示及臨界 水力梯度測(cè)定儀。
技術(shù)背景土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)土層剝落、地面隆起、滲流通道等 破壞或變形現(xiàn)象，叫滲透破壞或滲透變形。滲透破壞是土工建筑物破壞的重要 原因之一，危害很大。土的滲透破壞主要類型有流土、管涌、接觸流土和接觸 沖刷。就單一土層來(lái)說(shuō)，滲透變形的主要形式是流土和管涌。在向上的滲透水流作用下，表層土局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸 浮、移動(dòng)的現(xiàn)象叫做流土，主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流溢出處，如圖1所不。在滲透水流作用下，土中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)以至流失， 隨著土的孔隙不斷擴(kuò)大，滲透速度不斷增加，較粗的顆粒也被水流逐漸帶走， 最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道，造成土體塌陷，這種現(xiàn)象叫做管涌。流土與管涌的生成條件有所不同，流土發(fā)生的部位在滲流溢出處，而管涌 發(fā)生的部位既可以在滲流溢出處，也可以在土體內(nèi)部。流土破壞往往是突發(fā)性的，而管涌破壞一般有一個(gè)時(shí)間發(fā)展過(guò)程，是一種漸 進(jìn)性質(zhì)的破壞。理論上，只要水力梯度達(dá)到一定的數(shù)值，任何類型的土都會(huì)發(fā)生 流土破壞；而管涌只發(fā)生在有一定級(jí)配(如不均勻系數(shù)大于10)的無(wú)粘性土中，并 且土中粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑必須大于細(xì)顆粒的直徑。上述無(wú)粘性土體在一定水力梯度作用下產(chǎn)生的滲透破壞現(xiàn)象，可以利用該 演示儀形象地演示出來(lái)，并能測(cè)定其發(fā)生滲透破壞時(shí)的臨界水力梯度。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種土體滲透破壞現(xiàn)象演示及臨界水力梯度測(cè) 定儀，它可以形象地演示各種無(wú)粘性土體在足夠大的水力梯度作用下產(chǎn)生的流 土現(xiàn)象，以及一定級(jí)配的無(wú)粘性土在一定水力梯度作用下產(chǎn)生管涌的現(xiàn)象。并 可測(cè)定其發(fā)生滲透破壞的臨界水力梯度。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是包括馬里奧特瓶、馬里奧特瓶副瓶、單向排氣閥、單向進(jìn)氣閥、試樣筒、止水閥、三通、止水夾、立架和動(dòng)力提升裝置；馬里奧特瓶底端接導(dǎo)管，馬里 奧特瓶頂端接有兩個(gè)單向排氣閥，馬里奧特瓶與馬里奧特瓶副瓶底端連通，馬 里奧特瓶副瓶瓶頂端接有單向進(jìn)氣閥，試樣筒頂部一端設(shè)有排水管，試樣筒底 部設(shè)置固定的濾水層，濾水層上裝有試驗(yàn)土體，馬里奧特瓶底端的導(dǎo)管經(jīng)三通 分為兩路， 一路經(jīng)導(dǎo)管和止水閥與試樣筒底端連通，另一路經(jīng)止水夾與進(jìn)水管 連通，馬里奧特瓶和相連的馬里奧特瓶副瓶裝在動(dòng)力提升裝置上。本實(shí)用新型的有益效果是通過(guò)搖動(dòng)操作手輪這一簡(jiǎn)單操作即可觀察到各 種無(wú)粘性土體在足夠大的水力梯度作用下產(chǎn)生的流土現(xiàn)象，以及一定級(jí)配的無(wú) 粘性土在一定水力梯度作用下產(chǎn)生管涌的現(xiàn)象。并且，讀出刻度尺上的數(shù)值即 可計(jì)算出該種土體發(fā)生滲透破壞的臨界水力梯度。

圖l是流土破壞示意圖。圖2是馬里奧特瓶的結(jié)構(gòu)放大圖。圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中1、馬里奧特瓶，2、馬里奧特瓶副瓶，3、單向排氣閥，4、單向進(jìn) 氣闊，5、試樣筒，6、試驗(yàn)土體，7、濾水布，8、濾水石，9、接水盆，10、止 水閥，11、三通，12、止水夾，13、鏈輪軸，14、立架，15、操作手輪，16、 抱箍，17、齒輪組，18、配重塊，19、提升鏈條，20、傳動(dòng)軸，21、刻度尺， 22、排水孔。
具體實(shí)施方式
如圖2、圖3所示，本實(shí)用新型包括馬里奧特瓶l、馬里奧特瓶副瓶2、單 向排氣閥3、單向進(jìn)氣閥4、試樣筒5、止水閥10、三通11、止水夾12、立架 14和動(dòng)力提升裝置；馬里奧特瓶1瓶底端接導(dǎo)管，馬里奧特瓶l瓶頂端接有兩 個(gè)單向排氣閥3，馬里奧特瓶1與馬里奧特瓶副瓶2瓶底端連通，馬里奧特瓶副 瓶2瓶頂端接有單向進(jìn)氣閥4，試樣筒5放在接水盆9內(nèi)，試樣筒5頂部一端 設(shè)有排水孔22，試樣筒5底部設(shè)置固定的濾水層，濾水層上裝有試驗(yàn)土體6， 馬里奧特瓶1瓶底端的導(dǎo)管經(jīng)三通11分為兩路， 一路經(jīng)導(dǎo)管和止水閥10與試 樣筒5筒底端連通，另一路經(jīng)止水夾12與進(jìn)水管連通，馬里奧特瓶l和相連的 馬里奧特瓶副瓶2裝在動(dòng)力提升裝置上。所述的動(dòng)力提升裝置，是在兩根立架14間的上端裝有鏈輪軸13，下端裝有 另一鏈輪軸13和傳動(dòng)軸20，馬里奧特瓶1的上端兩側(cè)分別裝有提升鏈條19， 提升鏈條19經(jīng)上端鏈輪軸13上的鏈輪齒，分別與配重塊18上端兩側(cè)連接，配重塊18下端兩側(cè)的提升鏈條19經(jīng)下端另一鏈輪軸13上的鏈輪齒，分別與馬里 奧特瓶1的下端兩側(cè)連接，傳動(dòng)軸20 —側(cè)裝有操作手輪，傳動(dòng)軸20另一側(cè)的 齒輪組17與另一鏈輪軸13轉(zhuǎn)動(dòng)連接，馬里奧特瓶1兩側(cè)用抱箍16能沿立架14 作上下滑動(dòng)，在一根立架14的一邊貼有0 100cm的刻度條21，零刻度與試樣 筒濾層上表面水平。所述的試樣筒5為透明的有機(jī)玻璃筒，上端一側(cè)配有保持試樣筒5內(nèi)水位 恒定的排水孔22，試樣筒5底部設(shè)置固定的濾水層。所述的濾水層是由底部的濾水石8和濾水石8上部覆有濾水布7組成。所述的濾水石8為礫石。所述的濾水布7為土工布。馬里奧特瓶經(jīng)過(guò)改裝，其進(jìn)水與出水均經(jīng)瓶底端導(dǎo)管完成。進(jìn)水時(shí)，通過(guò) 底端導(dǎo)管以一定水壓將水注入，瓶頂端的兩個(gè)單向排氣閥能將瓶?jī)?nèi)氣體排出。 馬里奧特瓶的副瓶與主瓶底端連通，排水時(shí)副瓶中的液面高度恒定，因而可以 控制馬里奧特瓶保持常水頭。水自試樣筒底部進(jìn)水口經(jīng)過(guò)濾層進(jìn)入土體，這樣 可以消除水流對(duì)土樣底部的局部沖擊。試樣筒頂部一端設(shè)有排水孔，可以使試 樣筒內(nèi)保持恒定的水位。齒輪組將手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為鏈條的升降。配重使提升 裝置具有自鎖功能，保證在搖動(dòng)停止時(shí)馬里奧特瓶不會(huì)下滑。立架的一邊貼有 刻度條(0 100cm，便于操作的高度范圍，并能形成足夠的水頭差)。演示時(shí)， 搖動(dòng)操作手輪，馬里奧特瓶沿立架向上或向下運(yùn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)水頭差，水頭差的 最大值為100cm—L (L為土樣的高度，當(dāng)L取為20cm時(shí)，水頭差的最大值為 80cm)。當(dāng)馬里奧特瓶高度合適時(shí)，在此時(shí)的水頭差作用下，試驗(yàn)土體產(chǎn)生流土 或管涌破壞。為使現(xiàn)象明顯，在流土實(shí)驗(yàn)中，選用淺色土樣(如精白砂粒徑 0.1mm 0.25mm組或0.25mm 0.5mm組)；在管涌實(shí)驗(yàn)中粗細(xì)顆粒選用易于區(qū)分 的不同顏色，如粗顆粒采用精白砂，細(xì)顆粒采用黑砂，粗細(xì)顆粒質(zhì)量之比在3: 1至U4: l之間，粒徑之比不小于IO，如1 2111111粒組與0.1 0.25111111粒組。以 上所選用土樣均為洗凈的樣品。這樣，試驗(yàn)土樣所發(fā)生的流土或管涌現(xiàn)象均可 透過(guò)透明的有機(jī)玻璃瓶清楚地觀察到。通過(guò)刻度尺讀出高差H(H為馬里奧特瓶 副瓶中液面的高度)，即可計(jì)算出該種土樣發(fā)生滲透破壞時(shí)的臨界水力梯度，其 值為(H—L) /L。在臨界水力梯度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，所用試樣可不局限于權(quán)利 要求書(shū)中給出的，對(duì)于其它土樣也可以測(cè)定。首先，將洗凈的飽和土樣6盛于試樣筒5中，記下土樣6的高度L。所選用 土體6，在流土實(shí)驗(yàn)中為淺色土樣，如精白砂；在管涌實(shí)驗(yàn)中為粗細(xì)顆粒質(zhì)量比 3: l到4: l之間的混合均勻的無(wú)粘性土樣，粗顆粒采用精白砂，細(xì)顆粒采用黑5砂。然后，關(guān)閉止水閥IO，打開(kāi)止水夾12，以一定水壓通過(guò)導(dǎo)管將馬里奧特瓶 l注滿水，關(guān)閉止水夾12。搖動(dòng)操作手輪15，使馬里奧特瓶副瓶2中的液面與 刻度尺的零刻度相齊。然后打開(kāi)止水閥10，緩慢搖動(dòng)操作手輪15，使馬里奧特 瓶1緩慢上升，直至土體發(fā)生流土或管涌破壞。此時(shí)通過(guò)刻度尺讀出高差H，則水頭差為H—L，臨界水力梯度=(H—L) /L。該公式適合于任何土體臨界水力梯度的測(cè)定。
權(quán)利要求1、一種土體滲透破壞現(xiàn)象演示及臨界水力梯度測(cè)定儀，其特征在于包括馬里奧特瓶(1)、馬里奧特瓶副瓶(2)、單向排氣閥(3)、單向進(jìn)氣閥(4)、試樣筒(5)、止水閥(10)、三通(11)、止水夾(12)、立架(14)和動(dòng)力提升裝置；馬里奧特瓶(1)瓶底端接導(dǎo)管，馬里奧特瓶(1)瓶頂端接有兩個(gè)單向排氣閥(3)，馬里奧特瓶(1)與馬里奧特瓶副瓶(2)瓶底端連通，馬里奧特瓶副瓶(2)瓶頂端接有單向進(jìn)氣閥(4)，試樣筒(5)頂部一端設(shè)有排水孔(22)，試樣筒(5)底部設(shè)置固定的濾水層，濾水層上裝有試驗(yàn)土體(6)，馬里奧特瓶(1)瓶底端的導(dǎo)管經(jīng)三通(11)分為兩路，一路經(jīng)導(dǎo)管和止水閥(10)與試樣筒(5)筒底端連通，另一路經(jīng)止水夾(12)與進(jìn)水管連通，馬里奧特瓶(1)和相連的馬里奧特瓶副瓶(2)裝在動(dòng)力提升裝置上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體滲透破壞現(xiàn)象演示及臨界水力梯度測(cè)定 儀，其特征在于所述的試樣筒(5)為透明的有機(jī)玻璃筒，上端一側(cè)配有保持試 樣筒(5)內(nèi)水位恒定的排水孔(22)，試樣筒(5)底部設(shè)置固定的濾水層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土體滲透破壞現(xiàn)象演示及臨界水力梯度測(cè)定 儀，其特征在于所述的濾水層是由底部的濾水石(8)和濾水石(8)上部覆有濾水 布(7)組成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種土體滲透破壞現(xiàn)象演示及臨界水力梯度測(cè)定 儀，其特征在于所述的濾水石(8)為礫石。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種土體滲透破壞現(xiàn)象演示及臨界水力梯度測(cè)定 儀，其特征在于所述的濾水布(7)為土工布。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種土體滲透破壞現(xiàn)象演示及臨界水力梯度測(cè)定儀。馬里奧特瓶頂端接有單向排氣閥，馬里奧特瓶與馬里奧特瓶副瓶底端連通，副瓶頂端接有單向進(jìn)氣閥，試樣筒頂部一端設(shè)有排水管，底部設(shè)置濾水層，馬里奧特瓶底端的導(dǎo)管一路經(jīng)導(dǎo)管和止水閥與試樣筒底端連通，另一路經(jīng)止水夾與進(jìn)水管連通，馬里奧特瓶和相連的副瓶裝在動(dòng)力提升裝置上。將洗凈的飽和土樣盛于試樣筒中，記下土樣的高度L。關(guān)閉止水閥，打開(kāi)止水夾，以一定水壓通過(guò)導(dǎo)管將馬里奧特瓶注滿水，關(guān)閉止水夾。搖動(dòng)手輪，使副瓶中的液面與刻度尺的零刻度相齊。打開(kāi)止水閥，搖動(dòng)手輪，使馬里奧特瓶上升，直至土體發(fā)生流土或管涌破壞。通過(guò)刻度尺讀出高差H，則臨界水力梯度＝(H-L)/L。
文檔編號(hào)G09B25/00GK201117150SQ20072011504
公開(kāi)日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2007年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月24日
發(fā)明者釗 劉, 王順玉, 詹良通, 陳云敏 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)