一种渗蚀土颗粒迁移可视化试验系统及方法

【】本发明涉及土体渗蚀可视化试验，尤其涉及一种渗蚀土颗粒迁移可视化试验系统及方法。

背景技术

0、背景技术：

1、近年来，堤坝垮塌、边坡失稳、基坑坍塌、路基不均匀沉降等土体内部侵蚀破坏诱发的灾害频频发生。渗蚀使得土体细颗粒在孔隙通道中迁移或流失以及土骨架变形，从而导致土体物理力学性质发生改变。渗蚀过程一般发生在土体内部，传统试验往往得到的是模型表面边界的信息，难以观测到渗蚀下细颗粒迁移情况。随着透明土明土模型技术日趋成熟，许多学者结合粒子图像测速技术，实现了对透明土体内部颗粒移动和淤堵现象的分析。

2、透明土模型技术在土体渗蚀室内试验中的应用已日渐成熟。但透明土渗流模型试验仍存在两方面问题：一是颗粒运移往往是三维专利之星采用固定位置的ccd相机等设备很难实现全方位全过程土骨架变形的监测，且技术大多数应用于流失细颗粒的观测，很少人关注到土骨架的变形颗粒的重排列也是灾害发生的重要因素之一；二是为了试验结果的合理性，作为孔隙流体的性质(如流体粘度、流体密度等)需要尽可能接近水的性质。先前研究常采用粘滞系数是水十倍的矿物油作为孔隙流体，显然与实际情况存在偏差；虽然后续提出了甲苯与甲基乙基酮混合物等粘滞系数小的孔隙流体，但是存在安全危害且难以保存，而用硫代硫酸钠处理的碘化钠溶液作为孔隙流体成本又比较高，且需耗时处理溶液以便重复利用。所以需要低成本、稳定且广泛可用的孔隙流体替代品，来实现对透明土试样内部颗粒移动、骨架变形等力学行为的可视化。

3、因此，有必要研究一种渗蚀土颗粒迁移可视化试验系统及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、有鉴于此，本发明提供了一种渗蚀土颗粒迁移可视化试验系统及方法，本发明通过加压装置改变渗透压和控制硅粉和熔融石英砂的比例能够进行不同水力梯度和不同级配条件下土体内部渗蚀试验研究，采用透明土技术，将荧光涂层石英砂、孔隙流体及二氧化硅粉分别代替粗颗粒、流体及细颗粒，通过搭建螺旋形图像采集轨道，获取各方向各高度的平面图像，逐帧分析图像实现对渗蚀所导致的骨架颗粒变形的监测，根据软件分析颗粒运移距离和速度，结合收集装置得到颗粒流失质量，可以直观观察和分析细颗粒流失对土体结构的影响，充分揭示渗蚀所引起的土体力学性能变化的原因。

2、一方面，本发明提供一种渗蚀土颗粒迁移可视化试验系统，所述可视化试验系统包括：加压装置、渗蚀发生装置、收集装置、图像采集装置和处理装置，所述加压装置通过渗蚀发生装置连接收集装置，所述图像采集装置设置在渗蚀发生装置内，所述图像采集装置连接处理装置；

3、所述渗蚀发生装置内设有不透水装样容器，所述图像采集装置设置在不透水装样容器外侧，所述不透水装样容器中装入透明土试样和荧光涂层石英砂，不透水装样容器底部通过进流管与加压装置连接，顶部通过出流管与收集装置相连。

4、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述加压装置包括空压机、调压阀和储液箱，所述调压阀一端连接空压机，另一端通过储液箱连接渗蚀发生装置底部。

5、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述加压装置的储液箱内装有孔隙流体，空压机通过连接管向储液箱内输入气体，将孔隙流体沿进流管压入渗蚀发生装置中，并通过调压阀调节液体压强。

6、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述渗蚀发生装置还包括遮光箱、试样固定台座、特制多孔筛板和盖板，所述不透水装样容器设置在遮光箱内，其下部敞口并固定在试样固定台座上，底部装有透水石和滤纸，顶部连接特制多孔筛板和盖板，特制多孔筛板的孔洞直径大小只能通过孔隙流体和荧光粒子，盖板内部开有倒漏斗形空腔，上接出流管与收集装置相连。

7、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述试样固定台座中部开有与进流管相接的孔洞和能够插入固定不透水装样容器的凹槽。

8、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述图像采集装置包括环形紫外线灯管束、微型摄影机、连接装置和螺旋支架，所述环形紫外线灯管束放置在遮光箱内与螺旋形支架之间，所述螺旋支架设置在遮光箱内且固定在试样固定台座上，所述螺旋支架为钢制导轨，带有显微镜目镜的微型摄影机通过连接装置与螺旋支架相接，所述连接装置由搭接滑块和夹具栓接而成。

9、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述微型摄影机带有显微镜目镜，所述微型摄影机与处理装置连接。

10、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述处理装置为pc、手机或平板。

11、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述收集装置包括装有滤网的不透水箱、量筒和电子秤，所述装有滤网的不透水容器用于分离流失细颗粒和孔隙流体，使细颗粒沉积在不透水容器底部，所述电子秤实时称量颗粒流失质量，所述量筒收集流出孔隙流体。

12、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种渗蚀土颗粒迁移可视化试验方法，通过所述的可视化试验系统进行，所述可视化试验方法包括以下步骤：

13、s1.制备与二氧化硅粉折射率相同的孔隙流体，打开储液箱上部的排气阀，向储液箱内注满孔隙流体后，关闭气阀；

14、s2.透明土试样由二氧化硅粉和孔隙流体配制，制好后将其加入荧光涂层的石英砂中搅拌均匀，在试样上方保持一定厚度的孔隙流体层，静置一段时间；

15、s3.在不透水容器中依次放入透水石、滤纸、透明土试样、多孔筛板并加盖盖板，装填时使用击锤按相同次数和落锤高度压实至目标密实；

16、s4.打开空压机并调节调压阀，使进流管出水端缓慢流出液体，排除管内空气；调节调压阀为0，将进流管与试样固定台座底部连接；调节调压阀使孔隙流体以较小的流速流入不透水装样容器中，进行水头饱和，一段时间后将调压阀调为0；

17、s5.打开图像采集装置和数据处理装置，使用连接装置将微型摄影机固定在螺旋支架上，调节微型摄影机焦距和快门速度，控制微型摄影机沿螺旋导轨环绕上下拍摄，将采集的图像实时上传至计算机，并使用粒子跟踪测速软件分析；

18、s6.调整加压装置，逐级施加渗透压力至试样发生明显渗蚀破坏；实时记录渗透压力、渗透时间、电子秤和量筒示数；

19、s7.试验完成后，将收集装置中颗粒烘干称重以便重复利用；根据所采集到图像数据分析土骨架变形程度以及土体结构变化，结合收集装置测得流失颗粒质量，分析细颗粒流失对土骨架变形的影响。

20、与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

21、1、将土体渗蚀试验与透明土技术结合，采用紫外线灯光下荧光涂层颗粒代替骨架颗粒的方式，利用光学摄影拍摄连续图像，实现饱和土柱中土骨架变形的可视化，通过搭建螺旋型图像采集轨道，可以获取各方向各高度的平面图像，分析图像可实现对骨架颗粒三维移动轨迹的监测，根据软件分析颗粒运移速度和距离，结合收集装置测得流失颗粒质量，分析细颗粒流失对土骨架变形和土体结构的影响；

22、2、采用乙醇和松节油混合制备的孔隙流体，其流体粘度很小较为接近水的粘度，可以有效控制流体粘度对土体渗蚀试验所产生的误差；且相较以往制备孔隙流体所用的材料成本更低，危害更小，应用更广泛；

23、3、紫外线灯管束和渗蚀发生装置放置在罩有黑色帘布的玻璃容器内，可以最小化背景光源的干扰，在遮光箱内侧布置一圈紫外线灯管束，可以最大化荧光粒子显示范围，便于实时捕捉细颗粒运移发生位置。

24、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。