CN101398355B - 一种三轴渗透试验装置 - Google Patents
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Abstract
一种三轴渗透试验装置，属于土的力学特性测试技术领域，特别涉及测定土体在不同应力及变形条件下的渗透特性。其技术方案为：在三轴剪切仪的基础上改造底座及顶帽的形状，底座上增加三个方向渗透时的进水孔及进水管路，顶帽上增加三个方向渗透时的出水孔及出水管路。通过周围压力及轴向压力系统使试样发生剪切变形，改变进水管路和出水管路的连接及闭合方式，并通过水压力系统对试样施加渗透压力，实现试样在不同剪切变形条件下三个方向中任一方向上的渗透。本发明改进的底座及顶帽的形状利于设置进水管路及出水管路，便于实现试样在三个方向任一方向上的渗透试验，不同渗透方向的水流管路的连接形式切换简单，控制方便。
Description
技术领域
三轴渗透试验装置属于土的力学特性测试技术领域，特别涉及测定土体在不同应力状态及变形条件下的渗透特性。
背景技术
在土与结构物连接处，土体在水及其它各种荷载的作用下常产生复杂的力学变形与渗透的相互作用，可能危及土工结构物的安全。例如，高土石坝心墙与岸坡的接触处是可能发生剪切裂缝及较大剪切变形的危险部位之一，该部位在是土石坝事故的多发区，其复杂的应力变形状态及渗透条件是导致事故发生的重要原因。因此，土体剪切变形条件下渗透性及渗透稳定性的研究具有重要的工程实用价值，关系到能否正确合理地进行土工建筑物的设计及其安全性评价。
进行土体剪切变形过程中的渗透试验是研究和解决上述问题的一个基本手段。传统的三轴剪切试验及渗透试验只能单方面测定土体的应力变形特性或渗透特性，在测定土体在剪切变形条件下的渗透特性方面的能力不足。已有的三轴渗透试验方法只能测定试样固结而不发生剪切变形条件下的渗透特性，且试样为圆柱形，只能测定试样沿轴向方向的渗透特性。土体在变形与渗透相互作用下，不同部位、不同荷载条件下，渗透方向与剪切方向的相对关系不同，土体在三个方向上的渗透特性受这种相对关系不同的影响较大，因此有必要开发可在土体变形过程中测试三个方向的渗透特性的试验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种三轴渗透试验装置，使其能在X、Y、Z三个方向上进行土体剪切变形过程中的渗透特性试验。
本发明的技术方案如下：
一种三轴渗透试验装置，该装置包括底座、顶帽、加压及量测系统，其特征在于：在底座上设置X方向、Y方向和Z方向三个方向渗透时的进水孔以及X方向、Y方向和Z方向三个方向渗透时的进水管路；在顶帽上设置X方向、Y方向和Z方向三个方向渗透时的出水孔以及X方向、Y方向和Z方向渗透时的出水管路，并在X方向、Y方向和Z方向的进水管路和出水管路上设置阀门，进水管路与压力系统连接，出水管路与量测系统连接。
本发明的特征还在于：所述的底座下部为圆形，中间部分的凸台为椭圆形，用于放置试样的顶部平台为长方形，椭圆形凸台与长方形平台之间为光滑的渐近过渡，形成四个渐近过渡斜面，所述X方向和Y方向渗透时的进水孔分别设置在互相垂直的两个方向的渐近过渡斜面上，所述Z方向渗透时的进水孔设置在底座的长方形平台上。顶帽的上部为圆柱性的轴向压力传动杆，中间部分为椭圆形的凸台，底部为长方形平台，长方形平台与椭圆形凸台之间为光滑的渐近过渡，形成四个渐近过渡斜面，所述X方向和Y方向渗透时的出水孔分别设置在互相垂直的两个方向的渐近过渡斜面上，所述Z方向渗透时的出水孔设置在顶帽的长方形平台上。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性技术效果：底座上设置三个方向上渗透时的进水孔及进水管路，顶帽上设置三个方向上渗透时的出水孔及出水管路，可以通过控制进水管路和出水管路上多个阀门的闭合来实现试样在X方向、Y方向、Z方向中任一方向上的渗透试验。
附图说明
图1为本发明提供的三轴渗透试验装置的结构示意图。
图2为本发明提供的底座结构剖面图。
图3为本发明提供的顶帽结构剖面图。
图中：1—底座；2—量水管；3—X方向渗透时进水管；4—Y方向渗透时进水管；5—Z方向渗透时进水管；6—试样；7—渗透时进水侧土工织物；8—渗透时出水侧土工织物；9—顶帽；10—X方向渗透时出水管；11—Y方向渗透时出水管；12—Z方向渗透时出水管；13—轴向压力传动杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、工作过程和实施方式作进一步的说明。
图1为本发明提供的三轴渗透试验装置的结构示意图。该装置包括底座1、顶帽9、加压及量测系统，在底座上设置X方向、Y方向和Z方向三个方向渗透时的进水孔以及X方向、Y方向和Z方向三个方向渗透时的进水管路；在顶帽上设置X方向、Y方向和Z方向三个方向渗透时的出水孔以及X方向、Y方向和Z方向渗透时的出水管路，并在X方向、Y方向和Z方向的进水管路和出水管路上设置阀门，进水管路与压力系统连接，出水管路与量测系统连接。
图2为三轴渗透试验装置的底座剖面图，其下部为圆形，中间部分的凸台为椭圆形，用于放置试样的顶部平台为长方形，椭圆形凸台与长方形平台之间为光滑的渐近过渡，形成四个渐近过渡斜面，X方向和Y方向渗透时的进水孔分别设置在互相垂直的两个方向的渐近过渡斜面上，Z方向渗透时的进水孔设置在底座的长方形平台上，三个进水孔分别经过三个设置在底座内部的水流管路后连接至底座外部的三个阀门。
图3为三轴渗透试验装置的顶帽剖面图，顶帽的上部为圆柱性的轴向压力传动杆13，中间部分为椭圆形的凸台，底部为长方形平台，长方形平台与椭圆形凸台之间为光滑的渐近过渡，形成四个渐近过渡斜面，X方向和Y方向渗透时的出水孔分别设置在互相垂直的两个方向的渐近过渡斜面上，Z方向渗透时的出水孔设置在顶帽的长方形平台上，三个出水孔分别经过三个设置在顶帽内部的水流管路后连接至顶帽外部的三个阀门。
试验时，首先按试验方案的要求选择三个方向中的任一方向作为渗透方向，将底座1、试样6及顶帽9组装在一起，组装方式为：在底座1的长方形平台上放置试样6，将顶帽9放置在试样上。在试样所选定渗透方向的进水表面上铺设一块渗透时进水侧土工织物7，在试样渗透时的出水表面上铺设一块渗透时出水侧土工织物8。土工织物柔软且透水性良好，可以适应试样的轴向及侧向变形，土工织物的面积比试样在所选定渗透方向上的表面稍大，将试样的进水侧表面上的土工织物覆盖在渗透时进水孔上，将出水侧表面上的土工织物覆盖在渗透时的出水孔上，便于在试样渗透方向形成平行渗流，并引导渗透水流从进水侧流入试样并从出水侧流出。
连接渗透水经过的水流管路并开启阀门，同时关闭其他管路的阀门。例如，若进行图1中试样6在Y方向的渗透试验，则将Y方向渗透时的进水管4与水压力系统连接，Y方向渗透时出水管11与量水管2相连并开启阀门，关闭X方向渗透时进水管3、Z方向渗透时进水管5、X方向渗透时出水管10及Z方向渗透时出水管12共4条水流管路上的阀门。这样设置后，通过水压力系统对试样施加渗透水压力，即可实现试样在Y方向上的渗透，其渗透过程中的水流导向为：反压力系统→Y方向渗透时进水管4→渗透时进水侧土工织物7→试样6→渗透时出水侧土工织物8→Y方向渗透时出水管11→量水管2。如此即可实现Y方向的渗透试验。当需要进行X方向或Z方向的渗透试验时，改变土工织物的铺设位置及水流管路的连接方式，即可进行试样在不同方向上的渗透试验。
将渗透水流的进水管路和出水管路连接完毕后，将底座中部的凸台以上部分、试样、土工织物、顶帽的中部凸台以下部分用橡皮膜包裹并扎紧后放入压力室内。向压力室内注入纯水后，通过周围压力系统对试样进行固结，通过轴向压力系统对试样进行剪切。在试样产生某一剪切变形后，通过水压力系统施加渗透压力，水流依次通过进水管路、进水侧土工织物、试样、出水侧土工织物、出水管路后进入量水管，实现试样在所选定方向的渗透过程。记录渗透历时及量水管读数，可计算试样在某一剪切变形条件下的渗透系数。
若进行试样在另一剪切变形条件下的渗透试验，则停止施加渗透水压力并使其充分消散后再对试样继续进行剪切，当试样的轴向剪切变形量达到试验要求时重复进行以上渗透过程。
Claims (1)
1.一种三轴渗透试验装置，包括底座、顶帽、加压及量测系统，其特征在于：在底座上设置X方向、Y方向和Z方向三个方向渗透时的进水孔以及X方向、Y方向和Z方向三个方向渗透时的进水管路；在顶帽上设置X方向、Y方向和Z方向三个方向渗透时的出水孔以及X方向、Y方向和Z方向渗透时的出水管路，并在X方向、Y方向和Z方向的进水管路和出水管路上设置阀门，进水管路与加压系统连接，出水管路与量测系统连接；
所述底座的下部为圆形，中间部分的凸台为椭圆形，用于放置试样的顶部平台为长方形，椭圆形凸台与长方形平台之间为光滑的渐近过渡，形成四个渐近过渡斜面，所述X方向和Y方向渗透时的进水孔分别设置在互相垂直的两个方向的渐近过渡斜面上，所述Z方向渗透时的进水孔设置在底座的长方形平台上；
所述顶帽的上部为圆柱形的轴向压力传动杆，中间部分为椭圆形的凸台，底部为长方形平台，长方形平台与椭圆形凸台之间为光滑的渐近过渡，形成四个渐近过渡斜面，所述X方向和Y方向渗透时的出水孔分别设置在互相垂直的两个方向的渐近过渡斜面上，所述Z方向渗透时的出水孔设置在顶帽的长方形平台上。
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