CN101655424A - 砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法及试样成孔制样器 - Google Patents

砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法及试样成孔制样器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法及试样成孔制样器，属于岩土力学三轴试验技术领域。本方法是在直径30cm的圆柱体标准试样中设置多个轴向贯通试样的垂直通孔，将上述带通孔试样置于平板上，从通孔上口灌入标准砂，并将标准砂捣实，使带孔试样成为含砂芯的试样，用此含砂芯的试样进行砾石土大型三轴试验，快速并准确地求得试样抗剪强度和应力应变关系。本发明的方法在大尺寸砾石土试样中沿试样轴向进行预先成孔，在孔中灌砂形成砂芯的方法，可以有效的提高试样的饱和、排水速度。经试验表明，本发明的大型三轴试样成孔制样器操作方便，成孔质量高，完全满足大型三轴试样试验要求。

Description

砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法及试样成孔制样器
技术领域
本发明属于岩土力学三轴试验技术领域，具体涉及一种砾石土大型三轴试验砂芯加速排水新试验方法及其试样成孔制样器。
背景技术
现有技术中，三轴仪是岩土力学研究最常规最重要的实验设备之一。三轴试验是测定岩土材料的抗剪强度、应力应变关系的一种试验。试验方法是对三轴压力室中的圆柱形试样，分别施加围压(即小主压力σ3)和轴向应力σ1，测定不同应力状态下试样轴向应变δ1和体应变εv，至试样破坏，求得试样抗剪强度和应力应变关系。
目前在建和已建的200m以上高土石坝中，超过70％是采用砾石土作为心墙防渗料。因此，采用三轴仪等进行砾石土力学试验，测试砾石土的抗剪强度和应力应变关系是岩土力学试验的重要内容。由于砾石土中存在大量粗颗粒，要准确测定其强度及应力应变特性，应进行大型三轴试验，然而，由于砾石土渗透系数小，大尺寸试样的饱和及试验过程中排水十分困难，因此，砾石土的强度及应力应变特性试验成为了岩土力学测试中难点问题。试样饱和、固结、剪切过程中排水不充分都会导致砾石土的三轴试验结果不真实。若要按传统方法进行试验，保证试样饱和、固结、剪切过程中排水充分，试验周期将很长，无论是从大型三轴试验仪设备性能还是试验时间上都是难以接受的，因此迫切需要对砾石土的三轴试验方法进行改进，但现有技术中尚无现成的新的试验方法及相应的试验设备。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法，本方法是在大尺寸砾石土试样中沿试样轴向进行预先成孔，在孔中灌砂形成砂芯再进行大型三轴试验的方法，可以有效的提高试样的饱和、排水速度。本发明还提供了一种用以制备带砂芯试样的制样器，用以制备合格的带砂芯试样。
本发明的技术方案是：砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法是在直径30cm的圆柱体标准试样中设置多个直径6±0.01mm轴向贯通试样的垂直通孔，使通孔的面积或体积占标准试样面积或体积的0.52±0.02％；将上述带通孔试样置于平板上，从通孔上口灌入标准砂，并将标准砂捣实，使带孔试样成为含砂芯的试样，用以缩短排水距离，减小试样的饱和、排水时间；用此含砂芯的试样进行砾石土大型三轴试验，快速并准确地求得试样抗剪强度和应力应变关系。
所述的通孔为13个，均匀分布在直径30cm的圆柱体标准试样的横截面上。所述的均匀分布是：在30cm直径标准试样的圆心设置1个通孔，与试样同心的10cm直径小圆的圆周均匀设置4个通孔，与试样同心的20cm直径中圆的圆周均匀设置8个通孔。所述的小圆的圆周均匀设置的4个通孔和中圆的圆周均匀设置的8个通孔是均匀错位分布的。
一种砾石土大型三轴试验砂芯加速排水试样成孔制样器，本制样器的制样平台为一水平试验台，沿中心轴线在制样平台之上依次设置有制样底盘、试样成模筒；沿中心轴线在制样平台之下设置压力顶升装置；与压力顶升装置顶部连接为一体的一组导杆垂直向上穿过制样底盘伸向试样成模筒中。
所述的试样成模筒的直径为30cm，高度为60cm；所述的一组导杆是直径为6mm的与试样成模筒轴向平行的直导杆。所述的一组导杆为13根，在直径为30cm的试样成模筒的圆形横截面上均匀分布。所述的均匀分布是在试样成模筒的圆形横截面上30cm直径大圆的圆心设置1根导杆，与大圆同心的10cm直径小圆的圆周均匀分布4根导杆，与大圆同心的20cm直径中圆的圆周均匀分布8根导杆。所述的中圆上的8根导杆与小圆上的4根导杆是均匀错位分布的。所述的压力顶升装置是千斤顶、气缸、液压顶升装置、机械压力顶升装置；所述的导杆是不锈钢导杆、铁导杆、钢导杆、铝合金导杆。
本发明的方法在大尺寸砾石土试样中沿试样轴向进行预先成孔，在孔中灌砂形成砂芯的方法，可以有效的提高试样的饱和、排水速度。经试验表明，本发明的大型三轴试样成孔制样器操作方便，成孔质量高，完全满足大型三轴试样试验要求。
附图说明
附图1是本发明一实施例剖视结构示意图；
附图2是附图1的A-A截面结构示意图；
附图3是无砂芯样和有砂芯样的三轴固结排水孔压消散过程曲线；
附图4是无砂芯样和有砂芯样的三轴固结排水试验应力应变关系曲线。
附图中标记分述如下：1-试样成模筒；2-活动导向盘；3-砾石土；4-制样底盘；5-螺杆；6-螺杆；7-制样平台；8-导杆；9-固定导向盘；10-固定导向盘；11-压力顶升装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及有关技术问题作进一步详细的描述。如前所述，现有技术中，由于砾石土渗透系数小，大尺寸试样的饱和及试验过程中排水十分困难，因此，砾石土的强度及应力应变特性试验成为了岩土力学研究中的难点问题，一直未能解决。为此，本申请人创造了一种新的试验方法，即在大尺寸砾石土试样中沿试样轴向进行预先成孔，在孔中灌砂形成带砂芯试样，可以有效的提高试样的饱和、排水速度。这种方法是否可行的前提是，砂芯的设置对砾石土试样的强度及应力应变特性的改变有多大，试验证明，孔的直径、孔的数量、孔的布置方式及砂芯的力学性与砾石土间的差异是决定砾石土试样性质改变大小的主要因素，经过多次试验，本发明的这些参数取值是合理的，砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法试验在工程上是可以接受的。
然而，要在直径30cm高60cm的圆柱体试样中形成直径6mm且平行于试样轴向的多个均匀连续小孔，技术上是困难的。本发明的大型三轴试样成孔制样器在制样过程中，通过在成模筒中预置金属导杆后分层装土、击实，最后抽出导杆使试样成孔的方式制样。具体制样方法如下：
砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法。在直径30cm的圆柱体试样中形成多个(具体为13个)直径6mm的通孔砂芯，将大大缩短排水距离，减小试样的饱和、排水时间。形成的砂芯试样，砂芯的面积(或体积)置换率仅占试样面积或体积的0.52％，试验表明，砂芯的设置对砾石土试样的强度及应力应变特性的改变不大，砂芯加速排水方法使砾石土大型三轴试验成为可能。
本发明的砾石土大型三轴加速排水试样成孔制样器如图1所示。三个导向盘2、9、10和底盘4及千斤顶11共同确定导杆8在试样成模筒1中的空间位置，分层制样的步骤如下：未安导向盘2时填入松散的砾石土，安导向盘2，击实，击实过程中导杆8随土体压实而下移，保证导杆8上端与导向盘2上表面平齐，击实至要求的密度后取出导向盘2，用千斤顶11将导杆8顶到要求的位置，填入下一层砾石土3，重复上述步骤，至试样分层装土击实完成。然后将导杆8从试样中拔出，在形成的空洞中填筑标准细砂，并压密。试样制样完成。
本申请人还进行了无砂芯和有砂芯(13个Φ6mm)的三轴固结排水试验。试样尺寸Φ300mm×H600mm，围压500kPa，剪切速率0.02mm/min(0.0033％/min)。试验结果见附图3和附图4所示。
由附图3和附图4可见，有砂芯样和无砂芯样的三轴固结排水试验的应力应变关系曲线是近似的，砂芯的设置对砾石土试样的强度及应力应变特性的改变不大；而有砂芯样的孔压消散过程明显加快，砂芯的排水作用是明显的，因此在保证剪切过程中完全排水的前提下，砂芯可以大大提高试验的剪切速率，砂芯加速排水方法使砾石土大型三轴试验成为可能。

Claims (10)

1、一种砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法，其特征在于：在直径30cm的圆柱体标准试样中设置多个直径6±0.01mm轴向贯通试样的垂直通孔，使通孔的面积或体积占标准试样面积或体积的0.52±0.02％；将上述带通孔试样置于平板上，从通孔上口灌入标准砂，并将标准砂捣实，使带孔试样成为含砂芯的试样，用以缩短排水距离，减小试样的饱和、排水时间；用此含砂芯的试样进行砾石土大型三轴试验，快速并准确地求得试样抗剪强度和应力应变关系。
2、根据权利要求1所述的砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法，其特征在于：所述的通孔为13个，均匀分布在标准试样的横截面上。
3、根据权利要求2所述的砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法，其特征在于：所述的均匀分布是：在直径30cm圆柱体标准试样的圆心设置1个通孔，与试样同心的10cm直径小圆的圆周均匀设置4个通孔，与试样同心的20cm直径中圆的圆周均匀设置8个通孔。
4、根据权利要求3所述的砾石土大型三轴试验砂芯加速排水方法，其特征在于：所述的小圆的圆周均匀设置的4个通孔和中圆的圆周均匀设置的8个通孔是均匀错位分布的。
5、一种砾石土大型三轴试验砂芯加速排水试样成孔制样器，其特征在于：本制样器的制样平台(7)为一水平试验台，沿中心轴线在制样平台(7)之上依次设置有制样底盘(4)、试样成模筒(1)；沿中心轴线在制样平台(7)之下设置压力顶升装置(11)；与压力顶升装置(11)顶部连接为一体的一组导杆(8)垂直向上穿过制样底盘(4)伸向试样成模筒(1)中。
6、根据权利要求5所述的砾石土大型三轴试验砂芯加速排水试样成孔制样器，其特征在于：所述的试样成模筒(1)的直径为30cm，高度为60cm；所述的一组导杆(8)是直径为6mm的与试样成模筒(1)轴向平行的直导杆。
7、根据权利要求5所述的砾石土大型三轴试验砂芯加速排水试样成孔制样器，其特征在于：所述的一组导杆(8)为13根，在直径为30cm的试样成模筒(1)的圆形横截面上均匀分布。
8、根据权利要求7所述的砾石土大型三轴试验砂芯加速排水试样成孔制样器，其特征在于：所述的均匀分布是在试样成模筒(1)的圆形横截面上30cm直径大圆的圆心设置1根导杆(8)，与大圆同心的10cm直径小圆的圆周均匀分布4根导杆(8)，与大圆同心的20cm直径中圆的圆周均匀分布8根导杆(8)。
9、根据权利要求8所述的砾石土大型三轴试验砂芯加速排水试样成孔制样器，其特征在于：所述的中圆上的8根导杆(8)与小圆上的4根导杆(8)是均匀错位分布的。
10、根据权利要求5所述的砾石土大型三轴试验砂芯加速排水试样成孔制样器，其特征在于：所述的压力顶升装置(11)是千斤顶、气缸、液压顶升装置、机械压力顶升装置；所述的导杆(8)是不锈钢导杆、铁导杆、钢导杆、铝合金导杆。
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