CN102323159B - 高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高应力、高水力梯度、大剪切变形下土与结构物接触面渗透破坏试验仪。底座上布置围压室；轴向加压器与轴向加压杆的一端连接，轴向加压杆的另一端从围压室的顶端延伸入围压室、与试样帽接触，试样帽的下部布置透水石、透水石下方布置试样，试样被热缩管紧密包裹；围压加压器通过管道从围压室的底端接入，渗透压力加压器通过管道从围压室内试样的底端接入；第一出水管一端连接试样帽、另一端延伸出围压室；第二出水管一端从底座的下部接入试样的底部，另一端接入底座下的量杯处。本试验仪能够获得较准确的渗流应力耦合作用下的试样应力应变数据，为开展土体与结构物接触面的渗流应力耦合本构模型的研究提供了理论依据。

Description

高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪的测试方法

技术领域

本发明涉及一种高应力、高水力梯度、大剪切变形下土与结构物接触面渗透破坏试验仪，特别是一种能够研究300m级以上高土石坝心墙土或高塑性粘土与混凝土防渗墙接触面渗透破坏机理的试验装置。 

背景技术

在高土石坝工程中，心墙防渗粘土或高塑性粘土与混凝土防渗墙的接触部位，由于土体与混凝土防渗墙的物理力学性质的差别，在高应力、高水力梯度的联合作用下常产生大剪切变形，同时诱发接触面部位土体的渗透破坏，危及大坝的安全。因此，真实模拟高土石坝中心墙土或高塑性粘土与混凝土防渗墙的实际工作状态，开展高应力、高水力梯度、大剪切变形条件下土与防渗墙接触面接触冲刷研究具有重要的工程实用价值，尤其对于指导我国西南地区正在设计中的几座300m级的高土石坝的设计具有十分重要的意义。 

现有试验装置有的无法考虑土体所处的应力状态；有的不能模拟土体的大剪切变形；有的则只能模拟土体与防渗墙接触面之间平行错动的剪切变形。而实际工程中，土体与防渗墙之间发生的大剪切变形应该是防渗墙顶部土体发生45度剪切面破坏，与防渗墙接触的土体发生沿接触面的破坏。由此可见，现有试验装置根本不能真实模拟土体与混凝土防渗墙接触面所经历的高应力、高水力梯度、大剪切变形的工作状态，研究成果不能用于指导高土石坝工程的设计。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述研究的不足，提供一种能够研究高应力、高水力梯度、大剪切变形条件下高土石坝心墙粘土或高塑性粘土与混凝土防渗墙接触面渗流冲刷破坏的试验装置。 

本发明采用如下技术方案： 

本发明所述的高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪，包括底座，围压室，轴向加压器，试样，热缩管，轴向加压杆，试样帽，透水石，围压加压器，渗透压力加压器，第一出水管，第二出水管，量杯；所述的底座上布置围压室；轴向加压器与轴向加压杆的一端连接，轴向加压杆的另一端从围压室的顶端延伸入围压室、与试样帽接触，试样帽的下部布置透水石、透水石下方布置试样，试样被热缩管紧密包裹；围压加压器通过管道从围压室的底端接入，渗透压力加压器通过管道从围压室内试样的底端接入；第一出水管一端连接试样帽、另一端延伸出围压室；第二出水管一端从底座的下部接入试样的底部，另一端接入底座下的量杯处。

本发明所述的高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪，还包括位移传感器，环向应变片，卸气阀，孔隙水压力传感器；所述的位移传感器与卸气阀布置在围压室的顶部，若干个环向应变片贴合在热缩管的表面，孔隙水压力传感器布置在渗透压力加压器的管道上。 

本发明所述的高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪，所述位移传感器与环向应变片与孔隙水压力传感器与数据采集系统相连。 

本发明所述的高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪，所述的环向应变片为四个、且每两个环向应变片之间的角度差为90°。 

本发明所述的高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪的测试方法，测试步骤如下： 

1）制作试样，将试样放入围压室内；

2）向围压室内加满水，利用围压加压器向围压室内的试样施加围压力；

3）施加围压后试样通过第一出水管、第二出水管同时向外排水，利用孔隙水压力传感器监测试样孔隙水压力的消散情况；

4）轴向加压杆向试样分级施加轴压，分别利用位移传感器、环向应变片监测试样的沉降量及环向应变，当试样出现大剪切变形时停止加压；

5）渗透压力加压器向试样底部施加渗透压力，试样内部产生接触渗流，逐级施加渗透压力，并记录不同渗透压力下的渗流量，直到试样发生接触渗透破坏，试验结束。

有益效果 

本发明提供的新型接触渗透仪可以真实模拟高土石坝工程中心墙防渗粘土或高塑性粘土与混凝土防渗墙接触部位所处的实际工作状态，即高应力、高水力梯度，大剪切变形。该新型接触渗透仪可模拟的最大围压达2.0MPa，最大轴压4.0Mpa，最大水力梯度500，这些技术指标均远高于已有试验装置。同时，该渗透仪采用应变片跟踪测量试样的环向应变，能够获得较准确的渗流应力耦合作用下的试样应力应变数据，为开展土体与结构物接触面的渗流应力耦合本构模型的研究提供了理论依据。

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图中1是底座，2是围压室，3是轴向加压器，4是试样，5是轴向加压杆，6是试样帽，7是围压加压器，8是渗透压力加压器，9是第一出水管，10是第二出水管，11是量杯，12是位移传感器，13是环向应变片，14是卸气阀，15是孔隙水压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明进一步详细说明： 

如图1所示：高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪，其特征在于：包括底座1，围压室2，轴向加压器3，试样4，热缩管，轴向加压杆5，试样帽6，透水石，围压加压器7，渗透压力加压器8，第一出水管9，第二出水管10，量杯11，位移传感器12，环向应变片13，卸气阀14，孔隙水压力传感器15。

所述的底座1上布置围压室2；轴向加压器3与轴向加压杆5的一端连接，轴向加压杆5的另一端从围压室2的顶端延伸入围压室2、与试样帽6接触，试样帽6的下部布置透水石、透水石下方布置试样4，试样4被热缩管紧密包裹；围压加压器7通过管道从围压室2的底端接入，渗透压力加压器8通过管道从围压室2内试样4的底端接入；第一出水管9一端连接试样帽6、另一端延伸出围压室2；第二出水管10一端从底座1的下部接入试样4的底部，另一端接入底座1下的量杯11处。 

位移传感器12与卸气阀14布置在围压室2的顶部，若干个环向应变片13贴合在热缩管的表面，孔隙水压力传感器15布置在渗透压力加压器8的管道上，位移传感器12与环向应变片13与孔隙水压力传感器15与数据采集系统相连。 

4环向应变片13为四个、且每两个环向应变片13之间的角度差为90°。 

高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪的测试方法，其特征在于：测试步骤如下： 

(1) 制备、安装试样。首先，将模拟混凝土防渗墙的橡胶板固定在模型底座上，在橡胶板两侧的模型底座上放置好起反滤作用的土工布。根据干密度及含水量要求，利用特制对开模制备试样，试样由粘土及橡胶板组成，试样被热缩管紧密包裹。然后，将制备好的试样连同底座固定在仪器底座上，拧紧螺丝。在试样的顶部自下而上分别盖上透水石及试样帽，注意要始终保持试样处于竖直状态，以保证后期承受轴向压力时不致产生偏心受压，影响试验成果。

(2) 粘贴应变片。为了监测试样的环向应变，进而确定试验过程中试样的体积应变，在靠近试样中间位置的热缩管外表面的同一圆周上，均匀粘贴4个应变片，各应变片角度相差90度，试验过程中，收集4个应变片的应变值，取代数平均值作为试样的环向应变值。 

(3) 施加围压。安装围压室，注意密封性。打开围压室顶部的卸气阀，开始给围压室缓慢加水，待水完全充满围压室并从卸气阀溢出时，拧紧卸气阀，关闭进水阀，打开围压控制阀开始施加围压，同时打开第一、第二出水管的排水阀，试样开始固结过程，水流分别通过第一、第二出水管进入量杯，并打开孔隙水压力传感器控制阀，监测孔隙水压力的消散过程。 

(4) 施加轴向压力。根据试样的孔隙水压力消散情况，启动轴向加压器，对试样施加轴向压力。加载过程中，采用分级施加，通过位移传感器密切监测试样在固结过程中的沉降量变化，施加一级轴向荷载后，当试样沉降量不再变化时，开始施加下一级轴向荷载，直至加载到试样开始产生明显的剪切变形时停止加载，并保持围压及轴向压力不变，用以模拟实际高土石坝工程中心墙粘土或高塑性粘土与混凝土防渗墙接触部位经常经历的高应力、大剪切变形工作状态。 

(5) 施加渗透压力。关闭第一出水管排水阀，打开渗透压力控制阀，启动渗透压力加压器，开始分级施加渗透压力，渗透水流通过进水管进入试样，绕过橡胶板，通过第二出水管，进入量杯。在此过程中，密切监测如下数据：(a) 试样流量与渗透坡降的关系；(b) 试样沉降与时间的关系，环向应变与时间的关系，沉降与渗透坡降的关系，环向应变与渗透坡降的关系。待试样发生接触渗透破坏时，结束试验。 

Claims (1)

1. 高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪的测试方法，其特征在于：测试步骤如下：

1）制作试样（4），将试样放入围压室（2）内；

2）向围压室（2）内加满水，利用围压加压器（7）向围压室（2）内的试样（4）施加围压力；

3）施加围压后试样（4）通过第一出水管（9）、第二出水管（10）同时向外排水，利用孔隙水压力传感器（15）监测试样（4）孔隙水压力的消散情况；

4）轴向加压杆（5）向试样（4）分级施加轴压，分别利用位移传感器（12）、环向应变片（13）监测试样（4）的沉降量及环向应变，当试样（4）出现大剪切变形时停止加压；

5）渗透压力加压器（8）向试样（4）底部施加渗透压力，试样（4）内部产生接触渗流，逐级施加渗透压力，并记录不同渗透压力下的渗流量，直到试样（4）发生接触渗透破坏，试验结束；

所述的高应力高水力梯度大剪切变形下土与结构物接触渗透仪，包括底座（1），围压室（2），轴向加压器（3），试样（4），热缩管，轴向加压杆（5），试样帽（6），透水石，围压加压器（7），渗透压力加压器（8），第一出水管（9），第二出水管（10），量杯（11）；所述的底座（1）上布置围压室（2）；轴向加压器（3）与轴向加压杆（5）的一端连接，轴向加压杆（5）的另一端从围压室（2）的顶端延伸入围压室（2）、与试样帽（6）接触，试样帽（6）的下部布置透水石、透水石下方布置试样（4），试样（4）被热缩管紧密包裹；围压加压器（7）通过管道从围压室（2）的底端接入，渗透压力加压器（8）通过管道从围压室（2）内试样（4）的底端接入；第一出水管（9）一端连接试样帽（6）、另一端延伸出围压室（2）；第二出水管（10）一端从底座（1）的下部接入试样（4）的底部，另一端接入底座（1）下的量杯（11）处；

渗透仪还包括位移传感器（12），环向应变片（13），卸气阀（14），孔隙水压力传感器（15）；所述的位移传感器（12）与卸气阀（14）布置在围压室（2）的顶部，若干个环向应变片（13）贴合在热缩管的表面，孔隙水压力传感器（15）布置在渗透压力加压器（8）的管道上；所述位移传感器（12）、环向应变片（13）与孔隙水压力传感器（15）与数据采集系统相连；所述的环向应变片（13）为四个、且每两个环向应变片（13）之间的角度差为90°。

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