CN102967695B - 土体饱水-疏干循环压缩试验方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种模拟土体饱水-疏干循环过程，并对所述土体进行压缩试验的方法。即一种土体饱水-疏干循环压缩试验方法，包括以下步骤：1）制备侧限压缩试验或固结试验所需要的试样；2）使步骤1）中的试样饱和；3）疏干；4）饱水；5）重复步骤3）、4）若干次；6）进行侧限压缩试验或固结试验。实现上述方法的装置主要包括轴向加荷系统和压力室。所述压力室包括压力室圆筒、顶盖和底座。试验时，试样安放在所述陶土板和环形透水石上，所述试样上安放试样加载板，所述轴向加荷系统的传力装置穿过所述顶盖后与试样加载板相接触。

Description

土体饱水-疏干循环压缩试验方法及其装置

技术领域

本发明涉及土体基本力学特性的测试，具体是一种在实验室条件下模拟经过饱水-疏干循环的土体，并对所述土体进行侧限压缩试验或固结试验。

背景技术

大型水库（如长江三峡水库）蓄水运行后，库水位随水库调度呈周期性的上升、下降变化，并且库水位的变幅很大。例如长江三峡水库，按其调度计划，正常蓄水后坝前库水位每年在175m-145m之间变化，库水位最大变幅达30m。在库水位的周期性上升、下降变化中，库岸地下水位及拦河土石坝浸润线也呈周期性的上升、下降变化，且变幅往往很大。对于试验性蓄水运行和正常蓄水运行的大型水库而言，当库水位从高水位逐渐向低水位变化时，地下水位也随之逐渐下降变化，库水位和地下水位变化幅度内的库岸土体和拦河土石坝土体内的水体将在重力作用下逐渐排出，这一过程称为地下水的重力疏干或重力排水过程，本发明称之为“疏干”。当库水位从低水位逐渐向高水位变化时，地下水位也随之逐渐上升变化，库水位和地下水位变化幅度内的库岸土体和拦河土石坝土体因水的渗入逐渐变为饱和状态，这一过程称为库水位上升引起库岸及大坝土体的饱水过程，本发明称之为“饱水”。这里“饱水”与现有技术中所称的“湿化”都是使土体由非饱和状态转变为饱和状态，但两者是不同的。“饱水”是库水位下降后再次上升过程中使土体由非饱和状态变为饱和状态的过程。“饱水”发生前，虽然土体因重力水已经排出而处于非饱和状态，但土体中仍存在大量的毛细水、结合水等，含水率通常较高。而“湿化”发生前，土体没有经历因库水位和地下水位上升引起的由非饱和状态向饱和状态转变的过程，土体通常处于半干燥状态甚至干燥状态，含水率通常较低。

库水位和地下水位的周期性上升、下降变化，必然使得其变化范围内的库岸土体及拦河土石坝土体经受周期性的饱水-疏干循环作用。在饱水-疏干循环作用下，土体的变形特性可能发生变化，表征其侧限压缩变形特性的压缩系数、压缩模量等压缩指标也会有所变化。大型水库的库水位上升过程、下降过程的历时往往均较长，从数十日到数个月不等，这使得库岸土体和拦河大坝土体的“饱水”、“疏干”过程历时也较长。在室内试验条件下，研究土体在饱水-疏干循环条件下的侧限压缩变形特性，需要尽可能真实地模拟库岸及拦河大坝土体经历的饱水-疏干循环条件，但为了节约试验时间，试验的历时又不能很长。

侧限压缩试验亦称固结试验（参见GB/T50123-1999土工试验方法标准、HZCS/C-04固结试验技术细则 等）。所谓侧限，就是使土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形，而无侧向变形。传统试验所采用的装置为压缩仪（或固结仪），具有一个上端敞口的容置腔。试验时将切有土样的环刀置于容置腔（刚性护环）中，由于金属环刀及刚性护环的限制，使得土样在竖向压力作用下只能发生竖向变形，而无侧向变形。在土样上下放置的透水石是土样受压后排出孔隙水的两个界面。压缩过程中竖向压力通过刚性板施加给土样，土样产生的压缩量可通过百分表量测。传统的压缩仪通常不具有气密性，不足之处在于，无法模拟被测土体的饱水-疏干循环过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟土体饱水-疏干循环过程，并对所述土体进行压缩试验的方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种土体饱水-疏干循环压缩试验方法，包括以下步骤：

1）制备侧限压缩试验或固结试验所需要的试样；

2）使步骤1）中的试样饱和；

3）疏干：向所述试样的顶端施加具有压力的气体；所述气体从试样的顶端缓慢向试样的底端渗透，以驱动试样内部的重力水自上而下渗透并从试样底端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅进气、不排气、不进水、不排水，试样底端仅排水、不进水、不进气、不排气；

4）饱水：从试样的底端向试样施加具有压力的无气水，或同时从试样的底端和顶端向试样施加具有压力的无气水；所述无气水在试样内渗透的过程中，试样内部的气体从试样顶端排出；在本步骤的过程中，试样顶端排气、不排水、不进气，试样顶端进水或不进水，试样底端仅进水、不排水、不进气、不排气；

5）重复步骤3）、4）若干次；

6）进行侧限压缩试验或固结试验。

本发明的另一个目的是提供一种实现上述方法的装置，即一种土体饱水-疏干循环压缩试验装置，主要包括轴向加荷系统和压力室。所述压力室包括压力室圆筒、顶盖和底座，所述顶盖和底座的内部均安装有若干管道系统，所述压力室圆筒、顶盖和底座相结合处具有气密性。所述底座的上方安放陶土板和环形透水石，所述底座内部的管道系统包括透水石底侧进水及排水控制调节系统、陶土板底侧进水及排水控制调节系统和陶土板底侧气压控制调节系统。所述顶盖内部的管道系统包括压力室顶部进出气系统和压力室顶部进水系统。试验时，试样安放在所述陶土板和环形透水石上，所述试样上安放试样加载板，所述轴向加荷系统的传力装置穿过所述顶盖后与试样加载板相接触。

值得说明的是，为了实现疏干，本发明采取了在试样顶部通入气体的方案，其目的是使得饱和或饱水试样在气体的作用下通过底部排水。相应地，向疏干后的试样底部、或底部和顶部灌注无气水，同时从试样顶部排气，即实现了饱水。相对于传统的压缩仪或固结仪，本发明所公开的装置具有一个压力室。当与所述压力室连通的所有管道系统上的阀门关闭时，所述压力室具有气密性。正是基于上述技术方案，本发明能够模拟土体的饱水-疏干循环过程，能够科学评价库岸土体和拦河土石坝土体在周期性的饱水-疏干循环作用下的压缩特性。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明的装置的结构示意图；

图2为本发明的装置中压力室部分的结构示意图；

图3为底座部分的剖视图；

图4为底座部分的俯视图。

图中：1-轴向加荷系统，2-压力室，3-底座，4-压力室圆筒，5-顶盖，6-试样加载板，7-试样，8-试样顶部透水石，10-陶土板底侧进水及排水控制调节系统，11-陶土板底侧气压控制调节系统，12-透水石底侧进水及排水控制调节系统，13-压力室顶部进水系统，14-压力室顶部进出气系统，16-陶土板，17-环形透水石，18-隔离带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

参见附图：图中一种土体饱水-疏干循环压缩试验方法，包括以下步骤：

1）制备侧限压缩试验或固结试验所需要的试样；

2）使步骤1）中的试样饱和；

3）疏干：向所述试样的顶端施加具有压力的气体；所述气体从试样的顶端缓慢向试样的底端渗透，以驱动试样内部的重力水自上而下渗透并从试样底端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅进气、不排气、不进水、不排水，试样底端仅排水、不进水、不进气、不排气；

4）饱水：从试样的底端向试样施加具有压力的无气水，或同时从试样的底端和顶端向试样施加具有压力的无气水；所述无气水在试样内渗透的过程中，试样内部的气体从试样顶端排出；在本步骤的过程中，试样顶端排气、不排水、不进气，试样顶端进水或不进水，试样底端仅进水、不排水、不进气、不排气；

5）重复步骤3）、4）若干次；

6）进行侧限压缩试验或固结试验。

本发明的实施例公开一种能够实现上述方法的土体饱水-疏干循环压缩试验装置，主要包括轴向加荷系统1和压力室2。所述压力室2包括压力室圆筒4、顶盖5和底座3，所述顶盖5和底座3的内部均安装有若干管道系统，所述压力室圆筒4、顶盖5和底座3相结合处具有气密性。

所述底座3的上方安放陶土板16和环形透水石17，所述底座3内部的管道系统包括透水石底侧进水及排水控制调节系统12、陶土板底侧进水及排水控制调节系统10和陶土板底侧气压控制调节系统11。所述顶盖5内部的管道系统包括压力室顶部进出气系统14和压力室顶部进水系统13。试验时，试样7安放在所述陶土板16和环形透水石17上，所述试样7上安放试样加载板6，所述轴向加荷系统1的传力装置穿过所述顶盖5后与试样加载板6相接触。

本发明所公开的装置仍属于固结试验或压缩试验范畴，总体结构包含了传统压缩仪的全部结构。在不进行饱水-疏干循环作用时，本发明所公开的装置可用于常规的土体固结试验。但在进行饱水-疏干循环作用时，其与传统的试验不同，可全自动的实现对试样7进行若干次饱水-疏干循环过程，然后再进行测试。装置中，包括了传统的机架、力学测量装置、计算机控制及数据采集系统等，轴向加荷系统1包括传统设备中的反力架、轴向位移传感器、轴向反力传感器、轴向反力传杆等。压力室2为可控密闭型压力室，安装好试样2后，可以通过打开或关闭各管道系统的阀门来控制压力室2与外界的水、气排放输入和输出。

所述试样加载板6与试样7之间具有试样顶部透水石。试验过程中，先是安放好试样2，再在试样2上安放好试样顶部透水石8，然后在试样顶部透水石8上安放好试样加载板6，最后安装顶盖5和轴向加荷系统1。如图，轴向加荷系统1的部件进入到压力室2内，需要在结合处加装密封件，以保证关闭所有阀门后压力室2内部具有气密性。

环形透水石17和/或陶土板16的侧面与底座3的结合处应该气密。所述底座3内部的管道系统均包括若干具有阀门的管路，通过阀门的开闭来控制压力室与外界的水气连通。顾名思义，所述透水石底侧进水及排水控制调节系统12在压力室2内的出口在环形透水石17下方；陶土板底侧进水及排水控制调节系统10和陶土板底侧气压控制调节系统11在压力室2内的出口在陶土板16下方。陶土板16只透水不透气，环形透水石17既透水又透气的性质对试验效果的影响参见后文对装置工作过程的描述。

进一步地，所述压力室顶部进水系统13的管道穿透所述加载板6后，与所述试样顶部透水石8接触。使得压力室顶部进水系统13中注入的水直接浸入试样7。

所述陶土板16为圆盘状，所述环形透水石17环绕陶土板16，所述陶土板16与环形透水石17之间是既不透水也不透气的隔离带18。

本发明所公开的装置试验具有传统装置的全部基本结构，能进行传统试验，还能模拟土体饱水-疏干循环过程。本发明压缩试验装置中饱水-疏干循环过程的操作方法如下：

试样7疏干过程的操作方法：打开压力室气压力控制调节系统14的进气阀门，将压力气体通入压力室2。同时，打开陶土板底侧进水及排水控制调节系统10排水阀门，使压力室水体及试样内部的重力水在压力气体的推动下在试样内部自上而下渗透，并从与圆盘形陶土板16相连的陶土板底侧进水及排水控制调节系统10排水阀门排出。为了加快“疏干”过程，还可以打开透水石底侧进水及排水控制调节系统12排水阀门，使压力室水体及试样内部的重力水在压力气体的推动下同时从环形透水石17底部的透水石底侧进水及排水控制调节系统12的排水阀门排出。但是，透水石底侧进水及排水控制调节系统12的排水阀门需在“疏干”过程完成前关闭，并先于陶土板底侧进水及排水控制调节系统10的排水阀门关闭。另外，一旦发现透水石底侧进水及排水控制调节系统12排水阀门排气，即刻关闭该阀门。原因是如果不及时关闭透水石底侧进水及排水控制调节系统12的阀门，该阀门会一直排气，水分却因没有足够的驱动力而残留在试样7内排不出。关闭透水石底侧进水及排水控制调节系统12的排水阀门后，由于陶土板16不透气，试样7中的水分会在气压驱动下从陶土板16下方的陶土板底侧进水及排水控制调节系统的10的阀门中排出，达到较好的疏干效果。试验过程中，施加于试样顶端的气体压力不大于施加于试样的轴向压力。

试样7饱水过程的操作方法：打开陶土板底侧进水及排水控制调节系统10的进水阀门和透水石底侧进水及排水控制调节系统12的进水阀门，这样就从压力室2的底部向试样7通入具有压力的无气水。同时，打开压力室气压力控制调节系统14的排气阀门，使试样7内部及压力室2内的气体在无气水的水压的推动作用下，从压力室气压力控制调节系统14的排气阀门中排出。为了加快“饱和”过程，还可以同时打开试样顶部进水系统13的阀门，从试样顶部向试样通入具有压力的无气水。试验过程中，施加于试样底端和顶端的水压力不大于施加于试样的轴向压力。

在完成若干次饱水-疏干循环后，对试样7进行侧限压缩试验或固结试验。本发明与传统的土体压缩试验方法及装置相比，具有以下特点：

1）不仅能用于饱和土体的侧限压缩试验或固结试验研究，还能用于非饱和土体的侧限压缩试验或固结试验；

2）不仅可用于研究饱水-疏干循环作用下的土体压缩特性，还能用于研究湿化等特殊条件下的土体压缩特性；

3）各控制调节系统、传感器等均与计算机控制及数据采集系统连接，实现了整个试验过程的全自动化，操作简单方便、数据采集精度高。

Claims (4)

1.一种土体饱水-疏干循环压缩试验方法，其特征在于： 

采用的装置主要包括轴向加荷系统（1）和压力室（2），所述压力室（2）包括压力室圆筒（4）、顶盖（5）和底座（3），所述顶盖（5）和底座（3）的内部均安装有若干管道系统，所述压力室圆筒（4）、顶盖（5）和底座（3）相结合处具有气密性；

所述底座（3）的上方安放陶土板（16）和环形透水石（17），所述底座（3）内部的管道系统包括透水石底侧进水及排水控制调节系统（12）、陶土板底侧进水及排水控制调节系统（10）和陶土板底侧气压控制调节系统（11）；

所述顶盖（5）内部的管道系统包括压力室顶部进出气系统（14）和压力室顶部进水系统（13）；

试验时，试样（7）安放在所述陶土板（16）和环形透水石（17）上，所述试样（7）上安放试样加载板（6），所述轴向加荷系统（1）的传力装置穿过所述顶盖（5）后与试样加载板（6）相接触；

包括以下步骤：

1）制备侧限压缩试验或固结试验所需要的试样；

2）使步骤1）中的试样饱和；

3）疏干：向所述试样的顶端施加具有压力的气体；所述气体从试样的顶端缓慢向试样的底端渗透，以驱动试样内部的重力水自上而下渗透并从试样底端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅进气、不排气、不进水、不排水，试样底端仅排水、不进水、不进气、不排气；

4）饱水：从试样的底端向试样施加具有压力的无气水，或同时从试样的底端和顶端向试样施加具有压力的无气水；所述无气水在试样内渗透的过程中，试样内部的气体从试样顶端排出；在本步骤的过程中，试样顶端排气、不排水、不进气，试样顶端进水或不进水，试样底端仅进水、不排水、不进气、不排气；

5）重复步骤3）、4）若干次；

6）进行侧限压缩试验或固结试验。

2.一种用于实现权利要求1所述方法的土体饱水-疏干循环压缩试验装置，主要包括轴向加荷系统（1）和压力室（2），其特征在于：所述压力室（2）包括压力室圆筒（4）、顶盖（5）和底座（3），所述顶盖（5）和底座（3）的内部均安装有若干管道系统，所述压力室圆筒（4）、顶盖（5）和底座（3）相结合处具有气密性；

所述底座（3）的上方安放陶土板（16）和环形透水石（17），所述底座（3）内部的管道系统包括透水石底侧进水及排水控制调节系统（12）、陶土板底侧进水及排水控制调节系统（10）和陶土板底侧气压控制调节系统（11）；

所述顶盖（5）内部的管道系统包括压力室顶部进出气系统（14）和压力室顶部进水系统（13）；

试验时，试样（7）安放在所述陶土板（16）和环形透水石（17）上，所述试样（7）上安放试样加载板（6），所述轴向加荷系统（1）的传力装置穿过所述顶盖（5）后与试样加载板（6）相接触。

3.根据权利要求2所述的土体饱水-疏干循环压缩试验装置，其特征在于：所述试样加载板（6）与试样（7）之间具有试样顶部透水石(8)。

4.根据权利要求2所述的土体饱水-疏干循环压缩试验装置，其特征在于：所述陶土板（16）为圆盘状，所述环形透水石（17）环绕陶土板（16），所述陶土板（16）与环形透水石（17）之间是既不透水也不透气的隔离带（18）。