CN103293286A - 土体相变-本构耦合规律测试测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是在实验室条件下，对管涌过程中土体相变－本构耦合规律进行测定。即公开一种土体相变-本构耦合规律测试测试装置及方法。本发明的方法及其装置实现了不同应力状态条件下管涌过程中土体相变的临界状态及相变速率模拟和测定；同样实现了土体相变对土体应力应变关系的影响测定。

Description

土体相变-本构耦合规律测试测试装置及方法

技术领域

    本发明属于土体渗透变形参数测试领域，具体是土体管涌过程中相变与本构关系相互作用规律的测试。

背景技术

管涌是在渗流作用下土体细颗粒沿骨架颗粒形成的孔隙被带出的现象。土体是一种由大小不等的固体颗粒组成的多孔介质，当发生管涌时，土体中的固体颗粒在一定的水力条件下由原来的静止状态转变为运动状态，因此，管涌的发生就是部分土体发生相变的过程。管涌过程中土体的相变规律主要是相变的临界条件与相变速率。管涌发生发展范围小、发展速度快、过程复杂，土体相变临界条件与相变速率不仅与土体本身有关系，还与土体所受的应力状态密切相关。土体相变要克服阻力，阻力越大，土体越难以发生相变。土颗粒之间的咬合力和摩擦力是阻力的主要形式，而咬合力、摩擦力与应力状态之间有着密切的关系。同时，土体相变伴随颗粒流失，从而造成土体体积在变化，即在一定的应力状态下将引起土体的应变。因此，管涌是一个土体相变与应力应变相互影响的过程，是一个土体相变－本构耦合的过程。土体相变－本构耦合规律的测定是分析管涌发生发展规律，并对管涌进行预测预警以及防治的关键问题。

现有技术方法对管涌过程中土体相变的临界状态、相变速率等与土体和流体的物理性质之间的关系进行了一系列的研究，探索了土体相变规律与土体颗粒级配、密实度，以及渗流速度、渗流方向等之间的关系，但对应力状态如何影响土体相变、相变发生发展如何影响土体变形等相变－本构耦合规律的测定尚未形成成熟的技术方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种在实验室条件下，对管涌过程中土体相变－本构耦合规律进行测定的装置。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的， 一种土体相变-本构耦合规律测试装置，包括围压室、轴向应力施加系统、上游水头施加系统和下游水头施加系统。所述围压室包括圆柱形筒体，以及分别与所述筒体上下两端扣合的顶盖和底盖。试验时，所述围压室内部安置被测试样。所述轴向应力施加系统位于围压室底部。所述轴向应力施加系统的加载轴穿透围压室的底盖，伸入到围压室内部。所述顶盖嵌入一个上端封闭、下端敞口的圆柱形盒体Ⅱ，所述加载轴上端放置一个上端敞口、下端封闭的圆柱形盒体Ⅰ。所述圆柱形盒体Ⅰ和圆柱形盒体Ⅱ内部填充卵砾石。所述被测试样的下端放置在圆柱形盒体Ⅰ内部的卵砾石上、被测试样的上端与圆柱形盒体Ⅱ内部的卵砾石接触。所述圆柱形盒体Ⅰ具有出砂孔。所述上游水头施加系统对被测试样的下端施加水压，所述下游水头施加系统对被测试样的上端施加水压。

值得说明的是，本发明中，被测试样是根据预设的土体颗粒组成与密实度制备的，可以利用三轴剪切试验制样方法制得试样。

所述围压室为常见的圆柱形密闭容器，其侧壁，即圆柱形筒体由耐压有机玻璃制成。围压室的底面及顶面，即顶盖和底盖通常由刚性耐压耐腐蚀金属材料制成。进一步地，所述顶盖预留排气孔，用于试验前向围压室内注水时排气，试验过程中排气孔关闭。

试验过程中所述加载轴对被测试样施加轴向压力，加载轴与底盖接触处气密。另外，在本发明中，所有伸入围压室的管件与顶盖或底盖接触处具有气密性，保证在整个试验过程中，围压室气密良好。

由于本发明需要对被测试样上下端施加水压，为了使得被测试样受力均匀，在被测试样上、下端分别设置上、下缓冲区。即设置填充了卵砾石料的圆柱形盒体Ⅰ和圆柱形盒体Ⅱ。所述圆柱形盒体Ⅰ是一个无盖的刚性空心圆柱。所述圆柱形盒体Ⅱ正好与圆柱形盒体Ⅰ相反，是一个无底的刚性空心圆柱。安装时，圆柱形盒体Ⅰ和圆柱形盒体Ⅱ同心安装。本发明中，填充用到的卵砾石料根据试样中细颗粒的大小确定，保证透水性的同时还要保证卵砾石料的孔隙大小足以使试样管涌产生的细颗粒顺利通过。卵砾石料击实入圆柱形盒体内，端面与试样上端或下端平齐接触。在上缓冲区，即圆柱形盒体Ⅱ预留出砂孔，被测试样管涌过程中涌出的细颗粒通过出砂孔排出。

由于被测试样通常是制备成圆柱体，与普通三轴试验一样，为了保护被测试样本体，需要给试样外套一个防水橡皮膜。本发明中，所述防水橡皮膜上下端分别套在圆柱形盒体Ⅱ和圆柱形盒体Ⅰ外部，以此保证施加围压时，围压室内的水不浸入被测试样内。

所述上游水头施加系统的设计，利用马氏瓶原理，通过向密封的储水箱内注入等压气体，为土体测试试样提供恒定的上游水头。测试过程中，通过改变注入气体压力的大小改变上游水头的大小，并可以通过流量计测量试验过程中流经土体试样的液体流量。

所述下游水头施加系统的设计，保证了不间断供水。即保持施加在被测试样的恒定下游水头，同时还可以利用流量计测量通过上缓冲区顶面的液体流量。

进一步地，本发明还包括集水和集砂装置。该由集水和集砂装置包括阻砂透水滤网和液体与固体的称量装置等。所述出砂孔涌出的水和砂经过管路后，砂水经过阻砂透水滤网分离，流体与固体称量装置测定由阻砂透水滤网分离开的涌出砂与涌出水，进而测量单位时间土体的相变量。

进一步，由于出砂孔的设置需要在上缓冲区，即圆柱形盒体Ⅱ的侧壁预留通孔。为使涌出砂可以顺利排出，所述预留的通孔个数大于1个。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述装置进行试验的方法，包括以下步骤：

1）准备被测试样，将所述被测试样放入围压室内，使其上下两端分别与圆柱形盒体Ⅰ和圆柱形盒体Ⅱ内部填充的卵砾石接触；

2）排尽围压室内空气，对被测试样施加围压；

3）对被测试样上端施加下游水头，对被测试样下端施加下游水头和轴向压力；

4）保持所述下游水头、围压和轴向压力不变，逐步加大所述上游水头；收集从所述出砂孔涌出的水和砂；记录所述加载轴的位移、围压室的进水量，以及上、下游水头的进水量。

值得说明的是，在上述步骤4）中逐步加大所述上游水头，即增大被测试样底部的水压到某个程度时，被测试样的土体便会发生管涌破坏，即所述出砂孔涌出大量的砂。此时，记录管涌破坏发生时的水力梯度。

在上述步骤中，由于管涌发生使得被测试样的体积不断减小，而围压和轴向压力保持不变，围压室逐渐进入更多的水，加载轴也会逐渐向上方移动。而被测试样的相变，轴向、径向的应变均能够较为精确地测定。

本发明相对现有技术有如下有益效果：

1、实现了不同应力状态条件下管涌过程中土体相变的临界状态及相变速率模拟和测定；

2、实现了土体相变对土体应力应变关系的影响测定。

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为本发明装置的结构示意图。

图2是本发明运行过程中试样的土体级配曲线图；

图3是本发明运行过程中渗流量与水力梯度的关系图；

图4是本发明运行过程中土体相变开始后累积涌砂量与时间的关系曲线图。

图中： 1-围压室，2-底盖，3-出水管Ⅱ，4-流量计Ⅰ，5-储水箱，6-气压表，7-高压气管，8-高压气罐，9-流量计Ⅱ，10-被测试样，11-出砂管，12排气管，13-圆柱形盒体Ⅱ，14-出水管Ⅰ，15-水箱，16-水源，17-溢流管，18-出砂孔，19-顶盖，20-压力控制器，21－导管，22-支架，23-底座，24-加载轴，25-圆柱形盒体Ⅰ，26-橡皮膜，27-轴向应力施加系统。

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。

实施例1：

本实施例公开一种土体相变-本构耦合规律测试装置， 包括围压室1、轴向应力施加系统27、上游水头施加系统和下游水头施加系统。

所述围压室1包括圆柱形筒体，以及分别与所述筒体上下两端扣合的顶盖19和底盖2。试验时，所述围压室1内部安置被测试样10。本实施例中，所述围压室1与普通三轴试验的围压室的基本结构相同，其具有良好的气密性。

所述轴向应力施加系统27位于围压室1底部。所述轴向应力施加系统27的加载轴24穿透围压室1的底盖2，伸入到围压室1内部。实施例中围压室1的下方具有一个底座23，所述底座23上具有若干支杆22。所述支杆22支撑围压室1的底部，使得围压室1的底部悬空，即使得底盖2与底座23之间具有一个用于安放轴向应力施加系统27的空间。所述轴向应力施加系统27包括一个可以在垂直方向移动的加载轴24，所述加载轴24能够向其上端的接触物施加压力，所述压力及其变化能够被记录和显示。

所述顶盖19嵌入一个上端封闭、下端敞口的圆柱形盒体Ⅱ 13，所述加载轴24上端放置一个上端敞口、下端封闭的圆柱形盒体Ⅰ 25。这两个盒体的嵌入，均以不影响围压室1的气密性为前提。两个盒体的开口端均朝向围压室中间。进一步地，圆柱形盒体Ⅰ 25和圆柱形盒体Ⅱ 13具有相同的大小，安装后，二者的轴心重合。所述圆柱形盒体Ⅰ 25和圆柱形盒体Ⅱ 13内部填充卵砾石，卵砾石在保证透水性的同时，其孔隙大小足以使测试土体相变时产生的细颗粒自由穿过。所述被测试样10的下端放置在圆柱形盒体Ⅰ 25内部的卵砾石上、被测试样10的上端与圆柱形盒体Ⅱ 13内部的卵砾石接触。所述圆柱形盒体Ⅰ 25具有出砂孔18。实施例中，出砂孔18内涌出的水和砂通过出砂管11导出。即所述出砂管11的一端插入到圆柱形盒体Ⅱ 13中，另一端伸出到围压室1外部。进一步，圆柱形盒体Ⅰ 25上具有至少两个出砂孔18及其配套的出砂管11，以便更好地将管涌出砂排出。

本实施例中，所述上游水头施加系统对被测试样10的下端施加水压，所述下游水头施加系统对被测试样10的上端施加水压。

本实施例的顶盖19具有一个带有阀门的排气管12，所述排气管12一端插入在围压室1内部、另一端在围压室1外部。该设计同普通的三轴试验的围压室。底盖2具有通孔Ⅰ ，导管21的一端插入所述通孔Ⅰ 、另一端与压力控制器20连通。所述压力控制器20通过导管21向围压室1内提供压力水，以保证试样的围压，压力控制器20记录并显示围压大小。

本实施例中，所述下游水头施加系统包括一个位于顶盖19上方的水箱15、出水管Ⅰ 14和水源16。所述水箱15的上端为敞口，水箱15的侧壁具有溢流管17。所述水箱15的敞口上方具有水源16。所述出水管Ⅰ 14的一端伸入到水箱15内的水位线以下（本实施例中，出水管Ⅰ 14的一端直接穿透水箱15的下端，进入水箱15内部），另一端穿透圆柱形盒体Ⅱ 13后，伸入到圆柱形盒体Ⅱ 13内部的卵砾石中。所述出水管Ⅰ 上安装有流量计Ⅰ 9。试验时，水源16向水箱15持续不断地供水，使得水箱15内的水位保持在溢流管17的高度。既对被测试样的上端提供了一个恒定的水压，又不断向被测试样提供水流，使得管涌出砂被冲刷出来。

实施例中，所述上游水头施加系统包括储水箱5、出水管Ⅱ 3、高压气罐8和高压气管7。所述出水管Ⅱ 3的一端伸入到储水箱5内的水位线以下（本实施例中，出水管Ⅱ 3的一端直接穿透储水箱5的下端的箱壁，进入储水箱5内部），另一端穿过（穿透）底盖2和圆柱形盒体Ⅰ 25后，伸入到圆柱形盒体Ⅰ 25内部的卵砾石中。所述出水管Ⅱ 3上安装流量计Ⅰ 4。所述高压气管7的一端接入高压气罐8、另一端伸入到储水箱5中。所述储水箱5具有气密性，所述高压气管7带有阀门和气压表6。试验时，所述高压气管7向密闭的储水箱5中鼓入高压气体，使得出水管Ⅱ 3向被测试样的底部提供大小能够测定的水压。

实施例2：

本实施例提供一种采用实施例1所述的土体相变-本构耦合规律测试装置进行试验的方法，其特征在于：

1）准备被测试样，将所述被测试样放入围压室内，使其上下两端分别与圆柱形盒体Ⅱ和圆柱形盒体Ⅰ内部填充的卵砾石接触，本实施例中，卵砾石粒径取2cm~5cm。如说明书前文所述，被测试样的制备方法可以按照普通三轴试验的方法制备。实施例中，试样选用预设颗粒级配土料，通常按预设密实度制成试样后真空饱和2小时以上。试样直径根据土料的颗粒组成选择，试样直径要求大于土体颗粒最大直径的5倍以上，可以选择的直径通常包括：39.1mm、50mm、60mm、61.8mm、70mm、101mm、150mm。

2）向围压室内充水，排尽围压室内空气，对被测试样施加围压。本实施例中，为了防止被测试样不被侵蚀，还应当在被测试样表面安装橡皮膜26，其安装方法与普通三轴试验类似。

3）对被测试样上端施加下游水头，对被测试样下端施加下游水头和轴向压力。

4）保持所述下游水头、围压和轴向压力不变，逐步加大所述上游水头。当被测试样下端的水压增大到一定程度时，被测试样就会发生管涌破坏，其上端就会出砂。同时，保持被测试样上端水压不变，只是通过下游水头对被测试样上端持续不断地供水，使得被测试样的出砂被冲刷出去，便于收集和测定。本实施例中，包括一个阻砂滤网，从出砂管11涌出的砂和水在此分离。可以分别称量或计量单位时间内出砂或出水的量，进而反映单位时间被测试样的土体的相变量。

本实施例在试验过程中，保持围压与轴向压力不变。管涌发生时，测定进入围压室内液体的体积，即可以确定土体相变过程中被测试样的径向应变。本实施例需要记录对被测试样下端施加的水压及其变化、所述加载轴对被测试样下端施加的压力（即轴向压力）和加载轴的位移（即通过该位移确定被测试样的轴向应变）。通过记录的土体发生管涌破坏时的水力梯度值确定相变临界条件；通过单位时间内收集到的涌出砂量确定管涌过程中土体相变速率随管涌发展的变化规律；通过单位时间内上游水头施加装置的补给水量、下游水头施加装置的补给水量以及出砂孔测量到的涌出水量之间的平衡关系，确定相变过程中土体渗透性的变化规律。

对照附图2~4，说明本发明涉及方法的应用实例。

如图2所示，本实施例所采用土体颗粒为级配不连续土体。

如图3所示，本实施例得到的随着水力梯度的增加，被测土样中单位时间内的渗透流量先呈线性增加、而当土体相变开始后渗透流量呈急剧增加的特性。

如图4所示，本实施例得到的土体相变开始后，根据收集到的涌出砂测得的土体累积相变量随时间增长的变化曲线。

Claims (5)

1. 一种土体相变-本构耦合规律测试装置，其特征在于： 包括围压室（1）、轴向应力施加系统（27）、上游水头施加系统和下游水头施加系统；

所述围压室（1）包括圆柱形筒体，以及分别与所述筒体上下两端扣合的顶盖（19）和底盖（2）；试验时，所述围压室（1）内部安置被测试样（10）；

所述轴向应力施加系统（27）位于围压室（1）底部；所述轴向应力施加系统（27）的加载轴（24）穿透围压室（1）的底盖（2），伸入到围压室（1）内部；

所述顶盖（19）嵌入一个上端封闭、下端敞口的圆柱形盒体Ⅱ（13），所述加载轴（24）上端放置一个上端敞口、下端封闭的圆柱形盒体Ⅰ（25）；所述圆柱形盒体Ⅰ（25）和圆柱形盒体Ⅱ（13）内部填充卵砾石；所述被测试样（10）的下端放置在圆柱形盒体Ⅰ（25）内部的卵砾石上、被测试样（10）的上端与圆柱形盒体Ⅱ（13）内部的卵砾石接触；所述圆柱形盒体Ⅰ（25）具有出砂孔（18）；

所述上游水头施加系统对被测试样（10）的下端施加水压，所述下游水头施加系统对被测试样（10）的上端施加水压。

2.根据权利要求1所述的土体相变-本构耦合规律测试装置，其特征在于：所述顶盖（19）具有一个带有阀门的排气管（12），所述排气管（12）一端在围压室（1）内部、另一端在围压室（1）外部；

底盖（2）均具有通孔Ⅰ，导管（21）的一端插入所述通孔Ⅰ、另一端与压力控制器（20）连通。

3.根据权利要求1所述的土体相变-本构耦合规律测试装置，其特征在于：所述下游水头施加系统包括一个位于顶盖（19）上方的水箱（15）、出水管Ⅰ（14）和水源（16）；所述水箱（15）的上端为敞口，水箱（15）的侧壁具有溢流管（17）；所述水箱（15）的敞口上方具有水源（16）；

所述出水管Ⅰ（14）的一端伸入到水箱（15）内的水位线以下，另一端穿透圆柱形盒体Ⅱ（13）后，伸入到圆柱形盒体Ⅱ（13）内部的卵砾石中。

4.根据权利要求1所述的土体相变-本构耦合规律测试装置，其特征在于：所述上游水头施加系统包括储水箱（5）、出水管Ⅱ（3）、高压气罐（8）和高压气管（7）；所述出水管Ⅱ（3）的一端伸入到储水箱（5）内的水位线以下，另一端穿过穿透底盖（2）和圆柱形盒体Ⅰ（25）后，伸入到圆柱形盒体Ⅰ（25）内部的卵砾石中；所述高压气管（7）的一端接入高压气罐（8）、另一端伸入到储水箱（5）中；所述储水箱（5）具有气密性，所述高压气管（7）带有阀门和气压表（6）。

5.根采用1～4任意一项权利要求所述的土体相变-本构耦合规律测试装置进行试验的方法，其特征在于：

1）准备被测试样，将所述被测试样放入围压室内，使其上下两端分别与圆柱形盒体Ⅱ和圆柱形盒体Ⅰ内部填充的卵砾石接触；

2）向围压室内充水，排尽围压室内空气，对被测试样施加围压；

3）对被测试样上端施加下游水头，对被测试样下端施加下游水头和轴向压力；

4）保持所述下游水头、围压和轴向压力不变，逐步加大所述上游水头；收集从所述出砂孔涌出的水和砂；记录所述加载轴的位移、围压室的进水量，以及上、下游水头的进水量。

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