CN104990795A - 一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置，包括试验台，试验台上设置有模具底座，模具底座上安装有放置岩土样的两瓣模，两瓣模上设置有施加竖向压力的加载装置、对岩土样进行加水和加气的加气加水装置及加热装置。本发明提供的一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置及其试验方法，可以解决现有的烘干法和浸水法不能再现模拟在加载状态下的岩土样干湿循环的问题，实现真实模拟各种岩土体在自然有荷条件作用下的干湿循环变化，通过吸湿时施加水压力、脱湿时施加气压与加热共同作用来实现对湿润、干燥强度与持续时间的定量控制，大大加快了岩土样干燥或湿润过程的进行，缩短了试验时间，实用性强。

Description

一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种岩土试件试验装置及试验方法，尤其是一种模拟荷载与空气环境下岩土样加速干湿循环的试验装置及其试验方法。

背景技术

科技的发展带动了建筑行业的蓬勃发展，全国各地大量修建隧道，公路，铁路等。在这些建设中，岩土体在荷载及饱和状态变化作用下会造成难以预测的变形或破坏。所以，寻求土体结构稳定性分析变成一个尤为重要的问题。

引起土体变形的原因主要是两个方面:一方面土体所处的环境条件的变化和人为破坏等;而另一方面是土体在长期降雨与蒸发以及地下水升降循环交替等因素的作用下，其颗粒运移，密实度变化，致使岩土体发生强度衰减，产生裂隙甚至裂缝，随着时间的增长岩土体本身工程性质发生劣化。所以，干湿循环作用引起岩土体强度衰减的决定因素。

目前对岩土体的干湿循环作用研究一般采用烘干法和浸水法。但实际土体是处于一定的约束作用下发生干湿循环的，现有的烘干法和浸水法不能再现模拟在加载状态下的岩土样干湿循环，试验与真实土体应力状态不符。而且烘干法和浸水法中水分运移的速度较慢，试验周期较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置及其试验方法，可以解决现有的烘干法和浸水法不能再现模拟在加载状态下的岩土样干湿循环的问题，实现真实模拟各种岩土体在自然有荷条件作用下的干湿循环变化，通过吸湿时施加水压力、脱湿时施加气压与加热共同作用来实现对湿润、干燥强度与持续时间的定量控制，大大加快了岩土样干燥或湿润过程的进行，缩短了试验时间，实用性强。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置，包括试验台，

试验台上设置有模具底座，模具底座上安装有放置岩土样的两瓣模，两瓣模上设置有施加竖向压力的加载装置、对岩土样进行加水和加气的加气加水装置及加热装置；

加载装置中，压头放置于两瓣模上端部，加压杆一端与压头连接，加压杆另一端穿过模具底座和试验台后与横杆一端连接，横杆另一端安装有加载砝码；

加气加水装置中，压头下端与两瓣模之间设置有第一透水板，两瓣模通过第一透水板和设置于压头内的连接管一端连通，连接管另一端与外部四通管连通，外部四通管还分别与加气管、加压刻度水管以及补水管连通；

加热装置中，两瓣模的外壁上设置有加热片，加热片与恒温控制器连接；

两瓣模下端与模具底座之间设置有第二透水板，两瓣模通过第二透水板与水位变化测量刻度管连通。

压头与两瓣模的接触处设置有密封圈。

试验台设置有百分表座，百分表座上安装有放置于加压杆上端的位移百分表。

模具底座上设置有固定环，两瓣模通过固定环安装在模具底座上。

一种上述试验装置的试验方法，该方法包括以下步骤：

1）测定岩土样物理参数，将岩土样包裹橡胶套后放入两瓣模中，通过模具底座将岩土样固定封闭；

2）将荷载作用在压头上与岩土样接触，调整试验所需荷载值，完成K0固结；

3）保持水压关闭，开启加热装置并对岩土样加气，快速干燥岩土样，当岩土样含水率稳定时停止加气加热；

4）继续加载，当变形速率满足要求时干燥状态岩土样的固结压缩过程完成；

5）关闭气压及加热装置，向岩土样加水压，根据进水及排水差值确定试样含水率，满足要求后停止加水压；

6）继续加载，当变形速率满足要求时湿化状态试样的固结压缩过程完成，

完成一次干湿循环；

7）取出岩土样，测定岩土样含水率及密度，

即完成荷载作用下岩土样干湿循环试验。

若需进行多次干湿循环，在步骤6）和步骤7）之间重复步骤3）-6）。

步骤3）为：保持加压刻度水管关闭，打开加气管和恒温控制器，调整试验温度为30-50摄氏度，控制气压向岩土样中加气，通过气体与高温的作用加快岩土样水分排出并逐渐干燥，试验过程中实时记录水位变化测量刻度管与位移百分表的值，当水位变化测量刻度管的刻度变化速率满足要求时，说明完成了脱湿过程，当位移百分表变化速率满足要求时，步骤3）完成。

步骤5）为：关闭加气管和恒温控制器，打开加压刻度水管和加气管向岩土样中加水与加气，通过控制气压加速岩土样的湿化，未完全被岩土样吸收而排出的水通过水位变化测量刻度管收集，试验过程中实时记录加压刻度水管的刻度、水位变化测量刻度管的刻度和位移百分表的值，当进水及排水量基本一致时，说明完成了吸湿过程, 当位移百分表的变化速率满足要求时，步骤5）完成。

步骤5）中，通过补水管补充加压刻度水管中的水量。

本发明提供的一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置及其试验方法，有益效果如下：

1、可以解决现有的烘干法和浸水法不能再现模拟在加载状态下的岩土样干湿循环的问题，真实模拟各种岩土体在自然有荷条件作用下的干湿循环变化，实现吸湿与脱湿两种操作，通过吸湿时施加水压力、脱湿时施加气压与加热共同作用来实现对湿润、干燥强度与持续时间的定量控制，大大加快了岩土样干燥或湿润过程的进行，缩短了试验时间，实用性强。

   2、通过在试验过程施加水加气能够实现加快水对试样的渗透，补水管能够随时补充加压水管中的水量；

3、利用加热升温与加气的方式加快试样的脱湿，缩短饱和试样达到天然含水率所需的自然干燥时间，提高了试验效率；

4、岩土样从开始加水吸湿到加气加热脱湿的干湿循环过程中，荷载装置始终向岩土样提供恒定压力，实现了岩土试样在有荷环境状态下周期性干湿循环变化的模拟；

5、经过一定次数的干湿循环过程的岩土样能够用作三轴试验，能够测定不同干湿循环次数的三轴应力-应变变化规律，能够判断实际工程中水库水位升降或降雨蒸发导致岩土多次干湿循环造成强度衰减和本构关系改变对结构稳定性的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明试验装置的结构示意图；

图2为本发明试验装置中模具底座的示意图；

图3为本发明试验装置中两瓣模的俯视图。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2和图3所示，一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置，包括试验台8，

试验台8上设置有模具底座4，模具底座4上安装有放置岩土样的两瓣模2，两瓣模2上设置有施加竖向压力的加载装置、对岩土样进行加水和加气的加气加水装置及加热装置；

加载装置中，压头1放置于两瓣模2上端部，加压杆3一端与压头1连接，加压杆3另一端穿过模具底座4和试验台8后与横杆5一端连接，横杆5另一端安装有加载砝码6；

加气加水装置中，压头1下端与两瓣模2之间设置有第一透水板15，两瓣模2通过第一透水板15和设置于压头1内的连接管19一端连通，连接管19另一端与外部四通管20连通，外部四通管20还分别与加气管12、加压刻度水管11以及补水管13连通；

加热装置中，两瓣模2的外壁上设置有云母加热片7，云母加热片7与恒温控制器9连接；

两瓣模2下端与模具底座4之间设置有第二透水板16，两瓣模2通过第二透水板16与水位变化测量刻度管21连通。

压头1与两瓣模2的接触处设置有密封圈14。

试验台8设置有百分表座22，百分表座22上安装有放置于加压杆3上端的位移百分表10。

模具底座4上设置有固定环17，两瓣模2通过固定环17安装在模具底座4上。

实施例二

一种上述试验装置的试验方法，该方法包括以下步骤：

1）测定岩土样物理参数，将岩土样包裹橡胶套18后放入两瓣模2中，通过模具底座4将岩土样固定封闭；

2）将荷载作用在压头1上与岩土样接触，调整试验所需荷载值，完成K0固结；

3）保持水压关闭，开启加热装置并对岩土样加气，快速干燥岩土样，当岩土样含水率稳定时停止加气加热；

4）继续加载，当变形速率满足要求时干燥状态岩土样的固结压缩过程完成；

5）关闭气压及加热装置，向岩土样加水压，根据进水及排水差值确定试样含水率，满足要求后停止加水压；

6）继续加载，当变形速率满足要求时湿化状态试样的固结压缩过程完成，

完成一次干湿循环；

7）取出岩土样，测定岩土样含水率及密度，

即完成荷载作用下岩土样干湿循环试验。

若需进行多次干湿循环，在步骤6）和步骤7）之间重复步骤3）-6）。

步骤3）为：保持加压刻度水管11关闭，打开加气管12和恒温控制器9，调整试验温度为30-50摄氏度，控制气压向岩土样中加气，通过气体与高温的作用加快岩土样水分排出并逐渐干燥，试验过程中实时记录水位变化测量刻度管21与位移百分表10的值，当水位变化测量刻度管21的刻度变化速率满足要求时，说明完成了脱湿过程，当位移百分表10变化速率满足要求时，步骤3）完成。

步骤5）为：关闭加气管12和恒温控制器9，打开加压刻度水管11和加气管12向岩土样中加水与加气，通过控制气压加速岩土样的湿化，未完全被岩土样吸收而排出的水通过水位变化测量刻度管21收集，试验过程中实时记录加压刻度水管11的刻度、水位变化测量刻度管21的刻度和位移百分表10)的值，当进水及排水量基本一致时，说明完成了吸湿过程, 当位移百分表10)的变化速率满足要求时，步骤5完成。

步骤5）中，通过补水管13补充加压刻度水管11中的水量。

Claims (9)

1.一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置，包括试验台（8），其特征在于：

试验台（8）上设置有模具底座（4），模具底座（4）上安装有放置岩土样的两瓣模（2），两瓣模（2）上设置有施加竖向压力的加载装置、对岩土样进行加水和加气的加气加水装置及加热装置；

加载装置中，压头（1）放置于两瓣模（2）上端部，加压杆（3）一端与压头（1）连接，加压杆（3）另一端穿过模具底座（4）和试验台（8）后与横杆（5）一端连接，横杆（5）另一端安装有加载砝码（6）；

加气加水装置中，压头（1）下端与两瓣模（2）之间设置有第一透水板（15），两瓣模（2）通过第一透水板（15）和设置于压头（1）内的连接管（19）一端连通，连接管（19）另一端与外部四通管（20）连通，外部四通管（20）还分别与加气管（12）、加压刻度水管（11）以及补水管（13）连通；

加热装置中，两瓣模（2）的外壁上设置有加热片（7），加热片（7）与恒温控制器（9）连接；

两瓣模（2）下端与模具底座（4）之间设置有第二透水板（16），两瓣模（2）通过第二透水板（16）与水位变化测量刻度管（21）连通。

2.根据权利要求1所述的一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置，其特征在于：压头（1）与两瓣模（2）的接触处设置有密封圈（14）。

3.根据权利要求1所述的一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置，其特征在于：试验台（8）设置有百分表座（22），百分表座（22）上安装有放置于加压杆（3）上端的位移百分表（10）。

4.根据权利要求1所述的一种荷载作用下岩土样加速干湿循环的试验装置，其特征在于：模具底座（4）上设置有固定环（17），两瓣模（2）通过固定环（17）安装在模具底座（4）上。

5.一种上述权利要求1-4中任一项所述的试验装置的试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）测定岩土样物理参数，将岩土样包裹橡胶套（18）后放入两瓣模（2）中，通过模具底座（4）将岩土样固定封闭；

2）将荷载作用在压头（1）上与岩土样接触，调整试验所需荷载值，完成K0固结；

3）保持水压关闭，开启加热装置并对岩土样加气，快速干燥岩土样，当岩土样含水率稳定时停止加气加热；

4）继续加载，当变形速率满足要求时干燥状态岩土样的固结压缩过程完成；

5）关闭气压及加热装置，向岩土样加水压，根据进水及排水差值确定试样含水率，满足要求后停止加水压；

6）继续加载，当变形速率满足要求时湿化状态试样的固结压缩过程完成，

完成一次干湿循环；

7）取出岩土样，测定岩土样含水率及密度，

即完成荷载作用下岩土样干湿循环试验。

6.根据权利要求5所述的试验装置的试验方法，其特征在于：若需进行多次干湿循环，在步骤6）和步骤7）之间重复步骤3）-6）。

7.根据权利要求5所述的试验装置的试验方法，其特征在于步骤3）为：保持加压刻度水管（11）关闭，打开加气管（12）和恒温控制器（9），调整试验温度为30-50摄氏度，控制气压向岩土样中加气，通过气体与高温的作用加快岩土样水分排出并逐渐干燥，试验过程中实时记录水位变化测量刻度管（21）与位移百分表（10）的值，当水位变化测量刻度管（21）的刻度变化速率满足要求时，说明完成了脱湿过程，当位移百分表（10）变化速率满足要求时，步骤3）完成。

8.根据权利要求5所述的试验装置的试验方法，其特征在于步骤5）为：关闭加气管（12）和恒温控制器（9），打开加压刻度水管（11）和加气管（12）向岩土样中加水与加气，通过控制气压加速岩土样的湿化，未完全被岩土样吸收而排出的水通过水位变化测量刻度管（21）收集，试验过程中实时记录加压刻度水管（11）的刻度、水位变化测量刻度管（21）的刻度和位移百分表（10)的值，当进水及排水量基本一致时，说明完成了吸湿过程, 当位移百分表（10)的变化速率满足要求时，步骤5）完成。

9.根据权利要求8所述的试验装置的试验方法，其特征在于步骤5）中，通过补水管（13）补充加压刻度水管（11）中的水量。