CN106885742B - 一种新型饱和与非饱和渗透三轴仪 - Google Patents

一种新型饱和与非饱和渗透三轴仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种饱和与非饱和渗透三轴仪。包括压力室，压力室的上下两端分别设置有压力室顶板和压力室底板，压力室内设置有顶帽，顶帽上设置有荷载杆，压力室底板上设置有底座，压力室上设置有控制装置，控制装置包括轴向力传感器、位移传感器、差压传感器、第一孔隙水压力传感器、第二孔隙水压力传感器、第一体积/压力控制器、第二体积/压力控制器、第三体积/压力控制器、压力控制器和数据采集器，压力室分为压力内室和压力外室。本发明提供的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，精度高，实现了三轴试验中饱和‑非饱和的连续性。

Description

一种新型饱和与非饱和渗透三轴仪
技术领域
本发明涉及一种饱和与非饱和渗透三轴仪，属于岩土体测量技术领域。
背景技术
三轴仪是测试岩土体力学性质的重要技术手段之一，岩土工程中常用的三轴仪有常规三轴仪、真三轴仪、应力路径三轴仪、空心扭转三轴仪、高压大型三轴仪以及非饱和土三轴仪等。已有三轴仪的改进已有众多学者进行了探索。根据不同的工程概况，每种三轴仪都有其自身独特的使用优势。三轴试验中饱和、固结以及剪切是三个非常重要的过程。常规三轴试验可以进行岩土体的饱和状态下的力学性质测试，但自然界中一些岩土体往往经历从饱和状态到非饱和状态或者从非饱和状态到饱和状态的反复变化，此时单独的常规三轴试验或者非饱和土三轴试验均不能够准确反映岩土体的力学性质，进而不能提供可靠的岩土参数。
目前的常规三轴仪可以进行岩土体的不固结不排水三轴压缩试验、固结不排水三轴压缩试验以及固结排水三轴压缩试验。而非饱和土三轴仪可以进行岩土体在不同基质吸力条件下的非饱和剪切试验以及不同净应力条件下的非饱和剪切试验。现有真三轴仪、应力路径三轴仪、空心扭转三轴仪、高压大型三轴仪等只是应力状态发生了改变，但也主要进行岩土体饱和后的不同应力条件下的剪切试验，但是目前的常规三轴仪无法进行饱和试样的非饱和三轴试验；也无法进行岩土体的渗透剪切试验。目前的非饱和土三轴仪由于底座中镶嵌陶土板的原因无法快速进行饱和土三轴试验，主要由于陶土板的极低渗透特性造成，也无法进行试样的渗透剪切试验。现有真三轴仪、应力路径三轴仪、空心扭转三轴仪、高压大型三轴仪等也无法进行饱和土的渗透剪切试验，也无法进行岩土体饱和渗流以及反压饱和结束后后的非饱和三轴压缩试验。
本发明在非饱和三轴仪的基础上，通过改变非饱和三轴仪底座和顶帽以及增加应力/体积控制器的形式使得非饱和三轴仪在已有改进非饱和底座的基础上既可以进行饱和土三轴试验，也可以进行非饱和土三轴试验，最主要的是进行饱和渗透剪切试验以及饱和渗流后试样的非饱和三轴压缩试验。该设备的显著优越性是试样在饱和渗流以及反压饱和等试验过程结束后可以直接进行该试样的渗流后以及反压饱和后的非饱和三轴压缩试验，保证了测试试样的连续性，能够更加真实的反映试样经历不同的工况之后的非饱和力学特性以及渗流特性。也解决了黄土等结构性较差岩土体饱和后无法直接取出进行非饱和三轴压缩试验的不足。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种饱和与非饱和渗透三轴仪，通过改进底座以及增加仪器中应力/体积控制器的技术方法，使得改进后的仪器能够进行饱和土三轴压缩试验以及非饱和土三轴压缩试验，也可以进行饱和渗透剪切试验，该设备可以进行岩土体反压饱和以及饱和渗流试验后的非饱和三轴压缩试验，做到利用同一块试样测试渗透结束或反压饱和结束后的岩土试样非饱和强度，实现了三轴试验中饱和-非饱和的连续性，通过改变底座以及增加仪器中体积/ 压力控制器等技术方法实现了饱和土的渗透剪切试验岩土体饱和渗流以及反压饱和结束后的非饱和三轴压缩试验。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
本发明的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其包括压力室，所述压力室的上下两端分别设置有压力室顶板和压力室底板，所述压力室内设置有设置有顶帽，所述顶帽上设置有荷载杆，所述压力室底板上设置有底座，所述压力室上设置有控制装置，所述控制装置包括轴向力传感器、位移传感器、差压传感器、第一孔隙水压力传感器、第二孔隙水压力传感器、第一体积/压力控制器、第二体积/压力控制器、第三体积/压力控制器、压力控制器和数据采集器，所述压力室分为压力内室和压力外室，所述轴向力传感器、位移传感器、第一孔隙水压力传感器、第二孔隙水压力传感器、第一体积/压力控制器和第二体积/压力控制器均与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接。
所述轴向力传感器和位移传感器设置在荷载杆上，位移传感器测量试样剪切中荷载杆移动带动位移传感器滑动产生位移值，轴向力传感器监测试验中偏应力的变化规律。
所述差压传感器通过测试压力内室和压力外室流量进而测试试样的体积变化规律，差压传感器的一端连接压力内室，另一端连接压力外室。
所述第一孔隙水压力传感器和第二孔隙水压力传感器分别与试样的底部和顶部相连接，用于测试试样底部和顶部的孔隙水压力，第一孔隙水压力传感器与试样底部的连接处设置有二通阀门。
所述第一体积/压力控制器和第二体积/压力控制器的一端分别与试样的顶部和底部相连接，第一体积/压力控制器与试样的顶部的连接处设置有三通阀门，第二体积/压力控制器与试样的底部的连接处设置有三通阀门。
所述压力控制器与压力外室及孔隙气压力相连接，进行三轴试验中围压和孔隙气压力的控制。
所述压力外室上设置有排气孔，压力室顶板和压力室底板之间通过固定螺栓固定连接。
所述第三体积/压力控制器的一端与试样底部相连接。
所述底座内嵌陶土板，分为5bar和15bar两种类型，陶土板的外围均匀的分布有八个第一进水孔，第一进水孔的底部设置有连通通道，连通通道汇集八个第一进水孔后最终通过管路与第三体积/压力控制器相连接,陶土板的外侧设置有陶土板护环，第一孔隙水压力传感器的一端连接在陶土板内，第二体积/压力控制器的一端连接在陶土板内，所述顶帽上设置有低渗透性铜板，低渗透性铜板的外围均匀的分布有八个第二进水孔，第二进水孔的底部设置有第二连通通道，第二连通通道汇集八个第二进水孔后最终通过管路与第二孔隙水压力传感器和第一体积/压力控制器相连接,低渗透性铜板的外侧设置有铜板护环，压力控制器的一端连接在低渗透性铜板内。
所述位移传感器采用的是LVDT传感器，第一体积/压力控制器、第二体积/压力控制器、第三体积/压力控制器的精度为1mm3。
本发明的有益效果：
本发明的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，针对目前常规三轴仪中不能进行岩土体的非饱和三轴压缩试验和渗透剪切试验，非饱和三轴仪中不能够进行岩土体的渗透剪切试验以及无法高效快速的进行饱和三轴试验的不足之处，本发明通过改进三轴仪底座以及增加三轴仪中应力/体积控制器等技术方法，使得改进后的三轴仪能够进行饱和土三轴压缩试验以及非饱和土三轴压缩试验，也可以进行饱和渗透剪切试验。同时，该设备可以进行岩土体反压饱和以及饱和渗流试验后的非饱和三轴压缩试验，做到利用同一块试样测试渗透结束或反压饱和结束后的岩土试样非饱和强度，实现了三轴试验中饱和-非饱和的连续性。
针对现有真三轴仪、应力路径三轴仪、空心扭转三轴仪、高压大型三轴仪等也无法进行饱和土的渗透剪切试验，也无法进行岩土体饱和渗流以及反压饱和结束后的非饱和三轴压缩试验，通过改变上述三轴仪底座以及增加三轴仪中体积/压力控制器等技术方法实现了三轴仪中进行上述试验的目的。
本发明周的改进后三轴仪主要对已有三轴仪的底座和顶帽进行了改进，在此基础上增加了体积/压力控制器以及孔隙水压力传感器等，实现了改进后三轴仪能够进行饱和土三轴压缩试验以及非饱和土三轴压缩试验，也可以进行饱和渗透剪切试验。同时，该设备可以进行岩土体反压饱和以及饱和渗流试验后的非饱和三轴压缩试验，做到利用同一块试样测试渗透结束或反压饱和结束后的岩土试样非饱和强度，达到了三轴试验中饱和-非饱和连续性的目标。
本发明中改进后的三轴仪，可以进行饱和土三轴试验，可以进行非饱和土三轴试验，也可以进行饱和土的渗透剪切三轴试验，同时，该设备可以进行岩土体反压饱和以及饱和渗流试验后的非饱和三轴压缩试验，做到利用同一块试样测试渗透结束或反压饱和结束后的岩土试样非饱和强度，实现了三轴试验中饱和-非饱和的连续性。由于本发明中位移传感器采用的是LVDT传感器，体积/压力控制器的精度是1mm3，为试验数据的精确测试提供了重要保证。
通过改进三轴仪底座以及空心扭转三轴仪底座和顶帽结合增加体积/压力控制器的方法，也可以使得三轴仪和空心扭转三轴仪等能够进行饱和渗透剪切试验等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的结构示意图，
图2为本发明底座的结构示意图。
图3为本发明顶帽的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1、图2、图3所示：本实施例的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其包括压力室
1，所述压力室1的上下两端分别设置有压力室顶板2和压力室底板3，所述压力室1内设置有顶帽4，所述顶帽4上设置有荷载杆 5，所述压力室底板3上设置有底座6，所述压力室1上设置有控制装置7，所述控制装置7包括轴向力传感器8、位移传感器9、差压传感器10、第一孔隙水压力传感器11、第二孔隙水压力传感器 12、第一体积/压力控制器13、第二体积/压力控制器14、第三体积 /压力控制器15、压力控制器16和数据采集器17，所述压力室1分为压力内室18和压力外室19，所述轴向力传感器8、位移传感器9、第一孔隙水压力传感器11、第二孔隙水压力传感器12、第一体积/压力控制器13和第二体积/压力控制器14均与数据采集器 17连接，数据采集器17与计算机连接。
所述轴向力传感器8和位移传感器9设置在荷载杆5上，位移传感器9测量试样剪切中荷载杆5移动带动位移传感器9滑动产生位移值，轴向力传感器8监测试验中偏应力的变化规律。
所述差压传感器10通过测试压力内室和压力外室流量进而测试试样的体积变化规律，差压传感器10的一端连接压力内室18，另一端连接压力外室19。
所述第一孔隙水压力传感器11和第二孔隙水压力传感器12分别与试样的底部和顶部相连接，用于测试试样底部和顶部的孔隙水压力，第一孔隙水压力传感器11与试样底部的连接处设置有二通阀门。
所述第一体积/压力控制器13和第二体积/压力控制器14的一端分别与试样的顶部和底部相连接，第一体积/压力控制器13与试样的顶部的连接处设置有三通阀门，第二体积/压力控制器14与试样的底部的连接处设置有三通阀门。
所述压力控制器16与压力外室19及孔隙气压力相连接，进行三轴试验中围压和孔隙气压力的控制。
所述压力外室19上设置有排气孔20，压力室顶板2和压力室底板3之间通过固定螺栓21固定连接。
所述第三体积/压力控制器15的一端与试样底部相连接。
所述底座6内嵌陶土板24，分为5bar和15bar两种类型，陶土板的外围均匀的分布有八个第一进水孔22，第一进水孔22的底部设置有连通通道23，连通通道23汇集八个第一进水孔22后最终通过管路与第三体积/压力控制器15相连接,陶土板24的外侧设置有陶土板护环25，第一孔隙水压力传感器11的一端连接在陶土板24内，第二体积/压力控制器14的一端连接在陶土板24 内，所述顶帽4上设置有低渗透性铜板26，低渗透性铜板26的外围均匀的分布有八个第二进水孔27，第二进水孔27的底部设置有第二连通通道28，第二连通通道28汇集八个第二进水孔22后最终通过管路与第二孔隙水压力传感器12和第一体积/压力控制器13相连接,低渗透性铜板26的外侧设置有铜板护环29，压力控制器16 的一端连接在低渗透性铜板26内。
所述位移传感器9采用的是LVDT传感器，第一体积/压力控制器13、第二体积/压力控制器14、第三体积/压力控制器15的精度为1mm3。
本发明的具体实施方式如下：
1.安装试样：装样前务必对三轴仪进行排气操作，将预先削制好的三轴试样小心放置在三轴仪底座6上，后结合承膜筒和密封圈将橡皮膜套在试样外侧，并且安装试样顶帽4。在此基础上进行试样压力内室的安装，装好压力内室之后务必检查压力内室底部的密封性，后向内压力室内部和标准量测管中注入去气蒸馏水，最后在外侧的差压传感器处进行排气操作，结束后进行压力外室的安装。
2.试样饱和：通过抽气饱和、二氧化碳饱和、水头饱和以及反压饱和等方法对所安装试样进行饱和，饱和结束后对试样的饱和度进行检测，待饱和度通过检测后方可进行后续试验。
3.试样固结：饱和度检测符合规范要求后进行试样的固结，当试样的排水量在一定时间内恒定时可认为试样完成了固结过程，便可以进行后续试验过程。
4.试样剪切：试样固结结束后，设置相应的剪切速率对试样进行剪切。
5.渗透剪切：完成1-2后，不对试样进行固结操作，在此基础上，通过在计算机上设置图1中第三体积/压力控制器15和第一体积/压力控制器13两个体积/压力控制器以及围压的数值进行岩土试样的饱和柔性壁渗透试验，同时设置轴向力的数值进行加载速率的设置，使得试样在饱和渗透的过程中同时受到偏应力的作用，观察试样在渗透过程中的剪切特性。也可以完成1-3后进行试样的渗透剪切试验，具体实施方式根据现场工况进行确定。
6.饱和-非饱和试验：完成1-2或者1、2、5后，设置图1中第三体积/压力控制器15和第一体积/压力控制器13为关闭，则图 2中进水孔等效于关闭的阀门，图3中进水孔也等效于关闭，在此基础上通过设置孔隙气压力和底部第二体积/压力控制器14的孔隙水压力完成基质吸力的设置，基质吸力稳定后便可进行非饱和三轴压缩试验，获得经过饱和或者渗透后岩土试样的非饱和强度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其特征在于：包括压力室(1)，所述压力室(1)的上下两端分别设置有压力室顶板(2)和压力室底板(3)，所述压力室(1)内设置有顶帽(4)，所述顶帽(4)上设置有荷载杆(5)，所述压力室底板(3)上设置有底座(6)，所述压力室(1)上设置有控制装置(7)，所述控制装置(7)包括轴向力传感器(8)、位移传感器(9)、差压传感器(10)、第一孔隙水压力传感器(11)、第二孔隙水压力传感器(12)、第一体积/压力控制器(13)、第二体积/压力控制器(14)、第三体积/压力控制器(15)、压力控制器(16)和数据采集器(17)，所述压力室(1)分为压力内室(18)和压力外室(19)，所述轴向力传感器(8)、位移传感器(9)、第一孔隙水压力传感器(11)、第二孔隙水压力传感器(12)、第一体积/压力控制器(13)和第二体积/压力控制器(14)均与数据采集器(17)连接，数据采集器(17)与计算机连接，所述差压传感器(10)通过测试压力内室和压力外室流量进而测试试样的体积变化规律，差压传感器(10)的一端连接压力内室(18)，另一端连接压力外室(19)，所述位移传感器(9)采用的是LVDT传感器，第一体积/压力控制器(13)、第二体积/压力控制器(14)、第三体积/压力控制器(15)的精度为1mm3。
2.根据权利要求1所述的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其特征在于：所述轴向力传感器(8)和位移传感器(9)设置在荷载杆(5)上，位移传感器(9)测量试样剪切中荷载杆(5)移动带动位移传感器(9)滑动产生位移值，轴向力传感器(8)监测试验中偏应力的变化规律。
3.根据权利要求1所述的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其特征在于：所述第一孔隙水压力传感器(11)和第二孔隙水压力传感器(12)分别与试样的底部和顶部相连接，用于测试试样底部和顶部的孔隙水压力，第一孔隙水压力传感器(11)与试样底部的连接处设置有二通阀门。
4.根据权利要求1所述的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其特征在于：所述第一体积/压力控制器(13)和第二体积/压力控制器(14)的一端分别与试样的顶部和底部相连接，第一体积/压力控制器(13)与试样的顶部的连接处设置有三通阀门，第二体积/压力控制器(14)与试样的底部的连接处设置有三通阀门。
5.根据权利要求1所述的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其特征在于：所述压力控制器(16)与压力外室(19)及孔隙气压力相连接，进行三轴试验中围压和孔隙气压力的控制。
6.根据权利要求1所述的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其特征在于：所述压力外室(19)上设置有排气孔(20)，压力室顶板(2)和压力室底板(3)之间通过固定螺栓(21)固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其特征在于：所述第三体积/压力控制器(15)的一端与试样底部相连接。
8.根据权利要求1所述的一种饱和与非饱和渗透三轴仪，其特征在于：所述底座(6)内嵌陶土板(24)，分为5bar和15bar两种类型，陶土板的外围均匀的分布有八个第一进水孔(22)，第一进水孔(22)的底部设置有连通通道(23)，连通通道(23)汇集八个第一进水孔(22)后最终通过管路与第三体积/压力控制器(15)相连接,陶土板(24)的外侧设置有陶土板护环(25)，第一孔隙水压力传感器(11)的一端连接在陶土板(24)内，第二体积/压力控制器(14)的一端连接在陶土板(24)内，陶土板(24)外侧有护环(25)，所述顶帽(4)上设置有低渗透性铜板(26)，低渗透性铜板(26)的外围均匀的分布有八个第二进水孔(27)，第二进水孔(27)的底部设置有第二连通通道(28)，第二连通通道(28)汇集八个第二进水孔(22)后最终通过管路与第二孔隙水压力传感器(12)和第一体积/压力控制器(13)相连接,低渗透性铜板(26)的外侧设置有铜板护环(29)，压力控制器(16)的一端连接在低渗透性铜板(26)内。
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