CN107153036A - 一种反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置 - Google Patents

一种反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，包括：围压渗流转换单元和体变流量转换单元；围压渗流转换单元和体变流量转换单元通过渗入水路部分的渗流阀和三通接口相连。本发明的有益效果为：大三轴剪切设备与两个转换单元相连，可以实现三轴试样维持反压饱和条件，进行截面300大尺度柔性壁单元体渗透系数与压力渗流变形等室内土工试验。

Description

一种反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置
技术领域
本发明涉及岩土工程室内试验技术领域，尤其是一种反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置。
背景技术
近年来港口、机场等大型基础工程建设中，经常遇到粗粒土填筑土工结构相关工程问题。粗粒土的渗透性能、压力渗流变形等是该类土工结构性能与稳定控制的关键节点问题之一。例如，南海岛礁吹填机场等工程建设中，吹填珊瑚碎屑粗粒土材料的渗流性能与渗流变形稳定的试验评价，至关重要。
细粒土小尺度单元体室内渗透试样设备较为完善，相对而言粗粒土大尺度单元体试样的室内渗流试验设备较为滞后。例如，目前规范推荐的TST-70型粗粒土渗透仪，为直径100mm刚性壁自流式渗流试验。经过改装，可提供抽真空渗流饱和试样饱和及压力渗流试验。试样高饱和度控制与评价、刚性壁与粗粒土接触面渗透精度影响，以及制样初始状态控制等，难以解决。
粗粒土300mm大尺度单元体室内渗流试验，适合粗粒土渗透性能与渗流稳定研究揭示。截止目前，未见试样维持反压高饱和状态的柔性壁渗透系数测试与压力渗流变形的试验设备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，能够实现三轴试样维持反压饱和条件，进行截面300大尺度柔性壁单元体渗透系数与压力渗流变形等室内土工试验。
为解决上述技术问题，本发明提供一种反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，包括：围压渗流转换单元和体变流量转换单元；围压渗流转换单元和体变流量转换单元通过渗入水路部分的渗流阀19和三通接口I3相连。
优选的，围压渗流转换单元包括20升围压水罐16、净水源补水阀17、四通接口I4、围压阀2、渗流试样1、轴力杆8、渗流阀19、下孔压阀14和孔压传感器15；20升围压水罐16依次连接四通接口I4和渗流阀19接入三通接口I3进入下孔阀13水路，净水源补水阀17依次连接四通接口I4和围压阀2后连接渗流试样1，渗流试样1还分别连接轴力杆8和孔压传感器15，孔压传感器15连接下孔压阀14。
优选的，体变流量转换单元包括空压机36、反压阀35、减压阀30、小反压阀28、大反压阀29、体变传感器32、小体变管33、排气阀31、大体变管34、上孔压阀20、小体变阀26、大体变阀27、抽气阀25、连接阀21、下孔阀13、截断阀22、饱和阀24和排水阀23；空压机36和反压阀35、减压阀30依次连接，分两路一路与大反压阀29相连注入大体变管34，另一路与小反压阀28相连注入小体变管33，小体变管33还连接有体变传感器32和小体变阀26，大体变管34还连接有体变传感器32、排气阀31和大体变阀27，大体变阀27还连接有排水阀23，孔压传感器15依次连接上孔压阀20和抽气阀25，下孔阀13依次连接截断阀22和饱和阀24，截断阀22连接有连接阀21。
优选的，开通净水源补水阀17，关闭围压阀2和渗流阀19，由专门配备的洁净水箱及水泵通过净水源补水阀17补充20升围压水罐16水体接近水罐容量，完成渗入水体储备；之后设定20升围压水罐16渗流压力ub>反压us值，启动围压油缸加载至ub并伺服稳定，完成20升围压水罐16围压渗流转换准备；关闭下孔阀13，打开渗流阀19，20升压力水罐16伺服压力水以流量控制方式，进入下孔阀13前端三通接口I3，进入渗流试样1底端，实现压力水渗入。
优选的，试样饱和试验阶段采用大体变管34，截断阀22处于联通状态，抽真空饱和与反压us饱和；试样饱和后稳定，关闭上孔压阀20和下孔压阀14、下孔阀13；打开反压阀35，打开大体变阀27和小体变阀26、截断阀22与排气阀31，之后打开排水阀23进行大体变管34和小体变管33排水，调整渗流体积接近最大量程，关闭排水阀23和排气阀31；渗流试验前，需打开反压阀35，通过减压阀30恢复大体变管34和小体变管33压力至试样饱和反压us；关闭小体变阀26，打开上孔压阀20、连接阀21、截断阀22和大体变阀27，联通大体变管34进行测试；下孔阀13关闭状态打开渗流阀19，联通20升围压水罐16，让压力水渗入试样，即可实现单元体试样维持反压饱和状态时的渗流试样1顶端压力水渗出体积的连续测读，同时测读孔压传感器15孔压值、渗流时间和渗流试样1轴向位移。
优选的，截取上部和下部孔压传感器15ut和ub稳定后的渗出水体积Vw与时间Δts测读数据，即可根据渗流试样1截面直径ds和高度hs，得到试样渗透系数如下：
优选的，大小体变管渗流转换，当试样渗出流量速度相对较慢时，上下孔压传感器15ut和ub稳定后，可通过关闭大体变阀27和截断阀22，打开小体变阀26，实施大体变管34转换为小体变管33的高精度渗出流量测试，缩短测试周期，即“大体变→小体变”流量测试转换；同时，由小体变管33体变传感器32数据，计算试样渗透系数；大小体变管联测，当试样渗出流量较大时，通过上述大体变管34和小体变管33转换时的大反压阀29和截断阀22关闭状态，可以打开大体变管34的排气阀31和排水阀23，进行大体变管34排水，重新调整渗流体积量程，之后迅速关闭排气阀31和排水阀23，打开大反压阀29恢复大体变管34反压us；之后，小体变管33渗出流量接近其量程时，关闭小体变阀26，再次打开截断阀22和大体变阀27，即可实现“小体变→大体变”测试转换；转换联测全过程“大体变→小体变→大体变”有效量测为10+1.5+10＝21.5升，大于20升围压水罐水16容量，可以实现试样渗出流量大量程联测。
优选的，结合大三轴剪切设备固有的围压、轴压加载系统；位移、孔压和时间等测试系统，可结合20升围压水罐16压力流量控制，方便灵活地开展渗透系数测试、压力渗流试验；压力渗流试验原理同上述低水头渗透试验，可通过20升围压水罐16设定高水头压力ub，结合试样轴向变形测试，进行试样渗透变形试验研究。
本发明的有益效果为：大三轴剪切设备与两个转换单元相连，可以实现三轴试样维持反压饱和条件，进行截面300大尺度柔性壁单元体渗透系数与压力渗流变形等室内土工试验。
附图说明
图1为本发明的大三轴装置结构示意图。
图2为本发明的大三轴底座结构示意图。
图3为本发明的大三轴水气路及改装后结构示意图。
其中，1、渗流试样；2、围压阀；3、渗入；4、渗出；5、橡胶膜；6、土工反滤布；7、大三轴压力室底座；8、轴力杆；9、压力室排气阀；10、大三轴压力室；11、固定螺栓；12、止水圈；13、下孔阀；14、下孔压阀；15、孔压传感器；16、20升围压水罐；17、净水源补水阀；18、补水；19、渗流阀；20、上孔压阀；21、连接阀；22、截断阀；23、排水阀；24、饱和阀；25、抽气阀；26、小体变阀；27、大体变阀；28、小反压阀；29、大反压阀；30、减压阀；31、排气阀；32、体变传感器；33、小体变管；34、大体变管；35、反压阀；36、空压机；I3、三通接口；I4、四通接口。
具体实施方式
如图1、2和3所示，一种反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，包括：围压渗流转换单元和体变流量转换单元；围压渗流转换单元和体变流量转换单元通过渗入水路部分的渗流阀19和三通接口I3相连。
围压渗流转换单元包括20升围压水罐16、净水源补水阀17、四通接口I4、围压阀2、渗流试样1、轴力杆8、渗流阀19、下孔压阀14和孔压传感器15；20升围压水罐16依次连接四通接口I4和渗流阀19接入三通接口I3进入下孔阀13水路，净水源补水阀17依次连接四通接口I4和围压阀2后连接渗流试样1，渗流试样1还分别连接轴力杆8和孔压传感器15，孔压传感器15连接下孔压阀14。
体变流量转换单元包括空压机36、反压阀35、减压阀30、小反压阀28、大反压阀29、体变传感器32、小体变管33、排气阀31、大体变管34、上孔压阀20、小体变阀26、大体变阀27、抽气阀25、连接阀21、下孔阀13、截断阀22、饱和阀24和排水阀23；空压机36和反压阀35、减压阀30依次连接，分两路一路与大反压阀29相连注入大体变管34，另一路与小反压阀28相连注入小体变管33，小体变管33还连接有体变传感器32和小体变阀26，大体变管34还连接有体变传感器32、排气阀31和大体变阀27，大体变阀27还连接有排水阀23，孔压传感器15依次连接上孔压阀20和抽气阀25，下孔阀13依次连接截断阀22和饱和阀24，截断阀22连接有连接阀21。
开通净水源补水阀17，关闭围压阀2和渗流阀19，由专门配备的洁净水箱及水泵通过净水源补水阀17补充20升围压水罐16水体接近水罐容量，完成渗入水体储备；之后设定20升围压水罐16渗流压力ub>反压us值，启动围压油缸加载至ub并伺服稳定，完成20升围压水罐16围压渗流转换准备；关闭下孔阀13，打开渗流阀19，20升压力水罐16伺服压力水以流量控制方式，进入下孔阀13前端三通接口I3，进入渗流试样1底端，实现压力水渗入。
试样饱和试验阶段采用大体变管34，截断阀22处于联通状态，抽真空饱和与反压us饱和；试样饱和后稳定，关闭上孔压阀20和下孔压阀14、下孔阀13；打开反压阀35，打开大体变阀27和小体变阀26、截断阀22与排气阀31，之后打开排水阀23进行大体变管34和小体变管33排水，调整渗流体积接近最大量程，关闭排水阀23和排气阀31；渗流试验前，需打开反压阀35，通过减压阀30恢复大体变管34和小体变管33压力至试样饱和反压us；关闭小体变阀26，打开上孔压阀20、连接阀21、截断阀22和大体变阀27，联通大体变管34进行测试；下孔阀13关闭状态打开渗流阀19，联通20升围压水罐16，让压力水渗入试样，即可实现单元体试样维持反压饱和状态时的渗流试样1顶端压力水渗出体积的连续测读，同时测读孔压传感器15孔压值、渗流时间和渗流试样1轴向位移。
截取上部和下部孔压传感器15(数值)ut和ub稳定后的渗出水体积Vw与时间Δts测读数据，即可根据渗流试样1截面直径ds和高度hs，得到试样渗透系数如下：
大小体变管渗流转换，当试样渗出流量速度相对较慢时，上下孔压传感器15ut和ub稳定后，可通过关闭大体变阀27和截断阀22，打开小体变阀26，实施大体变管34转换为小体变管33的高精度渗出流量测试，缩短测试周期，即“大体变→小体变”流量测试转换；同时，由小体变管33体变传感器32数据，计算试样渗透系数；大小体变管联测，当试样渗出流量较大时，通过上述大体变管34和小体变管33转换时的大反压阀29和截断阀22关闭状态，可以打开大体变管34的排气阀31和排水阀23，进行大体变管34排水，重新调整渗流体积量程，之后迅速关闭排气阀31和排水阀23，打开大反压阀29恢复大体变管34反压us。之后，小体变管33渗出流量接近其量程时，关闭小体变阀26，再次打开截断阀22和大体变阀27，即可实现“小体变→大体变”测试转换；转换联测全过程“大体变→小体变→大体变”有效量测为10+1.5+10＝21.5升，大于20升围压水罐水16容量，可以实现试样渗出流量大量程联测。
结合大三轴剪切设备固有的围压、轴压加载系统；位移、孔压和时间等测试系统，可结合20升围压水罐16压力流量控制，方便灵活地开展渗透系数测试、压力渗流试验；压力渗流试验原理同上述低水头渗透试验，可通过20升围压水罐16设定高水头压力ub，结合试样轴向变形测试，进行试样渗透变形试验研究。
实施例I——粗粒土渗透系数测试：
试样饱和：制备300mm粗粒土大尺度三轴单元体渗流试样1，安装至大三轴后进行常规大三轴压力室10注水、所有水路排气后，关闭渗流阀19与净水源补水阀17。打开围压阀2，大三轴剪切设备20升围压水罐16通过大三轴控制系统施加压力室围压，围压伺服状态进行渗流试样1渗流抽真空饱和，配合围压进一步实施反压饱和至us，试样达到高饱和度要求。
渗流准备：渗流阀19关闭状态，三轴试样反压饱和后，且围压施加后，关闭围压阀2，同时关闭上孔压阀20、下孔压阀14和下孔阀13，关闭反压阀35，关闭抽气阀25和饱和阀24；打开净水源补水阀17补充20升围压水罐水体16接近其容量20升，之后关闭净水源补水阀17；打开排气阀31、大体变阀27和小体变阀26、截断阀22与排水阀23，大体变管34和小体变管33排水至渗出流量容许最大量程；之后，大小反压阀联通状态，关闭排气阀31，再次打开反压阀35，通过减压阀30施加大小体变管反压至饱和压力us。
渗透试验：首先关闭小体变阀26，通过大三轴控制系统设置20升围压水罐16伺服压力(ub>us)和流量速度后，打开渗流阀19，提供渗入压力水；同时在截断阀22联通状态，打开连接阀21、上孔压阀20，20升围压水罐16按设定压力与流速提供渗入压力水，大体变管体变传感器32连续测读试样渗出流量，同时连续测读时间，上下的孔压传感器15水压ut和ub。
数据分析：截取上下的孔压传感器15(数值)ut和ub稳定后的渗出水体积Vw与时间Δts测读数据，即可根据渗流试样1截面直径ds和试样高度hs，按上式计算试样渗透系数。
此外，当渗流速度相对较慢时，上下的孔压传感器15(数值)ut和ub稳定后，可采用上述“大→小”双体变管转换，进行高精度渗出流量测试；当渗流速度较快时，且上述大体变管排水量程不足时，可以采用双体变管“大→小→大”联测转换。
实施例II——渗透变形试验：
通过围压水罐提供不同高水平压力水头，分别采用上述实施实例I步骤和方法进行渗透试验与数据分析，同时读取渗流试样轴向变形，揭示不同水头梯度时的三轴试样渗透系数变化规律和试样变形特征，判断压力渗流变形稳定。
必须指出，每一级压力水头渗透试验前，均需要进行实施实例I中的压力水罐补水和大小体变管排水操作步骤，提供充足压力渗入压力水体积和反压渗出流量的测试量程。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (8)

1.一种反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，其特征在于，包括：围压渗流转换单元和体变流量转换单元；围压渗流转换单元和体变流量转换单元通过渗入水路部分的渗流阀(19)和三通接口(I3)相连。
2.如权利要求1所述的反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，其特征在于，围压渗流转换单元包括20升围压水罐(16)、净水源补水阀(17)、四通接口(I4)、围压阀(2)、渗流试样(1)、轴力杆(8)、渗流阀(19)、下孔压阀(14)和孔压传感器(15)；20升围压水罐(16)依次连接四通接口(I4)和渗流阀(19)接入三通接口(I3)进入下孔阀(13)水路，净水源补水阀(17)依次连接四通接口(I4)和围压阀(2)后连接渗流试样(1)，渗流试样(1)还分别连接轴力杆(8)和孔压传感器(15)，孔压传感器(15)连接下孔压阀(14)。
3.如权利要求1所述的反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，其特征在于，体变流量转换单元包括空压机(36)、反压阀(35)、减压阀(30)、小反压阀(28)、大反压阀(29)、体变传感器(32)、小体变管(33)、排气阀(31)、大体变管(34)、上孔压阀(20)、小体变阀(26)、大体变阀(27)、抽气阀(25)、连接阀(21)、下孔阀(13)、截断阀(22)、饱和阀(24)和排水阀(23)；空压机(36)和反压阀(35)、减压阀(30)依次连接，分两路一路与大反压阀(29)相连注入大体变管(34)，另一路与小反压阀(28)相连注入小体变管(33)，小体变管(33)还连接有体变传感器(32)和小体变阀(26)，大体变管(34)还连接有体变传感器(32)、排气阀(31)和大体变阀(27)，大体变阀(27)还连接有排水阀(23)，孔压传感器(15)依次连接上孔压阀(20)和抽气阀(25)，下孔阀(13)依次连接截断阀(22)和饱和阀(24)，截断阀(22)连接有连接阀(21)。
4.如权利要求2所述的反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，其特征在于，开通净水源补水阀(17)，关闭围压阀(2)和渗流阀(19)，由专门配备的洁净水箱及水泵通过净水源补水阀(17)补充20升围压水罐(16)水体接近水罐容量，完成渗入水体储备；之后设定20升围压水罐(16)渗流压力ub>反压us值，启动围压油缸加载至ub并伺服稳定，完成20升围压水罐(16)围压渗流转换准备；关闭下孔阀(13)，打开渗流阀(19)，20升压力水罐(16)伺服压力水以流量控制方式，进入下孔阀(13)前端三通接口(I3)，进入渗流试样(1)底端，实现压力水渗入。
5.如权利要求2所述的反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，其特征在于，试样饱和试验阶段采用大体变管(34)，截断阀(22)处于联通状态，抽真空饱和与反压us饱和；试样饱和后稳定，关闭上孔压阀(20)和下孔压阀(14)、下孔阀(13)；打开反压阀(35)，打开大体变阀(27)和小体变阀(26)、截断阀(22)与排气阀(31)，之后打开排水阀(23)进行大体变管(34)和小体变管(33)排水，调整渗流体积接近最大量程，关闭排水阀(23)和排气阀(31)；渗流试验前，需打开反压阀(35)，通过减压阀(30)恢复大体变管(34)和小体变管(33)压力至试样饱和反压us；关闭小体变阀(26)，打开上孔压阀(20)、连接阀(21)、截断阀(22)和大体变阀(27)，联通大体变管(34)进行测试；下孔阀(13)关闭状态打开渗流阀(19)，联通20升围压水罐(16)，让压力水渗入试样，即可实现单元体试样维持反压饱和状态时的渗流试样(1)顶端压力水渗出体积的连续测读，同时测读孔压传感器(15)孔压值、渗流时间和渗流试样(1)轴向位移。
6.如权利要求5所述的反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，其特征在于，截取上部和下部孔压传感器(15)ut和ub稳定后的渗出水体积Vw与时间Δts测读数据，即可根据渗流试样(1)截面直径ds和高度hs，得到试样渗透系数如下：
<mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mi>w</mi> </msub> <mrow> <mn>0.25</mn> <msubsup> <mi>&amp;pi;d</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>&amp;Delta;t</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>h</mi> <mi>s</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>t</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
7.如权利要求3所述的反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，其特征在于，大小体变管渗流转换，当试样渗出流量速度相对较慢时，上下孔压传感器(15)ut和ub稳定后，可通过关闭大体变阀(27)和截断阀(22)，打开小体变阀(26)，实施大体变管(34)转换为小体变管(33)的高精度渗出流量测试，缩短测试周期，即“大体变→小体变”流量测试转换；同时，由小体变管(33)体变传感器(32)数据，计算试样渗透系数；大小体变管联测，当试样渗出流量较大时，通过上述大体变管(34)和小体变管(33)转换时的大反压阀(29)和截断阀(22)关闭状态，可以打开大体变管(34)的排气阀(31)和排水阀(23)，进行大体变管(34)排水，重新调整渗流体积量程，之后迅速关闭排气阀(31)和排水阀(23)，打开大反压阀(29)恢复大体变管(34)反压us；之后，小体变管(33)渗出流量接近其量程时，关闭小体变阀(26)，再次打开截断阀(22)和大体变阀(27)，即可实现“小体变→大体变”测试转换；转换联测全过程“大体变→小体变→大体变”有效量测为10+1.5+10＝21.5升，大于20升围压水罐水(16)容量，可以实现试样渗出流量大量程联测。
8.如权利要求2所述的反压饱和状态大三轴试样的柔性壁压力渗流试验装置，其特征在于，结合大三轴剪切设备固有的围压、轴压加载系统；位移、孔压和时间等测试系统，可结合20升围压水罐(16)压力流量控制，方便灵活地开展渗透系数测试、压力渗流试验；压力渗流试验原理同上述低水头渗透试验，可通过20升围压水罐(16)设定高水头压力ub，结合试样轴向变形测试，进行试样渗透变形试验研究。
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