CN107807079B - 一种土体圆柱剪切渗透实验装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土体圆柱剪切渗透实验装置及测试方法，装置包括外筒和可转动地设置在外筒内并与外筒同轴的柱剪筒，所述外筒与柱剪筒之间在径向形成一个空心圆柱腔，所述空心圆柱腔的一端设有可轴向移动的活动滤板，另一端设有固定滤板；空心圆柱腔内填充土体，通过转动柱剪筒以及对活动滤板施加压力，即可模拟测试大坝心墙黏土与上下游材料共同在水流方向压应力作用下和大剪切变形条件下土体的渗流特性及渗透破坏比降的变化特性。
Description
技术领域
本发明属于大坝心墙黏土渗流实验装置领域，涉及一种土体圆柱剪切渗透实验装置及测试方法。
背景技术
高土石坝心墙黏土和上下游材料在与岸坡接触部位往往发生大的剪切变形，该部位的土体在大水力梯度作用下的渗流破坏是造成土石坝渗透事故的主要原因。传统的渗流试验装置将土样置于侧限或三轴应力状态下，不能测定土体在发生大剪切变形下的渗透特性和渗透破坏比降。中国专利(CN 104142277 B)公开了一种扭转剪切条件下测定土的渗透系数变化的设备及测试方法；中国专利(申请号201510825477.8)公开了一种土的剪切面及土与结构界面的环剪渗透实验装置，研究了大剪切变形条件下土体剪切面或土与结构界面的渗流特性。然而，这些方法都只能研究单一土体或单一土体剪切面渗透特性的变化。
在实际工程中，为了提高大坝的抗渗透破坏能力，在心墙黏土的上下游都填筑游反滤料。反滤料的存在可以起到限制流速、保护土体流失和填充裂缝的作用。因此，研究大剪切变形条件下黏土心墙在上下游反滤料保护作用下的渗流特性、尤其是渗透破坏比降的变化特性具有重要的工程实用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可以模拟测试大坝心墙黏土与上下游材料共同在大剪切变形条件下土体的渗流特性及渗透破坏比降的变化特性的测试装置及测试方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种土体圆柱剪切渗透实验装置，包括外筒和可转动地设置在外筒内并与外筒同轴的柱剪筒，所述外筒与柱剪筒之间在径向形成一个空心圆柱腔，所述空心圆柱腔的一端设有可轴向移动的活动滤板，另一端设有固定滤板；
所述柱剪筒在活动滤板一端与活动滤板以及外筒的一端形成进水腔；所述柱剪筒在固定滤板一端与固定滤板和外筒的另一端形成出水腔；所述进水腔和出水腔分别通过设置的进水口和出水口连接渗流加压及测试系统；
所述柱剪筒的外壁上设有剪切齿，柱剪筒通过传动轴连接扭矩施加装置，所述活动滤板连接有压应力施加装置。
进一步，所述外筒包括依次密封可拆卸连接的顶盖、筒Ⅰ、筒Ⅱ、筒Ⅲ和底座，所述筒Ⅰ、筒Ⅱ、筒Ⅲ形成封闭空心圆柱腔的外壁。
进一步，所述顶盖、筒Ⅰ、筒Ⅱ、筒Ⅲ和底座上均设有连接孔，各部分通过螺杆穿过连接孔定位，并通过螺帽压紧。
进一步，所述压应力施加装置包括加压盖和连接加压盖的液压缸，所述加压盖可活动地设置在进水腔内，加压盖的端面上设有过水孔，加压盖的环状外缘与活动滤板接触。
进一步，所述剪切齿为直齿，设置在空心圆柱腔内，平行于柱剪筒的轴心。
进一步，所述剪切齿至少为四个，均布在柱剪筒的外圆周壁上。
进一步，所述进水腔和出水腔上均设有观察窗。
进一步，所述进水腔和出水腔的外圆周壁为透明材料。
一种土体圆柱剪切渗透实验装置测试方法，包括以下步骤：在空心圆柱腔内从轴向的下游到上游依次填入下游材料、黏土、上游材料，上游设置活动滤板，下游设置固定滤板，通过进水腔的进水口设置水压力，通过压应力施加装置轴向对活动滤板施加应力，从而对土体施加水流方向的应力；通过扭矩施加装置对柱剪筒施加扭矩，柱剪筒旋转剪切齿剪切，通过渗透加压及测试系统测试上游材料、黏土、下游材料在大剪切变形的情况下渗透特性的变化。
本发明的有益效果在于：
1.本发明可以模拟测试大坝心墙黏土与上下游材料共同在水流方向压应力作用下和大剪切变形条件下土体的渗流特性和渗透破坏比降的变化特性；
2.空心圆柱形试样与底座和顶盖形成一个封闭的内腔，内腔进水施加渗透压力，即使在产生大剪切变形时，也能避免在剪切过程中出现边界漏水的问题；
3.本装置在实验容器中通过分层即时制备达到原位压实度的试样，设置三个中间筒，分别填入三种材料，避免造成对试样的扰动。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的结构剖面图；
图2为本发明的爆炸示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示本发明一种土体圆柱剪切渗透实验装置，包括外筒1和可转动地设置在外筒1内与并与外筒1同轴的柱剪筒2，所述外筒1的内壁与柱剪筒2的外壁在径向形成一个空心圆柱腔3，所述空心圆柱腔3的一端设有可轴向移动的活动滤板4，另一端设有固定滤板5；所述外筒1包括依次密封可拆卸连接的顶盖、筒Ⅰ102、筒Ⅱ103、筒Ⅲ104和底座，所述筒Ⅰ102、筒Ⅱ103、筒Ⅲ104形成空心圆柱腔3的外壁。所述顶盖、筒Ⅰ102、筒Ⅱ103、筒Ⅲ104和底座上均设有连接孔9，各部分通过螺杆10穿过连接孔9定位，并通过螺帽20压紧。本实施例顶盖包括顶板15和上游筒101，底座包括底板16和下游筒105，顶板15、底板16上设置连接孔9，通过螺帽20分别压紧顶板15、底板16的两端面。空心圆柱腔3内依次设有上游材料18、黏土17、下游材料19，通过活动滤板4，固定滤板5作为挡板。
本实施例中，所述柱剪筒2在活动滤板4一端与活动滤板4以及外筒1的一端形成进水腔6；所述柱剪筒2在固定滤板5一端与固定滤板5和外筒1的另一端形成出水腔7；所述进水腔6和出水腔7分别通过设置的进水口151和出水口161连接渗流加压及测试系统；进水口151和出水口161分别设置在顶板15和底板16上。本实施例进水腔6和出水腔7上均设有观察窗，所述进水腔6和出水腔7的外圆周壁为透明材料制成形成所述观察窗，即上游筒101和下游筒105为透明材料制成，可随时观察里面的情况。
所述柱剪筒2的外壁上设有剪切齿8，柱剪筒2通过传动轴13连接扭矩施加装置，所述活动滤板4连接有压应力施加装置。本实施例剪切齿8为直齿，设置在空心圆柱腔3内，直齿的长度方向平行于柱剪筒2的轴心。所述剪切齿8至少为四个，均布在柱剪筒2的外圆周壁上。本实施例剪切齿8为6个，焊接在柱剪筒2的外壁上。
本实施例中，所述压应力施加装置包括加压盖11和连接加压盖11的液压缸12，所述加压盖11可活动地设置在进水腔6内，加压盖11的端面上设有过水孔14，加压盖11的环状外缘与活动滤板4接触。
一种土体圆柱剪切渗透实验装置测试方法，包括以下步骤：在空心圆柱腔3内从轴向的下游到上游依次填入下游材料19、黏土17、上游材料18，上游设置活动滤板4，下游设置固定滤板5，通过进水腔6的进水口151设置水压力，通过压应力施加装置轴向对活动滤板4轴向施加应力，从而对土体施加水流方向的应力；通过扭矩施加装置对柱剪筒2施加扭矩，柱剪筒2旋转剪切齿8剪切，上游材料18、黏土17、下游材料19在大剪切变形的情况下，通过渗流加压及测试系统即可测试土体的渗透特性。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种土体圆柱剪切渗透实验装置，其特征在于：所述土体圆柱剪切渗透实验装置用于模拟测试大坝心墙黏土与上下游材料共同在大剪切变形条件下土体的渗流特性及渗透破坏比降的变化特性，包括外筒和可转动地设置在外筒内并与外筒同轴的柱剪筒，所述外筒与柱剪筒之间在径向形成一个空心圆柱腔，所述空心圆柱腔的一端设有可轴向移动的活动滤板，另一端设有固定滤板；
所述柱剪筒在活动滤板一端与活动滤板以及外筒的一端形成进水腔；所述柱剪筒在固定滤板一端与固定滤板和外筒的另一端形成出水腔；所述进水腔和出水腔分别通过设置的进水口和出水口连接渗流加压及测试系统；
所述柱剪筒的外壁上设有剪切齿，柱剪筒通过传动轴连接扭矩施加装置，所述活动滤板连接有压应力施加装置；
所述外筒包括依次密封可拆卸连接的顶盖、筒Ⅰ、筒Ⅱ、筒Ⅲ和底座，所述筒Ⅰ、筒Ⅱ、筒Ⅲ形成封闭空心圆柱腔的外壁；所述封闭空心圆柱腔内对应筒I处装有上游材料，对应筒Ⅱ处装有黏土，对应筒Ⅲ处装有下游材料。
2.根据权利要求1所述的土体圆柱剪切渗透实验装置，其特征在于：所述顶盖、筒Ⅰ、筒Ⅱ、筒Ⅲ和底座上均设有连接孔，各部分通过螺杆穿过连接孔定位，并通过螺帽压紧。
3.根据权利要求1所述的土体圆柱剪切渗透实验装置，其特征在于：所述压应力施加装置包括加压盖和连接加压盖的液压缸，所述加压盖可活动地设置在进水腔内，加压盖的端面上设有过水孔，加压盖的环状外缘与活动滤板接触。
4.根据权利要求1所述的土体圆柱剪切渗透实验装置，其特征在于：所述剪切齿为直齿，设置在空心圆柱腔内，平行于柱剪筒的轴心。
5.根据权利要求4所述的土体圆柱剪切渗透实验装置，其特征在于：所述剪切齿至少为四个，均布在柱剪筒的外圆周壁上。
6.根据权利要求1所述的土体圆柱剪切渗透实验装置，其特征在于：所述进水腔和出水腔上均设有观察窗。
7.根据权利要求6所述的土体圆柱剪切渗透实验装置，其特征在于：所述进水腔和出水腔的外圆周壁为透明材料。
8.利用权利要求1-7任一项土体圆柱剪切渗透实验装置进行测试的方法，其特征在于，在空心圆柱腔内从轴向的下游到上游依次填入下游材料、黏土、上游材料，上游设置活动滤板，下游设置固定滤板，通过进水腔的进水口设置水压力，通过压应力施加装置轴向对活动滤板施加应力，从而对土体施加水流方向的压应力；通过扭矩施加装置对柱剪筒施加扭矩，柱剪筒旋转剪切齿剪切，通过渗透加压及测试系统测试上游材料、黏土、下游材料在大剪切变形的情况下渗透特性的变化。
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