CN109932299A - 一种模拟地应力条件下的渗透试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种模拟地应力条件下的渗透试验装置及方法，包括测压水箱、调节机构、土体固结机构、土体试样容器和应力加载机构，土体固结机构对土体试样容器内的土体试样进行压实；测压水箱包括水箱本体、测压孔、玻璃测压管、渗水孔和溢水孔，水箱本体内承载所述土体试样容器，测压孔、渗水孔和溢水孔设置于所述土体试样容器上，测压孔为多个，沿竖直方向均匀分布，渗水孔和溢水孔分别设置于土体试样容器的底端和顶端；调节机构调整溢水孔与渗水孔之间的水头高度；土体试样容器具有柔性与应力加载机构的作用部分直接接触，接收应力。

Description

一种模拟地应力条件下的渗透试验装置及方法

技术领域

本公开涉及一种模拟地应力条件下的渗透试验装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着工程技术的不断发展，地下工程中突水突泥问题愈发引起人们的重视，了解地下工程岩体裂隙间水分的运动对研究突水突泥灾害问题治理具有重要意义。据发明人了解,目前进行的渗透试验多在非应力条件下完成的，对于人们了解地应力条件下水分在土体中运动规律的指导性意义不大。考虑到岩体在三维应力状态下物理特性与二维及一维条件下的巨大差异，有必要进行真三轴条件下的渗透试验。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种模拟地应力条件下的渗透试验装置及方法，本公开可用于研究三向应力-密实性-渗透系数的之间多指标相互耦合作用规律。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,包括测压水箱、调节机构、土体固结机构、土体试样容器和应力加载机构，其中：

所述土体固结机构包括支架、压板和压缩变形测量仪，所述压缩变形测量仪设置于支架上，支架设置于测压水箱上端，所述压板与压缩变形测量仪下端连接，通过压板的上下移动，对土体试样容器内的土体试样进行压实；

所述测压水箱包括水箱本体、测压孔、玻璃测压管、渗水孔和溢水孔，所述水箱本体内承载所述土体试样容器，测压孔、渗水孔和溢水孔设置于所述土体试样容器上，测压孔为多个，沿竖直方向均匀分布，且每个测压孔孔均设置有单独的玻璃测压管，所述玻璃测压管均延伸至水箱本体外侧，所述渗水孔和溢水孔分别设置于土体试样容器的底端和顶端；

所述调节机构包括供水容器、可升降支架和导管，所述导管与渗水孔连通，通过可升降支架改变导管和供水容器，以调整溢水孔与渗水孔之间的水头高度；

所述土体试样容器位于测压水箱的中央，具有柔性，四周及顶部与应力加载机构的作用部分直接接触；

所述应力加载机构包括至少多个加载单元，对土体试样容器内的土体试样进行水平和垂直方向的应力加载。

通过上述设置，能够简单的测试岩体在三维应力状态下物理特性，实现三向应力-密实性-渗透系数的之间多指标相互耦合作用规律的研究。

作为进一步的限定，所述土体试样容器包括柔性隔水套筒、可伸缩金属孔板及容器架，所述柔性隔水套筒设置于所述容器架上，底部设置有层叠金属孔板，所述层叠金属孔板包括若干层布满网孔的矩形金属薄板，所述容器架固定于水箱本体的底部，中间具有孔洞，以保证流经土体试样的水流能直接穿过容器架。

作为更进一步的限定，每层金属孔板之间相互交错叠放，孔板之间涂抹润滑剂以降低板与板之间的摩擦力，所述层叠金属孔板网孔大下视土体颗粒粒径大小而确定。

作为进一步的限定，所述测压孔、渗水孔和溢水孔均设置在柔性隔水套筒上。

作为进一步的限定，所述应力加载机构用以模拟地应力条件，包括水平应力加载装置和嵌套式密封环，水平应力加载装置在水平方向上对柔性隔水套筒施加力的作用，嵌套式密封环保证在试验中应力杆在与测压水箱交界处产生相对位移的时候仍能保持测压水箱的密封性。

作为进一步的限定，所述应力加载机构包括多个设置在同一水平面上的加载单元，每个加载单元包括水平压力杆及锯齿状侧压板，所述锯齿型测压板的两侧有沿纵向依次排列的立方体，使锯齿型测压板的侧沿呈锯齿状，所述水平压力杆能够推动所述锯齿状侧压板，且相邻加载单元的锯齿状侧压板的边沿能够相啮合。

作为进一步的限定，所述应力加载机构还包括垂直应力加载单元，包括垂直压力杆及凹槽状侧压板，垂直压力杆推动凹槽状侧压板，所述凹槽状侧压板上设置有一凹槽，且压板能够与柔性隔水套筒顶部吻合。

作为进一步的限定，所述土体固结机构包括固结压密支架、压缩变形测量仪、螺纹加载杆、加压上盖和透水板，螺纹加载杆和压缩变形测量仪安装在固结压密支架上，透水板粘结在加压上盖上，并固在螺纹加载杆上，压缩变形测量仪设置于螺纹加载杆上，通过调节螺纹加载杆的高度，让透水板与土体试样接触，压缩变形测量仪测试柔性隔水套筒水平高度及加载板之间的距离实时监测土体试样的体积变化，并经过换算得到土体的压缩系数。

基于上述装置的工作方法，利用土体固结机构对土体试样容器内的土体试样进行压实；

通过调节机构调整溢水孔与渗水孔之间的水头高度；

应力加载机构对土体试样容器内的土体试样进行水平和垂直方向的应力加载；

利用玻璃测压管观察不同位置的测压孔的水压，压缩变形测量仪测量土体试样受压时的压缩变形系数，观察记录土体试样渗透系数与压缩性系数及地应力之间的相互作用关系。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开提供了一种密闭条件下的渗透实验真三轴加载装置及试验装置，向土体试样容器中添加土体试样和水，通过真三轴加载装置在密闭条件下对土体试样容器施加应力，同时读取土体试样压缩性系数，观察记录土体试样渗透系数与压缩性系数及地应力之间的相互作用关系。

本公开通过嵌套式密封环、涂抹润滑剂等措施，保证整体装置的密封性，压缩变形测量仪能准确方便地测量出土体的压缩变形量，实现三向应力、土体密实性及渗透系数的之间多指标相互耦合作用规律的研究。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本试验装置主体结构示图；

图2为本试验装置除土体固结装置之外的结构组成示图；

图3为本实施例提供的应力加载装置及土体试样容器示意图；

图4为层叠式金属孔板示意图；

图5为嵌套式密封环示意图；

图6为水头调节装置示意图；

图7为土体固结装置示意图；

图中：1测压水箱，2土体试样容器，3应力加载装置，4水头调节装置，5土体固结装置，1-1储水箱，1-2测压孔，1-3玻璃测压,1-4渗水孔，1-5溢水孔，1-6水箱,2-1柔性隔水套筒，2-2可伸缩金属孔板，2-3容器架，3-1水平加载装置,3-2嵌套式密封环，4-1烧杯,4-2滑动支架,4-3调节管,5-1固结压密支架，5-2压缩变形测量仪，5-3螺纹加载杆，5-4加压上盖，5-5透水板，2-2-1顶层金属板，2-2-2中层金属板，2-2-3底层金属板，3-3-1金属环，3-3-2橡胶圈。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

本实施例通过提供一种密闭条件下的渗透试验真三轴加载装置，可探究分析地应力条件下土体渗透性规律，达到了模拟地应力条件下土体渗流的效果，实现三向应力-密实性-渗透系数的之间多指标相互耦合作用规律的研究。

为使本实施例实施例技术方案总体思路更加清晰，下面结合本实施例实施例中的附图，对本实施例技术方案进行完整描述，应当理解本实施例实施实例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的具体解释，并不限制本申请技术方案，在特定情况下的本申请实施例及实施例中的技术特征可组合调整。

参见图1，本实施例实施例提供的一种密闭条件下的渗透试验真三轴加载装置，包括1测压水箱、2土体试样容器、3应力加载装置、4水头调节装置及5土体固结装置。

参见图2，为除土体压密装置之外的具体结构组成示意图，包括：测压水箱(1-1,1-2,1-3,1-4,1-5,1-6)、土体试样容器(2-1,2-2,2-3)、应力加载装置(3-1,3-2,3-3)及水头调节装置(4-1,4-2,4-3)。

测压水箱1为测试流经土体水体压力的装置，包括储水箱1-1、测压孔1-2、玻璃测压管1-3、渗水孔1-4、溢水孔1-5、水箱盖1-6。测压孔1-2、溢水孔1-5均开在柔性隔水套筒的侧壁，橡胶导水管将柔性隔水套筒2-1中流经的测压孔1-2及溢水孔1-5的水体导出储水箱1-1。

柔性隔水套筒2-1上的测压孔1-2与溢水孔1-5通过玻璃胶之类的柔性粘结剂(在受力情况下不会产生脆性破坏)连接橡胶导水通道，并在测压孔1-2、溢水孔1-5与橡胶导水通道接触的地方涂抹水玻璃用以隔水，测压孔1-2与溢水孔1-5的这种设计方式可以保证其在应力作用产生微弱变形的情况下保证流经测压孔1-2及溢水孔1-5的水体不会渗入储水箱1-1。同样，橡胶导水通道以同样的方式穿过测压水箱，以保证整体装置的密闭性。

渗水孔1-4、溢水孔1-5及三个测压孔1-2在竖直方向上等距分布，通过对柔性隔水套筒2-1内水体在不同高度上的压力进行测定，探究土体因素对水压的影响。玻璃测压管1-3上标注不同刻度，以便于读取水压力大小。

试验中溢水孔1-5控制柔性隔水套筒内的最高水位，溢水孔1-5与渗水孔1-4之间竖直方向的距离即流经土体试样的最大水头高度。

土体试样容器2为盛放试样土体的装置，是应力加载装置3的直接作用对象。土体试样容器2包括柔性隔水套筒2-1、可伸缩金属孔板2-2及容器架2-3。柔性隔水套筒2-1造型类似矩形套筒，外部尺寸为20cm×6cm×30cm，内部掏空部分尺寸为18cm×4cm×30cm，将土体试样容器设计成扁平状可以更好模拟岩体裂隙。

参见图5所示，层叠金属孔板2-2由三层布满网孔的矩形光滑金属薄板组成，每层金属孔板之间相互错开叠放，尺寸大小与柔性隔水套筒开口相当，网孔大下视土体颗粒粒径大小而定；层叠金属孔板2-2的每层孔板之间涂抹润滑剂以降低金属板之间的摩擦力；在中层金属孔板2-2-2与底层金属孔板2-2-3之间夹放薄橡胶片，以阻止土体颗粒落到储水箱中1-1。

在执行试验的时候，应力加载装置3对柔性隔水套筒2-1的作用会使其产生微弱变形。一般渗透试验盛放土体容器底部无法抵抗变形，且底部对产生的反作用力会对试验效果产生影响。根据试验所存在的问题设计的层叠金属孔板，在应力作用下可以通过每层金属孔板间的滑移抵消柔性隔水套筒的微弱变形作用。

容器架2-3固定于储水容器的底部，由四个支撑“桌脚”及一个空心“桌面”组成。空心“桌面”是将容器架的顶部掏空，这样可以保证流经土体的水体顺利向储水箱疏散。在执行试验时，柔性隔水套筒2-1置于容器架2-3之上，在柔性隔水套筒2-1与容器架2-3之间涂抹润滑剂以减小试验端部效应对试验效果的影响。之后将层叠金属孔板2-2放在容器架上，置于柔性隔水套筒2-1中央。再然后向土体试样容器2中添加土体试样，待土体试样加到一定高度之后，轻击柔性隔水套筒2-1使土体颗粒分布均匀。最后向土体试样顶层铺设砾石层，以保证水流平缓、均匀地进入土体试样。

应力加载装置3用以模拟地应力条件，包括水平应力加载装置3-1和嵌套式密封环3-2组成。水平应力加载装置3-1在水平方向上对柔性隔水套筒2-1施加力的作用，嵌套式密封环3-2保证在试验中应力杆在与测压水箱1交界处产生相对位移的时候仍能保持测压水箱的密封性。

水平应力加载装置包括水平压力杆及锯齿状侧压板。所述锯齿型测压板的两侧由一系列边长为1cm的立方体组成，立方体纵向分布呈锯齿状，这种设计保证了柔性隔水套筒在水平方向上有更广阔的受力面，达到更好模拟地应力条件的效果。

凹槽型侧压板为20cm×6cm×2cm的长方体凹槽，侧压板槽口与柔性隔水套筒顶部吻合，以此更好保证柔性隔水套筒2-1在竖直方向的受力是垂直于试件的。

当然，在其他实施例中，本实施例中部件的尺寸都可以进行适应性的调整。

参见图5，层式密封环3-2由三层金属环3-2-1及三层橡胶圈3-2-2组成。每层金属圈大小不一，在保证相互嵌套不产生摩擦力的情况下，每层金属圈之间的缝隙尽量小。橡胶圈的尺寸很薄，其通过螺母固定在金属圈及储水箱上，并通过涂抹玻璃胶用以密封金属环之间、及金属环与应力杆之间的缝隙。

参见图6，水头调节装置4用以调整溢水孔与渗水孔之间的水头高度，包括烧杯4-1、滑动支架4-2及塑料导管4-3。执行试验时，将塑料导管与渗水孔相连，并将塑料导管搭在滑动支架上，塑料导管4-3另一端放在烧杯当中，通过改变滑动支架4-2的高度来调节水头高度。

参见图7，土体压密装置5用以压密土体试样，同时测量土体的压密系数，包括固结压密支架5-1，压缩变形测量仪5-2，螺纹加载杆5-3，加压上盖5-4，透水板5-5组成。螺纹加载杆5-3和压缩变形测量仪5-2安装在固结压密支架5-1上，透水板5-5粘结在加压上盖5-4上，并固在螺纹加载杆5-3上。执行试验时，调节螺纹加载杆5-3的高度，让透水板5-5与土体试样接触，透水板在垂直方向上刚度较大，不易变形，而在水平方向上刚度较小，极易变形；压缩变形测量仪5-2清零，定义此时土体试样的体积为V₀；继续调节螺纹加载杆5-3的高度、打开应力加载装置3给土体试样施加压力，压力满足要求之后停止加压，定义此时土体试样的体积V，则有土体压缩变形量为本试验装置透水板5-5使用的材料垂直方向刚度与水平方向刚度差异较大，垂直方向刚度大、不易变形，而在水平方向上刚度小、极易变形，则本装置透水板5-5不影响对加载装置3对土体试样的力学加载作用。

本实施例提供一种密闭条件下的渗透试验真三轴加载装置，包括针对该试验设计的土体试样容器及真三轴应力加载装置，能够有效还原地应力作用下的土体条件，并通过可伸缩金属孔板、测压水箱等装置的组合使土体的渗透试验在应力加载条件下得以实现。同时，本实施例能保证整体装置的密封性，压缩变形测量仪能准确方便地测量出土体的压缩变形量，实现三向应力、土体密实性及渗透系数的之间多指标相互耦合作用规律的研究。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,其特征是：包括测压水箱、调节机构、土体固结机构、土体试样容器和应力加载机构，其中：

所述土体固结机构包括支架、压板和压缩变形测量仪，所述压缩变形测量仪设置于支架上，支架设置于测压水箱上端，所述压板与压缩变形测量仪下端连接，通过压板的上下移动，对土体试样容器内的土体试样进行压实；

所述测压水箱包括水箱本体、测压孔、玻璃测压管、渗水孔和溢水孔，所述水箱本体内承载所述土体试样容器，测压孔、渗水孔和溢水孔设置于所述土体试样容器上，测压孔为多个，沿竖直方向均匀分布，且每个测压孔孔均设置有单独的玻璃测压管，所述玻璃测压管均延伸至水箱本体外侧，所述渗水孔和溢水孔分别设置于土体试样容器的底端和顶端；

所述调节机构包括供水容器、可升降支架和导管，所述导管与渗水孔连通，通过可升降支架改变导管和供水容器，以调整溢水孔与渗水孔之间的水头高度；

所述土体试样容器位于测压水箱的中央，具有柔性，四周及顶部与应力加载机构的作用部分直接接触；

所述应力加载机构包括至少多个加载单元，对土体试样容器内的土体试样进行水平和垂直方向的应力加载。

2.如权利要求1所述的一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,其特征是：所述土体试样容器包括柔性隔水套筒、可伸缩金属孔板及容器架，所述柔性隔水套筒设置于所述容器架上，底部设置有层叠金属孔板，所述层叠金属孔板包括若干层布满网孔的矩形金属薄板，所述容器架固定于水箱本体的底部，中间具有孔洞，以保证流经土体试样的水流能直接穿过容器架。

3.如权利要求2所述的一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,其特征是：每层金属孔板之间相互交错叠放，孔板之间涂抹润滑剂以降低板与板之间的摩擦力，所述层叠金属孔板网孔大下视土体颗粒粒径大小而确定。

4.如权利要求2所述的一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,其特征是：所述测压孔、渗水孔和溢水孔均设置在柔性隔水套筒上。

5.如权利要求4所述的一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,其特征是：所述渗水孔、溢水孔及各个测压孔在柔性隔水套筒的竖直方向上等距分布。

6.如权利要求2所述的一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,其特征是：所述应力加载机构用以模拟地应力条件，包括水平应力加载装置和嵌套式密封环，水平应力加载装置在水平方向上对柔性隔水套筒施加力的作用，嵌套式密封环保证在试验中应力杆在与测压水箱交界处产生相对位移的时候仍能保持测压水箱的密封性。

7.如权利要求1所述的一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,其特征是：所述应力加载机构包括多个设置在同一水平面上的加载单元，每个加载单元包括水平压力杆及锯齿状侧压板，所述锯齿型测压板的两侧有沿纵向依次排列的立方体，使锯齿型测压板的侧沿呈锯齿状，所述水平压力杆能够推动所述锯齿状侧压板，且相邻加载单元的锯齿状侧压板的边沿能够相啮合。

8.如权利要求1所述的一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,其特征是：所述应力加载机构还包括垂直应力加载单元，包括垂直压力杆及凹槽状侧压板，垂直压力杆推动凹槽状侧压板，所述凹槽状侧压板上设置有一凹槽，且压板能够与柔性隔水套筒顶部吻合。

9.如权利要求1所述的一种模拟地应力条件下的渗透试验装置,其特征是：所述土体固结机构包括固结压密支架、压缩变形测量仪、螺纹加载杆、加压上盖和透水板，螺纹加载杆和压缩变形测量仪安装在固结压密支架上，透水板粘结在加压上盖上，并固在螺纹加载杆上，压缩变形测量仪设置于螺纹加载杆上，通过调节螺纹加载杆的高度，让透水板与土体试样接触，压缩变形测量仪测试柔性隔水套筒水平高度及加载板之间的距离实时监测土体试样的体积变化，并经过换算得到土体的压缩系数。

10.基于权利要求1-9中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：利用土体固结机构对土体试样容器内的土体试样进行压实；

通过调节机构调整溢水孔与渗水孔之间的水头高度；

应力加载机构对土体试样容器内的土体试样进行水平和垂直方向的应力加载；

利用玻璃测压管观察不同位置的测压孔的水压，压缩变形测量仪测量土体试样受压时的压缩变形系数，观察记录土体试样渗透系数与压缩性系数及地应力之间的相互作用关系。