CN111024577B - 一种浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种浸水‑潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置及方法，属于岩土工程技术领域。试验装置包括压力系统、供水系统、砂水分离测量系统及自动化围压系统：压力系统用于放置土样并形成力学测试环境；供水系统用于提供水源形成浸水、潜蚀作用环境；自动化围压系统用于提供围压并测试土样体积变化；砂水分离测量系统用于搜集流失的颗粒并称重。本发明相应的试验方法为：对每组土样，先进行不同浸水时间的处理，再进行不同潜蚀时间的处理，然后测试不同应力路径下土样的力学特性，研究浸水、潜蚀及二者耦合作用对土体力学特性的影响。本发明的装置及方法能通过独立控制土体浸水、潜蚀处理来研究二者及其耦合作用对土体力学特性影响。

Description

一种浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置及 方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体的，涉及一种用于开展浸水及潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置及试验方法。

背景技术

如今，我国东南部多雨地区滑坡地质灾害频发，这些滑坡灾害多与降雨入渗有关，而降雨作用下土体强度的降低是导致滑坡的主要原因。降雨作用下土体强度降低的机理是多方面的。首先，随着降雨入渗，边坡土体中饱和度逐渐上升，基质吸力相应减小，有效应力减小，导致土的剪切强度降低。其次，在浸水作用下土体会发生软化导致强度降低。再次，在渗流侵蚀作用下，有些内部不稳定土体中的细颗粒会被渗流带出，发生潜蚀破坏，引起土的强度降低。因此，为研究降雨诱发滑坡的机理，有必要对上述导致土体强度降低的因素分别开展研究。

对于饱和度上升这一因素，目前已有成熟的非饱和仪及相应的试验方法可供研究。对于浸水作用和潜蚀作用这两个因素，研究人员已开发了各自的试验设备。事实上，对于渗流侵蚀作用下的内部不稳定土体而言，浸水作用和潜蚀作用往往是同时存在的，且两者之间有明显的耦合效应，即浸水作用和潜蚀作用相互促进，导致土的强度急剧降低。然而，同时考虑浸水作用和潜蚀作用的还未见有相应的试验设备，同时还缺乏浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验方法，制约着降雨诱发滑坡机理的研究。

发明内容

本发明的目的在于围绕降雨诱发滑坡机理研究需求，开发能模拟浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置和方法。

为了实现上述目的，本发明涉及的试验装置和试验方法是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置，包括依次连接的压力系统、供水系统、自动化围压系统以及砂水分离测量系统。其中，所述压力系统用于放置土样，形成复杂应力路径的力学特性测试环境；所述供水系统用于在浸水及潜蚀试验时提供水源，形成浸水作用和潜蚀作用环境；自动化围压系统用于提供不同应力路径下的围压，并测试土样的体积变化；砂水分离测量系统用于在潜蚀试验过程中搜集流失的颗粒并进行称重。

具体的，所述压力系统包括透明压力室、底座、漏斗基座、多孔土样底盘、土样、轴压加载杆、压力传感器、位移传感器、带卡栓土样帽、排气孔、真空泵、循环管路、出流管路、循环控制阀以及潜蚀出流阀。其中，所述透明压力室设置于所述底座上，透明压力室外壁为透明有机玻璃；所述漏斗基座设置于透明压力室底部，所述多孔土样底盘设置于漏斗基座上，所述土样放置于所述多孔土样底盘上，土样外部应包裹橡皮膜；所述轴压加载杆设于所述透明压力室上方，所述轴压加载杆上方设置有压力传感器与位移传感器；所述带卡栓土样帽设置于土样与所述轴压加载杆之间；所述排气孔设置于透明压力室顶部，所述真空泵连接至排气孔口；漏斗基座下方出口端连接有所述循环管路与所述出流管路，其中所述循环管路设有循环控制阀，所述循环管路与供水系统相连接；所述出流管路设置有潜蚀出流阀，通过潜蚀出流阀与砂水分离测量系统相连接。

具体的，所述供水系统包括压力控制器、供水筒、空气压缩机、通气孔、水质取样孔、供水管路、供水阀、压力表以及蠕动泵，其中所述压力控制器通过管路连接至所述供水筒上方；所述空气压缩机通过管路连接至压力控制器；所述通气孔设置于供水筒顶部，所述水质取样孔设置于供水筒底部；所述供水筒的供水管路通过所述供水阀连接至透明压力室，供水管路的出口端连接至带卡栓土样帽顶端，所述压力表设置供水管路上；所述压力室的循环管路通过所述蠕动泵连接至供水筒。

具体的，所述砂水分离测量系统包括砂水分离筒、储水筒、电子天平以及电子浊度计；所述砂水分离筒与压力室相连接，所述储水筒与砂水分离筒相连接，所述砂水分离筒与储水桶底部设置有电子天平；所述电子浊度计设置于砂水分离筒内。

具体的，所述自动化围压系统通过管路连接至透明压力室顶部，由围压自动化控制模块、体积应变监测模块和外接的空气压缩机组成。其中，围压自动化控制模块以单片机实现各种应力路径下围压的自动控制；体积应变监测模块采用液面法监测压力室内液体体积变化，进而实现土体的体积应变监测；空气压缩机用于为施加围压提供动力。

根据本发明的第二个方面，提供了一种上述浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验方法，包括如下步骤：

步骤一，将土样分为若干组，每组土样包括若干个原状土样。将原状土样放置在透明压力室内，并对土样进行抽气饱和。装样完毕后，对每组土样先采用自动化围压系统施加一定的围压，用于模拟自然界中土的应力环境。原状土样的现场取样过程中应尽量减少扰动。在试验前辅以剪切波速测试，使各土样的性质尽可能接近。

步骤二，对每组土样，先进行不同浸水时间的处理。具体的试验方法为，关闭侵蚀出流阀，打开循环控制阀，采用蠕动泵使水在土样与供水筒之间以微小流速循环，使水中离子浓度始终均匀保持在较低水平。由于流速微小，土样中不会发生细颗粒流失，因此可视为仅浸水作用对土样力学特性的影响。在浸水处理过程中，通过供水筒下方水质取样孔进行水质取样，定量分析浸水处理过程中土体胶结物的溶解过程。浸水处理时间可以取0，即不进行浸水处理。

步骤三，对每组土样，再进行不同潜蚀时间的处理。具体的试验方法为，通过供水系统中压力控制器控制土样中渗流梯度，关闭循环控制阀，打开侵蚀出流阀，潜蚀处理中渗流出水及潜蚀带出的细颗粒经多孔试样底盘排出；潜蚀处理时间可以取0，即不进行潜蚀处理。

步骤四，在潜蚀处理过程中，侵蚀流出带有细颗粒的渗流出水进入砂水分离测量系统。采用电子天平对细颗粒进行实时称量，并采用电子浊度计监测渗流出水的浊度；读取储水桶水量体积变化，并记录潜蚀处理时间，计算渗流流量。

步骤五，浸水及潜蚀模拟完成后，通过轴压加载杆进行加载，测试不同应力路径下土样的力学响应，直至完成土样完全破坏全过程。

步骤六，对比分析不同浸水处理时间和不同潜蚀处理时间下土的力学特性，研究单纯浸水作用、单纯潜蚀作用及浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性的影响。

本发明的工作原理为：

将土样放置在有围压的透明有机玻璃压力室内，通过围压及体积应变控制器对土样施加围压并监测土样体积变化，模拟自然界中土的应力环境；由供水筒内空气加压而将水加压，经压力室底部进入并从土体顶部入渗；在进行浸水试验时，打开循环控制阀，关闭侵蚀出流阀，开启蠕动泵与循环控制阀使水在土样与供水筒之间以微小的流速循环，以保持水中离子浓度在较低水平，实现对浸水作用的模拟；在进行潜蚀试验时，打开侵蚀出流阀，关闭循环控制阀，根据土的临界水力梯度确定水力梯度，通过压力控制器实现土样中水力梯度的控制，完成对土样的潜蚀处理。通过控制在管路上设置的控制阀，实现浸水处理与潜蚀处理的独立进行与耦合作用。浸水及潜蚀处理完成后，通过轴压加载杆进行加载，测试不同应力路径下土样的力学响应。总之，本发明将土样放置在有围压的压力室内，先后进行不同时间的浸水处理和潜蚀处理，最后测试不同应力路径下土样的力学响应，实现浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的研究。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、该发明可分别独立控制土样的应力状态、水力梯度、浸水时间、潜蚀时间等因素，系统研究边坡在降雨入渗时复杂应力环境、多级渗透水头和不同侵蚀时间下的力学响应。

2、本发明通过控制管路上设置控制阀，可切换浸水处理工况与潜蚀处理工况，能有效的单独模拟土中的浸水作用和潜蚀作用，同时能有效的模拟浸水、潜蚀之间的耦合作用机制及其对土体力学特性的影响。

3、本发明通过将土样放置在有围压的压力室内模拟浸水及潜蚀过程，从而模拟真实应力状态与入渗环境下，浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性的影响。

4、在浸水处理过程中，通过供水筒下方水质取样孔进行水质取样，定量分析浸水试验中土体胶结物的溶解过程。

5、针对于不同粒径分布的土体，采用孔径不同的多孔土样底盘，侵蚀颗粒与渗流出水通过砂水分离测量系统分离，并实时称量。

附图说明

图1为本发明仪器的结构示意图；

图2为本发明透明压力室内部构造示意图；

图3为本发明浸水处理水流示意图；

图4为本发明潜蚀处理水流示意图；

图5为本发明试验方法流程图。

图1中：1为透明压力室，2为底座，3为漏斗基座，4为多孔土样底盘，5为土样，6为橡皮膜，7为带卡栓土样帽，8为轴压加载杆，9为位移传感器，10为压力传感器，11为排气孔，12为真空泵， 13为循环管路，14为出流管路，15为循环控制阀，16为潜蚀出流阀，17为压力控制器，18为供水筒， 19为空气压缩机，20为通气孔，21为水质取样孔，22为供水管路，23为供水阀，24为压力表，25为蠕动泵，26为砂水分离筒，27为储水筒，28为电子天平，29为电子浊度计，30围压及体积应变控制器，I 为压力系统，II为供水系统，III为砂水分离测量系统，IV为自动化围压系统。

具体实施方式

下面对本发明的实施例加以详细说明：以下实施例用于更加清楚的说明本发明的技术特点与具体操作过程，应特别指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，允许做出若干变形与改进，这些都属于本发明的保护范围内。

所述实施例具体为：

本实施例提供的浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置，包括依次连接的供水系统、自动化围压系统、压力室及砂水分离测量系统；所述压力室用于放置土样，由供水系统提供渗透水压，自动化围压系统提供围压以及自身提供轴向压力，形成具有复杂应力路径的渗透侵蚀环境；所述土样在侵蚀环境下，由侵蚀带出的细颗粒由压力室流出并流回供水系统中形成循环以模拟浸水条件，渗透侵蚀过程结束后，带有细颗粒的侵蚀出流从压力室流出并进入砂水分离测量系统。

进一步地，所述压力系统包括透明压力室1、底座2、漏斗基座3、多孔土样底盘4、土样5、橡皮膜6、带卡栓土样帽7、轴压加载杆8、位移传感器9、压力传感器10、排气孔11、真空泵12、循环管路13、出流管路14、循环控制阀15以及潜蚀出流阀16。其中，所述透明压力室1设置于所述底座2上，透明压力室1外壁为透明有机玻璃；所述漏斗基座3设置于透明压力室1底部，所述多孔土样底盘4设置于漏斗基座3上，所述土样5放置于所述多孔土样底盘4上，土样5外部应包裹橡皮膜6；所述带卡栓土样帽7设置与土样5顶部，所述轴压加载杆8设于所述透明压力室1上方，轴压加载杆8端部与带卡栓土样帽7接触，所述轴压加载杆8上方设置有位移传感器9与压力传感器10；所述排气孔11设置于透明压力室1顶部，所述真空泵12连接至排气孔11出口处；漏斗基座3下方出口端连接有所述循环管路13与所述出流管路14，其中所述循环管路13设有循环控制阀15，所述循环管路13与供水系统II相连接；所述出流管路14设置有潜蚀出流阀16，通过潜蚀出流阀16与砂水分离测量系统III相连接。

进一步地，所述供水系统包括压力控制器17、供水筒18、空气压缩机19、通气孔20、水质取样孔21、供水管路22、供水阀23、压力表24以及蠕动泵25，其中所述压力控制器17通过管路连接至所述供水筒18上方；所述空气压缩机19通过管路连接至压力控制器17；所述通气孔20设置于供水筒18顶部，所述水质取样孔21设置于供水筒18底部；所述供水筒18的供水管路22通过所述供水阀23连接至透明压力室1，供水管路22的出口端连接至带卡栓土样帽7顶端，所述压力表24设置供水管路22上；所述压力系统I的循环管路13通过所述蠕动泵25连接至供水筒18。

具体的，所述砂水分离测量系统包括砂水分离筒26、储水筒27、电子天平28以及电子浊度计 29；所述砂水分离筒26与透明压力室1相连接，所述储水筒27与砂水分离筒26相连接，所述砂水分离筒26与储水桶27底部设置有电子天平28；所述电子浊度计29设置于砂水分离筒26内。

进一步地，所述自动化围压系统包括空气压缩机19，围压及体积应变控制器30；所述围压及体积应变控制器30通过管路连接至透明压力室1顶部；所述空气压缩机19通过管路连接至围压及体积应变控制器30上。

本实施例提供的浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置，其试验方法包括以下步骤：土样抽气饱和后，供水系统与自动化围压系统向压力室提供渗透水压，和/或循环流速与围压，模拟降雨入渗的两个子过程：浸水过程和潜蚀过程，并监测土样体积变化。通过轴压加载杆提供轴向压力，直至完成土样破坏全过程。

下面结合附图对本发明作具体实施例作进一步描述：

步骤一，拟定不同的浸水处理时间为0d、1d、2d、3d、5d、8d，不同的潜蚀处理时间为0h、 1h、2h、3h、5h。为对每组土样先进行不同浸水时间的处理，再进行不同潜蚀时间的处理，将土样分为6 ×5＝30组，每组4个土样。将土样5放置在多孔土样底盘4上，将带卡栓土样帽2固定在土样5顶部，在装样过程中应先排除循环管路13及出流管路14内的空气，避免装置外部及管路内部空气进入土样5内部。装样完毕后，将透明压力室1放在漏斗基座3上，用螺母固紧。开启压力系统外接真空泵12，并开启围压及体积应变控制器30，向透明压力室1内抽气注水。当透明压力室1内水注满后，关紧排气孔11，关闭真空泵12，通过控制围压及体积应变控制器30，使透明压力室1内围压达到稳定。

步骤二、开启供水阀23与供水筒18外接的空气压缩机19，给供水筒18加压，使供水从土样 5顶部通过，并开启循环控制阀15与蠕动泵25，关闭侵蚀出流阀16，以模拟浸水过程，进行不同浸水时间的处理；浸水处理过程中，适时从水质取样孔21取水样进行水化学成分分析。

步骤三，当土样5的浸水处理达到拟定的浸水处理时间后，关闭循环控制阀15与蠕动泵25，并开启侵蚀出流阀16，根据土的临界水力梯度确定试验时渗流水力梯度，开启压力控制器17，设定预定压力值，开启供水筒14外接的空气压缩机13，给供水筒14加压，直至到达预定压力值，使土样5在渗透梯度下发生潜蚀作用，流经土样5的水及侵蚀所带出的细颗粒通过土样5底部的多孔土样盛放底盘4排出，以模拟潜蚀过程，进行不同潜蚀时间的处理。

步骤四，在潜蚀处理过程中，侵蚀流出带有细颗粒的渗流出水进入砂水分离测量系统III。采用电子天平28对细颗粒进行实时称量，并采用电子浊度计29监测渗流出水的浊度；读取储水桶27水量体积变化，并记录潜蚀处理时间，计算渗流流量。

步骤五，浸水及潜蚀处理完成后，对每组土样中4个土样分别进行不同应力路径下的力学特性试验，直至完成土样完全破坏全过程：保持围压不变，通过轴压加载杆8对土样5施加轴向压力，产生主应力差。并由位移传感器9采集土样5的应变数据，由压力传感器10采集土样5的应力数据；若进行排水剪切试验，则开启侵蚀出流阀16，若进行不排水剪切试验，则关闭侵蚀出流阀16。

步骤六，对比分析不同浸水处理时间和不同潜蚀处理时间下土的力学特性，研究单纯浸水作用、单纯潜蚀作用及浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性的影响。

以上所述为本发明的优选具体实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明技术原理前提下，允许做出若干改进与改装，这些改进与变形应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置，其特征是，包括依次连接的压力系统、供水系统、自动化围压系统以及砂水分离测量系统；其中，所述压力系统用于放置土样，形成复杂应力路径的力学特性测试环境；所述供水系统用于在浸水及潜蚀试验时提供水源，形成浸水作用和潜蚀作用环境；自动化围压系统用于提供不同应力路径下的围压，并测试土样的体积变化；砂水分离测量系统用于在潜蚀试验过程中搜集流失的颗粒并进行称重；所述压力系统包括透明压力室、底座、漏斗基座、多孔土样底盘、土样、轴压加载杆、压力传感器、位移传感器、带卡栓土样帽、排气孔、真空泵、循环管路、出流管路、循环控制阀以及潜蚀出流阀；其中，所述透明压力室设置于所述底座上，透明压力室外壁为透明有机玻璃；所述漏斗基座设置于透明压力室底部，所述多孔土样底盘设置于漏斗基座上，所述土样放置于所述多孔土样底盘上，土样外部应包裹橡皮膜；所述轴压加载杆设于所述透明压力室上方，所述轴压加载杆上方设置有压力传感器与位移传感器；所述带卡栓土样帽设置于土样与所述轴压加载杆之间；所述排气孔设置于透明压力室顶部，所述真空泵连接至排气孔口；漏斗基座下方出口端连接有所述循环管路与所述出流管路，其中所述循环管路设有循环控制阀，所述循环管路与供水系统相连接；所述出流管路设置有潜蚀出流阀，通过潜蚀出流阀与砂水分离测量系统相连接；

所述供水系统包括压力控制器、供水筒、空气压缩机、通气孔、水质取样孔、供水管路、供水阀、压力表以及蠕动泵；其中所述压力控制器通过管路连接至所述供水筒上方；所述空气压缩机通过管路连接至压力控制器；所述通气孔设置于供水筒顶部，所述水质取样孔设置于供水筒底部；所述供水筒的供水管路通过所述供水阀连接至透明压力室，供水管路的出口端连接至带卡栓土样帽顶端，所述压力表设置供水管路上；所述透明压力室的循环管路通过所述蠕动泵连接至供水筒；

土样在透明压力室内进行浸水处理时，采用蠕动泵使水在土样与供水筒之间以微小流速循环，使水中离子浓度保持在较低水平；土样在透明压力室内进行潜蚀处理时，通过供水系统中压力控制器控制土样中渗流梯度；通过控制循环控制阀与侵蚀出流阀切换浸水试验与潜蚀试验，并通过轴压加载杆对土样加载轴压，实现复杂应力的加载，直至完成土样完全破坏全过程。

2.根据权利要求1所述的浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置，其特征是，所述砂水分离测量系统包括砂水分离筒、储水筒、电子天平以及电子浊度计；所述砂水分离筒与透明压力室相连接，所述储水筒与砂水分离筒相连接，所述砂水分离筒与储水桶底部设置有电子天平；所述电子浊度计设置于砂水分离筒内。

3.根据权利要求1所述的浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置，其特征是，所述自动化围压系统通过管路连接至透明压力室顶部，由围压自动化控制模块、体积应变监测模块和外接的空气压缩机组成；其中，围压自动化控制模块以单片机实现各种应力路径下围压的自动控制；体积应变监测模块采用液面法监测压力室内液体体积变化，进而实现土体的体积应变监测；空气压缩机用于为施加围压提供动力。

4.根据权利要求1所述的浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置对应的试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，将土样分为若干组，每组土样包括若干个原状土样，将原状土样放置在透明压力室内，并对土样进行抽气饱和，装样完毕后，对每组土样先采用自动化围压系统施加一定的围压，用于模拟自然界中土的应力环境，原状土样的现场取样过程中应尽量减少扰动，在试验前辅以剪切波速测试，使各土样的性质尽可能接近；

步骤二，对每组土样，先进行不同浸水时间的处理，具体的试验方法为，关闭侵蚀出流阀，打开循环控制阀，采用蠕动泵使水在土样与供水筒之间以微小流速循环，使水中离子浓度始终均匀保持在较低水平，由于流速微小，土样中不会发生细颗粒流失，因此可视为仅浸水作用对土样力学特性的影响；在浸水处理过程中，通过供水筒下方水质取样孔进行水质取样，定量分析浸水处理过程中土体胶结物的溶解过程，浸水处理时间可以取0，即不进行浸水处理；

步骤三，对每组土样，再进行不同潜蚀时间的处理；具体的试验方法为，通过供水系统中压力控制器控制土样中渗流梯度，关闭循环控制阀，打开侵蚀出流阀，潜蚀处理中渗流出水及潜蚀带出的细颗粒经多孔试样底盘排出；潜蚀处理时间可以取0，即不进行潜蚀处理；

步骤四，在潜蚀处理过程中，侵蚀流出带有细颗粒的渗流出水进入砂水分离测量系统；采用电子天平对细颗粒进行实时称量，并采用电子浊度计监测渗流出水的浊度；读取储水桶水量体积变化，并记录潜蚀处理时间，计算渗流流量；

步骤五，浸水及潜蚀模拟完成后，通过轴压加载杆进行加载，测试不同应力路径下土样的力学响应，直至完成土样完全破坏全过程；

步骤六，对比分析不同浸水处理时间和不同潜蚀处理时间下土的力学特性，研究单纯浸水作用、单纯潜蚀作用及浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性的影响。

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