CN111896447A - 考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法 - Google Patents
考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111896447A CN111896447A CN202010656822.0A CN202010656822A CN111896447A CN 111896447 A CN111896447 A CN 111896447A CN 202010656822 A CN202010656822 A CN 202010656822A CN 111896447 A CN111896447 A CN 111896447A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- concrete
- contact surface
- pressure
- concrete structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 52
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims abstract description 49
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 claims abstract description 36
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 237
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 16
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 15
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 claims description 15
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 claims description 15
- 239000004816 latex Substances 0.000 claims description 12
- 229920000126 latex Polymers 0.000 claims description 12
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 4
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 8
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009991 scouring Methods 0.000 description 3
- 241001365789 Oenanthe crocata Species 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229940099259 vaseline Drugs 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
- G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
- G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/24—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady shearing forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/24—Earth materials
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0014—Type of force applied
- G01N2203/0025—Shearing
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法，包括围压加载系统、渗透水压系统、旋转加载系统和温度控制系统。黏土‑混凝土试样包括圆棒状的混凝土结构和圆环柱状的黏性土体。围压加载系统对黏土‑混凝土试样外周施加围压；渗透水压系统向黏土‑混凝土接触面施加轴向渗透压；旋转加载系统用于驱动混凝土结构沿自身轴线旋转；温度控制系统用于控制混凝土结构的内部温度。本发明能够对土‑结构物接触面施加大剪切变形，且保证剪切方向和渗流方向相正交，同时控制混凝土结构在不同温度下实现与土体接触面进行剪切渗流特性试验，从而真实模拟实际工程中土与混凝土接触面状态。
Description
技术领域
本发明涉及土-结构接触面的剪切渗流测试技术领域，特别是一种考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法。
背景技术
土-结构物接触面渗流问题广泛存在于实际工程问题中，如堤坝与岸坡接触面、地下工程的桩土界面、土石坝防渗墙与基岩接触面、黏土心墙堆石坝中接触黏土与混凝土基座接触面等等。这些接触部位往往成为防渗结构的薄弱部位，在受到水荷载或其他载荷作用下，可能发生大剪切变形，接触面同时受到剪切作用和渗流作用，且剪切变形方向与渗流方向接近于正交关系，若形成渗透通道，可能会出现接触冲刷、管涌等渗透破坏，严重威胁工程安全。此外，由于我国西部存在大量水电资源，修建了多座两、三百米级的高土石坝，地处严寒地区，昼夜温差大，防渗心墙底部接触黏土与混凝土或岸坡结构接触面常常处于不同的温度作用下，材料的物理力学性质随温度变化差异大，对接触面防渗具有一定影响。因此，开展不同温度作用下、大剪切变形条件下，土与混凝土接触面渗流特性试验研究很有必要，具有一定的科学价值和应用价值。
现有的土-混凝土接触面试验装置大多只能单独测定接触面力学特性，少量学者成功设计了可测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的实验装置，例如：专利“一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装置”（CN101561378）、专利“一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法”（CN106932284A）和专利“渗流条件下桩土接触面三轴模型试验设备”（CN104165797A），通过对三轴仪进行改进，可用来测定接触面的渗流特性，但试验的剪切方向与渗流方向是平行的，不能研究剪切方向与渗流方向成正交的情况。
因此，在已有技术的基础上，有必要研制一种考虑温度作用的土与混凝土接触面大变形剪切渗流试验装置并提出相应的试验方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法，该考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法能够对土-结构物接触面施加大剪切变形，且保证剪切方向和渗流方向相正交，同时控制混凝土结构在不同温度下实现与土体接触面进行剪切渗流特性试验，从而真实模拟实际工程中土与混凝土接触面状态。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置，包括围压加载系统、渗透水压系统、旋转加载系统和温度控制系统。
围压加载系统包括围压室和围压压力体积控制器，围压室的中心放置有黏土-混凝土试样。
黏土-混凝土试样包括圆棒状的混凝土结构和同轴套设在混凝土结构外周且呈圆环柱状的黏性土体。混凝土结构的顶端从围压室的顶板密封伸出，形成混凝土伸出端。
混凝土结构和黏性土体之间形成顶端开口筒状的黏土-混凝土接触面。
围压压力体积控制器用于向围压室充填围压流体，从而对黏土-混凝土试样外周施加围压。
渗透水压系统用于向黏土-混凝土接触面施加轴向的渗透压。
旋转加载系统与混凝土伸出端相连接，用于驱动混凝土结构沿自身轴线旋转。
温度控制系统用于控制混凝土结构的内部温度。
黏性土体的顶端面与围压室顶板内表面之间设置有透水板；渗透水压系统包括渗透水流进水口、渗透水流出水口、高压水管和两个压力体积控制器；两个压力体积控制器分别为进水压力体积控制器和出水压力体积控制器；渗透水流进水口的一端连接进水压力体积控制器，另一端依次穿过围压室的底板中心后，指向位于底部的黏土-混凝土接触面；渗透水流出水口开设在透水板上方的围压室顶板上，并与出水压力体积控制器相连接。
旋转加载系统包括法兰盘和步进电机。法兰盘同轴固定套设在混凝土伸出端外周，步进电机驱动法兰盘转动，从而带动混凝土结构转动，使黏土-混凝土接触面产生大剪切变形
温度控制系统包括恒温水浴箱、水浴管道、输水管道、测温仪和温度传感器，水浴管道和温度传感器均预设在混凝土结构中，水浴管道进水口和水浴管道出水口均通过输水管道连接至恒温水浴箱，在水浴管道进水口和水浴管道出水口均设置有测温仪。
水浴管道的纵截面呈U型。
还包括数据采集控制系统，数据采集控制系统包括相连接的数据采集器和计算机；其中，数据采集器还分别与围压加载系统、渗透水压系统、旋转加载系统和温度控制系统相连接。
黏土-混凝土试样外周包裹有一层耐高压乳胶膜，用于隔绝围压流体。
一种考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验方法，包括如下步骤。
步骤1，制作试样：先制作圆棒状的混凝土结构，并在混凝土结构中预埋水浴管道和温度传感器。然后，在混凝土结构外周依次包覆黏性土体及高压乳胶膜。从而形成柱状的黏土-混凝土试样。混凝土结构和黏性土体之间形成的筒状的接触面称为黏土-混凝土接触面。
步骤2，安装试样：将步骤1中制备的黏土-混凝土试样放置在围压室的底板上，在黏性土体顶部放置透水板，然后盖上围压室的顶板。混凝土结构的顶端从围压室的顶板密封伸出，形成混凝土伸出端。
步骤3，调节试样温度：开启恒温水浴箱，设定试验水温，利用通过水浴管道的水流对混凝结构进行控温，当混凝土结构温度达到试验温度且趋于稳定，则试样温度调节完成。
步骤4，施加围压：围压加载系统中的围压压力体积控制器对黏土-混凝土试样外周的高压乳胶膜施加围压，限制黏性土体的侧向变形，使黏性土体与混凝土结构紧密贴合。
步骤5，剪切渗流实验，包括如下步骤：
步骤51，渗流：当围压稳定后，开启渗透水压系统，渗透水流从黏土-混凝土接触面的筒状底部沿着黏土-混凝土接触面的筒状外壁面向上渗透，并依次通过黏性土体顶部的透水板及围压室顶板。记录渗透前水压力、渗透前水流量、渗透后水压力和渗透后水流量。其中，渗透前水压力和渗透后水压力两者的差值称为水压力差，水压力差除以渗透路径，形成水压力坡降；渗透前水流量和渗透后水流量两者的差值称为水流量差。
步骤52，施加旋转剪切荷载：当渗流稳定后，旋转加载系统对混凝土伸出端施加设定的剪切位移和剪切速率，使得混凝土伸出端及混凝土结构绕自身轴线旋转，当旋转剪切位移达到最大剪切位移时，停止旋转剪切。并继续记录旋转剪切后的渗透后水压力和渗透后水流量。
还包括步骤6，通过调整步骤3中设定的试验水温、步骤4中施加的围压荷载值、步骤51中施加的渗透水压值以及步骤52中施加的旋转剪切荷载值，分别重复步骤1至步骤5，并绘制不同温度作用下旋转剪切荷载-最大剪切位移关系曲线，围压与旋转剪切荷载关系曲线，最大剪切位移与渗透前水流量关系曲线、水压力坡降与渗透前水流量关系曲线，分析黏土-混凝土接触面在不同温度、不同围压、不同渗透压力、不同剪切错位变形条件下的渗流特性，探究黏土-混凝土接触面剪切变形渗流特性演变规律，阐明接触面渗流特性机理。
步骤1中，试样制作的具体方法为：根据混凝土设计规范浇筑圆柱棒形的混凝土结构，同时将水浴管道和温度传感器预先埋设在混凝土结构中，对试样进行28天养护。然后将混凝土结构放入击实设备中，根据土工规范在混凝土结构四周制备接触黏性土体并充分击实，在接触黏土-混凝土试样外包裹一层耐高压乳胶膜。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明中黏性土体采用圆环柱体型式，混凝土结构采用圆柱体型式并布置在黏性土体中间，通过径向旋转作用可实现接触面大剪切变形及往复变形。同时，旋转剪切变形方向为径向，渗透水流方向沿着圆柱母线方向，从而保证大剪切变形方向与渗流方向正交，能够真实模拟实际工程中剪切变形与渗流过程相垂直的情况。
2、在混凝土结构中设置水浴管道，通过恒温水浴箱调节水浴管道水温，使混凝土结构处于不同的试验温度下，用于模拟真实环境温度变化，实现了不同温度状态下的接触面剪切渗流试验。本发明装置能够真实模拟实际工程中土体与混凝土接触面状态。
3、本发明同时考虑了应力场、渗流场和温度场的三场耦合作用，可以进行不同温度作用、不同法向应力、不同渗透水压和不同剪切位移条件组合工况下的渗流特性试验，能够测得在不同环境温度作用下、大剪切变形条件下，土与混凝土接触面渗流特性演变过程，从而探究接触面的渗流冲刷机理。
4、本发明在试验过程中，利用压力体积控制器可实时监测围压水压力和渗透水压力、流量体积变化；利用步进电机表盘可自由设定剪切位移和剪切速率；利用数据采集器和计算机采集温度数据，整体操作方便易行。
附图说明
图1显示了本发明考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置的结构示意图。
图2显示了图1中围压室及旋转加载系统的透视俯视图。
图3显示了本发明考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验的原理示意图。
图4显示了本发明中法兰盘的俯视图。
图5显示了本发明具体实例水库中心墙与岸坡交界处产生较大剪切变形的示意图。
附图标记有：1-围压室底板，2-围压室筒，3-围压室顶板，4-紧固螺杆，5-紧固螺母，6-密封帽，7-黏土土体，8-混凝土结构，9-乳胶膜，10-透水板，11-密封圈，12-高压导管，13-围压室进水口，14-排气孔，15-渗透水流进水口，16-渗透水流出水口，17-法兰盘，18-旋转杆，19-步进电机，20-恒温水浴箱，21-水浴管道，22-输水管道，23-测温仪，24-温度传感器，25-水浴管道进水口，26-水浴管道出水口，27-阀门，28-压力体积控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置，包括数据采集控制系统、围压加载系统、渗透水压系统、旋转加载系统和温度控制系统。
本发明中所研究的接触面为黏土-混凝土试样中混凝土结构8和黏性土体7之间所形成的黏土-混凝土接触面。
黏土-混凝土试样包括圆棒状的混凝土结构8和同轴套设在混凝土结构外周及底部且呈圆环柱状的黏性土体7。故而，黏土-混凝土接触面呈顶端开口的筒状结构。
进一步，黏性土体7外周包裹有一层耐高压乳胶膜9，用于隔绝围压水。
本实施例中，黏性土体7试样尺寸优选为：外径300mm、内径60mm、高度400mm；混凝土结构8尺寸优选为：直径60mm、高度600mm。
数据采集控制系统包括相连接的数据采集器和计算机；其中，数据采集器还分别与围压加载系统、渗透水压系统、旋转加载系统和温度控制系统相连接。
围压加载系统包括围压室和围压压力体积控制器。
围压室主要由围压室底板1、围压室筒2和围压室顶板3围合形成。围压室筒2放置在围压室底板1上，与围压室顶板3形成封闭的围压室。
在本实施例中，围压室顶板3和围压室底座1有限采用不锈钢材料，围压室筒2采用有机玻璃材料。为加强对围压室筒的支护作用，在围压室筒的外周，优选利用6对高强度紧固螺杆4和紧固螺母5四周均匀加固围压室筒。
围压室的中心放置有黏土-混凝土试样。黏土-混凝土试样中混凝土结构的顶端从围压室顶板密封伸出，形成混凝土伸出端。
在围压室中，黏性土体的顶端面与围压室顶板内表面之间设置有透水板10，透水板呈圆环形，套装在混凝土结构外周，尺寸优选为：外径300mm、内径60mm、高度10mm。
进一步，混凝土结构与围压室顶板之间优选充填有密封圈11，密封圈11材料优选为防水性能好、柔韧性好且具有一定的强度的橡胶材料，用于防漏。
在位于黏土-混凝土试样外周的围压室底板上优选开设有围压室进水口13。在位于黏土-混凝土试样正下方的围压室底板中心优选开设有渗透水流进水口15，该渗透水流进水口15沿竖直方向延伸至位于混凝土结构下方的黏性土体中，并指向黏土-混凝土接触面的筒状底部。
如图2所示，在位于黏土-混凝土试样外周的围压室顶板上优选开设有排气孔14，排气孔内可拆卸式插塞有密封帽6。
位于透水板上方的围压室顶板上优选沿周向均匀开设有若干个渗透水流出水口16。
本实施例中，压力体积控制器28优选具有三个，根据具体实现功能，分为围压压力体积控制器、进水压力体积控制器和出水压力体积控制器。
围压压力体积控制器用于向围压室充填围压流体，从而对黏土-混凝土试样外周施加围压。围压压力体积控制器通过高压水管12与围压室进水口13相连，通过设定水压力值提供高围压水压力，从而对接触黏土试样四周施加法向正应力（或围压），限制土体的侧向变形，使接触黏土试样与混凝土结构紧密贴合。高压水管12上优选设置有高水压的阀门27，同时在阀门接口处缠绕密封胶带。
渗透水压系统用于向黏土-混凝土接触面施加轴向的渗透压。
渗透水压系统优选包括上述渗透水流进水口15、渗透水流出水口16、高压水管12和两个压力体积控制器28。
两个压力体积控制器分别为进水压力体积控制器和出水压力体积控制器。渗透水流进水口的一端优选通过高压水管和阀门连接进水压力体积控制器，另一端依次穿过围压室的底板中心和底部黏性土体后，最终指向位于底部的黏土-混凝土接触面。渗透水流出水口优选通过高压水管和阀门与出水压力体积控制器相连接。
本发明中的渗透水首先从围压室底板1进水，随后沿圆环柱体状的接触黏土试样母线方向进行接触面渗流，最后从围压室顶板3出水。
旋转加载系统与混凝土伸出端相连接，用于驱动混凝土结构沿自身轴线旋转。
旋转加载系统包括法兰盘17和步进电机19。法兰盘的结构如图4所示，同轴固定套设在混凝土伸出端外周，步进电机驱动法兰盘转动，从而带动混凝土结构转动，使黏土-混凝土接触面产生大剪切变形，通常剪切变形的周向变形量大于接触剪切面的周长。其中，步进电机19可提供稳定的转速，表盘可控制并实时记录转速。
步进电机驱动法兰盘的方式为现有技术，法兰盘固定套装在混凝土伸出端外周，法兰盘通过旋转杆18与步进电机连接。需要温度控制时，可以将旋转杆与步进电机卸下，避免对温度控制系统中的输水管道形成干涉。当然，作为替换，也可以在法兰盘外周设置齿轮，步进电机安装在围压室顶板表面，并通过齿轮驱动法兰盘转动，故而不需拆卸旋转杆与步进电机。
温度控制系统用于控制混凝土结构的内部温度。
温度控制系统优选包括恒温水浴箱20、水浴管道21、输水管道22、测温仪23和温度传感器24。水浴管道和温度传感器均预设在混凝土结构中，水浴管道进水25口和水浴管道出水口26均通过输水管道连接至恒温水浴箱，在水浴管道进水口和水浴管道出水口均设置有测温仪。测温仪23和温度传感器24均与数据采集器电连接。
上述水浴管道的纵截面优选呈U型。输水管道22和水浴管道21均优选采用橡胶软管。
作为替换，上述围压加载系统、渗透水压系统、旋转加载系统和温度控制系统也可以采用现有技术中已知的其他同等结构。
一种考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验方法，包括如下步骤。
步骤1，制作试样：先制作圆棒状的混凝土结构，并在混凝土结构中预埋水浴管道和温度传感器。然后，在混凝土结构外周依次包覆黏性土体及高压乳胶膜。从而形成柱状的黏土-混凝土试样。混凝土结构和黏性土体之间形成的筒状的接触面称为黏土-混凝土接触面。
上述试样制作的具体优选方法为：根据混凝土设计规范浇筑圆柱棒形的混凝土结构，同时将水浴管道和温度传感器预先埋设在混凝土结构中，对试样进行28天养护。然后将混凝土结构放入击实设备中，根据土工规范在混凝土结构四周制备接触黏性土体并充分击实，在接触黏土-混凝土试样外包裹一层耐高压乳胶膜。在试样制备时，在耐高压乳胶膜内表面涂抹凡士林，使黏性土体与耐高压乳胶膜的接触面不存在孔隙等缺陷，保证试验过程中不发生渗透边壁效应。
步骤2，安装试样：将步骤1中制备的黏土-混凝土试样放置在围压室的底板上，在黏性土体顶部放置透水板，然后盖上围压室的顶板，四周利用高强度紧固螺杆4和紧固螺母5固定围压室。
上述混凝土结构的顶端从围压室的顶板密封伸出，形成混凝土伸出端。将压力体积控制器28分别与渗透水流进水口15、渗透水流出水口16相连；打开压力体积控制器，检查是否正常运行，记录压力和体积数据；将法兰盘17嵌套在混凝土结构8上部，两者紧密连接，然后依次安装旋转加载装置。
步骤3，调节试样温度：开启恒温水浴箱，设定试验水温，利用通过水浴管道的水流对混凝结构进行控温，当混凝土结构温度达到试验温度且趋于稳定，则试样温度调节完成。
具体优选调节过程为：利用输水管道22将恒温水浴箱20和水浴管道21相连接，开启恒温水浴箱20，设定试验水温，打开阀门，利用通过水浴管道21的水流对混凝土结构8施加温度，观察水浴管道进水口25和水浴管道出水口26的测温仪23及温度传感器24监测到的温度，若各温度达到试验温度且趋于稳定，则试样温度调节完成，然后放空水浴管道21，关闭阀门，卸下输水管道22。温度设定范围优选为0-20℃。
步骤4，施加围压：围压加载系统中的围压压力体积控制器对黏土-混凝土试样外周的高压乳胶膜施加围压，限制黏性土体的侧向变形，使黏性土体与混凝土结构紧密贴合。
具体围压优选施加方法为：打开围压室进水口13处阀门，对围压室进行充水，当排气孔14出水时，关闭阀门，用密封帽6封闭排气孔14，随后将压力体积控制器28与围压室进水口13相连，打开阀门27，设定围压水压力，即为黏土-混凝土试样提供法向正应力，压力体积控制器28可实时记录围压水压力值。围压水压力设定范围优选为0-3MPa。
步骤5，剪切渗流实验，包括如下步骤：
步骤51，渗流：当围压稳定后，开启渗透水压系统，渗透水流从黏土-混凝土接触面的筒状底部沿着黏土-混凝土接触面的筒状外壁面向上渗透，并依次通过黏性土体顶部的透水板及围压室顶板。记录渗透前水压力、渗透前水流量、渗透后水压力和渗透后水流量。其中，渗透前水压力和渗透后水压力两者的差值称为水压力差，水压力差除以渗透路径，形成水压力坡降；渗透前水流量和渗透后水流量两者的差值称为水流量差。
步骤52，施加旋转剪切荷载：当渗流稳定后，旋转加载系统对混凝土伸出端施加设定的剪切位移和剪切速率，从而对混凝土结构施加旋转剪切荷载，使得混凝土伸出端及混凝土结构绕自身轴线旋转，当旋转剪切位移达到最大剪切位移时，停止旋转剪切。
在剪切和渗流同时进行的过程中，利用出水压力体积控制器实时记录渗透水流出水口处的压力和体积变化值，利用数据采集器及控制系统实时记录温度传感器24数值。渗透水压力设定范围优选为0-1MPa，剪切位移设定范围优选为0-1000mm。
如图3所示，黏性土体采用圆环柱体型式，混凝土结构采用圆柱体型式并布置在黏性土体中间，通过径向旋转作用可实现接触面大剪切变形及往复变形。同时，旋转剪切变形方向为径向，渗透水流方向沿着圆柱母线方向，从而保证大剪切变形方向与渗流方向正交，能够真实模拟实际工程中剪切变形与渗流过程相垂直的情况。
步骤53，目视观察：通过围压室筒2有机玻璃可直接观察围压室内的黏土-混凝土试样中黏土-混凝土接触面的变化状况，通过渗透水颜色变化判断是否发生渗透破坏；并可取样进行XRD和SEM细微观试验，分析试样的内部孔隙结构和物质组成。
步骤6，通过调整步骤3中设定的试验水温、步骤4中施加的围压荷载值、步骤51中施加的渗透水压值以及步骤52中施加的旋转剪切荷载值，分别重复步骤1至步骤5，并绘制不同温度作用下旋转剪切荷载-最大剪切位移关系曲线，围压与旋转剪切荷载关系曲线，最大剪切位移与渗透前水流量关系曲线、水压力坡降与渗透前水流量关系曲线，分析黏土-混凝土接触面在不同温度、不同围压、不同渗透压力、不同剪切错位变形条件下的渗流特性，探究黏土-混凝土接触面剪切变形渗流特性演变规律，阐明接触面渗流特性机理。
本发明同时考虑了应力场、渗流场和温度场的三场耦合作用，可以真实模拟实际工程中土体与混凝土的接触面状态，提出的试验方法可实现考虑温度作用的土与混凝土接触面大变形渗流特性试验。
本发明以如下具体水库实例，进一步详细说明如下：
水库空库时，即水库竣工期，没有蓄水时，只受到自重作用，没有渗流作用，在心墙与岸坡交界处可能会发生错位滑动，接触面可能发生剪切破坏，此时水压力差为0，剪切变形较大，同时所建的心墙坝为三百米级的超高土石坝，在岸坡处底部会承受约1.5MPa的自重应力，（即正应力为1.5MPa）,白天常温状态下温度约为20℃，受昼夜温差影响，夜间温度约为0℃。通过本发明装置及试验方案可实现该工况下的接触面力学特性研究。
水库竣工完成后，开始投入使用，处于正常运行期时，黏土和岸坡或混凝土接触面会同时受到自重作用和渗流作用。当蓄水位达到100m时，底部接触面承受水压力约为1MPa，岸坡接触面承受水压力约为0.5MPa。此外受到自重作用影响，心墙与岸坡交界处可能会发生错位滑动，产生剪切变形，剪切变形较大，该剪切方向与渗流方向相互垂直，如图5所示。本发明采用旋转剪切方式，可模拟大剪切变形，变形可达接触剪切面周长尺寸的3倍。在岸坡处底部会承受约1.5MPa的自重应力，（即正应力为1.5MPa），白天常温状态下温度约为20℃，受昼夜温差影响，夜间温度约为0℃。通过本发明装置及试验方案，则能有效实现不同温度作用下，高水压力差下，大变形条件下的接触面剪切渗流试验。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置，其特征在于：包括围压加载系统、渗透水压系统、旋转加载系统和温度控制系统；
围压加载系统包括围压室和围压压力体积控制器，围压室的中心放置有黏土-混凝土试样；
黏土-混凝土试样包括圆棒状的混凝土结构和同轴套设在混凝土结构外周且呈圆环柱状的黏性土体；混凝土结构的顶端从围压室的顶板密封伸出，形成混凝土伸出端；
混凝土结构和黏性土体之间形成顶端开口筒状的黏土-混凝土接触面；
围压压力体积控制器用于向围压室充填围压流体，从而对黏土-混凝土试样外周施加围压；
渗透水压系统用于向黏土-混凝土接触面施加轴向的渗透压；
旋转加载系统与混凝土伸出端相连接，用于驱动混凝土结构沿自身轴线旋转；
温度控制系统用于控制混凝土结构的内部温度。
2.根据权利要求1所述的考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置，其特征在于：黏性土体的顶端面与围压室顶板内表面之间设置有透水板；渗透水压系统包括渗透水流进水口、渗透水流出水口、高压水管和两个压力体积控制器；两个压力体积控制器分别为进水压力体积控制器和出水压力体积控制器；渗透水流进水口的一端连接进水压力体积控制器，另一端依次穿过围压室的底板中心后，指向位于底部的黏土-混凝土接触面；渗透水流出水口开设在透水板上方的围压室顶板上，并与出水压力体积控制器相连接。
3.根据权利要求1所述的考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置，其特征在于：旋转加载系统包括法兰盘和步进电机；法兰盘同轴固定套设在混凝土伸出端外周，步进电机驱动法兰盘转动，从而带动混凝土结构转动，使黏土-混凝土接触面产生大剪切变形。
4.根据权利要求1所述的考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置，其特征在于：温度控制系统包括恒温水浴箱、水浴管道、输水管道、测温仪和温度传感器，水浴管道和温度传感器均预设在混凝土结构中，水浴管道进水口和水浴管道出水口均通过输水管道连接至恒温水浴箱，在水浴管道进水口和水浴管道出水口均设置有测温仪。
5.根据权利要求4所述的考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置，其特征在于：水浴管道的纵截面呈U型。
6.根据权利要求1所述的考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置，其特征在于：还包括数据采集控制系统，数据采集控制系统包括相连接的数据采集器和计算机；其中，数据采集器还分别与围压加载系统、渗透水压系统、旋转加载系统和温度控制系统相连接。
7.根据权利要求1所述的考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置，其特征在于：黏土-混凝土试样外周包裹有一层耐高压乳胶膜，用于隔绝围压流体。
8.一种考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，制作试样：先制作圆棒状的混凝土结构，并在混凝土结构中预埋水浴管道和温度传感器；然后，在混凝土结构外周依次包覆黏性土体及高压乳胶膜；从而形成柱状的黏土-混凝土试样；混凝土结构和黏性土体之间形成的筒状的接触面称为黏土-混凝土接触面；
步骤2，安装试样：将步骤1中制备的黏土-混凝土试样放置在围压室的底板上，在黏性土体顶部放置透水板，然后盖上围压室的顶板；混凝土结构的顶端从围压室的顶板密封伸出，形成混凝土伸出端；
步骤3，调节试样温度：开启恒温水浴箱，设定试验水温，利用通过水浴管道的水流对混凝结构进行控温，当混凝土结构温度达到试验温度且趋于稳定，则试样温度调节完成；
步骤4，施加围压：围压加载系统中的围压压力体积控制器对黏土-混凝土试样外周的高压乳胶膜施加围压，限制黏性土体的侧向变形，使黏性土体与混凝土结构紧密贴合；
步骤5，剪切渗流实验，包括如下步骤：
步骤51，渗流：当围压稳定后，开启渗透水压系统，渗透水流从黏土-混凝土接触面的筒状底部沿着黏土-混凝土接触面的筒状外壁面向上渗透，并依次通过黏性土体顶部的透水板及围压室顶板；记录渗透前水压力、渗透前水流量、渗透后水压力和渗透后水流量；其中，渗透前水压力和渗透后水压力两者的差值称为水压力差，水压力差除以渗透路径，形成水压力坡降；渗透前水流量和渗透后水流量两者的差值称为水流量差；
步骤52，施加旋转剪切荷载：当渗流稳定后，旋转加载系统对混凝土伸出端施加设定的剪切位移和剪切速率，使得混凝土伸出端及混凝土结构绕自身轴线旋转，当旋转剪切位移达到最大剪切位移时，停止旋转剪切；并继续记录旋转剪切后的渗透后水压力和渗透后水流量。
9.根据权利要求8所述的考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验方法，其特征在于：还包括步骤6，通过调整步骤3中设定的试验水温、步骤4中施加的围压荷载值、步骤51中施加的渗透水压值以及步骤52中施加的旋转剪切荷载值，分别重复步骤1至步骤5，并绘制不同温度作用下旋转剪切荷载-最大剪切位移关系曲线，围压与旋转剪切荷载关系曲线，最大剪切位移与渗透前水流量关系曲线、水压力坡降与渗透前水流量关系曲线、分析黏土-混凝土接触面在不同温度、不同围压、不同渗透压力、不同剪切错位变形条件下的渗流特性，探究黏土-混凝土接触面剪切变形渗流特性演变规律，阐明接触面渗流特性机理。
10.根据权利要求8所述的考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验方法，其特征在于：步骤1中，试样制作的具体方法为：根据混凝土设计规范浇筑圆柱棒形的混凝土结构，同时将水浴管道和温度传感器预先埋设在混凝土结构中，对试样进行28天养护；然后将混凝土结构放入击实设备中，根据土工规范在混凝土结构四周制备接触黏性土体并充分击实，在接触黏土-混凝土试样外包裹一层耐高压乳胶膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010656822.0A CN111896447A (zh) | 2020-07-09 | 2020-07-09 | 考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010656822.0A CN111896447A (zh) | 2020-07-09 | 2020-07-09 | 考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111896447A true CN111896447A (zh) | 2020-11-06 |
Family
ID=73192067
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010656822.0A Pending CN111896447A (zh) | 2020-07-09 | 2020-07-09 | 考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111896447A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113092279A (zh) * | 2021-04-02 | 2021-07-09 | 太原理工大学 | 一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流装置和试验方法 |
| CN113686638A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-11-23 | 石家庄铁道大学 | 土体拉伸剪切耦合试验装置及土体拉伸剪切耦合试验方法 |
| CN113916739A (zh) * | 2021-08-24 | 2022-01-11 | 河海大学 | 一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验装置及方法 |
| CN114324113A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 福州大学 | 测定土-结构物界面渗透系数与渗透路径试验装置及方法 |
| CN115219398A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-10-21 | 中国水利水电科学研究院 | 一种斜向剪切作用下结合带渗透和剪切试验装置及方法 |
| CN116201523A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-06-02 | 浙江大学 | 精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080087290A (ko) * | 2007-03-26 | 2008-10-01 | 양성모 | 미소역학 시험방법에 의한 솔더 접합부의 전단응력-변형률평가 방법 |
| CN102095652A (zh) * | 2011-02-28 | 2011-06-15 | 中国矿业大学 | 一种剪切岩样渗透试验装置 |
| CN105784568A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-07-20 | 中国水利水电科学研究院 | 旋转剪切式接触面抗渗特性试验装置 |
| CN106932284A (zh) * | 2017-05-16 | 2017-07-07 | 清华大学 | 一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法 |
| CN109540690A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-03-29 | 河海大学 | 一种基于温控三轴仪的桩土接触面力学特性测试装置 |
| CN111089826A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-01 | 河海大学 | 一种接触面大变形剪切渗流试验装置及使用方法 |
-
2020
- 2020-07-09 CN CN202010656822.0A patent/CN111896447A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080087290A (ko) * | 2007-03-26 | 2008-10-01 | 양성모 | 미소역학 시험방법에 의한 솔더 접합부의 전단응력-변형률평가 방법 |
| CN102095652A (zh) * | 2011-02-28 | 2011-06-15 | 中国矿业大学 | 一种剪切岩样渗透试验装置 |
| CN105784568A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-07-20 | 中国水利水电科学研究院 | 旋转剪切式接触面抗渗特性试验装置 |
| CN106932284A (zh) * | 2017-05-16 | 2017-07-07 | 清华大学 | 一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法 |
| CN109540690A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-03-29 | 河海大学 | 一种基于温控三轴仪的桩土接触面力学特性测试装置 |
| CN111089826A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-01 | 河海大学 | 一种接触面大变形剪切渗流试验装置及使用方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李浩: "围压作用下岩石塑性与流固耦合特性研究及其应用", 《中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑》 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113092279A (zh) * | 2021-04-02 | 2021-07-09 | 太原理工大学 | 一种煤岩热流固耦合作用下三轴压裂渗流装置和试验方法 |
| CN113916739A (zh) * | 2021-08-24 | 2022-01-11 | 河海大学 | 一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验装置及方法 |
| CN113916739B (zh) * | 2021-08-24 | 2023-02-14 | 河海大学 | 一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验装置及方法 |
| CN113686638A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-11-23 | 石家庄铁道大学 | 土体拉伸剪切耦合试验装置及土体拉伸剪切耦合试验方法 |
| CN113686638B (zh) * | 2021-08-30 | 2023-07-07 | 石家庄铁道大学 | 土体拉伸剪切耦合试验装置及土体拉伸剪切耦合试验方法 |
| CN114324113A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 福州大学 | 测定土-结构物界面渗透系数与渗透路径试验装置及方法 |
| CN115219398A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-10-21 | 中国水利水电科学研究院 | 一种斜向剪切作用下结合带渗透和剪切试验装置及方法 |
| CN115219398B (zh) * | 2022-07-18 | 2023-04-07 | 中国水利水电科学研究院 | 一种斜向剪切作用下结合带渗透和剪切试验装置及方法 |
| CN116201523A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-06-02 | 浙江大学 | 精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置 |
| CN116201523B (zh) * | 2022-12-30 | 2024-02-27 | 浙江大学 | 精确控制温压环境的天然气水合物开采超重力模拟装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111896447A (zh) | 考虑温度作用的接触面大变形旋转剪切渗流试验装置及方法 | |
| CN103116014B (zh) | 大尺度高压土体冻融过程水-热-力耦合作用试验系统 | |
| CN111255471B (zh) | 多工况土压平衡盾构渣土工作性测试模拟试验系统 | |
| CN105865874B (zh) | 一种适用于砂性土室内试验的制样装置 | |
| CN108303065B (zh) | 一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器及使用方法 | |
| CN110389100A (zh) | 温控式渗透仪及其实验方法 | |
| CN110470598B (zh) | 一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪及其试验方法 | |
| CN108333060B (zh) | 采用稳态法测量黏土岩剪切裂隙渗透系数演化的试验机 | |
| CN105334142A (zh) | 一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置 | |
| CN112540010B (zh) | 一种土体应力路径管涌三轴试验装置及试验方法 | |
| CN108693019A (zh) | 水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置及方法 | |
| CN109060543A (zh) | 直接测量三轴试验橡皮膜嵌入量的装置及其测量方法 | |
| CN111337650A (zh) | 一种研究地下工程土体渗流破坏机制的多功能试验装置 | |
| CN106706500A (zh) | 一种测定混凝土渗透性的装置 | |
| CN111157363A (zh) | 土压平衡盾构渣土工作性及改良优化评价试验系统和方法 | |
| CN114279818B (zh) | 一种双向柔性加卸环剪装置及其试验方法 | |
| CN114324113A (zh) | 测定土-结构物界面渗透系数与渗透路径试验装置及方法 | |
| CN108982325A (zh) | 地下防污屏障材料化学相容性测试装置及方法 | |
| CN107165204B (zh) | 一种考虑承压水作用下单桩水平承载特性的测试方法 | |
| CN116907972A (zh) | 具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪 | |
| CN205262912U (zh) | 一种用于模拟盾构泥膜形成的实验装置 | |
| CN215263505U (zh) | 一种多层土体渗流潜蚀耦合试验装置 | |
| CN208721546U (zh) | 一种地下防污屏障材料化学相容性测试装置 | |
| CN114279934B (zh) | 岛礁富水钙质砂土地层注浆模拟及渗透性试验装置与方法 | |
| CN216208442U (zh) | 渗透仪 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201106 |