CN112540010A - 一种土体应力路径管涌三轴试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土体应力路径管涌三轴试验装置，包括压力水头控制装置、水压控制装置、三轴压力试验主机、流速测定装置和涌土采集装置。所述三轴压力试验主机通过管线连接压力水头控制装置、水压控制装置、流速测定装置和涌土采集装置，用于提供试验所需围压、轴压、反压和压力水头，可对试样进行不同应力路径加载，模拟渗透破坏发生的复杂应力环境，满足试样固结饱和、三轴管涌实验和常规三轴剪切试验要求。同时提供了上述试验装置的试验方法。本发明适用于不同的管涌路径及渗透破坏模式，可对不同种类、不同级配的试样进行试验，试验数据可自动采集并实时统计。

Description

一种土体应力路径管涌三轴试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程试验领域，特别涉及一种土体应力路径管涌三轴试验装置及试验方法。

背景技术

我国水资源总量约为2.8亿万立方米，占世界总水资源拥有量的6％，其中长江流域及其以南地区水资源量占据了全国的81％，洪涝灾害时有发生。在涉水建筑物中渗透破坏是建筑物的主要破坏形式，在基坑、隧道和土石坝都存在着非常显著的渗透破坏问题，其中管涌作为工程上最普遍出现的渗流破坏问题，在洪涝灾害中表现尤为明显。在1954年至2013年期间发生在我国的3481起溃坝事故中，由渗透破坏引起的溃坝数占相应溃坝总数的38.5％，渗透破坏引发的细颗粒在土层间的移动，同时会严重影响到土体本身力学性能和排水性能，还会造成基础不均匀沉降、地面排水恶化等问题。

现有研究表明，在含砂量小于25％的砂质砾石中，土体会表现出潜在的内部不稳定性，即在渗流作用下有可能发生管涌。同时，土作为一种有“记忆性”的材料，应力路径会对其的变形和强度特性产生显著影响，进而会影响到土体的渗流和渗透破坏特征等其他性质。另外，不同的水流入渗方向也会影响到土体的内部细观结构变化，对土体强度和变形特性产生影响。因此，探求不同应力路径和水流入渗方向对土体力学性能的影响是一个重要的课题。

现有的管涌实验技术并不成熟，公开号为CN102411042B的中国专利公开了一种研究在渗流-侵蚀-应力耦合作用影响下的管涌试验装置，该装置可实现不同应力状态下管涌现象的模拟。公开号为CN104535470B的中国专利公开了一种适用于碎石土渗透侵蚀三轴试验装置及试验方法，该装置可对碎石土试样实现多级水头的渗透侵蚀及强度测试试验，模拟复杂应力条件的渗透侵蚀三轴试验过程。公开号为CN204530607U的中国专利公开了一种模拟不同应力条件下管涌三轴试验装置，该装置可以对试样进行多方位施压达到管涌破坏的目的，但仪器构造较为简单。上述实验装置均不能全面真实的模拟土体在渗透破坏发展过程中的应力状态，不能满足不同应力路径三轴实验的要求，对渗透破坏发生后试样强度指标变化的测量并不完善，且部分室内渗透破坏试验耗时较长，试验试样体积较大，动态测量数据无法同时人为实施观测。

发明内容

本发明针对上述所述的不足提供了一种土体应力路径管涌三轴试验装置，该装置可实施不同压力水头、围压和轴压下的管涌试验及管涌后土体应力路径三轴剪切试验，通过采用不同的管路连接可以对试样施加不同方向的管涌路径，适应于不同种类、不同级配的试验试样。本实验仪器配备的涌土采集装置可以测量渗透破坏产生的细颗粒流失的质量和体积，应用的全自动压力控制器和位移传感器，可以考虑时间因素及动态数据观测的影响，实现对渗透破坏过程的实时监测。同时，本试验装置试样体积较小，试验操作方便。

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。

根据本发明的第一个方面，提供了一种用于土体应力路径管涌三轴试验装置，包括压力水头控制装置、水压控制装置、三轴压力试验主机、流速测定装置和涌土采集装置。其中，所述三轴压力试验主机包括底部轴力控制装置，所述底部轴力控制装置上方设有最大承载力为50kN的荷载架支撑杆，所述荷载架支撑杆连接有反向横梁，所述反向横梁底部设

有万向铰，所述万向铰连接轴压传感器和轴压加载杆，所述底部轴力控制装置上设有多孔压力室底盘，所述多孔压力室底盘与通过侧立柱连接的压力室通过螺栓连接，其间放置隔水密封圈，所述压力式顶盖上设有压力室放气阀，所述试验试样设置于所述压力室腔内，所述轴压加载杆和试验试样之间设有带槽试样帽，所述试样帽内设有上输水管道，所述多孔压力室底盘内设有下输水管道、上输水管道阀门、下输水管道阀门、孔压测量管道阀门、围压控制管道阀门和反压控制管道阀门，所述上、下输水管道适用于不同的管涌路径及渗透破坏模式的试验方法，所述孔压测量管道阀门连接孔压传感器。

优选地，所述压力室外壁采用透明有机玻璃，所述试验试样外部包裹橡胶膜，根据管涌路径不同，在所述试验试样上下分别设置多孔板。

优选地，所述水压控制装置包括围压控制装置和反压控制装置，所述围压控制装置包括围压控制单元和围压供水筒，所述围压供水筒的供水管路通过所述围压控制单元连接至所述多孔压力室底盘的围压控制管道，所述反压控制装置包括反压控制单元和反压供水筒，所述反压供水筒的供水管路通过所述反压控制单元连接至所述多孔压力室底盘的反压控制管道。所述压力水头控制装置包括输水变水位控制器和集水箱，所述集水箱通过排水管与所述输水管道连接。

优选地，所述压力水头控制装置和水压控制装置与气泵连接，所述气泵用于提供水压力供水筒内气压、压力室内围压和试验试样反压加载。

优选地，所述涌土采集装置包括特制的土水分离筒和储水筒，所述土水分离筒底部开孔与所述输水管道通过排水管连接，所述土水分离筒顶部与所述储水筒连接，所述土水分离筒和储水筒分别设有称重装置和体积测量装置。

优选地，所述流速测定装置包括进水流量计和出水流量计，所述进水流量计连接在所述集水箱与输水管道间的排水管上，所述出水流量计连接在所述水分离筒与储水筒间的排水管上。

根据本发明的第二个方面，提供了一种利用前述装置的土体应力路径管涌三轴试验方法。

优选地，所述试验方法具体为：

步骤一，将制备完成的试样固定在多孔压力室底盘中心的试样放置处，并连接试样帽，将压力室与多孔压力室底盘固定连接，由水压控制装置向压力室内提供给定围压和反压，使试样达到饱和固结；

步骤二，集水箱供水从试样顶部(或下部)入渗，流经试样的水及侵蚀出的细颗粒通过下(或上)输水管道排出；

步骤三，渗透破坏现象发生后，观察到携带细颗粒的水流流入涌土采集装置，待涌土量不再增长时，渗透破坏过程结束；

步骤四，在保持围压的情况下去除压力水头，关闭压力水头阀门，进行三轴剪切实验步骤，按应变控制方式通过轴压加载杆施加轴压，待达到给定轴向应变值，完成试验全过程。

发明原理描述：

管涌破坏是土体细颗粒在渗流作用下沿骨架颗粒形成的孔隙移动的现象，在满足土中粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径的条件下，土中水的渗透导致孔隙水压力剧增，使细颗粒的有效应力为零，带动细颗粒在孔隙间移动。为模拟实际工况，将试验试样放置在可施加三轴压力的压力室内，由输水变水位控制器控制集水箱中气压进而提供压力水头，考虑不同土在不同情况下管涌方向、渗透破坏模式和管涌水力梯度等因素的不同，管涌过后的砂水混合物可以通过上下输水管道排出。实时采集涌土的变化值，观察流速测定装置中前后流速变化，直至管涌结束，关闭压力水头和管涌出流阀。按应变控制方式通过轴压加载杆施加轴压，待达到给定轴向应变值，完成试验全过程。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用双向渗透破坏模式，能更好模拟实际工程中管涌破坏的形式，另外，添加的管涌路径适用于不同种类、级配的试验试样，相对于已有试验装置普遍采用的单向渗流，具有显著的优越性；

2、本发明考虑了渗透破坏土体所处的复杂应力状态和土体中细颗粒被带出的真实管涌状态，配备了全自动围压、压力水头、反压控制器，并将涌土采集系统、轴力传感器、孔压传感器和位移传感器与PC端连接，各模块可独立进行工作，自动记录动态试验数据并绘图。设备可以施加的最大管涌压力水头为 0.9MPa，围压为2MPa，满足绝大部分实际工程中河堤大坝受到河水的冲击力模拟，采用压力精度为0.3％的压力传感器和精度为0.001mm的位移传感系统，保证了试验数据的准确性；

3、本发明适用的试样直径为39.1mm，高度为75～85mm，符合真实管涌土体比例。另外，相对于大部分试验设备采用的大体积试样，本试验试样降低了试验的操作难度，提高了试验效率；

4、本发明中涌土采集装置，可以较理想的实现水土分离，实时地准确采集涌出物的总体积和总质量，用于评价渗透破坏破坏速度及最终破坏情况，提高了试验的自动化程度和准确性，大幅减少了人工在长期管涌试验中耗费的精力；

5、本发明各个结构单元连接紧密，可在室内进行土体三轴管涌实验，在满足土体三轴管涌实验的同时能兼顾土体常规三轴实验；

6、本发明另外配备有带抽水泵的蓄水槽，可实现水流的循环利用，减少以往试验中对水的浪费。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1是本发明的结构示意图；

图2是多孔压力室底盘示意图；

附图标记说明：

1-轴力控制装置，2-荷载架支撑杆，3-反向横梁，4-轴压传感器，5- 万向铰，6-轴压加载杆，7-多孔压力室底盘，8-压力室外罩，9-压力室放气阀， 10-试验试样，11-试样帽，12-上输水管道，13-下输水管道，14-上输水管道阀门， 15-下输水管道阀门，16-孔压测量管道阀门，17-围压控制管道阀门，18-反压控制管道阀门，19-孔压传感器，20-多孔板，21-围压控制单元，22-围压供水筒， 23-反压控制单元，24-反压供水筒，25-输水变水位控制器，26-集水箱，27-气泵， 28-土水分离筒，29-储水筒，30-称重装置，31-体积测量装置，32-进水流量计， 33-出水流量计，34-PC端，35-水平尺，36-阻水器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，具体为：

如图1所示，本实施例提供了一种土体应力路径管涌三轴试验装置，包括压力水头控制装置、水压控制装置、三轴压力试验主机、流速测定装置和涌土采集装置。其中，所述三轴压力试验主机包括底部轴力控制装置1，所述底部轴力控制装置1上方设有最大承载力为50kN的荷载架支撑杆2，所述荷载架支撑杆2连接有反向横梁3，所述反向横梁反向横梁3底部设有轴压传感器4，所述轴压传感器4连接万向铰5和轴压加载杆6，所述底部轴力控制装置1上设有多孔压力室底盘7，所述多孔压力室底盘7与通过侧立柱连接的压力室外罩8通过螺栓连接，其间放置隔水密封垫，所述压力室外罩8上设有压力室放气阀9，所述试验试样10设置于所述压力室外罩8内，所述轴压加载杆6和试验试样10 之间设有带槽试样帽11，所述试样帽11内设有上输水管道12，所述多孔压力室底盘7内设有下输水管道13，所述多孔压力室底盘7上设有上输水管道阀门14、下输水管道阀门15、孔压测量管道阀门16、围压控制管道阀门17和反压控制管道阀门18，所述孔压测量管道阀门16连接孔压传感器19。

作为本发明的进一步优选，所述压力室外罩8采用透明有机玻璃，所述试验试样外部包裹橡胶膜，根据管涌路径不同，在所述试验试样上下分别设置多孔板20。

作为本发明的进一步优选，所述水压控制装置包括围压控制装置和反压控制装置，所述围压控制装置包括围压控制单元21和围压供水筒22，所述围压供水筒22的供水管路通过所述围压控制单元21连接至所述多孔压力室底盘7 的围压控制管道，所述反压控制装置包括反压控制单元23和反压供水筒24，所述反压供水筒24的供水管路通过所述反压控制单元23连接至所述多孔压力室底盘7的反压控制管道。所述压力水头控制装置包括输水变水位控制器25和集水箱26，所述集水箱26通过排水管与所述上(或下)输水管道12(或13)连接。

作为本发明的进一步优选，所述压力水头控制装置和水压控制装置与气泵27连接，所述气泵27用于提供水压力供水筒内气压、压力室内围压和试验试样反压加载。

作为本发明的进一步优选，所述涌土采集装置包括特制的土水分离筒 28和储水筒29，所述土水分离筒28底部开孔与所述下(或上)输水管道13(或 12)通过排水管连接，所述土水分离筒28顶部与所述储水筒29连接，所述土水分离筒28和储水筒29分别设有称重装置30和体积测量装置31。

作为本发明的进一步优选，所述流速测定装置包括进水流量计32和出水流量计33，所述进水流量计32连接在所述集水箱26与上(或下)输水管道间12(或13)的排水管上，所述出水流量计33连接在所述土水分离筒28与储水筒29间的排水管上。

作为本发明的进一步优选，前述的数据采集(包括围压值、孔压值、反压值、轴向位移、偏应力、时间及其相互关系等)及传输模块、称重装置30 和体积测量装置31均与数据处理终端相连通，通过总线将试验数据资料传至数据处理PC端34。

需要说明的是，压力传感器为市售产品，是本领域技术人员所熟知的现有技术，压力传感器与外部设备的连接方式为现有技术，压力传感器的电路控制结构采用现有技术中常规的控制电路，其电路结构或电路连接方式均为所属技术领域技术人员的惯用手段，在此不再赘述，但由于上述原因，不会影响本领域技术人员的重复再现。

需要说明的是，本发明中的固定连接方式采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，在此不再赘述，但由于上述原因，不会影响本领域技术人员的重复再现。

本实施例提供了一种利用前述装置的土体应力路径管涌三轴试试验方法。

作为本发明的进一步优选，所述试验方法具体为：

步骤一，将制备完成的试样10固定在多孔压力室底盘7中心的试样放置处，并连接试样帽11，将压力室8与多孔压力室底盘7固定连接，由水压控制装置向压力室内提供给定围压和反压，使试样达到饱和固结；

步骤二，集水箱26供水从试样10顶部(或下部)入渗，流经试样的水及侵蚀出的细颗粒通过下13(或上12)输水管道排出；

步骤三，渗透破坏现象发生后，观察到携带细颗粒的水流流入涌土采集装置，待涌土量不再增长时，渗透破坏过程结束；

步骤四，在保持围压的情况下去除压力水头，进行三轴剪切实验步骤，按应变控制方式通过轴压加载杆6施加轴压，待达到给定轴向应变值，完成试验全过程。

下面结合具体实施方式对本实施例进一步描述。

(1)仪器检查。检查试验设备是否能正常运行，确保孔隙水压力量测系统内气泡完全排除，管路保持畅通，各连接处无漏水发生，压力室活塞杆在轴套内能滑动，橡胶膜在使用前作详细检查。

(2)试样制备及安装。按照试验计划，制备足够数量的试样。首先，选取一定数量(约2kg)的代表性土样，经风干、碾散、过筛，将所需加水的水量喷洒在土料上拌匀并静置24h后，利用对开模分层击实制备试样。其次，将装有试样的饱和器置于无水抽气缸内进行抽气，当抽气时间达到要求后，向抽气缸中徐徐注入清水，待饱和器完全被水淹没后停止抽气，使试样在水下静置时间大于10h后取出试样。然后，使用承膜筒使橡胶模紧密包裹试样外表面，在多孔压力室底盘上放置好孔径2mm的多孔钢板并拧紧螺丝，根据试验计划选择安装试样和透水石的顺序，再以此安装多孔钢板和带槽试样帽，用橡皮圈将橡胶膜分别扎紧在压力室底座和试样帽上。最后，安装压力室外罩，打开压力室连接的三通阀和压力室放气阀，待压力室充满水后关闭三通阀和压力室放气阀。

(3)试样饱和固结。打开围压控制管道阀门和孔压测量管道阀门，将围压控制单元调至50kPa，进行B值检测，当试样饱和度达不到99％时，应另外进行反压饱和。打开反压控制管道阀门，待固结度达95％以上，表示固结完成，关闭孔压测量管道阀门和反压控制管道阀门，调整压力室活塞杆。

(4)三轴管涌试验。保持围压不变，打开上下输水管道阀门，打开输水变水位控制器以恒定压力水头进行试验，观察PC端涌土和进出水流量计显示数值变化，待涌土不再增长后，管涌试验结束，关闭上下输水管道阀门。

(5)三轴固结不排水剪切试验。按照试验计划选择剪切应变速率和轴向应变值，开始剪切，PC端实时记录测量数据并绘图，待达到设定的轴向应变值时，设备自动停止。关闭围压控制管道阀门，将压力室降下，打开排气孔，排除压力室内的水，拆卸压力室外罩，取出试样，清理设备。

(6)通过改变围压控制单元和输水变水位控制器的设定数值，重复以上 (1)～(5)试验，模拟处于不同应力条件下管涌破坏发生发展情况。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种土体应力路径管涌三轴试验装置，其特征在于，包括压力水头控制装置、水压控制装置、三轴压力试验主机、流速测定装置和涌土采集装置；其中，所述三轴压力试验主机用于承载装有试样的压力室并提供轴向荷载，所述压力水头控制装置和水压控制装置提供压力水头、轴压和反压，对试样进行不同应力路径加载，并在各固定位置设置有压力传感器和位移传感器，可实现试验数据自动采集并实时；所述试验试样在压力水头下产生的土水混合物流入涌土采集装置；

所述三轴压力试验主机包括底部轴力控制装置，所述底部轴力控制装置上方设有荷载架支撑杆，所述荷载架支撑杆连接有反向横梁，所述反向横梁底部设有万向铰，所述万向铰连接轴压传感器和轴压加载杆，所述底部轴力控制装置上设有多孔压力室底盘，所述多孔压力室底盘与通过侧立柱连接的压力室由螺栓连接，其间放置隔水密封圈，所述压力式顶盖上设有压力室放气阀，所述试验试样设置于所述压力室腔内，所述轴压加载杆和试验试样之间设有带槽试样帽，所述试样帽内设有上输水管道，所述多孔压力室底盘内设有下输水管道、上输水管道阀门、下输水管道阀门、孔压测量管道阀门、围压控制管道阀门和反压控制管道阀门，所述上、下输水管道适用于不同的管涌路径及渗透破坏模式的试验方法，所述孔压测量管道阀门连接孔压传感器。

2.根据权利要求1所述的一种土体应力路径管涌三轴试验装置，其特征在于，压力室外壁采用透明有机玻璃，所述试验试样外部包裹橡胶膜，根据管涌路径不同，在所述试验试样上下分别设置多孔板。

3.根据权利要求1或2所述的一种土体应力路径管涌三轴试验装置，其特征在于，水压控制装置包括围压控制装置和反压控制装置，所述围压控制装置包括围压控制单元和围压供水筒，所述围压供水筒的供水管路通过所述围压控制单元连接至所述多孔压力室底盘的围压控制管道，所述反压控制装置包括反压控制单元和反压供水筒，所述反压供水筒的供水管路通过所述反压控制单元连接至所述多孔压力室底盘的反压控制管道；所述压力水头控制装置包括输水变水位控制器和集水箱，所述集水箱通过排水管与所述输水管道连接。

4.根据权利要求3所述的一种土体应力路径管涌三轴试验装置，其特征在于，压力水头控制装置和水压控制装置与气泵连接，所述气泵用于提供水压力供水筒内气压、压力室内围压和试验试样反压加载。

5.根据权利要求1所述的一种土体应力路径管涌三轴试验装置，其特征在于，涌土采集装置包括特制的土水分离筒和储水筒，所述土水分离筒底部开孔与所述输水管道通过排水管连接，所述土水分离筒顶部与所述储水筒连接，所述土水分离筒和储水筒分别设有称重装置和体积测量装置。

6.根据权利要求1所述的一种土体应力路径管涌三轴试验装置，其特征在于，流速测定装置包括进水流量计和出水流量计，所述进水流量计连接在所述集水箱与输水管道间的排水管上，所述出水流量计连接在所述砂水分离筒与储水筒间的排水管上。

7.一种权利要求1至6中任一项所述的利用前述装置的土体应力路径管涌三轴试验方法，其特征在于：

所述试验方法具体为：

步骤一，将制备完成的试样固定在多孔压力室底盘中心的试样放置处，并连接试样帽，将压力室与多孔压力室底盘固定连接，由水压控制装置向压力室内提供给定围压和反压，使试样达到饱和固结；

步骤二，集水箱供水从试样顶部入渗，流经试样的水及侵蚀出的细颗粒通过下输水管道排出；

步骤三，渗透破坏现象发生后，观察到携带细颗粒的水流流入涌土采集装置，待涌土量不再增长时，渗透破坏过程结束；

步骤四，在保持围压的情况下去除压力水头，关闭压力水头阀门，进行三轴剪切实验步骤，按应变控制方式通过轴压加载杆施加轴压，待达到给定轴向应变值，完成试验全过程。

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