CN112683649B - 一种黄土应力路径三轴试验用设备及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黄土应力路径三轴试验用设备及试验方法，该设备包括压力室组件、压力加载单元和数据采集单元；压力室组件包括压力室和试样组件；压力加载单元包括围压加载组件、反压加载组件和轴压加载组件；轴压加载组件包括容水腔室、轴杆和塞件，容水腔室设置于压力室底座下部，轴杆上端垂直固定于试样底座，下端垂直固定于塞件上，容水腔室底部连接输水管道，输水管道上连接有应变控制器；数据采集单元包括荷载传感器、孔压管道、孔压传感器和位移传感器，位移传感器上垂直连接有横杆，横杆远离位移传感器的一端垂直固定于轴杆上。该黄土应力路径三轴试验用设备可进行黄土强度和变形特性研究，满足黄土试样拉伸路径和压缩路径试验要求。

Description

一种黄土应力路径三轴试验用设备及试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种黄土应力路径三轴试验用设备及试验方法。

背景技术

黄土具有多孔隙、透水性强、易塌陷等特点，其抗剪强度由吸力作用导致的凝聚力和颗粒间碳酸钙的胶结(真实凝聚力)共同贡献，是干旱、半干旱气候环境下的产物，在我国分布广泛。黄土强度和变形特性通常通过常规三轴压缩试验来进行研究，但大量的工程实例和研究结果表明，抗剪强度、变形特性不仅仅与所受应力有关，还受到如应力历史、应力路径等因素影响，尤其是黄土这种独特的大孔隙结构性土壤，使得应力历史对其抗剪强度、变形特性影响尤为显著。为了更准确的测试黄土抗剪强度及变形特性，给黄土地区地质灾害提供技术支持，需要一种用于黄土的应力路径三轴试验设备及测试方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种黄土应力路径三轴试验用设备及试验方法。该黄土应力路径三轴试验用设备通过压力室组件、压力加载单元和数据采集单元进行黄土强度和变形特性研究，可满足黄土试样拉伸路径和压缩路径试验要求，装置简单，利于推广应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，包括压力室组件、压力加载单元和数据采集单元；

所述压力室组件包括压力室和试样组件，所述压力室包括压力室腔、压力室顶盖和压力室底座，所述压力室顶盖设置于压力室腔上部，所述压力室底座设置于压力室腔下部，所述试样组件设置于压力室腔内；

所述试样组件包括试样单元和包裹在所述试样单元上的橡皮膜，所述试样单元包括由上到下依次设置的试样顶盖、上透水石、上滤纸、试样、下滤纸、下透水石和试样底座；

所述压力加载单元包括围压加载组件、反压加载组件和轴压加载组件；

所述围压加载组件包括围压管道，所述围压管道一端与压力室腔连通，所述围压管道上连接有围压控制器；

所述反压加载组件包括反压管道，所述反压管道一端与上透水石连通，所述反压管道上连接有反压控制器；

所述轴压加载组件包括容水腔室、轴杆和设置于容水腔室内且可沿容水腔室内壁面轴向移动的塞件，所述容水腔室设置于压力室底座下部且与压力室底座下表面固定连接，所述轴杆上端垂直固定于试样底座下表面，所述轴杆下端垂直固定于所述塞件上，所述塞件将容水腔室分隔为有杆腔和无杆腔，所述无杆腔底部连接有用于向无杆腔中注水或从无杆腔中吸水的输水管道，所述输水管道上连接有应变控制器；

所述数据采集单元包括荷载传感器、孔压管道、孔压传感器和位移传感器；所述荷载传感器安装于压力室顶盖上且穿入压力室腔内，所述试样顶盖上正对荷载传感器端头处开设有连接口；

所述孔压管道一端与下透水石连通，所述孔压传感器与孔压管道连接；

所述位移传感器垂直设置于容水腔室侧方，所述位移传感器上垂直连接有横杆，所述横杆远离位移传感器的一端穿过所述容水腔室侧壁且伸入有杆腔中，所述横杆位于所述有杆腔内的部分垂直固定于轴杆上。

上述的一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，所述压力室腔包括合围形成空腔式结构的压力室壁，所述压力室壁的材质为有机玻璃。

上述的一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，所述橡皮膜上端口高于试样顶盖的侧壁中部，所述橡皮膜下端口低于试样底座的侧壁中部；

所述橡皮膜上套设有用于将试样顶盖和橡皮膜紧固的上橡胶圈和有用于将试样底座和橡皮膜紧固的下橡胶圈。

上述的一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，所述塞件与容水腔室内腔横截面形状匹配，所述塞件包括硬质板和橡胶密封垫圈，所述橡胶密封垫圈套设在硬质板上；

所述容水腔室靠近位移传感器的侧壁上开设有用于穿过横杆的通孔，所述通孔的形状为长方形，长方形通孔的长中轴线与横杆垂直，长方形通孔下部距离容水腔室底板的高度高于所述塞件距离容水腔室底板的高度。

上述的一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，所述荷载传感器端头包括固定连接的端杆和头部，所述端杆形状为圆柱体形，所述头部的形状为由长方形平面、柱面和形状相同且平行的两个侧面合围形成的曲面几何体，所述端杆垂直固定于长方形平面上，所述端杆截面圆形直径长度≤长方形平面的宽边长度，所述柱面两端分别与长方形平面两个宽边连接且所述柱面向远离端杆的方向突出，两个所述侧面分别位于长方形平面两侧且每个所述侧面均与长方形平面的长边和柱面的曲边连接；

所述试样顶盖包括第一试样顶盖或第二试样顶盖；

所述第一试样顶盖上的所述连接口包括开设于第一试样顶盖上表面且与柱面形状匹配的第一长方形开口；

所述第二试样顶盖上的所述连接口包括第二长方形开口和第三长方形开口，所述第二长方形开口开设于第二试样顶盖上表面，所述第三长方形开口位于第二试样顶盖内部且与第二长方形开口垂直，所述第三长方形开口中部与第二长方形开口中部连通，所述第二长方形开口宽度大于长方形平面宽边长度且小于长方形平面长边长度，所述第三长方形开口的宽度大于长方形平面长边长度，所述第三长方形开口的深度大于所述头部的高度。

此外，本发明还提供一种应用上述的黄土应力路径三轴试验用设备进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对待测黄土样进行饱和，具体包括：

步骤101、用三瓣膜包裹所述待测黄土样，将钢圈套设在三瓣膜上，得到黄土试件，将上滤纸放置于所述黄土试件上，将上透水石置于所述上滤纸上，将下滤纸和下透水石依次放置于所述黄土试件下，用饱和器固定，得到待饱和试件；

步骤102、将步骤101所述待饱和试件置于充满水的容器中，密封，抽气，取出，得到抽气后待饱和试件；

步骤103、将步骤102所述抽气后待饱和试件置于试样底座上，将试样顶盖置于待饱和试件上，套上橡皮膜，施加围压和反压至饱和，得到饱和后试件；所述饱和为孔压增量与围压增量的比值≥0.98；

步骤二、对饱和后试件进行固结，具体包括：保持步骤103饱和状态下反压，同时利用围压控制器和围压管道向步骤103中所述饱和后试件施加固结压力，孔压传感器实时监测孔压，监测所得孔压降低至步骤103饱和状态下孔压数值时，固结完成；施加饱和状态下反压和固结压力的持续时间≤12h；所述固结压力为100kPa～600kPa；

步骤三、以步骤二固结后试件为试样进行剪切试验。

上述的方法，其特征在于，步骤103中所述施加围压和反压至饱和的过程为多级施压过程，每级施压过程完毕，将相应级数施压过程内孔压增量与围压增量进行比较，当孔压增量与围压增量的比值≥0.98，完成饱和，当孔压增量与围压增量的比值＜0.98，进行下一级施压过程；每级施压过程均包括先施加恒定围压后施加增量围压，每级施压过程均包括先施加恒定反压后停止施加反压，所述围压增量为所述增量围压与对应级数内恒定围压的差值，所述孔压增量为对应级数内施加增量围压前后孔压的差值，施加增量围压前孔压数值的采集在停止施加反压后；

每级施压过程中，施加恒定围压持续的时间和施加恒定反压持续的时间均为10h～16h，施加增量围压持续的时间和停止施加反压持续的时间均为3min～10min；

每级施压过程中，增量围压与恒定围压的差值为20kPa～30kPa，增量围压与相应恒定围压的差值为增量围压-恒定围压；

每级施压过程中，恒定围压与恒定反压的差值为2kPa～8kPa，恒定围压与恒定反压的差值为恒定围压-恒定反压；

相邻两级施压过程中，后一级的恒定围压与前一级的增量围压相等；

第一级恒定围压为40kPa～60kPa，第一级恒定围压与第一级恒定反压同时开始施加。

上述的方法，其特征在于，

每级施压过程中，施加恒定围压持续的时间和施加恒定反压持续的时间均为12h，施加增量围压持续的时间和相应停止施加反压持续的时间均为5min；

每级施压过程中，增量围压与恒定围压的差值为25kPa；

每级施压过程中，恒定围压与恒定反压的差值为5kPa；

第一级恒定围压为50kPa。

上述的方法，其特征在于，步骤103所述试样顶盖为第一试样顶盖或第二试样顶盖。

上述的方法，其特征在于，步骤三所述剪切试验包括传统三轴压缩路径、减围压三轴压缩路径、轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径；当进行传统三轴压缩路径或减围压三轴压缩路径时，步骤103所述试样顶盖为第一试样顶盖，当进行轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径时，步骤103所述试样顶盖为第二试样顶盖；

所述传统三轴压缩路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，输水管道向无杆腔中输入水，无杆腔中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆上升，轴杆上升推动试样底座向上，至荷载传感器端头与第一长方形开口底面抵接；

通过应变控制器使轴杆按照预定应变速率向上移动，荷载传感器、孔压传感器和位移传感器采集相应数据并传输给计算机进行换算，轴杆位移增量为20％时，停止试验；

所述减围压三轴压缩路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，输水管道向无杆腔中输入水，无杆腔中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆上升，轴杆上升推动试样底座向上，至荷载传感器端头与第一长方形开口底面抵接；

通过应变控制器使轴杆按照预定轴向力增量上升，同时围压控制器以预定围压减量施加围压，荷载传感器、孔压传感器和位移传感器采集相应数据并传输给计算机进行换算，轴杆位移增量为20％时，停止试验；所述预定围压减量为单位时间内围压减少的数值，预定围压减量的绝对值与偏应力增量的绝对值相等，所述偏应力增量为单位时间内偏应力的增加量，所述偏应力为轴向力与试样上表面积的比值，所述围压的单位为kPa，所述偏应力的单位为kPa，所述轴向力的单位为kN，所述试样上表面积单位为m²；

所述轴向减载三轴伸长路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，输水管道向无杆腔中输入水，无杆腔中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆上升，轴杆上升推动试样底座向上，至荷载传感器的所述头部置于第三长方形开口内，转动橡皮膜内的第二试样顶盖使所述头部卡合在第二长方形开口下；

通过应变控制器使轴杆按照预定应变减量向下移动，荷载传感器、孔压传感器和位移传感器采集相应数据并传输给计算机进行换算，至轴杆位移减量为20％时，停止试验；

所述传统三轴伸长路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，输水管道向无杆腔中输入水，无杆腔中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆上升，轴杆上升推动试样底座向上，至荷载传感器的所述头部置于第三长方形开口内，转动橡皮膜内的第二试样顶盖使所述头部卡合在第二长方形开口下；

通过应变控制器使轴杆按照预定轴向力减量向下移动，施加轴向力，同时围压控制器以预定围压增量施加围压，荷载传感器、孔压传感器和位移传感器采集相应数据并传输给计算机进行换算，至轴杆位移减量为20％时，停止试验；所述预定围压增量为单位时间内围压增加的数值，预定围压增量的绝对值与偏应力减量的绝对值相同，所述偏应力减量为单位时间内偏应力的减小量，所述偏应力为轴向力与试样上表面积的比值。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的黄土应力路径三轴试验用设备通过压力室组件、压力加载单元和数据采集单元进行黄土强度和变形特性研究，可满足黄土试样进行拉伸路径和压缩路径试验要求，装置简单，利于推广应用。

2、本发明的试样顶盖包括第一试样顶盖或第二试样顶盖，可针对传统三轴压缩路径、减围压三轴压缩路径、轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径进行选择安装，与荷载传感器连接紧密，满足不同路径试验的要求，使用方便。

3、本发明利用三轴试验用设备进行试验的方法包括改进的黄土饱和过程，可有效解决黄土饱和难度高的问题，成功率高，快捷有效，满足规范要求。

4、本发明利用三轴试验用设备进行试验的方法包括传统三轴压缩路径、减围压三轴压缩路径、轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径，可有效反映出不同工况下黄土变形性状，解决已有技术中单纯依靠三轴压缩路径来测定黄土抗剪强度和变形性状从而导致结果参考性差的缺陷，为黄土地质灾害预防提供技术支撑。

5、本发明的利用三轴试验用设备进行试验的方法包括利用四种变形路径数据来绘制强度包络线图，从而表明不同路径下黄土抗剪强度，突出不同工况下黄土抗剪强度特性，为黄土性能评价提供更合理的数据支撑。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明黄土应力路径三轴试验用设备的结构示意图。

图2为荷载传感器端头的结构示意图。

图3为第一试样顶盖与荷载传感器端头的位置关系示意图。

图4为第一试样顶盖的结构示意图。

图5为第二试样顶盖与荷载传感器端头的位置关系示意图。

图6为第二试样顶盖的结构示意图。

图7为通孔与容水腔室的位置关系示意图。

图8为塞件的结构示意图。

图9为四种剪切路径应力示意图。

图10为传统三轴压缩路径和减围压三轴压缩路径的强度包络线图。

图11为轴向减载三轴伸长路径和传统三轴伸长路径的强度包络线图。

附图标记说明：

111—试样顶盖； 111-1—第一试样顶盖； 111-2—第二试样顶盖；

112—上透水石； 113—上滤纸； 114—试样；

115—下滤纸； 116—下透水石； 117—试样底座；

118—橡皮膜； 119—上橡胶圈； 120—下橡胶圈；

12—压力室壁； 13—压力室腔； 14—压力室顶盖；

15—压力室底座； 211—围压控制器； 212—围压管道；

221—反压管道； 222—反压控制器； 231—轴杆；

232-1—硬质板； 232-2—橡胶密封垫圈；

233—容水腔室； 234—输水管道； 235—有杆腔；

236—无杆腔； 237—通孔； 238—应变控制器；

31—荷载传感器； 311—端杆； 312—长方形平面；

313—柱面； 314—侧面； 32—孔压管道；

33—孔压传感器； 34—位移传感器； 341—横杆；

4-1—第一长方形开口； 4-2—第二长方形开口； 4-3—第三长方形开口。

具体实施方式

如图1～8所示，本实施例提供一种黄土应力路径三轴试验用设备，包括压力室组件、压力加载单元和数据采集单元；

所述压力室组件包括压力室和试样组件，所述压力室包括压力室腔13、压力室顶盖14和压力室底座15，所述压力室顶盖14设置于压力室腔13上部，所述压力室底座15设置于压力室腔13下部，所述试样组件设置于压力室腔13内；

所述试样组件包括试样单元和包裹在所述试样单元上的橡皮膜118，所述试样单元包括由上到下依次设置的试样顶盖111、上透水石112、上滤纸113、试样114、下滤纸115、下透水石116和试样底座117；

所述压力加载单元包括围压加载组件、反压加载组件和轴压加载组件；

所述围压加载组件包括围压管道212，所述围压管道212一端与压力室腔13连通，所述围压管道212上连接有围压控制器211；所述围压管道212与压力室腔13的连接处位于压力室底座15上；所述围压控制器211用于向压力室腔13中传输压力载荷，其结构不做限定，只要能实现上述功能即可；

所述反压加载组件包括反压管道221，所述反压管道221一端与上透水石112连通，所述反压管道221上连接有反压控制器222；所述反压管道221的一端穿过所述压力室底座15和试样顶盖111与上透水石112连接；所述反压控制器222用于通过上透水石112向试样114传输压力载荷，其结构不做限定，只要能实现上述功能即可；

所述轴压加载组件包括容水腔室233、轴杆231和设置于容水腔室233内且可沿容水腔室233内壁面轴向移动的塞件，所述容水腔室233设置于压力室底座15下部且与压力室底座15下表面固定连接，所述轴杆231上端垂直固定于试样底座117下表面，所述轴杆231下端垂直固定于所述塞件上，所述塞件将容水腔室233分隔为有杆腔235和无杆腔236，所述无杆腔236底部连接有用于向无杆腔236中注水或从无杆腔236中吸水的输水管道234，所述输水管道234上连接有应变控制器238；所述轴杆231下端穿过压力室底座15和容水腔室233顶板伸入容水腔室233内，所述轴杆231位于容水腔室233内的部分垂直固定于塞件上；所述应变控制器238为本领域常用液压控制器，作为一种可行的实施方式，所述应变控制器238为型号为VJT2280的全自动液压控制器；所述无杆腔236中装有水，在进行试验之前，无杆腔236中装有的水量使塞件位于容水腔室233中部；

所述数据采集单元包括荷载传感器31、孔压管道32、孔压传感器33和位移传感器34；所述荷载传感器31安装于压力室顶盖14上且穿入压力室腔13内，所述试样顶盖111上正对荷载传感器31端头处开设有连接口；

所述孔压管道32一端与下透水石116连通，所述孔压传感器33与孔压管道32连接；所述孔压管道32的一端穿过压力室底座15和试样底座117与下透水石116连通；

所述位移传感器34垂直设置于容水腔室233侧方，所述位移传感器34上垂直连接有横杆341，所述横杆341远离位移传感器34的一端穿过所述容水腔室233侧壁且伸入有杆腔235中，所述横杆341位于所述有杆腔235内的部分垂直固定于轴杆231上。

本实施例中，所述压力室腔13包括合围形成空腔式结构的压力室壁12，所述压力室壁12的材质为有机玻璃。

本实施例中，所述橡皮膜118上端口高于试样顶盖111的侧壁中部，所述橡皮膜118下端口低于试样底座117的侧壁中部；

所述橡皮膜118上套设有用于将试样顶盖111和橡皮膜118紧固的上橡胶圈119和有用于将试样底座117和橡皮膜118紧固的下橡胶圈120。

本实施例中，所述塞件与容水腔室233内腔横截面形状匹配，所述塞件包括硬质板232-1和橡胶密封垫圈232-2，所述橡胶密封垫圈232-2套设在所述硬质板232-1上。橡胶密封垫圈232-2包裹硬质板232-1侧壁且橡胶密封垫圈232-2位于硬质板232-1和容水腔室233内壁面之间的部分直接接触容水腔室233内壁面，橡胶密封垫圈232-2直接与容水腔室233内壁面接触并可沿容水腔室233内壁面轴向滑动，即可满足支撑牵拉轴杆231的要求，同时可以有效实现有杆腔235和无杆腔236的阻隔，增加塞件与容水腔室233内壁面的密封性能，避免无杆腔236内的水渗出到有杆腔235中；作为一种可行的实施方式，所述容水腔室233内腔的形状为圆柱形。

所述容水腔室233靠近位移传感器34的侧壁上开设有用于穿过横杆341的通孔237，所述通孔237的形状为长方形，长方形通孔237的长中轴线与横杆341垂直，长方形通孔237下部距离容水腔室233底板的高度高于所述塞件距离容水腔室233底板的高度。塞件距离容水腔室233底板的高度为试验过程中塞件到容水腔室233底板的最高高度。

本实施例中，所述荷载传感器31端头包括固定连接的端杆311和头部，所述端杆311形状为圆柱体形，所述头部的形状为由长方形平面312、柱面313和形状相同且平行的两个侧面314合围形成的曲面几何体，所述端杆311垂直固定于长方形平面312上，所述端杆311截面圆形直径长度≤长方形平面312的宽边长度，所述柱面313两端分别与长方形平面312两个宽边连接且所述柱面313向远离端杆311的方向突出，两个所述侧面314分别位于长方形平面312两侧且每个所述侧面314均与长方形平面312的长边和柱面313的曲边连接；

所述试样顶盖111包括第一试样顶盖111-1或第二试样顶盖111-2；

所述第一试样顶盖111-1上的所述连接口包括开设于第一试样顶盖111-1上表面且与柱面313形状匹配的第一长方形开口4-1；所述形状匹配为第一长方形开口4-1的内底面可与柱面313的曲面最低点抵接；

所述第二试样顶盖111-2上的所述连接口包括第二长方形开口4-2和第三长方形开口4-3，所述第二长方形开口4-2开设于第二试样顶盖111-2上表面，所述第三长方形开口4-3位于第二试样顶盖111-2内部且与第二长方形开口4-2垂直，所述第三长方形开口4-3中部与第二长方形开口4-2中部连通，所述第二长方形开口4-2宽度大于长方形平面312宽边长度且小于长方形平面312长边长度，所述第三长方形开口4-3的宽度大于长方形平面312长边长度，所述第三长方形开口4-3的深度大于所述头部的高度。所述头部的高度为柱面313最远端到长方形平面312的垂直距离。

实施例2

本实施例提供一种应用实施例1所述的黄土应力路径三轴试验用设备进行试验的方法，包括以下步骤：

步骤一、对待测黄土样进行饱和，具体包括：

步骤101、用三瓣膜包裹所述待测黄土样，将钢圈套设在三瓣膜上，得到黄土试件，将上滤纸113放置于所述黄土试件上，将上透水石112置于所述上滤纸113上，将下滤纸115和下透水石116依次放置于所述黄土试件下，用饱和器固定，得到待饱和试件；所述黄土试件高度与试样顶盖111和试样底座117之间高度匹配，所述黄土试件上表面与试样顶盖111截面形状匹配；

步骤102、将步骤101所述待饱和试件置于充满水的容器中，密封放置有所述待饱和试件的所述容器，抽气，取出，得到抽气后待饱和试件；作为一种可行的实施方式，所述抽气的时间为4h；所述水为无气水；

步骤103、将步骤102所述抽气后待饱和试件置于试样底座117上，将试样顶盖111置于待饱和试件上，套上橡皮膜118，用上橡胶圈119和下橡胶圈120固定，施加围压和反压至饱和，得到饱和后试件；所述饱和为孔压增量与围压增量的比值≥0.98；所述孔压增量与围压增量的比值为孔压增量/围压增量；所述施加围压和反压至饱和的过程为多级施压过程，每级施压过程完毕，将相应级数施压过程内孔压增量与围压增量进行比较，当孔压增量与围压增量的比值≥0.98，完成饱和，当孔压增量与围压增量的比值＜0.98，进行下一级施压过程；每级施压过程均包括先施加恒定围压后施加增量围压，每级施压过程均包括先施加恒定反压后停止施加反压，所述围压增量为所述增量围压与对应级数内恒定围压的差值，所述孔压增量为对应级数内施加增量围压前后孔压的差值，施加增量围压前孔压数值的采集在停止施加反压后；

每级施压过程中，施加恒定围压持续的时间和施加恒定反压持续的时间均为12h，施加增量围压持续的时间和停止施加反压持续的时间均为5min；

每级施压过程中，增量围压与恒定围压的差值为25kPa，增量围压与相应恒定围压的差值为增量围压-恒定围压；

每级施压过程中，恒定围压与恒定反压的差值为5kPa，恒定围压与恒定反压的差值为恒定围压-恒定反压；

相邻两级施压过程中，后一级的恒定围压与前一级的增量围压相等；

第一级恒定围压为50kPa，第一级恒定围压与第一级恒定反压同时开始施加；

本实施例中施加围压和反压至饱和的过程具体为：利用围压控制器211和围压管道212向抽气后待饱和试件施加50kPa的第一级恒定围压，同时利用反压控制器222和反压管道221向抽气后待饱和试件施加45kPa第一级恒定反压，施加第一级恒定围压和第一级恒定反压并持续12h后停止施加反压，采集孔压数值为第一级初始孔压数值，然后将50kPa的第一级恒定围压调整为75kPa的第一级增量围压并持续5min，采集孔压数值记录为第一级调整后孔压数值，根据第一级增量围压与的第一级恒定围压差值确定围压增量，根据第一级调整后孔压数值与第一级初始孔压数值的差值确定孔压增量，若孔压增量与围压增量的比值≥0.98，完成饱和；

若孔压增量与围压增量的比值＜0.98，进行第二级施压过程，具体包括：施加75kPa的第二级恒定围压和70kPa的第二级恒定反压，同时施加第二级恒定围压和第二级恒定反压并持续12h后停止施加反压，采集孔压数值为第二初始孔压数值，然后将75kPa的第二级恒定围压调整为100kPa的第二级增量围压并持续5min，采集孔压数值记录为第二级调整后孔压数值，根据第二级增量围压与第二级恒定围压差值确定围压增量，根据第二级调整后孔压数值与第二级初始孔压数值的差值确定孔压增量，若孔压增量与围压增量的比值≥0.98，完成饱和，若比值＜0.98，继续进行第三级施压过程；

步骤二、对饱和后试件进行固结，具体包括：保持步骤103饱和状态下反压，同时利用围压控制器211和围压管道212向步骤103中所述饱和后试件施加固结压力，施加饱和状态下反压和固结压力过程中，饱和后试件中水流入反压管道221，同时孔压传感器33实时监测孔压，监测所得孔压降低至步骤103饱和状态下孔压数值时，固结完成；施加饱和状态下反压和固结压力的持续时间≤12h；所述固结压力为100kPa～600kPa；本实施例中，所述固结压力可以为100kPa、250kPa、400kPa或600kPa；固结过程平均应力与偏应力关系见图9中直线OA，固结过程在反压和围压作用下，试样不产生偏应力q。

步骤三、以步骤二固结后试件为试样114进行剪切试验，所述剪切试验包括传统三轴压缩路径、减围压三轴压缩路径、轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径；当进行传统三轴压缩路径或减围压三轴压缩路径时，步骤103所述试样顶盖111为第一试样顶盖111-1，当进行轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径时，步骤103所述试样顶盖111为第二试样顶盖111-2；

所述传统三轴压缩路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，在应变控制器238作用下，输水管道234向无杆腔236中输入水，无杆腔236中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆231上升，轴杆231上升推动试样底座117向上，试样底座117向上带动试样114和第一试样顶盖111-1向上移动至荷载传感器31端头与第一长方形开口4-1底面抵接；

通过应变控制器238使轴杆231按照预定应变速率向上移动，施加轴向力，向上推动试样底座117，荷载传感器31、孔压传感器33和位移传感器34采集相应数据并传输给计算机进行换算，轴杆231位移增量为20％时，停止试验；所述位移增量以荷载传感器31端头与第一长方形开口4-1底面抵接时对应塞件高度为位移初始值，作为一种可行的实施方式，位移初始值为80mm，位移终点值为96mm即达到位移增量为20％；所述预定应变速率为应变控制器238控制输水管道234以预定流量向无杆腔236中充水以使轴杆231以预定移动速率向上移动；

本实施例中传统三轴压缩路径的平均应力与偏应力关系见图9中直线AB，其中，纵坐标为偏应力q，单位为kPa，其数值为轴向力与试样横截面积的比值，横坐标为平均应力p，单位为kPa；偏应力q＝σ₁-σ₃，其中σ₁为轴向应力，单位为kPa，σ₃为围压，单位为kPa；随着轴向力增加，偏应力q增加，围压σ₃不变，试样承受的轴向应力σ₁增加；

所述减围压三轴压缩路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，在应变控制器238作用下，输水管道234向无杆腔236中输入水，无杆腔236中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆231上升，轴杆231上升推动试样底座117向上，试样底座117向上带动试样114和第一试样顶盖111-1向上移动至荷载传感器31端头与第一长方形开口4-1底面抵接；

通过应变控制器238使轴杆231按照预定轴向力增量上升，施加轴向力，向上推动试样底座117，同时围压控制器211以固结压力为起点按照预定围压减量施加围压，荷载传感器31、孔压传感器33和位移传感器34采集相应数据并传输给计算机进行换算，轴杆231位移增量为20％时，停止试验；所述预定围压减量为单位时间内围压减少的数值，预定围压减量的绝对值与偏应力增量的绝对值相同，所述偏应力增量为单位时间内偏应力的增加量，所述偏应力为按照预定轴向力增量施加轴向力过程中所述轴向力与试样114上表面积的比值，所述轴向力可通过荷载传感器进行测定，所述围压的单位为kPa，所述偏应力的单位为kPa，所述轴向力的单位为kN，所述试样114上表面积单位为m²；本实施例中减围压三轴压缩路径的平均应力与偏应力关系见图9中直线AC，其中，纵坐标为偏应力q，单位为kPa，其数值为轴向力与试样横截面积的比值，横坐标为平均应力p，单位为kPa；偏应力q＝σ₁-σ₃，其中σ₁为轴向应力，单位为kPa，σ₃为围压，单位为kPa；随着轴向力增加，偏应力q增加，围压σ₃减小，偏应力增加的速率与围压减小的速率相等，试样承受的轴向应力σ₁不变；

所述轴向减载三轴伸长路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，在应变控制器238作用下，输水管道234向无杆腔236中输入水，无杆腔236中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆231上升，轴杆231上升推动试样底座117向上，试样底座117向上带动试样114和第一试样顶盖111-1向上移动至荷载传感器31的所述头部置于第三长方形开口4-3内，转动橡皮膜118内的第二试样顶盖111-2使所述头部卡合在第二长方形开口4-2下；

通过应变控制器238使轴杆231按照预定应变减量向下移动，施加轴向力，向下拉动试样底座117，荷载传感器31、孔压传感器33和位移传感器34采集相应数据并传输给计算机进行换算，至轴杆231位移减量为20％时，停止试验；所述预定应变减量为应变控制器238控制输水管道234以预定流量从无杆腔236中吸水；本实施例中轴向减载三轴伸长路径的平均应力与偏应力关系见图9中直线AD，其中，纵坐标为偏应力q，单位为kPa，其数值为轴向力与试样横截面积的比值，横坐标为平均应力p，单位为kPa，q＝σ₁-σ₃，其中σ₁为轴向应力，单位为kPa，σ₃为围压，单位为kPa；随着轴向力减小，偏应力q减小，围压σ₃不变，试样承受的轴向应力σ₁减小；

所述传统三轴伸长路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，在应变控制器238作用下，输水管道234向无杆腔236中输入水，无杆腔236中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆231上升，轴杆231上升推动试样底座117向上，试样底座117向上带动试样114和第一试样顶盖111-1向上移动至荷载传感器31的所述头部置于第三长方形开口4-3内，转动橡皮膜118内的第二试样顶盖111-2使所述头部卡合在第二长方形开口4-2下；

通过应变控制器238使轴杆231按照预定轴向力减量向下移动，施加轴向力，向下拉动试样底座117，同时围压控制器211以固结压力为起点按照预定围压增量施加围压，荷载传感器31、孔压传感器33和位移传感器34采集相应数据并传输给计算机进行换算，至轴杆231位移减量为20％时，停止试验；所述预定围压增量为单位时间内围压增加的数值，预定围压增量的绝对值与偏应力减量的绝对值相同，所述偏应力减量为单位时间内偏应力的减小量，所述偏应力为按照预定轴向力减量施加轴向力过程中所述轴向力与试样114上表面积的比值。本实施例中传统三轴伸长路径的平均应力与偏应力关系见图9中直线AE，其中，纵坐标为偏应力q，单位为kPa，其数值为轴向力与试样横截面积的比值，横坐标为平均应力p，单位为kPa，q＝σ₁-σ₃，其中σ₁为轴向应力，单位为kPa，σ₃为围压，单位为kPa；随着轴向力减小，偏应力q减小，围压σ₃增加，偏应力减小的速率与围压增加速率相等，试样承受的轴向应力σ₁不变。

采用本实施例的方法可以快速实现黄土试样的饱和，并对饱和后试样进行包括传统三轴压缩路径、减围压三轴压缩路径、轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径在内的剪切试验。其中，传统三轴压缩路径和减围压三轴压缩路径的强度包络线图如图10所示，采用实施例2的方法进行轴向减载三轴伸长路径和传统三轴伸长路径的强度包络线图如图11所示，图中强度包络线斜率为有效内摩擦角，作为衡量有效应力强度常用指标，有效内摩擦角大小与有效应力强度呈正相关。由图10和图11可以看出，在不同剪切路径下，试样表现出不同有效应力强度，采用本发明的方法可以指示不同路径下黄土有效应力强度，全面考虑不同变形路径下黄土强度特性，有效反映出不同路径下土壤变形性能，为黄土性能评价提供更合理的数据支撑。

实施例3

本实施例与实施例2相同，其中不同之处在于，步骤103中，

施加恒定围压持续的时间和相应施加恒定反压持续的时间均为10h，所述施加增量围压持续的时间和相应停止施加反压持续的时间均为10min；

每级饱和过程中的增量围压与相应恒定围压的差值为30kPa；

每级饱和过程中的恒定围压与恒定反压的差值为2kPa；

第一级恒定围压为60kPa。

采用本实施例的方法可以实现对黄土进行满足规范要求的饱和过程和进行包括传统三轴压缩路径、减围压三轴压缩路径、轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径的剪切试验。

实施例4

本实施例与实施例2相同，其中不同之处在于，步骤103中，

施加恒定围压持续的时间和相应施加恒定反压持续的时间均为16h，所述施加增量围压持续的时间和相应停止施加反压持续的时间均为3min；

每级饱和过程中的增量围压与相应恒定围压的差值为20kPa；

每级饱和过程中的恒定围压与恒定反压的差值为8kPa；

第一级恒定围压为40kPa。

采用本实施例的方法可以实现对黄土进行满足规范要求的饱和过程和进行包括传统三轴压缩路径、减围压三轴压缩路径、轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径的剪切试验。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，包括压力室组件、压力加载单元和数据采集单元；

所述压力室组件包括压力室和试样组件，所述压力室包括压力室腔(13)、压力室顶盖(14)和压力室底座(15)，所述压力室顶盖(14)设置于压力室腔(13)上部，所述压力室底座(15)设置于压力室腔(13)下部，所述试样组件设置于压力室腔(13)内；

所述试样组件包括试样单元和包裹在所述试样单元上的橡皮膜(118)，所述试样单元包括由上到下依次设置的试样顶盖(111)、上透水石(112)、上滤纸(113)、试样(114)、下滤纸(115)、下透水石(116)和试样底座(117)；

所述压力加载单元包括围压加载组件、反压加载组件和轴压加载组件；

所述围压加载组件包括围压管道(212)，所述围压管道(212)一端与压力室腔(13)连通，所述围压管道(212)上连接有围压控制器(211)；

所述反压加载组件包括反压管道(221)，所述反压管道(221)一端与上透水石(112)连通，所述反压管道(221)上连接有反压控制器(222)；

所述轴压加载组件包括容水腔室(233)、轴杆(231)和设置于容水腔室(233)内且可沿容水腔室(233)内壁面轴向移动的塞件，所述容水腔室(233)设置于压力室底座(15)下部且与压力室底座(15)下表面固定连接，所述轴杆(231)上端垂直固定于试样底座(117)下表面，所述轴杆(231)下端垂直固定于所述塞件上，所述塞件将容水腔室(233)分隔为有杆腔(235)和无杆腔(236)，所述无杆腔(236)底部连接有用于向无杆腔(236)中注水或从无杆腔(236)中吸水的输水管道(234)，所述输水管道(234)上连接有应变控制器(238)；

所述数据采集单元包括荷载传感器(31)、孔压管道(32)、孔压传感器(33)和位移传感器(34)；所述荷载传感器(31)安装于压力室顶盖(14)上且穿入压力室腔(13)内，所述试样顶盖(111)上正对荷载传感器(31)端头处开设有连接口；

所述孔压管道(32)一端与下透水石(116)连通，所述孔压传感器(33)与孔压管道(32)连接；

所述位移传感器(34)垂直设置于容水腔室(233)侧方，所述位移传感器(34)上垂直连接有横杆(341)，所述横杆(341)远离位移传感器(34)的一端穿过所述容水腔室(233)侧壁且伸入有杆腔(235)中，所述横杆(341)位于所述有杆腔(235)内的部分垂直固定于轴杆(231)上。

2.根据权利要求1所述的一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，所述压力室腔(13)包括合围形成空腔式结构的压力室壁(12)，所述压力室壁(12)的材质为有机玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，所述橡皮膜(118)上端口高于试样顶盖(111)的侧壁中部，所述橡皮膜(118)下端口低于试样底座(117)的侧壁中部；

所述橡皮膜(118)上套设有用于将试样顶盖(111)和橡皮膜(118)紧固的上橡胶圈(119)和有用于将试样底座(117)和橡皮膜(118)紧固的下橡胶圈(120)。

4.根据权利要求1所述的一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，所述塞件与容水腔室(233)内腔横截面形状匹配，所述塞件包括硬质板(232-1)和橡胶密封垫圈(232-2)，所述橡胶密封垫圈(232-2)套设在硬质板(232-1)上；

所述容水腔室(233)靠近位移传感器(34)的侧壁上开设有用于穿过横杆(341)的通孔(237)，所述通孔(237)的形状为长方形，长方形通孔(237)的长中轴线与横杆(341)垂直，长方形通孔(237)下部距离容水腔室(233)底板的高度高于所述塞件距离容水腔室(233)底板的高度。

5.根据权利要求1所述的一种黄土应力路径三轴试验用设备，其特征在于，所述荷载传感器(31)端头包括固定连接的端杆(311)和头部，所述端杆(311)形状为圆柱体形，所述头部的形状为由长方形平面(312)、柱面(313)和形状相同且平行的两个侧面(314)合围形成的曲面几何体，所述端杆(311)垂直固定于长方形平面(312)上，所述端杆(311)截面圆形直径长度≤长方形平面(312)的宽边长度，所述柱面(313)两端分别与长方形平面(312)两个宽边连接且所述柱面(313)向远离端杆(311)的方向突出，两个所述侧面(314)分别位于长方形平面(312)两侧且每个所述侧面(314)均与长方形平面(312)的长边和柱面(313)的曲边连接；

所述试样顶盖(111)包括第一试样顶盖(111-1)或第二试样顶盖(111-2)；

所述第一试样顶盖(111-1)上的所述连接口包括开设于第一试样顶盖(111-1)上表面且与柱面(313)形状匹配的第一长方形开口(4-1)；

所述第二试样顶盖(111-2)上的所述连接口包括第二长方形开口(4-2)和第三长方形开口(4-3)，所述第二长方形开口(4-2)开设于第二试样顶盖(111-2)上表面，所述第三长方形开口(4-3)位于第二试样顶盖(111-2)内部且与第二长方形开口(4-2)垂直，所述第三长方形开口(4-3)中部与第二长方形开口(4-2)中部连通，所述第二长方形开口(4-2)宽度大于长方形平面(312)宽边长度且小于长方形平面(312)长边长度，所述第三长方形开口(4-3)的宽度大于长方形平面(312)长边长度，所述第三长方形开口(4-3)的深度大于所述头部的高度。

6.一种应用如权利要求1～5任一权利要求所述的黄土应力路径三轴试验用设备进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对待测黄土样进行饱和，具体包括：

步骤101、用三瓣膜包裹所述待测黄土样，将钢圈套设在三瓣膜上，得到黄土试件，将上滤纸(113)放置于所述黄土试件上，将上透水石(112)置于所述上滤纸(113)上，将下滤纸(115)和下透水石(116)依次放置于所述黄土试件下，用饱和器固定，得到待饱和试件；

步骤102、将步骤101所述待饱和试件置于充满水的容器中，密封，抽气，取出，得到抽气后待饱和试件；

步骤103、将步骤102所述抽气后待饱和试件置于试样底座(117)上，将试样顶盖(111)置于待饱和试件上，套上橡皮膜(118)，施加围压和反压至饱和，得到饱和后试件；所述饱和为孔压增量与围压增量的比值≥0.98；

步骤二、对饱和后试件进行固结，具体包括：保持步骤103饱和状态下反压，同时利用围压控制器(211)和围压管道(212)向步骤103中所述饱和后试件施加固结压力，孔压传感器(33)实时监测孔压，监测所得孔压降低至步骤103饱和状态下孔压数值时，固结完成；施加饱和状态下反压和固结压力的持续时间≤12h；所述固结压力为100kPa～600kPa；

步骤三、以步骤二固结后试件为试样(114)进行剪切试验。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤103中所述施加围压和反压至饱和的过程为多级施压过程，每级施压过程完毕，将相应级数施压过程内孔压增量与围压增量进行比较，当孔压增量与围压增量的比值≥0.98，完成饱和，当孔压增量与围压增量的比值＜0.98，进行下一级施压过程；每级施压过程均包括先施加恒定围压后施加增量围压，每级施压过程均包括先施加恒定反压后停止施加反压，所述围压增量为所述增量围压与对应级数内恒定围压的差值，所述孔压增量为对应级数内施加增量围压前后孔压的差值，施加增量围压前孔压数值的采集在停止施加反压后；

每级施压过程中，施加恒定围压持续的时间和施加恒定反压持续的时间均为10h～16h，施加增量围压持续的时间和停止施加反压持续的时间均为3min～10min；

每级施压过程中，增量围压与恒定围压的差值为20kPa～30kPa，增量围压与相应恒定围压的差值为增量围压-恒定围压；

每级施压过程中，恒定围压与恒定反压的差值为2kPa～8kPa，恒定围压与恒定反压的差值为恒定围压-恒定反压；

相邻两级施压过程中，后一级的恒定围压与前一级的增量围压相等；

第一级恒定围压为40kPa～60kPa，第一级恒定围压与第一级恒定反压同时开始施加。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

每级施压过程中，施加恒定围压持续的时间和施加恒定反压持续的时间均为12h，施加增量围压持续的时间和相应停止施加反压持续的时间均为5min；

每级施压过程中，增量围压与恒定围压的差值为25kPa；

每级施压过程中，恒定围压与恒定反压的差值为5kPa；

第一级恒定围压为50kPa。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤103所述试样顶盖(111)为第一试样顶盖(111-1)或第二试样顶盖(111-2)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤三所述剪切试验包括传统三轴压缩路径、减围压三轴压缩路径、轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径；当进行传统三轴压缩路径或减围压三轴压缩路径时，步骤103所述试样顶盖(111)为第一试样顶盖(111-1)，当进行轴向减载三轴伸长路径或传统三轴伸长路径时，步骤103所述试样顶盖(111)为第二试样顶盖(111-2)；

所述传统三轴压缩路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，输水管道(234)向无杆腔(236)中输入水，无杆腔(236)中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆(231)上升，轴杆(231)上升推动试样底座(117)向上，至荷载传感器(31)端头与第一长方形开口(4-1)底面抵接；

通过应变控制器(238)使轴杆(231)按照预定应变速率向上移动，荷载传感器(31)、孔压传感器(33)和位移传感器(34)采集相应数据并传输给计算机进行换算，轴杆(231)位移增量为20％时，停止试验；

所述减围压三轴压缩路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，输水管道(234)向无杆腔(236)中输入水，无杆腔(236)中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆(231)上升，轴杆(231)上升推动试样底座(117)向上，至荷载传感器(31)端头与第一长方形开口(4-1)底面抵接；

通过应变控制器(238)使轴杆(231)按照预定轴向力增量上升，同时围压控制器(211)以预定围压减量施加围压，荷载传感器(31)、孔压传感器(33)和位移传感器(34)采集相应数据并传输给计算机进行换算，轴杆(231)位移增量为20％时，停止试验；所述预定围压减量为单位时间内围压减少的数值，预定围压减量的绝对值与偏应力增量的绝对值相等，所述偏应力增量为单位时间内偏应力的增加量，所述偏应力为轴向力与试样(114)上表面积的比值，所述围压的单位为kPa，所述偏应力的单位为kPa，所述轴向力的单位为kN，所述试样(114)上表面积单位为m²；

所述轴向减载三轴伸长路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，输水管道(234)向无杆腔(236)中输入水，无杆腔(236)中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆(231)上升，轴杆(231)上升推动试样底座(117)向上，至荷载传感器(31)的所述头部置于第三长方形开口(4-3)内，转动橡皮膜(118)内的第二试样顶盖(111-2)使所述头部卡合在第二长方形开口(4-2)下；

通过应变控制器(238)使轴杆(231)按照预定应变减量向下移动，荷载传感器(31)、孔压传感器(33)和位移传感器(34)采集相应数据并传输给计算机进行换算，至轴杆(231)位移减量为20％时，停止试验；

所述传统三轴伸长路径具体包括：停止施加反压并按照与固结压力相等数值施加围压，输水管道(234)向无杆腔(236)中输入水，无杆腔(236)中水量增加带动塞件上升，塞件上升带动轴杆(231)上升，轴杆(231)上升推动试样底座(117)向上，至荷载传感器(31)的所述头部置于第三长方形开口(4-3)内，转动橡皮膜(118)内的第二试样顶盖(111-2)使所述头部卡合在第二长方形开口(4-2)下；

通过应变控制器(238)使轴杆(231)按照预定轴向力减量向下移动，施加轴向力，同时围压控制器(211)以预定围压增量施加围压，荷载传感器(31)、孔压传感器(33)和位移传感器(34)采集相应数据并传输给计算机进行换算，至轴杆(231)位移减量为20％时，停止试验；所述预定围压增量为单位时间内围压增加的数值，预定围压增量的绝对值与偏应力减量的绝对值相同，所述偏应力减量为单位时间内偏应力的减小量，所述偏应力为轴向力与试样(114)上表面积的比值。

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