CN112710809B - 一种水力耦合作用下土体试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水力耦合作用下土体试验系统及方法，该系统包括底座、升降机构和围压装置，以及轴压装置、渗水加载机构和数据处理器，围压装置包括围压室和围压加载测量机构，渗水加载机构包括渗水部件和集水部件；轴压装置包括轴压加载架、轴压测量部件和位移计，轴压测量部件包括测力传感器、上传递杆和下传递杆；该方法包括以下步骤：一、试验前准备；二、饱和圆柱土样的固结试验；三、饱和圆柱土样的轴压力加载试验；四、饱和圆柱土样的水力耦合试验；五、饱和圆柱土样的剪切破坏试验。本发明在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，从而便于后续研究土样的力学参数。

Description

一种水力耦合作用下土体试验系统及方法
技术领域
本发明属于岩土工程试验领域，尤其是涉及一种水力耦合作用下土体试验系统及方法。
背景技术
当前，研究各类土样水力耦合作用下变形特性的室内试验主要包括：直剪试验、基于固结仪的固结试验和常规三轴剪切试验等。直剪仪由于没有渗水装置，只能对不同含水量条件下的土样开展剪切试验，即“双线法”，因此不能直接反映土样渗透过程中的力学性质；且直剪仪无法在剪切过程中测定土样的轴向应变、体积应变和渗透系数等力学参数。固结仪虽可对试验过程中的土样进行阶段性的加载与渗水，但仍不能较为真实的反映土样性质；且固结仪同样存在监测指标较少的问题。常规的三轴剪切仪主要由压力室、加载架、反压装置、排水管和监测设备等组成。三轴剪切仪中渗水过程中土样处于非饱和状态，因此排水管中测定的排水量并不能表征体积应变。对于渗水过程，由于不能确定反压装置中的渗水量，因此也无法通过排水管推算土样的体积应变及渗透系数。即常规的三轴剪切仪可开展水力耦合的试验，但是无法测定试样的体积应变和渗透系数，而体积应变和渗透系数是反映土样结构变化、密实程度和渗透特性的重要指标。
因此，现如今缺少一种水力耦合作用下土体试验系统及方法，能在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，试验操作便捷，从而便于后续研究土样的力学参数。
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中的不足，提供一种水力耦合作用下土体试验系统，其设计合理，能在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，试验操作便捷，从而便于后续研究土样的力学参数。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种水力耦合作用下土体试验系统，其特征在于：包括底座、设置在底座上的升降机构和设置在所述升降机构上的围压装置，以及设置在所述围压装置上的轴压装置、与所述围压装置连通的渗水加载机构和用于数据采集处理的数据处理器；
所述围压装置包括供放置饱和圆柱土样的围压室和与所述围压室连接的围压加载测量机构，所述渗水加载机构包括与饱和圆柱土样顶部连通的渗水部件和与所述饱和圆柱土样底部连通的集水部件；
所述轴压装置包括设置在底座上的轴压加载架、与所述轴压加载架配合的轴压测量部件和与所述轴压测量部件连接的位移计，所述轴压测量部件包括测力传感器、安装在测力传感器顶部且与所述轴压加载架配合的上传递杆和安装在测力传感器底部的下传递杆，所述下传递杆的底部穿过围压室与饱和圆柱土样的顶部接触；所述下传递杆上设置有供位移计安装的安装杆，所述位移计的伸缩探针抵接在围压室的顶面，所述测力传感器和位移计的输出端与数据处理器的输入端连接；
所述饱和圆柱土样外侧壁安装橡胶模，所述橡胶模的顶部套设上密封圈，所述橡胶模的顶部和顶托的外侧面密封贴合，所述在橡胶模的底部套设下密封圈，所述橡胶模的底部和底托的外侧面密封贴合。
上述的一种水力耦合作用下土体试验系统，其特征在于：所述渗水部件包括渗水筒、设置在渗水筒顶部且与所述渗水筒连通的加压管和设置在渗水筒底部且为围压室内饱和圆柱土样注水的注水管，所述注水管上设置有注水阀，所述加压管上设置有加压阀和压力表，所述渗水筒中设置有上水位传感器；
所述集水部件包括与饱和圆柱土样底部连接的排水管和与所述排水管连通的集水筒，所述集水筒内设置有下水位传感器，所述上水位传感器的输出端和下水位传感器的输出端均与数据处理器的输入端连接，所述排水管上设置有排水阀。
上述的一种水力耦合作用下土体试验系统，其特征在于：所述围压加载测量机构包括外层承压管和设置在外层承压管中的内层测管，所述外层承压管和内层测管同轴布设，所述内层测管的外侧壁和所述外层承压管的内侧壁之间设置有间隙，所述外层承压管的底部外和所述内层测管的底部内相贴合，所述内层测管的顶面低于所述外层承压管的顶部底面，且所述内层测管的顶部开口；
所述内层测管通过连接管与围压室底部内连通，所述连接管上设置有出水阀，所述内层测管中设置有内水位传感器，所述内水位传感器的输出端与数据处理器的输入端连接；
所述外层承压管顶部设置有外加压管，所述外加压管上设置有外加压阀和外压力表。
上述的一种水力耦合作用下土体试验系统，其特征在于：所述升降机构包括升降底板和两个对称设置在所述升降底板两侧的升降部件，两个所述升降部件结构相同，两个所述升降部件均包括安装在底座上的升降电机、与升降电机传动连接的升降丝杆和套设在所述升降丝杆上的丝母，以及套设在所述升降丝杆上且与所述丝母连接的连接板，所述连接板和升降底板连接，所述围压室安装在升降底板上。
上述的一种水力耦合作用下土体试验系统，其特征在于：所述轴压加载架包括两个对称安装在底座上的立杆和安装在两个立杆上的横梁，所述横梁的两端设置有横梁通孔，所述横梁通孔的直径大于立杆的直径，所述横梁的两端能穿设在立杆上，所述立杆上设置有螺母，所述螺母的数量为两个，两个所述螺母位于横梁的上下侧；
所述横梁上设置有与上传递杆配合的加载杆，所述加载杆上设置有锁紧螺母，所述锁紧螺母的数量为两个，两个所述锁紧螺母位于横梁的上下侧。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、试验前准备：
步骤101、给渗水筒中注水，在渗水筒中注水的过程中，上水位传感器对渗水筒中水位进行检测，并将检测到的渗水筒水位发送至数据处理器，数据处理器将接收到的渗水筒水位记作Lc(0)，直至渗水筒水位满足渗水筒高度的2/3～4/5；
步骤102、给内层测管中注水，在内层测管中注水的过程中，内水位传感器对内层测管中的水位进行检测，并将检测到的内层测管水位发送至数据处理器，直至内层测管水位满足内层测管高度的8/10～9/10；
步骤103、给集水筒中注水，在集水筒中注水的过程中，下水位传感器对集水筒中的水位进行检测，并将检测到的集水筒水位发送至数据处理器，直至集水筒水位满足集水筒高度的1/10～2/10；其中，数据处理器将接收的集水筒水位记作Lp(0)；
步骤104、将饱和圆柱土样放入围压室中；其中，设定饱和圆柱土样的高度为H，饱和圆柱土样的体积为V；
步骤二、饱和圆柱土样的固结试验：
步骤201、操作出水阀、外加压阀打开，通过外加压管给外层承压管内充入压缩气体，内层测管中的水通过连接管为围压室内注水，以使围压室内充满水；其中，在外加压管中充入压缩气体的过程中，外压力表对外加压管中的压力进行检测，通过外加压阀的调节以使外加压管中的压力满足围压试验要求值；其中，围压试验要求值为0.1MPa～1MPa；
步骤202、当围压室内充满水时，内水位传感器对内层测管中的水位进行检测，并将检测到的内层测管水位发送至数据处理器，数据处理器获取围压室内充满水时内层测管的水位，并将围压室内充满水时内层测管的水位记作内层测管初始水位Ln(0)；
步骤203、在对饱和圆柱土样围压的加载过程中，内水位传感器按照预先设定的测量时刻对内层测管中的水位进行实时检测，并将检测到的第i个测量时刻内层测管水位发送至数据处理器，数据处理器将第i个测量时刻内层测管水位记作Ln(i)；
步骤204、数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000051
得到第i个测量时刻饱和圆柱土样的体积应变ε1v(i)；其中，sn表示内层测管的内侧壁围设面积；
步骤205、内水位传感器持续对内层测管中的水位进行实时检测，当数据处理器获得的第I-1个测量时刻内层测管水位Ln(I-1)和第I个测量时刻内层测管水位Ln(I)，且[Ln(I)-Ln(I-1)]/Ln(I-1)＜0.1％时，说明饱和圆柱土样固结试验达到稳定状态；并获取饱和圆柱土样固结试验达到稳定状态时饱和圆柱土样的高度为H′和饱和圆柱土样固结试验达到稳定状态时饱和圆柱土样的体积为V′；
步骤206、数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000052
得到饱和圆柱土样固结试验达到稳定状态时的体积应变ε1v(I)；其中，i和I均为正整数，且1≤i≤I；
步骤207、数据处理器以时间为横坐标，以体积应变为纵坐标，将I个测量时刻和I个测量时刻对应的体积应变进行绘制并拟合，得到固结试验的体积应变时间曲线；
步骤三、饱和圆柱土样的轴压力加载试验：
步骤301、在安装杆上安装位移计，且位移计的伸缩探针抵接在围压室的顶面，并获取位移计的初始值S(0)；
步骤302、通过所述升降机构推动所述围压室向上移动，直至上传递杆的顶部接触加载杆，加载杆施加的压力通过上传递杆、测力传感器和下传递杆传递至饱和圆柱土样，实现对饱和圆柱土样轴压力的加载；
步骤303、在对饱和圆柱土样轴压力的加载过程中，内水位传感器按照预先设定的测量时刻对内层测管中的水位进行实时检测，并将检测到的第i′个测量时刻内层测管水位发送至数据处理器，数据处理器将第i′个测量时刻内层测管水位记作Ln(i′)；
测力传感器对饱和圆柱土样加载的轴压力进行检测，并将检测到的第i′个测量时刻轴压力发送至数据处理器，数据处理器将第i′个测量时刻轴压力记作P(i′)；
同时，在对饱和圆柱土样轴压力的加载过程中，通过下传递杆和安装杆带动位移计的伸缩探针移动，第i′个测量时刻位移计检测到的位移值记作S(i′)；
步骤304、数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000061
得到饱和圆柱土样加载轴压力时第i′个测量时刻的体积应变；
数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000062
得到饱和圆柱土样加载轴压力时第i′个测量时刻的轴向应变ε2z(i′)；
步骤305、内水位传感器持续对内层测管中的水位进行实时检测，当数据处理器获得的第I′-1个测量时刻内层测管水位Ln(I′-1)和第I′个测量时刻内层测管水位Ln(I′)，且[Ln(I′)-Ln(I′-1)]/Ln(I′-1)＜0.1％时，说明饱和圆柱土样轴压力加载达到稳定状态；
步骤306、数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000063
得到饱和圆柱土样轴压力加载达到稳定状态时的体积应变；
数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000064
得到饱和圆柱土样轴压力加载达到稳定状态时的轴向应变ε2z(I′)；其中，i′和I′均为正整数，且I+1≤i′≤I′；S(I′)表示第I′个测量时刻位移计检测到的位移值；
步骤307、数据处理器以时间为横坐标，以体积应变为纵坐标，将I′个测量时刻和I′个测量时刻对应的体积应变进行绘制并拟合，得到轴压力加载的体积应变时间曲线；
数据处理器以时间为横坐标，以轴向应变为纵坐标，将I′个测量时刻和I′个测量时刻对应的轴向应变进行绘制并拟合，得到轴压力加载的轴向应变时间曲线；
数据处理器以轴压力为横坐标，以体积应变为纵坐标，将I′个轴压力和I′个轴压力对应的体积应变进行绘制并拟合，得到轴压力体积应变曲线；
步骤四、饱和圆柱土样的水力耦合试验：
步骤401、操作注水阀打开，通过加压管给渗水筒内充入压缩气体，渗水筒中的水通过注水管为饱和圆柱土样内注水；其中，在加压管中充入压缩气体的过程中，压力表对加压管中的压力进行检测，通过注水阀的调节，以使加压管中的压力满足渗透试验要求值；
步骤402、同时操作排水阀打开，饱和圆柱土样渗透出来的水通过排水管进入集水筒；
步骤403、在对饱和圆柱土样渗透的过程中，内水位传感器按照预先设定的测量时刻对内层测管中的水位进行实时检测，并将检测到的第i″个测量时刻内层测管水位发送至数据处理器，数据处理器将第i″个测量时刻内层测管水位记作Ln(i″)；
同时，通过下传递杆和安装杆带动位移计的伸缩探针移动，第i″个测量时刻位移计检测到的位移值记作S(i″)；
步骤404、数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000071
得到饱和圆柱土样渗透时第i″个测量时刻的体积应变ε3v(i″)；
数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000072
得到饱和圆柱土样渗透时第i″个测量时刻的轴向应变ε3z(i″)；
步骤405、在对饱和圆柱土样渗透的过程中，直至第I″个测量时刻集水筒的水位不发生变化，说明饱和圆柱土样水力耦合试验稳定，操作注水阀和排水阀关闭；
数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000081
得到饱和圆柱土样水力耦合试验稳定时的体积应变ε3v(I″)；其中，Ln(I″)表示第I″个测量时刻内层测管水位，且i″和I″均为正整数，且I′+1≤i″≤I″；
数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000082
得到饱和圆柱土样水力耦合试验稳定时的轴向应变ε3z(I″)；其中，S(I″)表示第I″个测量时刻位移计检测到的位移值；
步骤406、按照步骤307所述的方法，得到水力耦合试验的体积应变时间曲线、水力耦合试验的轴向应变时间曲线；
步骤407、在对饱和圆柱土样渗透的过程中，根据渗水筒中水位和集水筒中水位，得到饱和圆柱土样的渗透系数；
步骤五、饱和圆柱土样的剪切破坏试验：
步骤501、按照步骤301至步骤306所述的方法，对饱和圆柱土样继续进行轴压力的加载，直至饱和圆柱土样发生破坏，并获取饱和圆柱土样发生破坏时的轴压力并记作σz；
步骤502、按照步骤307所述的方法，获取饱和圆柱土样剪切破坏试验的体积应变时间曲线、饱和圆柱土样剪切破坏试验的轴向应变时间曲线和饱和圆柱土样剪切破坏试验的轴压力体积应变曲线。
上述的方法，其特征在于：步骤408中在对饱和圆柱土样渗透的过程中，根据渗水筒中水位和集水筒中水位，得到饱和圆柱土样的渗透系数，具体过程如下：
步骤4081、下水位传感器对集水筒水位进行检测，并将检测到的第i″个测量时刻集水筒水位发送至数据处理器，数据处理器将第i″个测量时刻集水筒水位记作Lc(i″)；
上水位传感器对渗水筒水位进行检测，并将检测到的第i″个测量时刻渗水筒水位发送至数据处理器，数据处理器将第i″个测量时刻渗水筒水位记作Lp(i″)；
步骤4082、数据处理器根据公式Qp(i″)＝(Lp(0)-Lp(i″))×sp，得到第i″个测量时刻流入饱和圆柱土样内的流量Qp(i″)；其中，sp表示渗水筒内侧壁截面面积；
数据处理器根据公式Qc(i″)＝(Lc(i″)-Lc(0))×sc，得到第i″个测量时刻流出饱和圆柱土样内的流量Qc(i″)；其中，sc表示集水筒内侧壁截面面积；
步骤4083、数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000091
得到第i″个测量时刻饱和圆柱土样的渗透系数k(i″)；其中，Δh表示渗透试验要求值，且Δh的取值为10kPa～30kPa。
步骤4084、数据处理器根据公式
Figure BDA0002845416990000092
得到第i″个测量时刻饱和圆柱土样的渗透系数；其中，A表示饱和圆柱土样的横截面积为，Δh表示渗透试验要求值，且Δh的取值为10kPa～30kPa。
上述的一种水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于：步骤302中通过所述升降机构推动所述围压室向上移动，具体过程如下：
操作升降电机转动，升降电机转动带动升降丝杆转动，升降丝杆转动通过丝母和连接板带动围压室垂直向上移动；
在升降电机带动围压室垂直向上移动的过程中，当需要恒定轴向应变加载时，设定轴向应变的加载速率为0.015/min，则围压室垂直向上移动的速率为0.015H′mm/min；
在升降电机带动围压室垂直向上移动的过程中，当需要恒定轴压力加载时，设定轴压力的加载速率为5.0kPa/min～5.9kPa/min。
上述的一种水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于：步骤104中将饱和圆柱土样放入围压室中，具体过程如下：
步骤1041、从待测试土体取土样，并将土样制作成圆柱体试样；
步骤1042、在圆柱体试样的顶部铺设上滤纸，并圆柱体试样的底部铺设下滤纸；
步骤1043、在上滤纸上设置上透水石，在下滤纸下设置下透水石；
步骤1044、并在圆柱体试样外侧壁安装橡胶模；其中，橡胶模的顶部高于上透水石的顶部2cm～3cm，橡胶模的底部低于下透水石的底部2cm～3cm，得到非饱和圆柱土样；
步骤1045、将非饱和圆柱土样放入真空饱和装置中，以使非饱和圆柱土样渗入水24h～48h，得到饱和圆柱土样；
步骤1046、将饱和圆柱土样安装在围压室中底托和顶托之间；其中，下透水石的底部和底托的顶部相贴合，上透水石的顶部和顶托的底部相贴合，橡胶模的底部伸入底托的外侧面，橡胶模的顶部伸入顶托的外侧面；
步骤1047、在橡胶模的顶部套设上密封圈，以使橡胶模的顶部和顶托的外侧面密封贴合；
在橡胶模的底部套设下密封圈，以使橡胶模的底部和底托的外侧面密封贴合。
上述的一种水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于：步骤五之后还可以获取饱和圆柱土样的内摩擦角和黏聚力，具体过程如下：
步骤A、按照步骤201至步骤501所述的方法，设定第一围压试验要求值σw,1下，获取饱和圆柱土样发生破坏时的第一轴压力σz,1；
步骤B、按照步骤201至步骤501所述的方法，设定第二围压试验要求值σw,2下，获取饱和圆柱土样发生破坏时的第二轴压力σz,2；
步骤C、按照步骤201至步骤501所述的方法，设定第三围压试验要求值σw,3下，获取饱和圆柱土样发生破坏时的第三轴压力σz,3；
步骤D、数据处理器建立直角坐标系，并在X轴上描绘第一围压试验要求值σw,1点和第一轴压力σz,1点，且以第一围压试验要求值σw,1点和第一轴压力σz,1点之间的间距为直径画第一圆；其中，第一圆的一个直径和X轴重合；
在X轴上描绘第二围压试验要求值σw,2点和第二轴压力σz,2点，且以第二围压试验要求值σw,2点和第二轴压力σz,2点之间的间距为直径画第二圆；其中，第二圆的一个直径和X轴重合；
在X轴上描绘第三围压试验要求值σw,3点和第三轴压力σz,3点，且以第三围压试验要求值σw,3点和第三轴压力σz,3点之间的间距为直径画第三圆；其中，第三圆的一个直径和X轴重合；
步骤E、数据处理器采用最小二乘法得到第一圆、第二圆和第三圆的公切线，且公切线和X轴之间的夹角为饱和圆柱土样的内摩擦角，公切线和Y轴形成的截距为饱和圆柱土样的黏聚力。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、结构简单、设计合理且安装布设简便，投入成本较低。
2、所采用的围压室，一方面是为了便于饱和圆柱土样的安装，以使饱和圆柱土样的底部和围压室中底托密封贴合，饱和圆柱土样的顶部和顶托的密封贴合，避免围压室中的水对饱和圆柱土样干扰；另一方面，是为了给围压室内注水，从而模拟饱和圆柱土样周侧围压状态，提高了饱和圆柱土样的试验准确度。
3、所采用的渗水加载机构包括渗水部件和集水部件，通过渗水部件给饱和圆柱土样中注水，通过集水部件收集饱和圆柱土样中渗出的水，从而实现饱和圆柱土样的渗透系数测量。
4、所采用的围压加载测量机构，通过围压加载测量机构与围压室连通，一方面实现围压加载测量机构给围压室注水，另一方面饱和圆柱土样发生体积应变挤压围压室中水回流至围压加载测量机构，这样通过围压加载测量机构还能实现饱和圆柱土样的体积应变的测量。
5、所采用的升降机构，是为了通过升降机构中升降电机带动围压室垂直向上移动，既能实现恒定轴向应变的加载试验，又能实现恒定轴压力的加载试验，提高了试验范围。
6、所采用的轴压测量部件包括测力传感器、上传递杆和下传递杆，通过设置下传递杆，便于连接安装杆的安装，从而实现位移计安装，从而便于将饱和圆柱土样的轴向应变通过下传递杆传递至位移计；设置测力传感器，是为了实现对饱和圆柱土样加载的轴压力的检测，从而便于后续获取轴压力体积应变曲线。
7、所采用的水力耦合作用下土体试验步骤简单、实现方便且操作简便，获取土体的轴向应变、体积应变和渗透系数，且试验准确度高。
8、所采用的水力耦合作用下土体试验操作简便且使用效果好，首先试验前准备，其次进行饱和圆柱土样的固结试验，接着是饱和圆柱土样的轴压力加载试验，得到轴压力加载的体积应变时间曲线、轴压力加载的轴向应变时间曲线和轴压力体积应变曲线；然后是饱和圆柱土样的水力耦合试验，得到水力耦合试验的体积应变时间曲线、水力耦合试验的轴向应变时间曲线以及渗透系数；最后是饱和圆柱土样的剪切破坏试验，得到饱和圆柱土样剪切破坏试验的体积应变时间曲线、饱和圆柱土样剪切破坏试验的轴向应变时间曲线和饱和圆柱土样剪切破坏试验的轴压力体积应变曲线。
综上所述，本发明设计合理，能在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，试验操作便捷，从而便于后续研究土样的力学参数。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明水力耦合作用下土体试验系统的结构示意图。
图2为本发明水力耦合作用下土体试验方法的流程框图。
附图标记说明:
1—轴压加载架； 1-1—立杆； 1-2—横梁；
1-3—螺母； 1-4—加载杆； 1-5—锁紧螺母；
2—测力传感器； 2-1—下传递杆； 2-2—安装杆；
2-3—上传递杆； 3—位移计； 4—围压室；
4-1—底托； 4-2—顶托； 5-1—上滤纸；
5-2—下滤纸； 5-3—上透水石； 5-4—下透水石；
6—橡胶模； 7—饱和圆柱土样； 8-1—上密封圈；
8-2—下密封圈； 9-1—升降电机； 9-2—联轴器；
9-3—丝母； 9-4—连接板； 9-5—升降丝杆；
10—数据处理器； 11-1—加压管；
11-2—压力表； 11-3—加压阀； 12—渗水筒；
12-1—上水位传感器； 13—连接管； 13-1—出水阀；
14—注水管； 14-1—注水阀； 15—外层承压管；
15-1—外加压管； 15-2—外压力表； 15-3—外加压阀；
16—内层测管； 16-1—内水位传感器； 17—集水筒；
17-1—下水位传感器； 18—排水管； 18-1—排水阀；
20—底座； 21—升降底板。
具体实施方式
如图1所示的一种水力耦合作用下土体试验系统，包括底座20、设置在底座20上的升降机构和设置在所述升降机构上的围压装置，以及设置在所述围压装置上的轴压装置、与所述围压装置连通的渗水加载机构和用于数据采集处理的数据处理器10；
所述围压装置包括供放置饱和圆柱土样7的围压室4和与所述围压室4连接的围压加载测量机构，所述渗水加载机构包括与饱和圆柱土样7顶部连通的渗水部件和与所述饱和圆柱土样7底部连通的集水部件；
所述轴压装置包括设置在底座20上的轴压加载架1、与所述轴压加载架1配合的轴压测量部件和与所述轴压测量部件连接的位移计3，所述轴压测量部件包括测力传感器2、安装在测力传感器2顶部且与所述轴压加载架1配合的上传递杆2-3和安装在测力传感器2底部的下传递杆2-1，所述下传递杆2-1的底部穿过围压室4与饱和圆柱土样7的顶部接触；所述下传递杆2-1上设置有供位移计3安装的安装杆2-2，所述位移计3的伸缩探针抵接在围压室4的顶面，所述测力传感器2和位移计3的输出端与数据处理器10的输入端连接；
所述饱和圆柱土样7外侧壁安装橡胶模6，所述橡胶模6的顶部套设上密封圈8-1，所述橡胶模6的顶部和顶托4-2的外侧面密封贴合，所述在橡胶模6的底部套设下密封圈8-2，所述橡胶模6的底部和底托4-1的外侧面密封贴合。
本实施例中，所述渗水部件包括渗水筒12、设置在渗水筒12顶部且与所述渗水筒12连通的加压管11-1和设置在渗水筒12底部且为围压室4内饱和圆柱土样7注水的注水管14，所述注水管14上设置有注水阀14-1，所述加压管11-1上设置有加压阀11-3和压力表11-2，所述渗水筒12中设置有上水位传感器12-1；
所述集水部件包括与饱和圆柱土样7底部连接的排水管18和与所述排水管18连通的集水筒17，所述集水筒17内设置有下水位传感器17-1，所述上水位传感器12-1的输出端和下水位传感器17-1的输出端均与数据处理器10的输入端连接，所述排水管18上设置有排水阀18-1。
本实施例中，所述围压加载测量机构包括外层承压管15和设置在外层承压管15中的内层测管16，所述外层承压管15和内层测管16同轴布设，所述内层测管16的外侧壁和所述外层承压管15的内侧壁之间设置有间隙，所述外层承压管15的底部外和所述内层测管16的底部内相贴合，所述内层测管16的顶面低于所述外层承压管15的顶部底面，且所述内层测管16的顶部开口；
所述内层测管16通过连接管13与围压室4底部内连通，所述连接管13上设置有出水阀13-1，所述内层测管16中设置有内水位传感器16-1，所述内水位传感器16-1的输出端与数据处理器10的输入端连接；
所述外层承压管15顶部设置有外加压管15-1，所述外加压管15-1上设置有外加压阀15-3和外压力表15-2。
本实施例中，所述升降机构包括升降底板21和两个对称设置在所述升降底板21两侧的升降部件，两个所述升降部件结构相同，两个所述升降部件均包括安装在底座20上的升降电机9-1、与升降电机9-1传动连接的升降丝杆9-5和套设在所述升降丝杆9-5上的丝母9-3，以及套设在所述升降丝杆9-5上且与所述丝母9-3连接的连接板9-4，所述连接板9-4和升降底板21连接，所述围压室4安装在升降底板21上。
本实施例中，所述轴压加载架1包括两个对称安装在底座20上的立杆1-1和安装在两个立杆1-1上的横梁1-2，所述横梁1-2的两端设置有横梁通孔，所述横梁通孔的直径大于立杆1-1的直径，所述横梁1-2的两端能穿设在立杆1-1上，所述立杆1-1上设置有螺母1-3，所述螺母1-3的数量为两个，两个所述螺母1-3位于横梁1-2的上下侧；
所述横梁1-2上设置有与上传递杆2-3配合的加载杆1-4，所述加载杆1-4上设置有锁紧螺母1-5，所述锁紧螺母1-5的数量为两个，两个所述锁紧螺母1-5位于横梁1-2的上下侧。
本实施例中，围压室4，一方面是为了便于饱和圆柱土样7的安装，以使饱和圆柱土样7的底部和围压室4中底托4-1密封贴合，饱和圆柱土样7的顶部和顶托4-2的密封贴合，避免围压室4中的水对饱和圆柱土样7干扰；另一方面，是为了给围压室4内注水，从而模拟饱和圆柱土样7周侧围压状态，提高了饱和圆柱土样7的试验准确度。
本实施例中，渗水加载机构包括渗水部件和集水部件，通过渗水部件给饱和圆柱土样7中注水，通过集水部件收集饱和圆柱土样7中渗出的水，从而实现饱和圆柱土样7的渗透系数测量。
本实施例中，围压加载测量机构，通过围压加载测量机构与围压室4连通，一方面实现围压加载测量机构给围压室4注水，另一方面饱和圆柱土样7发生体积应变挤压围压室4中水回流至围压加载测量机构，这样通过围压加载测量机构还能实现饱和圆柱土样7的体积应变的测量。
本实施例中，升降机构，是为了通过升降机构中升降电机9-1带动围压室4垂直向下移动，既能实现恒定轴向应变的加载试验，又能实现恒定轴压力的加载试验，提高了试验范围。
本实施例中，轴压测量部件包括测力传感器、上传递杆和下传递杆，通过设置下传递杆，便于连接安装杆2-2的安装，从而实现位移计3安装，从而便于将饱和圆柱土样7的轴向应变通过下传递杆传递至位移计3；设置测力传感器，是为了实现对饱和圆柱土样7加载的轴压力的检测，从而便于后续获取轴压力体积应变曲线。
本实施例中，实际连接时，所述升降电机9-1的输出轴通过联轴器9-2与升降丝杆9-5传动连接。
本实施例中，所述数据处理器10为计算机，实际使用时，所述数据处理器10还可为单片机、ARM微控制器或者DSP微控制器。
本实施例中，上水位传感器12-1、下水位传感器17-1、内水位传感器16-1可参考PY201-RS485型号的液位传感器，其具有高精度、高可靠性、使用方便等优点。
本实施例中，升降电机9-1可参考伺服电机。
本实施例中，位移计3可参考电感调频式位移传感器。
本实施例中，所述测力传感器2为S型测力传感器。
如图2所示的一种水力耦合作用下土体试验方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、试验前准备：
步骤101、给渗水筒12中注水，在渗水筒12中注水的过程中，上水位传感器12-1对渗水筒12中水位进行检测，并将检测到的渗水筒水位发送至数据处理器10，数据处理器10将接收到的渗水筒水位记作Lc(0)，直至渗水筒水位满足渗水筒12高度的2/3～4/5；
步骤102、给内层测管16中注水，在内层测管16中注水的过程中，内水位传感器16-1对内层测管16中的水位进行检测，并将检测到的内层测管水位发送至数据处理器10，直至内层测管水位满足内层测管16高度的8/10～9/10；
步骤103、给集水筒17中注水，在集水筒17中注水的过程中，下水位传感器17-1对集水筒17中的水位进行检测，并将检测到的集水筒水位发送至数据处理器10，直至集水筒水位满足集水筒高度的1/10～2/10；其中，数据处理器10将接收的集水筒水位记作Lp(0)；
步骤104、将饱和圆柱土样7放入围压室4中；其中，设定饱和圆柱土样7的高度为H，饱和圆柱土样7的体积为V；
步骤二、饱和圆柱土样的固结试验：
步骤201、操作出水阀13-1、外加压阀15-3打开，通过外加压管15-1给外层承压管15内充入压缩气体，内层测管16中的水通过连接管13为围压室4内注水，以使围压室4内充满水；其中，在外加压管15-1中充入压缩气体的过程中，外压力表15-2对外加压管15-1中的压力进行检测，通过外加压阀15-3的调节以使外加压管15-1中的压力满足围压试验要求值；其中，围压试验要求值为0.1MPa～1MPa；
步骤202、当围压室4内充满水时，内水位传感器16-1对内层测管16中的水位进行检测，并将检测到的内层测管水位发送至数据处理器10，数据处理器10获取围压室内充满水时内层测管的水位，并将围压室内充满水时内层测管的水位记作内层测管初始水位Ln(0)；
步骤203、在对饱和圆柱土样7围压的加载过程中，内水位传感器16-1按照预先设定的测量时刻对内层测管16中的水位进行实时检测，并将检测到的第i个测量时刻内层测管水位发送至数据处理器10，数据处理器10将第i个测量时刻内层测管水位记作Ln(i)；
步骤204、数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000171
得到第i个测量时刻饱和圆柱土样7的体积应变ε1v(i)；其中，sn表示内层测管16的内侧壁围设面积；
步骤205、内水位传感器16-1持续对内层测管16中的水位进行实时检测，当数据处理器10获得的第I-1个测量时刻内层测管水位Ln(I-1)和第I个测量时刻内层测管水位Ln(I)，且[Ln(I)-Ln(I-1)]/Ln(I-1)＜0.1％时，说明饱和圆柱土样7固结试验达到稳定状态；
步骤206、数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000181
得到饱和圆柱土样7固结试验达到稳定状态时的体积应变ε1v(I)；其中，i和I均为正整数，且1≤i≤I；
步骤207、数据处理器10以时间为横坐标，以体积应变为纵坐标，将I个测量时刻和I个测量时刻对应的体积应变进行绘制并拟合，得到固结试验的体积应变时间曲线；
步骤三、饱和圆柱土样的轴压力加载试验：
步骤301、在安装杆2-2上安装位移计3，且位移计3的伸缩探针抵接在围压室4的顶面，并获取位移计3的初始值S(0)；
步骤302、通过所述升降机构推动所述围压室4向上移动，直至上传递杆2-3的顶部接触加载杆1-4，加载杆1-4施加的压力通过上传递杆2-3、测力传感器2和下传递杆2-1传递至饱和圆柱土样7，实现对饱和圆柱土样7轴压力的加载；
步骤303、在对饱和圆柱土样7轴压力的加载过程中，内水位传感器16-1按照预先设定的测量时刻对内层测管16中的水位进行实时检测，并将检测到的第i′个测量时刻内层测管水位发送至数据处理器10，数据处理器10将第i′个测量时刻内层测管水位记作Ln(i′)；
测力传感器2对饱和圆柱土样7加载的轴压力进行检测，并将检测到的第i′个测量时刻轴压力发送至数据处理器10，数据处理器10将第i′个测量时刻轴压力记作P(i′)；
同时，在对饱和圆柱土样7轴压力的加载过程中，通过下传递杆2-1和安装杆2-2带动位移计3的伸缩探针移动，第i′个测量时刻位移计3检测到的位移值记作S(i′)；
步骤304、数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000191
得到饱和圆柱土样7加载轴压力时第i′个测量时刻的体积应变；
数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000192
得到饱和圆柱土样7加载轴压力时第i′个测量时刻的轴向应变ε2z(i′)；
步骤305、内水位传感器16-1持续对内层测管16中的水位进行实时检测，当数据处理器10获得的第I′-1个测量时刻内层测管水位Ln(I′-1)和第I′个测量时刻内层测管水位Ln(I′)，且[Ln(I′)-Ln(I′-1)]/Ln(I′-1)＜0.1％时，说明饱和圆柱土样7轴压力加载达到稳定状态；
步骤306、数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000193
得到饱和圆柱土样7轴压力加载达到稳定状态时的体积应变；
数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000194
得到饱和圆柱土样7轴压力加载达到稳定状态时的轴向应变ε2z(I′)；其中，i′和I′均为正整数，且I+1≤i′≤I′；S(I′)表示第I′个测量时刻位移计3检测到的位移值；
步骤307、数据处理器10以时间为横坐标，以体积应变为纵坐标，将I′个测量时刻和I′个测量时刻对应的体积应变进行绘制并拟合，得到轴压力加载的体积应变时间曲线；
数据处理器10以时间为横坐标，以轴向应变为纵坐标，将I′个测量时刻和I′个测量时刻对应的轴向应变进行绘制并拟合，得到轴压力加载的轴向应变时间曲线；
数据处理器10以轴压力为横坐标，以体积应变为纵坐标，将I′个轴压力和I′个轴压力对应的体积应变进行绘制并拟合，得到轴压力体积应变曲线；
步骤四、饱和圆柱土样的水力耦合试验：
步骤401、操作注水阀14-1打开，通过加压管11-1给渗水筒12内充入压缩气体，渗水筒12中的水通过注水管14为饱和圆柱土样7内注水；其中，在加压管11-1中充入压缩气体的过程中，压力表11-2对加压管11-1中的压力进行检测，通过注水阀14-1的调节，以使加压管11-1中的压力满足渗透试验要求值；
步骤402、同时操作排水阀18-1打开，饱和圆柱土样7渗透出来的水通过排水管18进入集水筒17；
步骤403、在对饱和圆柱土样7渗透的过程中，内水位传感器16-1按照预先设定的测量时刻对内层测管16中的水位进行实时检测，并将检测到的第i″个测量时刻内层测管水位发送至数据处理器10，数据处理器10将第i″个测量时刻内层测管水位记作Ln(i″)；
同时，通过下传递杆2-1和安装杆2-2带动位移计3的伸缩探针移动，第i″个测量时刻位移计3检测到的位移值记作S(i″)；
步骤404、数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000201
得到饱和圆柱土样7渗透时第i″个测量时刻的体积应变ε3v(i″)；
数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000202
得到饱和圆柱土样7渗透时第i″个测量时刻的轴向应变ε3z(i″)；
步骤405、在对饱和圆柱土样7渗透的过程中，直至第I″个测量时刻集水筒17的水位不发生变化，说明饱和圆柱土样7水力耦合试验稳定，操作注水阀14-1和排水阀18-1关闭；
数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000203
得到饱和圆柱土样7水力耦合试验稳定时的体积应变ε3v(I″)；其中，Ln(I″)表示第I″个测量时刻内层测管水位，且i″和I″均为正整数，且I′+1≤i″≤I″；
数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000204
得到饱和圆柱土样7水力耦合试验稳定时的轴向应变ε3z(I″)；其中，S(I″)表示第I″个测量时刻位移计3检测到的位移值；
步骤406、按照步骤307所述的方法，得到水力耦合试验的体积应变时间曲线、水力耦合试验的轴向应变时间曲线；
步骤407、在对饱和圆柱土样7渗透的过程中，根据渗水筒12中水位和集水筒17中水位，得到饱和圆柱土样7的渗透系数；
步骤五、饱和圆柱土样的剪切破坏试验：
步骤501、按照步骤301至步骤306所述的方法，对饱和圆柱土样7继续进行轴压力的加载，直至饱和圆柱土样7发生破坏，并获取饱和圆柱土样7发生破坏时的轴压力并记作σz；
步骤502、按照步骤307所述的方法，获取饱和圆柱土样7剪切破坏试验的体积应变时间曲线、饱和圆柱土样7剪切破坏试验的轴向应变时间曲线和饱和圆柱土样7剪切破坏试验的轴压力体积应变曲线。
本实施例中，步骤408中在对饱和圆柱土样7渗透的过程中，根据渗水筒12中水位和集水筒17中水位，得到饱和圆柱土样7的渗透系数，具体过程如下：
步骤4081、下水位传感器17-1对集水筒17水位进行检测，并将检测到的第i″个测量时刻集水筒水位发送至数据处理器10，数据处理器10将第i″个测量时刻集水筒水位记作Lc(i″)；
上水位传感器12-1对渗水筒12水位进行检测，并将检测到的第i″个测量时刻渗水筒12水位发送至数据处理器10，数据处理器10将第i″个测量时刻渗水筒水位记作Lp(i″)；
步骤4082、数据处理器10根据公式Qp(i″)＝(Lp(0)-Lp(i″))×sp，得到第i″个测量时刻流入饱和圆柱土样7内的流量Qp(i″)；其中，sp表示渗水筒12内侧壁截面面积；
数据处理器10根据公式Qc(i″)＝(Lc(i″)-Lc(0))×sc，得到第i″个测量时刻流出饱和圆柱土样7内的流量Qc(i″)；其中，sc表示集水筒17内侧壁截面面积；
步骤4083、数据处理器10根据公式
Figure BDA0002845416990000221
得到第i″个测量时刻饱和圆柱土样7的渗透系数k(i″)；其中，Δh表示渗透试验要求值，且Δh的取值为10kPa～30kPa。
本实施例中，步骤302中通过所述升降机构推动所述围压室4向上移动，具体过程如下：
操作升降电机9-1转动，升降电机9-1转动带动升降丝杆9-5转动，升降丝杆9-5转动通过丝母9-3和连接板9-4带动围压室4垂直向上移动；
在升降电机9-1带动围压室4垂直向上移动的过程中，当需要恒定轴向应变加载时，设定轴向应变的加载速率为0.015/min，则围压室4垂直向上移动的速率为0.015H′mm/min；
在升降电机9-1带动围压室4垂直向上移动的过程中，当需要恒定轴压力加载时，设定轴压力的加载速率为5.0kPa/min～5.9kPa/min。
本实施例中，步骤104中将饱和圆柱土样7放入围压室4中，具体过程如下：
步骤1041、从待测试土体取土样，并将土样制作成圆柱体试样；
步骤1042、在圆柱体试样的顶部铺设上滤纸5-1，并圆柱体试样的底部铺设下滤纸5-2；
步骤1043、在上滤纸5-1上设置上透水石5-3，在下滤纸5-2下设置下透水石5-4；
步骤1044、并在圆柱体试样外侧壁安装橡胶模6；其中，橡胶模6的顶部高于上透水石5-3的顶部2cm～3cm，橡胶模6的底部低于下透水石5-4的底部2cm～3cm，得到非饱和圆柱土样；
步骤1045、将非饱和圆柱土样放入真空饱和装置中，以使非饱和圆柱土样渗入水24h～48h，得到饱和圆柱土样7；其中，饱和圆柱土样7的高度的初始值H为80mm，饱和圆柱土样7的直径的初始值为39.1mm；
步骤1046、将饱和圆柱土样7安装在围压室4中底托4-1和顶托4-2之间；其中，下透水石5-4的底部和底托4-1的顶部相贴合，上透水石5-3的顶部和顶托4-2的底部相贴合，橡胶模6的底部伸入底托4-1的外侧面，橡胶模6的顶部伸入顶托4-2的外侧面；
步骤1047、在橡胶模6的顶部套设上密封圈8-1，以使橡胶模6的顶部和顶托4-2的外侧面密封贴合；
在橡胶模6的底部套设下密封圈8-2，以使橡胶模6的底部和底托4-1的外侧面密封贴合。
本实施例中，步骤五之后还可以获取饱和圆柱土样7的内摩擦角和黏聚力，具体过程如下：
步骤A、按照步骤201至步骤501所述的方法，设定第一围压试验要求值σw,1下，获取饱和圆柱土样7发生破坏时的第一轴压力σz,1；
步骤B、按照步骤201至步骤501所述的方法，设定第二围压试验要求值σw,2下，获取饱和圆柱土样7发生破坏时的第二轴压力σz,2；
步骤C、按照步骤201至步骤501所述的方法，设定第三围压试验要求值σw,3下，获取饱和圆柱土样7发生破坏时的第三轴压力σz,3；
步骤D、数据处理器10建立直角坐标系，并在X轴上描绘第一围压试验要求值σw,1点和第一轴压力σz,1点，且以第一围压试验要求值σw,1点和第一轴压力σz,1点之间的间距为直径画第一圆；其中，第一圆的一个直径和X轴重合；
在X轴上描绘第二围压试验要求值σw,2点和第二轴压力σz,2点，且以第二围压试验要求值σw,2点和第二轴压力σz,2点之间的间距为直径画第二圆；其中，第二圆的一个直径和X轴重合；
在X轴上描绘第三围压试验要求值σw,3点和第三轴压力σz,3点，且以第三围压试验要求值σw,3点和第三轴压力σz,3点之间的间距为直径画第三圆；其中，第三圆的一个直径和X轴重合；
步骤E、数据处理器10采用最小二乘法得到第一圆、第二圆和第三圆的公切线，且公切线和X轴之间的夹角为饱和圆柱土样7的内摩擦角，公切线和Y轴形成的截距为饱和圆柱土样7的黏聚力。
本实施例中，实际实验时，饱和圆柱土样7放入围压室4之前，给集水筒17中注水，集水筒17中水一部分进入排水管18，以使排水管18中无气泡。
本实施例中，实际实验时，预先设定的测量时刻的取值范围为0.5min～12h。
本实施例中，实际使用时，所述注水管14穿过围压室4顶部延伸至下透水石5-4上表面，所述排水管18穿过围压室4底部延伸至所述下透水石5-4下表面。
综上所述，本发明设计合理，能在水力耦合作用下对土体进行试验，并获取土体的轴向应变、体积应变、渗透系数，试验操作便捷，从而便于后续研究土样的力学参数。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本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 (7)

1.一种水力耦合作用下土体试验方法，该方法所采用的的系统包括底座(20)、设置在底座(20)上的升降机构和设置在所述升降机构上的围压装置，以及设置在所述围压装置上的轴压装置、与所述围压装置连通的渗水加载机构和用于数据采集处理的数据处理器(10)；
所述围压装置包括供放置饱和圆柱土样(7)的围压室(4)和与所述围压室(4)连接的围压加载测量机构，所述渗水加载机构包括与饱和圆柱土样(7)顶部连通的渗水部件和与所述饱和圆柱土样(7)底部连通的集水部件；
所述轴压装置包括设置在底座(20)上的轴压加载架(1)、与所述轴压加载架(1)配合的轴压测量部件和与所述轴压测量部件连接的位移计(3)，所述轴压测量部件包括测力传感器(2)、安装在测力传感器(2)顶部且与所述轴压加载架(1)配合的上传递杆(2-3)和安装在测力传感器(2)底部的下传递杆(2-1)，所述下传递杆(2-1)的底部穿过围压室(4)与饱和圆柱土样(7)的顶部接触；所述下传递杆(2-1)上设置有供位移计(3)安装的安装杆(2-2)，所述位移计(3)的伸缩探针抵接在围压室(4)的顶面，所述测力传感器(2)和位移计(3)的输出端与数据处理器(10)的输入端连接；
所述饱和圆柱土样(7)外侧壁安装橡胶模(6)，所述橡胶模(6)的顶部套设上密封圈(8-1)，所述橡胶模(6)的顶部和顶托(4-2)的外侧面密封贴合，所述橡胶模(6)的底部套设下密封圈(8-2)，所述橡胶模(6)的底部和底托(4-1)的外侧面密封贴合；其特征在于，所述渗水部件包括渗水筒(12)、设置在渗水筒(12)顶部且与所述渗水筒(12)连通的加压管(11-1)和设置在渗水筒(12)底部且为围压室(4)内饱和圆柱土样(7)注水的注水管(14)，所述注水管(14)上设置有注水阀(14-1)，所述加压管(11-1)上设置有加压阀(11-3)和压力表(11-2)，所述渗水筒(12)中设置有上水位传感器(12-1)；
所述集水部件包括与饱和圆柱土样(7)底部连接的排水管(18)和与所述排水管(18)连通的集水筒(17)，所述集水筒(17)内设置有下水位传感器(17-1)，所述上水位传感器(12-1)的输出端和下水位传感器(17-1)的输出端均与数据处理器(10)的输入端连接，所述排水管(18)上设置有排水阀(18-1)；
所述围压加载测量机构包括外层承压管(15)和设置在外层承压管(15)中的内层测管(16)，所述外层承压管(15)和内层测管(16)同轴布设，所述内层测管(16)的外侧壁和所述外层承压管(15)的内侧壁之间设置有间隙，所述外层承压管(15)的底部外和所述内层测管(16)的底部内相贴合，所述内层测管(16)的顶面低于所述外层承压管(15)的顶部底面，且所述内层测管(16)的顶部开口；
所述内层测管(16)通过连接管(13)与围压室(4)底部内连通，所述连接管(13)上设置有出水阀(13-1)，所述内层测管(16)中设置有内水位传感器(16-1)，所述内水位传感器(16-1)的输出端与数据处理器(10)的输入端连接；
所述外层承压管(15)顶部设置有外加压管(15-1)，所述外加压管(15-1)上设置有外加压阀(15-3)和外压力表(15-2)；
该方法包括以下步骤：
步骤一、试验前准备：
步骤101、给渗水筒(12)中注水，在渗水筒(12)中注水的过程中，上水位传感器(12-1)对渗水筒(12)中水位进行检测，并将检测到的渗水筒水位发送至数据处理器(10)，数据处理器(10)将接收到的渗水筒水位记作Lp(0)，直至渗水筒水位满足渗水筒(12)高度的2/3～4/5；
步骤102、给内层测管(16)中注水，在内层测管(16)中注水的过程中，内水位传感器(16-1)对内层测管(16)中的水位进行检测，并将检测到的内层测管水位发送至数据处理器(10)，直至内层测管水位满足内层测管(16)高度的8/10～9/10；
步骤103、给集水筒(17)中注水，在集水筒(17)中注水的过程中，下水位传感器(17-1)对集水筒(17)中的水位进行检测，并将检测到的集水筒水位发送至数据处理器(10)，直至集水筒水位满足集水筒高度的1/10～2/10；其中，数据处理器(10)将接收的集水筒水位记作Lc(0)；
步骤104、将饱和圆柱土样(7)放入围压室(4)中；其中，设定饱和圆柱土样(7)的高度为H，饱和圆柱土样(7)的体积为V；
步骤二、饱和圆柱土样的固结试验：
步骤201、操作出水阀(13-1)、外加压阀(15-3)打开，通过外加压管(15-1)给外层承压管(15)内充入压缩气体，内层测管(16)中的水通过连接管(13)为围压室(4)内注水，以使围压室(4)内充满水；其中，在外加压管(15-1)中充入压缩气体的过程中，外压力表(15-2)对外加压管(15-1)中的压力进行检测，以使外加压管(15-1)中的压力满足围压试验要求值；
步骤202、当围压室(4)内充满水时，内水位传感器(16-1)对内层测管(16)中的水位进行检测，并将检测到的内层测管水位发送至数据处理器(10)，数据处理器(10)获取围压室内充满水时内层测管的水位，并将围压室内充满水时内层测管的水位记作内层测管初始水位Ln(0)；
步骤203、在对饱和圆柱土样(7)围压的加载过程中，内水位传感器(16-1)按照预先设定的测量时刻对内层测管(16)中的水位进行实时检测，并将检测到的第i个测量时刻内层测管水位发送至数据处理器(10)，数据处理器(10)将第i个测量时刻内层测管水位记作Ln(i)；
步骤204、数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000031
得到第i个测量时刻饱和圆柱土样(7)的体积应变ε1v(i)；其中，sn表示内层测管(16)的内侧壁围设面积；
步骤205、内水位传感器(16-1)持续对内层测管(16)中的水位进行实时检测，当数据处理器(10)获得的第I-1个测量时刻内层测管水位Ln(I-1)和第I个测量时刻内层测管水位Ln(I)，且[Ln(I)-Ln(I-1)]/Ln(I-1)＜0.1％时，说明饱和圆柱土样(7)固结试验达到稳定状态；并获取饱和圆柱土样(7)固结试验达到稳定状态时饱和圆柱土样(7)的高度为H′和饱和圆柱土样(7)固结试验达到稳定状态时饱和圆柱土样(7)的体积为V′；
步骤206、数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000041
得到饱和圆柱土样(7)固结试验达到稳定状态时的体积应变ε1v(I)；其中，i和I均为正整数，且1≤i≤I；
步骤207、数据处理器(10)以时间为横坐标，以体积应变为纵坐标，将I个测量时刻和I个测量时刻对应的体积应变进行绘制并拟合，得到固结试验的体积应变时间曲线；
步骤三、饱和圆柱土样的轴压力加载试验：
步骤301、在安装杆(2-2)上安装位移计(3)，且位移计(3)的伸缩探针抵接在围压室(4)的顶面，并获取位移计(3)的初始值S(0)；
步骤302、通过升降机构推动所述围压室(4)向上移动，直至上传递杆(2-3)的顶部接触加载杆(1-4)，加载杆(1-4)施加的压力通过上传递杆(2-3)、测力传感器(2)和下传递杆(2-1)传递至饱和圆柱土样(7)，实现对饱和圆柱土样(7)轴压力的加载；
步骤303、在对饱和圆柱土样(7)轴压力的加载过程中，内水位传感器(16-1)按照预先设定的测量时刻对内层测管(16)中的水位继续进行实时检测，并将检测到的第i′个测量时刻内层测管水位发送至数据处理器(10)，数据处理器(10)将第i′个测量时刻内层测管水位记作Ln(i′)；
测力传感器(2)对饱和圆柱土样(7)加载的轴压力进行检测，并将检测到的第i′个测量时刻轴压力发送至数据处理器(10)，数据处理器(10)将第i′个测量时刻轴压力记作P(i′)；
同时，在对饱和圆柱土样(7)轴压力的加载过程中，通过下传递杆(2-1)和安装杆(2-2)带动位移计(3)的伸缩探针移动，第i′个测量时刻位移计(3)检测到的位移值记作S(i′)；
步骤304、数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000051
得到饱和圆柱土样(7)加载轴压力时第i′个测量时刻的体积应变ε2v(i′)；
数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000052
得到饱和圆柱土样(7)加载轴压力时第i′个测量时刻的轴向应变ε2z(i′)；
步骤305、内水位传感器(16-1)持续对内层测管(16)中的水位进行实时检测，当数据处理器(10)获得的第I′-1个测量时刻内层测管水位Ln(I′-1)和第I′个测量时刻内层测管水位Ln(I′)，且[Ln(I′)-Ln(I′-1)]/Ln(I′-1)＜0.1％时，说明饱和圆柱土样(7)轴压力加载达到稳定状态；
步骤306、数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000053
得到饱和圆柱土样(7)轴压力加载达到稳定状态时的体积应变ε2v(I)；
数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000054
得到饱和圆柱土样(7)轴压力加载达到稳定状态时的轴向应变ε2z(I′)；其中，i′和I′均为正整数，且I+1≤i′≤I′；S(I′)表示第I′个测量时刻位移计(3)检测到的位移值；
步骤307、数据处理器(10)以时间为横坐标，以体积应变为纵坐标，将I′个测量时刻和I′个测量时刻对应的体积应变进行绘制并拟合，得到轴压力加载的体积应变时间曲线；
数据处理器(10)以时间为横坐标，以轴向应变为纵坐标，将I′个测量时刻和I′个测量时刻对应的轴向应变进行绘制并拟合，得到轴压力加载的轴向应变时间曲线；
数据处理器(10)以轴压力为横坐标，以体积应变为纵坐标，将I′个轴压力和I′个轴压力对应的体积应变进行绘制并拟合，得到轴压力体积应变曲线；
步骤四、饱和圆柱土样的水力耦合试验：
步骤401、操作注水阀(14-1)打开，通过加压管(11-1)给渗水筒(12)内充入压缩气体，渗水筒(12)中的水通过注水管(14)为饱和圆柱土样(7)内注水；其中，在加压管(11-1)中充入压缩气体的过程中，压力表(11-2)对加压管(11-1)中的压力进行检测，以使加压管(11-1)中的压力满足渗透试验要求值；
步骤402、同时操作排水阀(18-1)打开，饱和圆柱土样(7)渗透出来的水通过排水管(18)进入集水筒(17)；
步骤403、在对饱和圆柱土样(7)渗透的过程中，内水位传感器(16-1)按照预先设定的测量时刻对内层测管(16)中的水位进行实时检测，并将检测到的第i″个测量时刻内层测管水位发送至数据处理器(10)，数据处理器(10)将第i″个测量时刻内层测管水位记作Ln(i″)；
同时，通过下传递杆(2-1)和安装杆(2-2)带动位移计(3)的伸缩探针移动，第i″个测量时刻位移计(3)检测到的位移值记作S(i″)；
步骤404、数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000061
得到饱和圆柱土样(7)渗透时第i″个测量时刻的体积应变ε3v(i″)；
数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000062
得到饱和圆柱土样(7)渗透时第i″个测量时刻的轴向应变ε3z(i″)；
步骤405、在对饱和圆柱土样(7)渗透的过程中，直至第I″个测量时刻集水筒(17)的水位不发生变化，说明饱和圆柱土样(7)水力耦合试验稳定，操作注水阀(14-1)和排水阀(18-1)关闭；
数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000063
得到饱和圆柱土样(7)水力耦合试验稳定时的体积应变ε3v(I″)；其中，Ln(I″)表示第I″个测量时刻内层测管水位，且i″和I″均为正整数，且I′+1≤i″≤I″；
数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000071
得到饱和圆柱土样(7)水力耦合试验稳定时的轴向应变ε3z(I″)；其中，S(I″)表示第I″个测量时刻位移计(3)检测到的位移值；
步骤406、按照步骤307所述的方法，得到水力耦合试验的体积应变时间曲线、水力耦合试验的轴向应变时间曲线；
步骤407、在对饱和圆柱土样(7)渗透的过程中，根据渗水筒(12)中水位和集水筒(17)中水位，得到饱和圆柱土样(7)的渗透系数；
步骤五、饱和圆柱土样的剪切破坏试验：
步骤501、按照步骤301至步骤306所述的方法，对饱和圆柱土样(7)继续进行轴压力的加载，直至饱和圆柱土样(7)发生破坏，并获取饱和圆柱土样(7)发生破坏时的轴压力并记作σz；
步骤502、按照步骤307所述的方法，获取饱和圆柱土样(7)剪切破坏试验的体积应变时间曲线、饱和圆柱土样(7)剪切破坏试验的轴向应变时间曲线和饱和圆柱土样(7)剪切破坏试验的轴压力体积应变曲线。
2.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于：所述升降机构包括升降底板(21)和两个对称设置在所述升降底板(21)两侧的升降部件，两个所述升降部件结构相同，两个所述升降部件均包括安装在底座(20)上的升降电机(9-1)、与升降电机(9-1)传动连接的升降丝杆(9-5)和套设在所述升降丝杆(9-5)上的丝母(9-3)，以及套设在所述升降丝杆(9-5)上且与所述丝母(9-3)连接的连接板(9-4)，所述连接板(9-4)和升降底板(21)连接，所述围压室(4)安装在升降底板(21)上。
3.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于：所述轴压加载架(1)包括两个对称安装在底座(20)上的立杆(1-1)和安装在两个立杆(1-1)上的横梁(1-2)，所述横梁(1-2)的两端设置有横梁通孔，所述横梁通孔的直径大于立杆(1-1)的直径，所述横梁(1-2)的两端能穿设在立杆(1-1)上，所述立杆(1-1)上设置有螺母(1-3)，所述螺母(1-3)的数量为两个，两个所述螺母(1-3)位于横梁(1-2)的上下侧；
所述横梁(1-2)上设置有与上传递杆(2-3)配合的加载杆(1-4)，所述加载杆(1-4)上设置有锁紧螺母(1-5)，所述锁紧螺母(1-5)的数量为两个，两个所述锁紧螺母(1-5)位于横梁(1-2)的上下侧。
4.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于：步骤408中在对饱和圆柱土样(7)渗透的过程中，根据渗水筒(12)中水位和集水筒(17)中水位，得到饱和圆柱土样(7)的渗透系数，具体过程如下：
步骤4081、下水位传感器(17-1)对集水筒(17)水位进行检测，并将检测到的第i″个测量时刻集水筒水位发送至数据处理器(10)，数据处理器(10)将第i″个测量时刻集水筒水位记作Lc(i″)；
上水位传感器(12-1)对渗水筒(12)水位进行检测，并将检测到的第i″个测量时刻渗水筒(12)水位发送至数据处理器(10)，数据处理器(10)将第i″个测量时刻渗水筒水位记作Lp(i″)；
步骤4082、数据处理器(10)根据公式Qp(i″)＝(Lp(0)-Lp(i″))×sp，得到第i″个测量时刻流入饱和圆柱土样(7)内的流量Qp(i″)；其中，sp表示渗水筒(12)内侧壁截面面积；
数据处理器(10)根据公式Qc(i″)＝(Lc(i″)-Lc(0))×sc，得到第i″个测量时刻流出饱和圆柱土样(7)内的流量Qc(i″)；其中，sc表示集水筒(17)内侧壁截面面积；
步骤4083、数据处理器(10)根据公式
Figure FDA0004040239760000091
得到第i″个测量时刻饱和圆柱土样(7)的渗透系数k(i″)；其中，Δh表示渗透试验要求值，且Δh的取值为10kPa～30kPa。
5.按照权利要求2所述的一种水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于：步骤302中通过升降机构推动所述围压室(4)向上移动，具体过程如下：
操作升降电机(9-1)转动，升降电机(9-1)转动带动升降丝杆(9-5)转动，升降丝杆(9-5)转动通过丝母(9-3)和连接板(9-4)带动围压室(4)垂直向上移动；
在升降电机(9-1)带动围压室(4)垂直向上移动的过程中，当需要恒定轴向应变加载时，设定轴向应变的加载速率为0.015/min，则围压室(4)垂直向上移动的速率为0.015H′mm/min；
在升降电机(9-1)带动围压室(4)垂直向上移动的过程中，当需要恒定轴压力加载时，设定轴压力的加载速率为5.0kPa/min～5.9kPa/min。
6.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于：步骤104中将饱和圆柱土样(7)放入围压室(4)中，具体过程如下：
步骤1041、从待测试土体取土样，并将土样制作成圆柱体试样；
步骤1042、在圆柱体试样的顶部铺设上滤纸(5-1)，并圆柱体试样的底部铺设下滤纸(5-2)；
步骤1043、在上滤纸(5-1)上设置上透水石(5-3)，在下滤纸(5-2)下设置下透水石(5-4)；
步骤1044、并在圆柱体试样外侧壁安装橡胶模(6)；其中，橡胶模(6)的顶部高于上透水石(5-3)的顶部2cm～3cm，橡胶模(6)的底部低于下透水石(5-4)的底部2cm～3cm，得到非饱和圆柱土样；
步骤1045、将非饱和圆柱土样放入真空饱和装置中，以使非饱和圆柱土样渗入水24h～48h，得到饱和圆柱土样(7)；
步骤1046、将饱和圆柱土样(7)安装在围压室(4)中底托(4-1)和顶托(4-2)之间；其中，下透水石(5-4)的底部和底托(4-1)的顶部相贴合，上透水石(5-3)的顶部和顶托(4-2)的底部相贴合，橡胶模(6)的底部伸入底托(4-1)的外侧面，橡胶模(6)的顶部伸入顶托(4-2)的外侧面；
步骤1047、在橡胶模(6)的顶部套设上密封圈(8-1)，以使橡胶模(6)的顶部和顶托(4-2)的外侧面密封贴合；
在橡胶模(6)的底部套设下密封圈(8-2)，以使橡胶模(6)的底部和底托(4-1)的外侧面密封贴合。
7.按照权利要求1所述的一种水力耦合作用下土体试验方法，其特征在于：步骤五之后获取饱和圆柱土样(7)的内摩擦角和黏聚力，具体过程如下：
步骤A、按照步骤201至步骤501所述的方法，设定第一围压试验要求值σw,1下，获取饱和圆柱土样(7)发生破坏时的第一轴压力σz,1；
步骤B、按照步骤201至步骤501所述的方法，设定第二围压试验要求值σw,2下，获取饱和圆柱土样(7)发生破坏时的第二轴压力σz,2；
步骤C、按照步骤201至步骤501所述的方法，设定第三围压试验要求值σw,3下，获取饱和圆柱土样(7)发生破坏时的第三轴压力σz,3；
步骤D、数据处理器(10)建立直角坐标系，并在X轴上描绘第一围压试验要求值σw,1点和第一轴压力σz,1点，且以第一围压试验要求值σw,1点和第一轴压力σz,1点之间的间距为直径画第一圆；其中，第一圆的一个直径和X轴重合；
在X轴上描绘第二围压试验要求值σw,2点和第二轴压力σz,2点，且以第二围压试验要求值σw,2点和第二轴压力σz,2点之间的间距为直径画第二圆；
其中，第二圆的一个直径和X轴重合；
在X轴上描绘第三围压试验要求值σw,3点和第三轴压力σz,3点，且以第三围压试验要求值σw,3点和第三轴压力σz,3点之间的间距为直径画第三圆；
其中，第三圆的一个直径和X轴重合；
步骤E、数据处理器(10)采用最小二乘法得到第一圆、第二圆和第三圆的公切线，且公切线和X轴之间的夹角为饱和圆柱土样(7)的内摩擦角，公切线和Y轴形成的截距为饱和圆柱土样(7)的黏聚力。
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