CN112781976A - 具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，包括依次连接的渗流调节模块、压力室和测量模块，渗流调节模块包括通过软管连接的高压气瓶和封闭水箱，封闭水箱连接水源，测量模块包括电子天平，电子天平上放置有盛水容器。本发明具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪可以直接将渗流水压施加在试样上，可测得试样在不同围压、轴压、渗流水压等受力状态下的应力‑应变与强度关系，具有简单、实用的优势。

Description

具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪
技术领域
本发明属于岩土工程、水利工程技术领域，涉及具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪。
背景技术
以砾石和沙粒为主的土称为粗粒土，这种材料广泛分布在自然界，具有压实密度大、透水性好、抗剪强度高、变形小、不易产生地震液化等优点，被大量应用于岩土、水利、桥梁等工程中。研究表明水利工程的粗粒土会出现破坏问题并造成结构失稳，如地基失稳、边坡滑移、渗透破坏。为了预防此类问题的发生，需要对粗粒土的抗剪强度、变形特性、应力-应变关系等进行研究，进而提出改进措施。
粗粒土具有剪胀性、流变性，在不同受力条件下表现出不同的规律。粗粒土的研究多为三轴试验与本构模型。三轴试验研究内容包括单轴压缩、常规三轴、多级加载三轴压缩及三轴流变试验，主要研究试样在围压和轴压作用下试样的应力、应变、孔隙水压力等变化规律，以此观察土样在复杂应力条件下的抗剪强度特性。三轴试验仪包括常规三轴仪和真三轴仪，其中常规三轴仪有轴压σ1和围压σ2＝σ3两个压力，真三轴仪有σ1、σ2、σ3三个不同的压力，前者的试验结果偏安全，后者可以实现真正的三轴受力情况，用于研究复杂的加载过程。然而试验时试样易受扰动，并且存在缩尺效应，本构模型可以很好反映材料的应力-应变关系，但模型参数的影响因素较多。粗粒土的多数本构模型是以三轴试验为基础，所以三轴试验的可靠性对粗粒土模型的研究至关重要。
目前，粗粒土的大型三轴试验仪包括三轴压力室，并配备有轴压系统、侧压系统和孔隙水压力测读系统等，可以完成粗粒土的固结排水、固结不排水、不固结不排水的常规三轴试验。通过对试样施加围压与轴压测得试样的应力-变形关系和强度。三轴仪完整地反映试样受力变形直到破坏的全过程，且试样内应力和应变相对均匀，状态明确，量测简单可靠；可以控制排水条件，测得试样内的超静孔隙水压力，模拟不同的工况，进行不同应力路径的试验。
水利工程的工作环境离不开水，坝体内部、地基、岸坡均存在渗流现象，但是目前的三轴仪不能够给试样稳定地施加渗流水压，仪器制约着粗粒土的相关研究。因此，进一步研究粗粒土的大型三轴试验仪的渗流控制系统，对大坝的变形问题、渗流问题具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，解决了现有技术中存在的三轴试验仪不能给试样稳定地施加渗流水压的问题。
本发明所采用的技术方案是，具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，包括依次连接的渗流调节模块、压力室和测量模块，渗流调节模块包括通过软管连接的高压气瓶和封闭水箱，封闭水箱连接水源，测量模块包括电子天平，电子天平上放置有盛水容器。
本发明的特点还在于：
封闭水箱通过进水管与压力室底端连接，盛水容器通过出水管与压力室顶端连接。
高压气瓶与封闭水箱之间设有第一阀门，封闭水箱与水源之间设有第二阀门，出水管与盛水容器之间设有第三阀门。
封闭水箱内设有压强传感器。
压力室顶部内侧设有流速传感器，底部内侧设有孔隙水压力计。
压力室顶部还设有排气孔。
压力室底部还设有压力阀，高压气瓶上还设有压力表。
本发明的有益效果是：本发明为粗粒土三轴试验考虑渗流作用提供一种可行的手段，将渗流水压作为一种外力施加到室内三轴试验中。通过对试样的底部、顶部各接一个水管，底部进水管连接渗流调节系统，顶部出水管连接测量装置，即可在考虑围压、轴压等压力的同时加入渗流水压，利用水箱将高压气瓶中的气压转化为水压的形式施加在试样上。该装置可以直接将渗流水压施加在试样上，可测得试样在不同围压、轴压、渗流水压等受力状态下的应力-应变与强度关系，具有简单、实用的优势。
附图说明
图1是本发明具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪的结构示意图图；
图2是本发明实施例中进水口孔隙水压力过程线图；
图3是本发明实施例中封闭水箱内压强过程线图；
图4为本发明实施例中出水口流量过程线图；
图5为本发明实施例中常规三轴试验应力-应变关系图；
图6为本发明实施例中流变试验时间-体积应变关系图。
图中，1.压力室，2.高压气瓶，3.封闭水箱，4.水源，5.电子天平，6.盛水容器，7.进水管，8.出水管，9.第一阀门，10.第二阀门，11.第三阀门，12.压强传感器，13.流速传感器，14.孔隙水压力计，15.压力表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，如图1所示，包括依次连接的渗流调节模块、压力室1和测量模块，渗流调节模块包括通过软管连接的高压气瓶2和封闭水箱3，封闭水箱3连接水源4，测量模块包括电子天平5，电子天平5上放置有盛水容器6；封闭水箱3通过进水管7与压力室1底端连接，盛水容器6通过出水管8与压力室1顶端连接；高压气瓶2与封闭水箱3之间设有第一阀门9，封闭水箱3与水源4之间设有第二阀门10，出水管8与盛水容器6之间设有第三阀门11；封闭水箱3内设有压强传感器12；压力室1顶部内侧设有流速传感器13，底部内侧设有孔隙水压力计14；压力室顶1部还设有排气孔；压力室1底部还设有压力阀，高压气瓶2上还设有压力表15。
三轴试验常用的试样为圆柱形，试样置于压力室中，试样高度与直径之比为2-2.5，尺寸为：直径38-100mm，高75-200mm，对于碎石料，试样可达直径150-300mm，高300-700mm，甚至更大。
与封闭水箱连接的水源具体为水龙头，水龙头的作用为确保水箱中的水位稳定，通过第二阀门来控制进入封闭水箱的水量，使得流入封闭水箱的水量与试样顶部出水管的水量基本相同。为了更加准确控制渗流压力，在进水口布置孔隙水压力计，在试样出水口处布置流速传感器，测得每一时刻的孔压和流速大小，同时在水箱中安装压强传感器，测得每一时刻的气压，通过三者的相互关系，准确施加和控制渗流压力。
给定任意一个渗流水压的大小，将其转换成对应的空气压力，通过高压气瓶给封闭水箱中的水施加空气压力，封闭水箱中的水在空气压力作用下流入试样中，以此产生渗流水压，通过高压气瓶调节空气压力的大小，进而达到控制渗流压力的目的。
实施例
本实施例以粗粒土的常规三轴试验为例，采用本发明的装置在实验过程中控制渗流水压，具体步骤如下：
步骤1：按试样体积和试样质量控制试样密度，称出试验所需质量的粗粒土材料，均分成5份，每份按照不同粒径组分别称取，并拌合均匀；
步骤2：把乳胶膜用环形橡皮筋套在压力室的底座上，然后把成膜筒通过螺栓固定到压力室底座上，把乳胶膜外翻到成膜筒上沿，并使其顺直和紧贴成膜筒内壁，在压力室的底座上放置透水板，打开第二阀门，使试样底座透水板充水至无气泡逸出，关闭第二阀门；
步骤3：在步骤2中的透水板上依次放入滤纸和滤网，防止试样中的细小颗粒进入仪器内部，在乳胶膜内装入第一层土料，人工夯实到预定高度后，在以同样方式填入第二层土料，在每层接触面需要凿毛，如此继续直至装完最后一层，整平表面，再加上滤网、滤纸、透水板与试样帽，扎紧乳胶膜；
步骤4：将压力室顶盖处用于连接出水管的预留孔接入真空泵的抽气管，打开真空泵从试样顶部抽气，使试样在负压30kPa下直立，去掉成膜筒，检查橡皮膜，如有破裂，立即进行粘补；
步骤5：安装压力室，打开压力室顶部的排气孔，向压力室注满水后，关闭排气孔；
步骤6：试样采用抽气饱和法，从试样顶部抽气，使试样内部形成负压，打开第二阀门和压力阀，从试样底部向压力室进水，在负压作用下，水由下而上使得试样逐渐饱和，当试样顶部有水溢出时，再持续进水一段时间，至排水管内无气泡排出时，停止抽气，试样饱和过程完成；
步骤7：对饱和后的试样施加围压进行固结，达到指定的围压；
步骤8：待围压稳定后，给试样施加渗流水压，先给封闭水箱内注满水，调整第一阀门和第二阀门，使气体压着封闭水箱内的水从试样的底部向上流，从顶部溢出，可以通过封闭水箱内的压强传感器和试样进水口孔隙水压力来反调节气压与水压，同时，用测量系统测此时流出的水的流速，调整多个阀门使得封闭水箱内的水位保持稳定，并且试样上部的排水管流出的水量稳定，建立气压-孔隙水压-流量的相关关系，联合调节渗流调节系统气压参数，使得试样内部形成自下而上稳定的渗流水压，实测进水口孔隙水压力过程线图如图2所示，水箱内压强过程线图如图3所示，出水口流量过程线如图4所示；
步骤9：对于常规三轴试验，让试样保持在固定的围压与渗流水压下，逐渐给试样增加轴向压力，测得试样的应力-应变关系，如图5所示；
步骤10：对于流变试验，让试样保持在固定的围压与渗流水压下，分别维持每一级轴向压力稳定一段时间，加荷初期参照常规三轴剪切试验方法的要求读取试样的轴向变形和体积变形值，变形趋稳后每隔数小时记录试样的轴向变形和体积变形值，流变试验时间-体积应变关系如图6所示。
本发明具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，其优点在于：为粗粒土三轴试验考虑渗流作用提供一种可行的手段，将渗流水压作为一种外力施加到室内三轴试验中。通过对试样的底部、顶部各接一个水管，底部进水管连接渗流调节系统，顶部出水管连接测量装置，即可在考虑围压、轴压等压力的同时加入渗流水压，利用水箱将高压气瓶中的气压转化为水压的形式施加在试样上。该装置可以直接将渗流水压施加在试样上，可测得试样在不同围压、轴压、渗流水压等受力状态下的应力-应变与强度关系，具有简单、实用的优势。

Claims (7)

1.具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，其特征在于，包括依次连接的渗流调节模块、压力室(1)和测量模块，所述渗流调节模块包括通过软管连接的高压气瓶(2)和封闭水箱(3)，所述封闭水箱(3)连接水源(4)，所述测量模块包括电子天平(5)，所述电子天平(5)上放置有盛水容器(6)。
2.根据权利要求1所述的具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，其特征在于，所述封闭水箱(3)通过进水管(7)与压力室(1)底端连接，所述盛水容器(6)通过出水管(8)与压力室(1)顶端连接。
3.根据权利要求1所述的具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，其特征在于，所述高压气瓶(2)与封闭水箱(3)之间设有第一阀门(9)，所述封闭水箱(3)与水源(4)之间设有第二阀门(10)，所述出水管(8)与盛水容器(6)之间设有第三阀门(11)。
4.根据权利要求1所述的具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，其特征在于，所述封闭水箱(3)内设有压强传感器(12)。
5.根据权利要求1所述的具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，其特征在于，所述压力室(1)顶部内侧设有流速传感器(13)，底部内侧设有孔隙水压力计(14)。
6.根据权利要求1所述的具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，其特征在于，所述压力室(1)顶部还设有排气孔。
7.根据权利要求1所述的具有渗流压力控制的粗粒土大型三轴试验仪，其特征在于，所述压力室(1)底部还设有压力阀，所述高压气瓶(2)上还设有压力表(15)。
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