专利名称：一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种土的力学特性测试装置，特别是关于一种测定土体与结构物接 触面渗流冲刷特性的试验装置。
背景技术：
在土体与结构物接触面处，由于土体与结构物的物理力学性质的差别，在各种 荷载作用下常产生较大的剪切错位变形现象。若土体处于水位以下及复杂的渗流场 中，则大剪切变形后可能引发接触面部位土体的冲刷及渗透破坏，危及土工结构物 的安全。例如，高土石坝心墙与岸坡的接触面处是可能发生大剪切变形的危险部位 之一，该部位的渗流冲刷是造成土石坝渗透破坏事故的一个主要原因。因此，大剪 切变形条件下接触面部位土体的抗渗流冲刷特性的研究具有重要的工程实用价值， 关系到能否正确合理地评价土工建筑物的安全可行性。
进行土体与结构物接触面在大剪切变形条件下的渗流冲刷试验是研究和解决 上述问题的一个基本手段。传统的接触面剪切试验装置只能单方面测定土体与结构 物接触面的应力变形特性，而传统的渗流冲刷试验装置只能测定土体不发生剪切变 形条件下的抗渗流冲刷特性，测定接触面部位土体在大剪切变形条件下的渗流冲刷 特性的能力还不足。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种测定土体接触面渗流冲刷特性的试验 装置，该装置能够在平行于和垂直于接触面剪切方向上对土体进行渗流冲刷试验， 为分析土体在不同应力变形条件下的抗渗流冲刷能力提供数据基础。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种测定土体与结构物接触面渗 流冲刷特性的试验装置，包括底座、顶帽和置于所述底座、顶帽之间的试样，所述 底座、顶帽、试样置于三轴剪切仪中，所述试样由一接触面板以及与接触面板紧密 接触的两块土样组成，其特征在于所述顶帽上设置有平行于接触面剪切方向渗流 进水管路和垂直于接触面剪切方向渗流进水管路，所述底座上设置有平行于接触面 剪切方向渗流出水管路和垂直于接触面剪切方向渗流出水管路，所述平行于接触面 剪切方向渗流进水管路和渗流出水管路相对于所述接触面板上、下相对应，所述垂 直于接触面剪切方向渗流进水管路和渗流出水管路相对于所述接触面板两侧相对 应；各所述渗流进水管路的进水端和各所述渗流出水管路的出水端均设置有阀门，各所述渗流出水管路与测量系统连接。
所述底座、顶帽、试样外围包裹有密封膜，所述密封膜外围施加有周围压力水。 所述接触面板的上、下两端均长于所述土样。
所述底座底部为一圆台，中间部分为一椭圆形凸台，椭圆形凸台顶部为一长方 形平台，长方形平台与椭圆形凸台之间具有渐近的过渡斜面，从所述长方形平台中 部向下开设有矩形深槽，所述矩形深槽的横截面尺寸和所述接触面板的横截面尺寸 相匹配，所述矩形深槽内侧底部置有弹簧，所述平行于接触面剪切方向渗流出水管 路自所述矩形深槽底部向外引出，所述垂直于接触面剪切方向渗流出水管路自所述 底座上的过渡斜面向外引出。
所述顶帽的上部为轴向压力传动杆，中间部分为椭圆形凸台，椭圆形凸台底部 为长方形平台，所述长方形平台与椭圆形凸台之间具有渐近的过渡斜面，所述平行 于接触面剪切方向渗流进水管路自所述椭圆形凸台引入，从所述长方形平台底部引 出，所述垂直于接触面剪切方向渗流进水管路自所述椭圆形凸台引入，从所述顶帽 上的过渡斜面引出。
所述顶帽上的长方形平台和所述接触面板的横截面尺寸相匹配。
本发明由于采取以上技术方案，与现有技术相比具有以下优点本发明试验装 置建立在现有技术三轴剪切仪基础上，简单改变三轴剪切仪底座的形状，并在底座 内设置平行及垂直于接触面剪切方向的渗流出水管路，底座上设置试样放置平台及 接触面板剪切移动的凹槽；在底座上方配套设置顶帽，顶帽上设置平行及垂直于接 触面剪切方向的渗流进水管路。顶帽与底座之间放置土样及接触面板，土样放置在 底座平台上，接触面板置于底座深槽中并在下部用弹簧支撑。从顶帽上施加压力使 接触面板向下移动与土样发生剪切错动，并通过进水管路加水渗流，土样与接触面 板之间的接触面发生剪切变形的同时实现渗流冲刷。在进、出水管路上均设置有阀 门，可以独立进行平行于剪切方向的渗流试验，也可以独立进行垂直于剪切方向的 渗流试验。本发明实现了土体与结构物接触面剪切变形的同时，又进行渗流冲刷特 性测量的目的。
图1是本发明提供的一种接触面渗流冲刷试验装置的结构示意图。 图2是本发明提供的底座结构剖面图。 图3是本发明提供的顶帽结构剖面图。 图4是图3的仰视示意图。
图中l一底座；2—顶帽；3—试样；ll一圆台；12—椭圆形凸台；13—长方形平台；14—过渡斜面；15—矩形深槽；16_弹簧；17—平行于接触面剪切方向渗 流出水管路；18—垂直于接触面剪切方向渗流出水管路；19一周围压力水进水管路； 20—渗流压力水进水管路；21—椭圆形凸台；22—轴向压力传动杆；23—长方形平 台；24—过渡斜面；25—平行于接触面剪切方向渗流进水管路；26—垂直于接触面 剪切方向渗流进水管路；31—接触面板；32—土样。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明与现有技术的不同是，它结合了渗流与剪切两方面测量功 能，在底座和顶帽之间置放试样，底座、顶帽、试样置于三轴剪切仪中。在顶帽上 设置有平行于接触面剪切方向和垂直于接触面剪切方向两路渗流进水管路，在所述 底座上设置有平行于接触面剪切方向和垂直于接触面剪切方向两路渗流出水管路， 所述平行于接触面剪切方向渗流进水管路和渗流出水管路相对于试样上、下相对 应，所述垂直于接触面剪切方向渗流进水管路和渗流出水管路相对于试样两侧相对
应；各所述渗流进水管路的进水端和各所述渗流出水管路的出水端均设置有阀门， 各所述渗流出水管路与测量系统连接。试样包括一接触面板，接触面板的两侧紧贴 有两块土样。试验时，向三轴剪切仪中底座、顶帽、试样周围施加压力水，并向所 选取的一个剪切方向的渗流进水管路注水，关闭其他管路，通过出水端的测量系统 测量试样在剪切作用下的渗流冲刷特性。
根据上述原理，本发明的一个较佳实施例为
如图l、图2所示，本发明底座1的底部为圆台11，圆台ll依赖于三轴剪切 仪的形状而设置，从圆台ll顶面的中心部位凸出设置椭圆形凸台12。椭圆形凸台 12的顶部又凸出设置长方形平台13，凸出设置长方形平台13的目的是用于放置试 样3，使试样更加平稳，其大小与试样3样相当。长方形平台13与椭圆形凸台12 之间具有光滑的渐近过渡斜面14，这种光滑的过渡能够减少棱角，不会刮伤其他物 件。从长方形平台13的顶部中间位置向下，也就是向椭圆形凸台12的内部开挖有 一矩形深槽15，矩形深槽15的断面尺寸与试验所用接触面板31的断面尺寸相匹配， 其深度应满足放置弹簧16后还能预留一段距离以便置入一部分接触面板。
在矩形深槽15的底部开设有一出水孔，并通过此出水孔向外引出一条出水管 路，此出水管路称之为平行于接触面剪切方向(接触面剪切方向即为图1所示的Z 方向)渗流出水管路17。平行于接触面剪切方向渗流出水管路17穿过椭圆形凸台 12和圆台11后，从圆台ll的侧面穿出。
在椭圆形凸台12与长方形平台13之间的过渡斜面14上，开设有另一出水孔，通过此出水孔向外引出另一条出水管路，此出水管路称之为垂直于接触面剪、切方向
(即垂直于Z方向)渗流出水管路18。垂直于接触面剪切方向渗流出水管路18同 样是穿过椭圆形凸台12和圆台11后，从圆台11的侧面穿出。
从圆台11的外部还向内引入两条水压力系统进水管路， 一条是周围压力水进 水管路19， 一条是渗流压力水进水管路20。周围压力水进水管路19和渗流压力水 进水管路20从圆台11的侧面引入后，又从圆台的上面穿出，其中，周围压力水进 水管路19用于向试样3的周围施加水压力；渗流压力水进水管路20 —直向上延伸， 与顶帽2上的进水管路相连接，用于提供试验渗流水。
平行于接触面剪切方向渗流出水管路17、垂直于接触面剪切方向渗流出水管路 18、周围压力水进水管路19和渗流压力水进水管路20伸出圆台11侧面之外部分 上均设置有独立的阀门；周围压力水进水管路19外部还与三轴剪切仪围压系统相 连，渗流压力水进水管路20外部还与三轴剪切仪反压力系统相连接(图中未示出)； 平行于接触面剪切方向渗流出水管路17、垂直于接触面剪切方向渗流出水管路18 外部还与测量系统相连(图中未示出)。
如图l、图3、图4所示，顶帽2也具有一椭圆形凸台21，椭圆形凸台21的上 面连接有一轴向压力传动杆22，椭圆形凸台21的下面凸出设置一长方形平台23, 长方形平台23的横截面形状、大小和接触面板31相当，目的是有力按压接触面板。 椭圆形凸台21与长方形平台23之间也具有光滑的渐近过渡斜面24，避免刮蹭。
在椭圆形凸台21的上表面开设有两个进水孔，通过这两个进水孔分别向椭圆 形凸台21内部引入两条进水管路， 一条是从椭圆形凸台21穿过后，从长方形平台 23的底面穿出，称之为平行于接触面剪切方向渗流进水管路25;另一条是从椭圆 形凸台21穿过后，从过渡斜面24的下表面穿出，称之为垂直于接触面剪切方向渗 流进水管路26。平行于接触面剪切方向渗流进水管路25和垂直于接触面剪切方向 渗流进水管路26在顶帽2上表面的引入端分别设置有独立的阀门(图中未示出)。
顶帽2上的平行于接触面剪切方向渗流进水管路25与底座1上的平行于接触 面剪切方向渗流出水管路17以接触面板31为参照物，在接触面板31的上、下相 对应设置，也就是渗流水从接触面板的顶部进，从接触面板的底部出。顶帽2上的 垂直于接触面剪切方向渗流进水管路26与底座1上的垂直于接触面剪切方向渗流 出水管路18以接触面板31为参照物，在接触面板31的前、后或左、右两侧相对 应设置，也就是渗流水从接触面板的一侧进入，从对应的另一侧流出。
如前所述，接触面板31的截面尺寸比底座上的矩形深槽15的尺寸略小，使得 接触面板31能伸入到矩形深槽15中并可以沿竖直方向移动。接触面板31两侧为土样32，两块土样32分别置于矩形深槽15两侧的长方形平台13上，并与接触面 板31紧密接触形成两个相同的接触面。接触面板31的长度大于土样32的长度， 上、下都凸出一部分，这样，上部的凸出部分为接触面的剪切错动提供预留空间， 下部的凸出部分置于矩形深槽15中的弹簧16之上。
试验时，首先将矩形深槽15下部放置弹簧16，将接触面板31放置在弹簧16 上，并保证接触面板31下部处于矩形深槽15内；然后将两块同样大小的土样32 分别置于矩形深槽15两侧的长方形平台13上，并将接触面板31与土样32紧贴在 一起；然后将顶帽2覆盖在接触面板31上部；最后将底座1中的椭圆形凸台12及 以上部分、试样3、顶帽2的椭圆形凸台21及以下部分，用橡皮膜包裹并扎紧，然 后将底座l、顶帽2、试样3这三部分整体放入三轴剪切仪压力室中。
按试验方案的要求，选择平行于接触面剪切方向(Z方向)或垂直于接触面剪 切方向(X方向)中的某一方向作为渗流方向，并将所选择的渗流方向的管路连接 起来，同时关闭其他管路的阀门。例如，若进行平行于接触面剪切方向即Z方向的 渗流试验时，则将外部水压力系统与渗流压力水进水管路20相连，渗流压力水进 水管路20再与平行于接触面剪切方向渗流进水管路25相连，平行于接触面剪切方 向渗流出水管路17与外部测量系统相连；并将周围压力水进水管路19、渗流压力 水进水管路20、平行于接触面剪切方向渗流进水管路25、平行于接触面剪切方向 渗流出水管路17上的阀门都打开，将垂直于接触面剪切方向渗流出水管路18和垂 直于接触面剪切方向渗流进水管路26上的阀门关闭。这样设置后，通过外部水压 力系统施加渗流压力水，即可实现在平行于接触面剪切方向上的渗流试验。其渗流 过程的水流导向为外部水压力系统一渗流压力水进水管路20—平行于接触面剪切 方向渗流进水管路25—土样32与接触面板31间接触面一底座矩形深槽15—平行 于接触面剪切方向渗流出水管路17—外部测量系统。
水流管路连接完毕后，先通过周围压力水进水管路19在橡皮膜外部加水并施 加周围压力，此时橡皮膜内部先不冲水，待外部加压稳定及土样固结后，再加通过 渗流压力水进水管路20向试样内部施加压力水，开始进行渗流，使得在土样及接 触面板的周围形成密封的水压力室。
然后由轴向压力系统通过轴向压力传动杆22向下按压接触面板31，使接触面 板31与土样32间接触面发生竖直方向剪切，当接触面产生某一较大的剪切变形后， 继续通过渗流压力水进水管路20施加压力水，实现土样与接触面板发生大剪切变 形的同时进行渗流冲刷试验。试验认为土样与接触面板紧密接触，接触面上正应力 等于周围压力，且认为接触面板渗透性极小视为不透水，接触面板侧面与橡皮膜紧密接触，在较大周围压力作用下水流不在侧面上通过，只在土样与接触面板间的接 触面上形成平行渗流。
轴向剪切及接触面渗流两个过程中，通过外部测量系统记录或计算接触面正应 力、剪应力、渗流历时、渗流水量等，可分析接触面在不同应力变形条件下的渗流 特性。通过观察渗流出水量大小及其浑浊程度等现象，可判别接触面是否发生冲刷， 并据此分析接触面在不同应力变形条件下的抗渗流冲刷能力大小。
权利要求
1、一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装置，包括置于三轴剪切仪中的底座、顶帽和置于所述底座、顶帽之间的试样，所述试样由一接触面板以及与接触面板紧密接触的两块土样组成，其特征在于所述顶帽上设置有平行于接触面剪切方向渗流进水管路和垂直于接触面剪切方向渗流进水管路，所述底座上设置有平行于接触面剪切方向渗流出水管路和垂直于接触面剪切方向渗流出水管路；所述平行于接触面剪切方向渗流进水管路和渗流出水管路相对于所述接触面板上、下相对应，所述垂直于接触面剪切方向渗流进水管路和渗流出水管路相对于所述接触面板两侧相对应；各所述渗流进水管路的进水端和各所述渗流出水管路的出水端均设置有阀门，各所述渗流出水管路与测量系统连接。
2、 如权利要求1所述的一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装 置，其特征在于所述底座、顶帽、试样外围包裹有密封膜，所述密封膜外围施加 有周围压力水。
3、 如权利要求1所述的一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装 置，其特征在于所述接触面板的上、下两端均长于所述土样。
4、 如权利要求2所述的一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装 置，其特征在于所述接触面板的上、下两端均长于所述土样。
5、 如权利要求1或2或3或4所述的一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷f性的试验装置，其特征在于所述底座底部为一圆台，中间部分为一椭圆形凸台，椭圆形凸台顶部为一长方形平台，长方形平台与椭圆形凸台之间具有渐近的过渡斜 面，从所述长方形平台中部向下开设有矩形深槽，所述矩形深槽的横截面尺寸和所 述接触面板的横截面尺寸相匹配，所述矩形深槽内侧底部置有弹簧，所述平行于接 触面剪切方向渗流出水管路自所述矩形深槽底部向外引出，所述垂直于接触面剪切 方向渗流出水管路自所述底座上的过渡斜面向外引出。
6、 如权利要求1或2或3或4所述的一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷 特性的试验装置，其特征在于所述顶帽的上部为轴向压力传动杆，中间部分为椭圆形凸台，椭圆形凸台底部为长方形平台，所述长方形平台与椭圆形凸台之间具有 渐近的过渡斜面，所述平行于接触面剪切方向渗流进水管路自所述椭圆形凸台引 入，从所述长方形平台底部引出，所述垂直于接触面剪切方向渗流进水管路自所述 椭圆形凸台引入，从所述顶帽上的过渡斜面引出。
7、 如权利要求5所述的一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装置，其特征在于所述顶帽的上部为轴向压力传动杆，中间部分为椭圆形凸台，椭 圆形凸台底部为长方形平台，所述长方形平台与椭圆形凸台之间具有渐近的过渡斜 面，所述平行于接触面剪切方向渗流进水管路自所述椭圆形凸台引入，从所述长方 形平台底部引出，所述垂直于接触面剪切方向渗流进水管路自所述椭圆形凸台引 入，从所述顶帽上的过渡斜面引出。
8、 如权利要求1或2或3或4或7所述的一种测定土体与结构物接触面渗流 冲刷特性的试验装置，其特征在于所述顶帽上的长方形平台和所述接触面板的横 截面尺寸相匹配。
9、 如权利要求5所述的一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装置，其特征在于所述顶帽上的长方形平台和所述接触面板的横截面尺寸相匹配。
10、如权利要求6所述的一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装置，其特征在于所述顶帽上的长方形平台和所述接触面板的横截面尺寸相匹配。
全文摘要
本发明涉及一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装置，包括底座、顶帽和位于中间试样，置于三轴剪切仪中，试样由一接触面板以及与接触面板紧密接触的两块土样组成，顶帽上设置有平行于接触面剪切方向渗流进水管路和垂直于接触面剪切方向渗流进水管路，底座上设置有平行于接触面剪切方向渗流出水管路和垂直于接触面剪切方向渗流出水管路，平行于接触面剪切方向的一对进出管路相对于接触面板上、下相对应，垂直于接触面剪切方向的一对进出管路相对于接触面板两侧相对应；各进出管路均设置有阀门，各出水管路与测量系统连接。本发明实现了对土体试样与接触面板实施应力剪切变形的同时，又进行渗流冲刷特性测量的目的。
文档编号G01N13/00GK101561378SQ20091008548
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者于玉贞, 锋 卞, 禾 吕, 雷红军 申请人:清华大学