无粘性土三轴试样的负压渗流饱和方法及装置与流程

本发明涉及岩土工程试验技术领域，具体而言，涉及一种无粘性土三轴试样的负压渗流饱和方法及装置。

背景技术：

随着西部开发的进程，西南部地区建立和筹建一批高土石坝，由于该地区地震烈度高，地质情况复杂，坝高库水容量大，一旦失事，将产生灾难性的后果。因而有必要开展筑坝料静动力特性研究，静动三轴试验是研究土体力学特性的重要手段，试验过程中试样的饱和度是影响试验结果的一个重要因素。

目前室内三轴试验中无粘性土试样的饱和方法常采用反压饱和法，通过增加试样内部反压使试样内空气压缩，同时增加围压使有效围压保持在较低水平，然后在试样内空气压缩稳定后打开排气阀门将气体向外排出。

其中，反压饱和方法在排气泡的过程中反压瞬间降至大气压，而围压仍处于较高水平，从而有效围压突然增大，试样会产生预固结，影响试样的试验状态从而影响后续试验结果。另一方面反压饱和法不断重复压缩试样内气泡、释放并排出气泡的步骤，在最终接近饱和状态时，该过程对去除气泡的效果越来越不明显，因此饱和过程耗时很长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无粘性土三轴试样的负压渗流饱和方法，其饱和速度快、饱和效果好、对试样扰动小、易于操作。

本发明的另一目的在于提供一种无粘性土三轴试样的负压渗流饱和装置，其操作简便、取材容易。

本发明的实施例是这样实现的：

一种无粘性土三轴试样的负压渗流饱和方法，其包括以下步骤：

将制好的无粘性土试样安装在三轴仪中。

在试样顶端、围压室顶端、试样底端分别抽真空，达到相应的真空度目标值，进行第一级渗流饱和，其中，试样顶端真空度目标值>围压室真空度目标值，试样底端真空度目标值>围压室真空度目标值，试样顶端真空度目标值≠试样底端真空度目标值。

当试样顶端或试样底端不再有气泡排出或者试样顶端或试样底端排出的水的体积大于试样体积时，调整围压室真空度目标值、试样顶端真空度目标值、试样底端真空度目标值均增加一定的幅值，进行第二级渗流饱和，其中，试样顶端真空度目标值>围压室真空度目标值，试样底端真空度目标值>围压室真空度目标值，试样顶端真空度目标值≠试样底端真空度目标值，重复第二级渗流饱和的步骤，直到饱和。

一种无粘性土三轴试样的负压渗流饱和装置，适于与三轴仪配合使用，三轴仪包括围压室，装置包括与试样顶端连通的第一密封箱、与试样底端连通的第二密封箱、与围压室顶端连通的第三密封箱和真空泵，试样顶端与第一密封箱之间、试样底端与第二密封箱之间、围压室顶端与第三密封箱之间分别设置有阀门；真空泵分别与第一密封箱、第二密封箱和第三密封箱相连通。

本发明实施例的一种无粘性土三轴试样的负压渗流饱和方法及装置的有益效果是：通过调整围压室和试样内的真空度，可使试样在饱和过程中有效围压控制在较低的水平，并且试样两端真空度差异相对较小，可控制试样内不同高度的有效围压分布相对均匀，可避免饱和过程对后续试验结果的影响；饱和过程中，试样内处于负压状态，能有效扩大试样内气泡的体积，更便于气泡的排出；试样上下两端存在一定的压力差，可使无气蒸馏水在试样内渗流，水流可持续将试样内气泡带出试样。本发明具有饱和速度快、饱和效果好、对试样扰动小、易于操作的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的无粘性土三轴试样的负压渗流饱和装置；

图2为本发明第一实施例提供的四通连接器的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的第二密封箱的结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的无粘性土三轴试样的负压渗流饱和装置。

图标：100-无粘性土三轴试样的负压渗流饱和装置；200-三轴仪；210-底座；220-试样；221-第一出口；222-第二出口；223-第三出口；224-试样顶端；225-试样底端；231-传力杆；232-顶帽；240-橡皮膜；241-密封橡胶圈；250-围压室；251-围压室顶端；260-阀门；300-第一密封箱；320-第一排气口；400-第二密封箱；410-第二排气口；500-水循环通道；600-第三密封箱；610-第三排气口；700-真空泵；710-四通连接器；711-第一真空泵；712-第二真空泵；713-第三真空泵；720-第三手动调压阀；730-第三负压表；740-第一手动调压阀；750-第一负压表；760-第二手动调压阀；770-第二负压表。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种无粘性土三轴试样的负压渗流饱和装置100，适于与三轴仪200配合使用，三轴仪200包括围压室250，试样220放置于三轴仪200的底座210上。无粘性土三轴试样的负压渗流饱和装置100包括与试样顶端224即试样220远离底座210的一端连通的第一密封箱300、与试样底端225即试样220靠近底座210的一端连通的第二密封箱400、与围压室顶端251即围压室250远离底座210的一端连通的第三密封箱600和真空泵700。

试样顶端224设置有相互连接的传力杆231及顶帽232，优选地，试样220的相对两端面设置有橡皮膜240，使用时橡皮膜240与底座210、顶帽232密闭紧贴，通过橡皮膜240实现试样220与围压室250的隔离；优选地，通过密封橡胶圈241箍紧橡皮膜240，达到更好的隔离效果。

试样顶端224与第一密封箱300相连通，并在两者之间设置阀门260，具体的，试样顶端224设置有第一出口221，第一出口221与第一密封箱300通过连接管道相连通，在第一出口221与第一密封箱300之间设置阀门260；优选地，连接管道伸入第一密封箱300部分的长度不小于0.8倍的第一密封箱300的深度，如果连接管道伸入第一密封箱300部分的长度过短，会导致液面下降到管口以下时吸不到水。

试样底端225与第二密封箱400相连通，并在两者之间设置有阀门260，具体的，试样220靠近底座210的一端设置有第二出口222，第二出口222与第二密封箱400通过连接管道相连通，在第二出口222与第二密封箱400之间设置有阀门260，优选地，连接管道伸入第二密封箱400部分的长度不小于0.8倍的第二密封箱400深度。

优选地，第一密封箱300与第二密封箱400之间设置有水循环通道500，水循环通道500上设置有阀门260，目的是为了方便在饱和过程中不用拆卸装置而实现第一密封箱300与第二密封箱400箱内水的转移。其中，水循环通道500伸入第一密封箱300部分的长度不小于0.8倍的第一密封箱300深度，伸入第二密封箱400部分的长度不小于0.8倍的第二密封箱400深度。优选地，第二密封箱400的容积等于第一密封箱300的容积。

围压室顶端251与第三密封箱600相连通，并在两者之间设有阀门260，具体的，围压室250远离底座210的一端，即围压室顶端251设置有第三出口223，第三出口223与第三密封箱600通过连接管道相连通，第三出口223与第三密封箱600之间设置有阀门260；优选地，连接管道伸入第三密封箱600部分的长度不小于0.8倍的第三密封箱600的深度。

结合图1及图2，真空泵700分别与第三密封箱600、第一密封箱300、第二密封箱400相连通，优选地，真空泵700通过四通连接器710分三路分别与第三密封箱600、第一密封箱300、第二密封箱400相连通；真空泵700与第一密封箱300的连接通道上依次设置有第一手动调压阀740、第一负压表750和阀门260；真空泵700与第二密封箱400的连接通道上依次设置有第二手动调压阀760、第二负压表770和阀门260；真空泵700与第三密封箱600的连接通道上依次设置有第三手动调压阀720、第三负压表730和阀门260；优选地，第一密封箱300上设置第一排气口320，第一排气口320上设置有阀门260，第二密封箱400上设置有第二排气口410，第二排气口410上设置有阀门260，第三密封箱600上设置有第三排气口610，第三排气口610上设置有阀门260。其中，第三密封箱600、第一密封箱300、第二密封箱400与真空泵700连接的管道均不伸入相应的密封箱，如果连接管伸入相应的密封箱，当液面过高时，液体会随着连接管进入真空泵700，会引起真空泵700的损坏。

结合图1及图3，优选地，第三密封箱600、第一密封箱300和第二密封箱400均由透明材质制成，例如均由有机玻璃制成，更优选的，第三密封箱600、第一密封箱300和第二密封箱400的一侧面均标有刻度线，目的是为了方便读取容器内液体的体积。

本实施例中所提到的阀门260均优选为球阀。

第二实施例

请参照图4，图4示出了本发明第二实施例提供的无粘性土三轴试样的负压渗流饱和装置100，与第一实施例不同的是：本实施例中，真空泵700包括第一真空泵711、第二真空泵712和第三真空泵713，第一真空泵711与第一密封箱300相连通，第一真空泵711与第一密封箱300的连接通道上依次设置有第一手动调压阀740、第一负压表750和阀门260；第二真空泵712与第二密封箱400相连通，第二真空泵712与第二密封箱400的连接通道上依次设置有第二手动调压阀760、第二负压表770和阀门260；第三真空泵713与第三密封箱600相连通，第三真空泵713与第三密封箱600的连接通道上依次设置有第三手动调压阀720、第三负压表730和阀门260。

第三实施例

一种无粘性土三轴试样的负压渗流饱和方法，该饱和方法的原理为在负压环境下使无气蒸馏水在三轴试样孔隙内渗流循环。首先将制好的无粘性土试样220安装在三轴仪200中，具体的，将试样220放置于三轴仪200的底座210上，慢慢放下传力杆231，当试样顶端224与顶帽232刚有接触时卡死传力杆231以固定顶帽232位置，使试样220两端橡皮膜240与底座210、顶帽232密闭紧贴并用密封橡胶圈241箍紧。优选地，在第一密封箱300和第二密封箱400内各装入半箱水，同时连接第一出口221与第一密封箱300、第二出口222与第二密封箱400、第三出口223与第三密封箱600。

为了检测试样220是否完全密闭隔离，优选地，将试样220两端的阀门260一端打开、一端关闭，例如，打开第一出口221与第一密封箱300之间的阀门260，关闭第二出口222与第二密封箱400之间的阀门260，或打开第二出口222与第二密封箱400之间的阀门260，关闭第一出口221与第一密封箱300之间的阀门260。在打开端用真空泵700抽真空，真空度为10-20千帕时，例如真空度为10千帕、12千帕、15千帕或20千帕时，关闭该端阀门260并保持一段时间，若试样220内真空度没有变化，说明试样220安装完全密闭，试样220安装成功，否则重新安装试样220，具体的，可以在三轴仪200内设置孔压传感器(图未示)，若孔压传感器的读数没有下降，说明试样220安装完全密闭。

然后在试样顶端224、围压室顶端251、试样底端225分别抽真空，达到相应的真空度目标值，进行第一级渗流饱和。具体的，关闭试样底端225的阀门260，试样顶端224抽真空至试样顶端224真空度目标值，试样220内压力稳定后在围压室顶端251抽真空至围压室250真空度目标值，保持试样底端225的阀门260关闭，与试样底端225连接的第二密封箱400内预先调负压至与试样顶端224相等并保持压力稳定，缓缓打开试样底端225的阀门260，试样220内负压值稳定后慢慢调节试样底端225负压至试样底端225真空度目标值。其中，试样顶端224真空度目标值>围压室250真空度目标值，试样底端225真空度目标值>围压室250真空度目标值，试样顶端224真空度目标值≠试样底端225真空度目标值，这样做主要三个目的，第一是为了使试样220内部保持负压状态，放大空隙内空气气泡；第二是为了使试样220外部也为负压状态，试样220外部真空度小于试样220内部真空度，试样220内外压力差较小，控制饱和过程中试样220的有效围压在较低的水平；第三是为了使试样顶端224和试样底端225的真空度不同，存在压力差，使试样220孔隙内的水在试样220两端压力差的作用下形成渗流，带动放大的气泡排出试样220。优选地，第一级渗流饱和过程中，围压室250真空度目标值为0-10千帕，例如围压室250真空度目标值可以为0千帕、2千帕、5千帕、8千帕或10千帕。当试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值为10-40千帕，例如试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值为10千帕、15千帕、20千帕、25千帕、30千帕、35千帕或40千帕；此时试样底端225真空度目标值与围压室250真空度目标值的差值为10-20千帕，例如试样底端225真空度目标值与围压室250真空度目标值的差值为10千帕、12千帕、15千帕、19千帕或20千帕，这时试样220内水流渗流的方向是从试样底端225流向试样顶端224；当试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值为-10千帕、-15千帕、-0千帕、-25千帕、-30千帕、-35千帕或-40千帕，此时试样顶端224真空度目标值与围压室250真空度目标值的差值为10-20千帕，例如试样顶端224真空度目标值与围压室250真空度目标值的差值为10千帕、12千帕、15千帕、19千帕或20千帕，这时试样220内水流渗流的方向是从试样顶端224流向试样底端225。

当试样220内水流渗流的方向是从试样顶端224流向试样底端225时，此时当试样底端225不再有气泡排出试样底端225排出的水的体积大于试样220的体积时；或当试样220内水流渗流的方向是从试样底端225流向试样顶端224时，此时当试样顶端224不再有气泡排出试样顶端224排出的水的体积大于试样220的体积时；即当试样220内水流流出的一端通道内不再有气泡排出或者试样220内水流流出的一端通道内排出的水的体积大于试样220体积时，依次调整试样顶端224、试样底端225、围压室250的真空度，均增加一定的幅值，进行第二级渗流饱和，增加的幅值优选为10-30千帕，并始终确保试样顶端224真空度目标值>围压室250真空度目标值，试样底端225真空度目标值>围压室250真空度目标值，试样顶端224真空度目标值≠试样底端225真空度目标值，优选地，试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值为±10-±40千帕，需要说明的是，这一级试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值的具体值可以与上一级不同，例如第一级中试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值为10千帕，这一级试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值可以为20千帕；或第一级中试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值为10千帕，这一级试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值可以为-10千帕。具体的，当试样220内水流流出的一端通道内不再有气泡排出或者试样220内水流流出的一端通道内排出的水的体积大于试样220体积时，关闭试样底端225的阀门260，试样顶端224真空度增加10-30千帕，例如10千帕、12千帕、15千帕、18千帕、20千帕、25千帕或30千帕，试样220内压力稳定后，围压室250顶端真空度增加10-30千帕，例如10千帕、12千帕、15千帕、18千帕、20千帕、25千帕或30千帕，保持试样220底端阀门260关闭，与试样底端225连接的第二密封箱400预先调负压至与试样顶端224相等并保持压力稳定，缓缓打开试样底端225的阀门260，试样220内负压值稳定后慢慢调节试样底端225负压，直到试样底端225真空度的值达到其目标值，优选地，当试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值为10千帕、15千帕、20千帕、25千帕、30千帕、35千帕、40千帕时，试样底端225真空度目标值与围压室250真空度目标值的差值为10-20千帕；当试样顶端224的真空度目标值与试样底端225的真空度目标值的差值为-10千帕、-15千帕、-0千帕、-25千帕、-30千帕、-35千帕或-40千帕时，试样顶端224真空度目标值与围压室250真空度目标值的差值为10-20千帕。重复第二级渗流饱和的步骤，直到满足饱和的要求。饱和过程的时间优选为60-120min，例如饱和过程的时间为60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min等。同时，每级渗压饱和的时间优选为10-30min，例如每级渗流饱和的时间为10min、15min、20min、25min、30min等。需要说明的是，在整个饱和过程中，第一密封箱300、第二密封箱400内液面的高度不得低于其与三轴仪200连接管道的管口。

选用南京细砂三轴试样作为无粘性土三轴试样，采用常规的反压饱和法，反压400千帕，饱和时间10小时，B值达到0.92；采用本方法进行测试，负压渗流饱和2小时，B值均能达到0.96及以上。

综上所述，一种无粘性土三轴试样的负压渗流饱和方法及装置的有益效果是通过调整围压室250和试样220内的真空度，可使试样220在饱和过程中有效围压控制在较低的水平，并且试样220两端真空度差异相对较小，可控制试样220内不同高度的有效围压分布相对均匀，可避免饱和过程对后续试验结果的影响；饱和过程中，试样220内处于负压状态，能有效扩大试样220内气泡的体积，更便于气泡的排出；试样220上下两端存在一定的压力差，可使无气蒸馏水在试样220内渗流，水流可持续将试样220内气泡带出试样220。本发明具有饱和速度快、饱和效果好、对试样220扰动小、易于操作的特点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。