应力与渗流耦合作用下岩土体的试验装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程研究领域，尤其涉及一种应力与渗流耦合作用下岩土体的试验装置及方法。

背景技术：

近年来，随着工程建设的快速发展，由土体变形过大引起的工程问题时有发生，学术界和工程界对土体变形特性开展了大量的试验研究，主要包括三轴试验、固结试验、直剪试验等。由于能最大程度地模拟土体的自然受力状态，三轴试验是研究土体变形特性最常用的试验方法。但是，三轴试验也存在以下不足：

①三轴试验需要采用饱和试样，而工程实践中土体可能出于天然含水量状态，比如高速铁路路堤基床粗粒土填料，采用饱和试样的试验结果不能完全准确反映土体实际的力学与变形特性；

②国内三轴仪均采用水作为围压介质，导致沿试样高度的围压误差较大，如高度为0.6m的大型粗粒土试样上、下表面围压差达6kpa；

③目前针对粗粒土开发的大型动静三轴仪所采用的试样为圆柱体，在试验时只能施加单一的围压，不能完全准确地施加土体所受的实际应力状态；

④目前三轴试验装置还不能考虑在渗流作用下甚至发生渗流破坏时的土体力学与变形特性。

基于此，申请人开发出一种应力与渗流耦合作用下岩土体的试验装置及方法，该装置能独立精确控制土体三向应力状态，可以准确获取天然含水率状态或渗流条件下土体变形特性，以便为岩土工程设计提供更加准确的参数建议。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种应力与渗流耦合作用下岩土体的试验装置及方法，该装置能独立精确控制土体三向应力状态，可以准确获取天然含水率状态下或渗流条件下的岩土体变形特性，以便为岩土工程设计提供更加准确的参数建议。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种应力与渗流耦合作用下岩土体的试验装置，包括底座、试样、围压系统、加载系统、渗流系统、变形测量系统；

所述底座包括底板，底板中部设有矩形支座，所述试样为方柱体，且放置在矩形支座上，矩形支座外围设有竖向支撑，竖向支撑数量为四个且分别对应矩形支座的各个侧面，竖向支撑靠近试样一侧安装有气囊存储腔，气囊存储腔仅朝向试样一侧开口；矩形支座内部设有储液腔，储液腔底部设有出水口，矩形支座上端面设有与储液腔连通的滴水孔；矩形支座侧面设有下凹槽，试样外套设有上、下端开口的乳胶套，乳胶套下端通过抱箍嵌置在下凹槽内；

所述围压系统包括第一气体管道和第二气体管道，第一气体管道依次连通有第一空气压缩机、第一气压控制箱、第一气压阀、第一气囊、第二气囊，第一气囊、第二气囊分别放置在相对两气囊存储腔内；第二气体管道依次连通有第二空气压缩机、第二气压控制箱、第二气压阀、第三气囊、第四气囊，第三气囊、第四气囊分别放置在另外相对两气囊存储腔内；

所述加载系统包括设置在试样上方的反力架，反力架下端安装有竖向作动器，竖向动作器末端连接有加载盒，加载盒为矩形钢盒，加载盒上端面设有进水口，加载盒下端面与所述试样上端面接触且均匀分布有若干渗水孔；加载盒侧面设有上凹槽，所述乳胶套上端通过抱箍嵌置在上凹槽内；

所述渗流系统包括进水管道和出水管道，进水管道依次连通有进水箱、进水口流量控制阀、进水口流量计、进水口水压计，且进水管道末端与所述进水口连接；出水管道一端与所述出水口连通，且另一端依次连通有出水口水压计、出水口流量计、出水口流量控制阀、出水箱；

所述变形量测系统包括竖向电子位移计、水平电子位移计，竖向电子位移计安装在加载盒上，水平电子位移计数量为四个，且分别设置于第一气囊、第二气囊、第三气囊、第四气囊内。

进一步的，所述渗流系统还包括上透水石、下透水石，上透水石设置在试样和加载盒间，下透水石设置在试样和矩形支座间。

进一步的，所述第一气囊、第二气囊、第三气囊、第四气囊均为高弹性材料。

进一步的，所述水平电子位移计外套设有定位套管，定位套管通过法兰盘、螺栓与所述气囊存储腔连接。

一种利用上述试验装置获取天然含水率状态下岩土体变形特性的方法，包括以下步骤：

s1、先将乳胶套套装在矩形支座上，通过抱箍固定，在矩形支座上端面依次放置下透水石、透水布，在乳胶套外侧套装矩形钢模，按照《土工试验规程sl237-1999》要求，在底座上分层制备试样，在试样上端面放置上透水石，拆除矩形钢模；

s2、安装气囊存储腔，在气囊存储腔内固定气囊，使气囊充气后能与试样保持紧密接触；

s3、在试样上方的反力架上安装作动器，在作动器下端安装加载盒，调整反力架高度，使加载盒的下端与上透水石紧密接触；

s4、开启围压系统，控制气囊压力，对试样四周同步施加围压，若前后侧与左右侧围压不一致时，则对试样围压较大侧的气囊继续加压；

s5、开启作动器，通过加载盒、上透水石对试样施加轴向静力荷载或动力荷载，并通过变形测量系统观测试样变形情况，测得试样竖向位移和侧向位移，根据试验数据得到试样的变形特性。

一种利用上述装置获取渗流条件下岩土体变形特性的方法，包括以下步骤：

a、先将乳胶套套装在矩形支座上，通过抱箍固定，在矩形支座上端面依次放置下透水石、透水布，在乳胶套外侧套装矩形钢模，按照《土工试验规程sl237-1999》要求，在底座上分层制备试样，在试样上端面放置上透水石，拆除矩形钢模；

b、安装气囊存储腔，在气囊存储腔内固定气囊，使气囊充气后能与试样保持紧密接触；

c、在试样上方的反力架上安装作动器，在作动器下端安装加载盒，调整反力架高度，使加载盒的下端与上透水石紧密接触；

d、开启围压系统，控制气囊压力，对试样四周同步施加围压，若前后侧与左右侧围压不一致时，则对试样围压较大侧的气囊继续加压；

e、开启渗流系统，保持渗流水压在试样过程中为常水头；

f、开启作动器，通过加载盒、上透水石对试样施加轴向静力荷载或动力荷载，并通过变形测量系统观测试样变形情况，同时通过渗流系统观测进水口水压、出水口水压、进水口流量、出水口流量，根据试验数据得到设定渗流条件下试样的变形特性。

本发明的有益效果是：本发明可以对方柱体岩土试样进行试验，该装置能够对试样提供稳定性好、精度高的围压，且围压沿试样高度误差小，在试样变形较大时围压仍维持恒定，在对试样进行动静加载时，可以实现不同渗流大小和方向、或管涌渗流破坏作用下岩土体的力学与变形试验，反映天然地下水渗流或管涌渗流破坏状况下土体的强度与变形性能。本发明结构简单、操作方便，便于推广使用。

附图说明

图1为应力与渗流耦合作用下岩土体的试验装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为抱箍的安装示意图；

图4为水平电子位移计的安装示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-4所示，一种应力与渗流耦合作用下岩土体的试验装置，包括底座、试样00、围压系统、加载系统、渗流系统、变形测量系统。

所述底座包括底板11，底板11中部设有矩形支座12，所述试样00为方柱体，且放置在矩形支座12上，矩形支座12外围设有竖向支撑13，竖向支撑13数量为四个且分别对应矩形支座12的各个侧面，竖向支撑13靠近试样00一侧安装有气囊存储腔14，气囊存储腔14仅朝向试样00一侧开口；矩形支座12内部设有储液腔15，储液腔15底部设有出水口16，矩形支座12上端面设有与储液腔15连通的滴水孔16；矩形支座12侧面设有下凹槽17，试样00外套设有上、下端开口的乳胶套18，乳胶套18下端通过抱箍19嵌置在下凹槽17内。

所述围压系统包括第一气体管道20和第二气体管道30，第一气体管20道依次连通有第一空气压缩机21、第一气压控制箱22、第一气压阀23、第一气囊24、第二气囊25，第一气囊24、第二气囊25分别放置在相对两气囊存储腔14内；第二气体管道30依次连通有第二空气压缩机31、第二气压控制箱32、第二气压阀33、第三气囊34、第四气囊35，第三气囊34、第四气囊35分别放置在另外相对两气囊存储腔14内；第一气囊24、第二气囊25、第三气囊34、第四气囊35均为高弹性材料。

所述加载系统包括设置在试样00上方的反力架41，反力架41下端安装有竖向作动器42，竖向动作器42末端连接有加载盒43，加载盒43为矩形钢盒，加载盒43上端面设有进水口44，加载盒43下端面与所述试样00上端面接触且均匀分布有若干渗水孔45；加载盒43侧面设有上凹槽46，所述乳胶套18上端通过抱箍19嵌置在上凹槽46内。

所述渗流系统包括进水管道50和出水管道60，进水管道50依次连通有进水箱5、进水口流量控制阀52、进水口流量计53、进水口水压计54，且进水管道50末端与所述进水口44连接；出水管道60一端与所述出水口16连通，且另一端依次连通有出水口水压计61、出水口流量计62、出水口流量控制阀63、出水箱64；渗流系统还包括上透水石55、下透水石65，上透水石55设置在试样00和加载盒43间，下透水石65设置在试样00和矩形支座12间。

所述变形量测系统包括竖向电子位移计71、水平电子位移计72，竖向电子位移计71安装在加载盒43上，水平电子位移计72数量为四个，且分别设置于第一气囊24、第二气囊25、第三气囊34、第四气囊35内。水平电子位移计72外套设有定位套管73，定位套管73通过法兰盘74、螺栓75与所述气囊存储腔14连接。

上述实验装置可以对方柱体岩土试样进行试验，该装置能够对试样提供稳定性好、精度高的围压，且围压沿试样高度误差小，在试样变形较大时围压仍维持恒定，在对试样进行动静加载时，可以实现不同渗流大小和方向、或管涌渗流破坏作用下岩土体的力学与变形试验，反映天然地下水渗流或管涌渗流破坏状况下土体的强度与变形性能。本发明结构简单、操作方便，便于推广使用。

通过上述装置可以取天然含水率状态下或渗流条件下岩土体的变形特性，以下为具体操作方法。

一种获取天然含水率状态下岩土体变形特性的方法，包括以下步骤：

s1、先将乳胶套套装在矩形支座上，通过抱箍固定，在矩形支座上端面依次放置下透水石、透水布66，在乳胶套外侧套装矩形钢模，按照《土工试验规程sl237-1999》要求，在底座上分层制备试样，在试样上端面放置上透水石，拆除矩形钢模；

s2、安装气囊存储腔，在气囊存储腔内固定气囊，使气囊充气后能与试样保持紧密接触；

s3、在试样上方的反力架上安装作动器，在作动器下端安装加载盒，调整反力架高度，使加载盒的下端与上透水石紧密接触；

s4、开启围压系统，控制气囊压力，对试样四周同步施加围压，若前后侧与左右侧围压不一致时，则对试样围压较大侧的气囊继续加压；

s5、开启作动器，通过加载盒、上透水石对试样施加轴向静力荷载或动力荷载，并通过变形测量系统观测试样变形情况，测得试样竖向位移和侧向位移，根据试验数据得到试样的变形特性。

一种获取渗流条件下岩土体变形特性的方法，包括以下步骤：

a、先将乳胶套套装在矩形支座上，通过抱箍固定，在矩形支座上端面依次放置下透水石、透水布66，在乳胶套外侧套装矩形钢模，按照《土工试验规程sl237-1999》要求，在底座上分层制备试样，在试样上端面放置上透水石，拆除矩形钢模；

b、安装气囊存储腔，在气囊存储腔内固定气囊，使气囊充气后能与试样保持紧密接触；

c、在试样上方的反力架上安装作动器，在作动器下端安装加载盒，调整反力架高度，使加载盒的下端与上透水石紧密接触；

d、开启围压系统，控制气囊压力，对试样四周同步施加围压，若前后侧与左右侧围压不一致时，则对试样围压较大侧的气囊继续加压；

e、开启渗流系统，保持渗流水压在试样过程中为常水头；

f、开启作动器，通过加载盒、上透水石对试样施加轴向静力荷载或动力荷载，并通过变形测量系统观测试样变形情况，同时通过渗流系统观测进水口水压、出水口水压、进水口流量、出水口流量，根据试验数据得到设定渗流条件下试样的变形特性。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。