碎石土渗透侵蚀三轴试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程技术领域，具体地，涉及一种用于渗透侵蚀(潜蚀)作用条件下碎石土渗透特性及力学强度变化的碎石土渗透侵蚀三轴试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]集中渗漏侵蚀、后退侵蚀、接触侵蚀和潜蚀等侵蚀现象均可导致岩土体内部渗透侵蚀。潜蚀现象，即在渗透水作用下粗颗粒骨架内部细颗粒有选择性的侵蚀现象。对于易于受侵蚀岩土体，一旦细小颗粒移动，岩土体相应的细观结构将随着变化，其剪切强度将相应减小，内部水力条件也将发生突变。许多堆石坝失事及地质灾害发生均与潜蚀作用密切相关。
[0003]以往的试验测试主要是量化在自重条件下土体潜蚀可能性，大部分都是针对细颗粒松散土。传统的方法是将试样放置在刚性圆桶内，测试在恒定向下水流情况下开展试验。对于内侵蚀的判定通常是在试验完成后对试样不同高度的试样重新进行颗分试验来完成。
[0004]然而，土石坝或堤坝内部应力状态非常复杂，特别是在带有心墙的土石坝内部。近年来，复杂应力状态下侵蚀问题成为国内外热点研宄问题，Moffat and Fannin (2006)采用大尺寸的刚性圆筒研宄KO应力条件下无粘性土内部不稳定起始问题。Bendahmane etal.(2008)研宄了各向压力条件相同情况下内部侵蚀问题，主要研宄围压从150kPa减小到10kPa时侵蚀量变化。Richards and Reddy (2010)开发真三轴系统来研宄管涌在粘性和无粘性土中发生的可能性。Shwiyhat and Xiao (2010)研宄了在恒定水头条件下内侵蚀作用导致的土体渗透性及体积的变化。常东升等(2011)利用改造的应力控制三轴试验仪(试样直径100mm)，研宄了砂土在内侵蚀后的应力应变关系。罗玉龙等(2013)研制渗流-侵蚀-应力耦合管涌试验装置，该装置(试样直径1lmm)可模拟无围压、等向受压、三轴受压等管涌试验。从以上试验成果上看，对于真实应力条件下的侵蚀问题的研宄还处于起始阶段，而对于采用大直径的碎石土进行侵蚀研宄还未见成熟的设备及成果。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对传统细颗粒组成的土体渗透试验方法将试样置于自重条件下进行试验，而不能在多级水头及复杂应力条件下模拟侵蚀的不足，以及侵蚀颗粒采集效率低下的不足，提供一种可模拟多级水头及复杂应力条件，模拟侵蚀过程的大粒径碎石土渗透侵蚀三轴试验装置及试验方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明涉及的试验装置和试验方法是通过以下技术方案实现的。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种碎石土渗透侵蚀三轴试验装置，包括依次连接的压力控制系统、渗透侵蚀三轴试验系统以及砂水分离系统；其中，所述渗透侵蚀三轴试验系统用于盛放碎石土试样，并通过自身加载的轴压以及压力控制系统提供的围压和水压，模拟具有多级水头及复杂应力条件的渗透侵蚀环境；所述碎石土试样在设定的渗透侵蚀环境下，侵蚀颗粒由渗透侵蚀三轴试验系统流出，并进入砂水分离系统。
[0008]优选地，所述渗透侵蚀三轴压力试验系统包括轴压加载杆、压力室、带槽试样帽、多孔底盘以及底座，其中，所述压力室的中处设有试样盛放腔，所述试样盛放腔与压力室之间具有间隙，所述碎石土试样设置于所述试样盛放腔内；所述轴压加载杆压设在试样盛放腔的顶部，所述轴压加载杆和试样盛放腔之间设有带槽试样帽，所述多孔底盘设置于试样盛放腔的底部，所述底座设置于压力室的底部，所述底座与试样盛放腔之间设有漏斗沉积基座，所述漏斗沉积基座的出口端端口处设有侵蚀出流阀，漏斗沉积基座通过侵蚀出流阀与砂水分离系统相连接；所述碎石土试样在渗透侵蚀环境下，经过多孔底盘由侵蚀出流阀流出。
[0009]优选地，所述试样盛放腔外壁采用透明有机玻璃，所述碎石土试样外部包裹橡胶膜。
[0010]优选地，所述压力控制系统包括渗流供水筒、渗流供水筒内压力控制单元、空气压缩机、压力室内气压控制单元、压力室供水筒以及压力室内水压控制单元，其中，所述渗流供水筒的供水管路通过渗流供水筒内压力控制单元连接至试样盛放腔，渗流供水筒供水管路的出水端连接在试样盛放腔顶部的带槽压力帽顶端；所述压力室供水筒的供水管路通过压力室内水压控制单元连接至压力室的底部；所述空气压缩机分别与渗流供水筒和压力室相连接，所述空气压缩机的供气管路通过压力室内气压控制单元连接至压力室的底部。空气压缩机用于提供渗流供水筒内反压控制以及提供压力室内气压加载。
[0011]优选地，所述压力供应系统还包括体变量测筒、数据采集系统、压力控制器和阀门控制器，所述体变量测筒分别与漏斗沉积基座的出口端和数据采集系统相连接，所述数据采集系统分别与压力控制器和阀门控制器相连接，所述压力控制器和阀门控制器分别与渗流供水筒和压力室供水筒相连接。
[0012]优选地，所述压力控制系统还包括外接水源管路和/或外接真空泵管路，所述外接水管管路和/或外接真空泵管路通过压力控制器连接至试样放置腔的底部。
[0013]优选地，所述砂水分离系统包括砂水分离筒和储水筒，所述砂水分离筒与渗透侵蚀三轴试验系统相连接，所述储水筒与砂水分离筒相连接；所述砂水分离筒和储水筒的底部分别设有电子天平。
[0014]优选地，所述砂水分离筒设有电子浊度计；所述储水桶设有离心泵。
[0015]根据本发明的第二个方面，提供了一种上述碎石土渗透侵蚀三轴试验装置的试验方法，包括如下步骤:碎石土试样饱和后，压力控制系统始终向渗透侵蚀三轴试验系统提供水压和围压，模拟渗透侵蚀环境，应力条件根据试验方案循环变化，直至完成完全破坏全过程。
[0016]优选地，所述试验方法具体为:
[0017]步骤一，将碎石土试样放置在压力室中心处的试样盛放腔内，使试样通过真空泵抽取试样内部空气达到真空包括，和/或，使试样通过微渗流供水方式从试样底部供水，达到浸水饱和；
[0018]步骤二，渗流供水筒供水从试样顶部入渗，流经试样的水及侵蚀出的细颗粒通过试样底部的多孔底座排出，以模拟渗透侵蚀过程；
[0019]步骤三，试样的侵蚀过程中，携带细颗粒的渗流出水通过砂水分离系统处理，并实时称量；
[0020]步骤四，侵蚀过程模拟完成完毕后，按应力或者应变方式通过轴压加载杆进行轴压加载，在保持试样围压不变的情况下进行碎石土试样强度测试。
[0021]本发明的工作原理为:
[0022]将碎石土试样放置在有围压的三轴透明有机玻璃压力室内，由渗流供水筒内空气加压继而将水加压，经渗流供水筒从试样顶部入渗，流经试样的水及侵蚀出的细颗粒通过试样底部的多孔底座排出，以模拟渗透侵蚀作用，通过压力室供水筒和/或空气压缩机，模拟围压环境。试样的侵蚀过程中，携带细颗粒的渗流出水通过砂水分离系统处理，并实时称量。砂水分离完毕后，关闭侵蚀出流阀，按应力或者应变方式进行轴压加载，在保持试样围压不变的情况下进行试样强度测试。
[0023]本发明将试样放置在有围