复杂应力状态下岩土材料渗透变形测试方法及测试装置与流程

本发明涉及一种复杂应力状态下的岩土材料渗透变形测试方法及测试装置，属于岩土工程领域。

背景技术：

岩土材料的渗透变形特性是土木工程、水利水电工程、能源工程等领域关注的重点问题之一。同时渗透变形工程事故的发生，如边坡在地下水的作用下发生变形，甚至滑坡，土石坝和堆石坝在库水高水头作用下发生渗透变形，岩体结构面在长期库水位和地下水的作用下形成高渗透压力导致坝基岩体或库岸边坡发生失稳破坏等。

岩土材料渗透变形特性受围压、渗透压力、岩土材料内部孔隙结构等因素影响。弄清岩土材料在复杂应力状态下的渗透变形特性及相关渗透参数，对于指导工程设计和施工均具有重要指导意义。目前现有岩土体渗透变形仪器一般尺度较小，试样无法准确描述岩土材料的内部结构；应力状态单一，无法测试复杂应力状态下的岩土体渗透特性；存在变形测量不够精确或无法获得变形等不足。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的针对现有技术存在的问题，提供一种复杂应力状态下岩土材料渗透变形测试方法及相应的测试装置可广泛用于土体、岩石材料以及土石混合物等岩土材料渗透变形参数的测定。

技术方案：本发明所述的一种复杂应力状态下岩土材料渗透变形测试方法，包括如下步骤：

(1)制作岩土材料的圆柱体试样，测量记录试样尺寸；

(2)将试样放置于压力室中，封闭压力室；

(3)通过伺服控制油泵对压力室加载围压至目标值；

(4)保持围压不变，通过伺服控制水泵多级加载渗压，每级渗压加载稳定后，随时间变化记录渗透通过试样的水流量、试样的轴向变形及环向变形，确定每级渗压下试样的渗透系数、轴向应变、环向应变随时间变化情况，获得同一围压不同渗压下试样的渗透变形变化规律；其中，渗透系数的变化侧面反映试样的渗透变形情况，轴向应变与环形应变的变化直接反映了试样的渗透变形变化规律；

(5)重复步骤(3)和(4)，伺服控制加载不同的围压和渗压，获得复杂应力状态下岩土材料的渗透变形变化规律。

上述步骤(4)中，某一渗压p下，岩土材料试样在t时段内的渗透系数k根据下式确定：

式中，q为该级渗压加载稳定后t时段内渗透通过试样的水流量，a为试样的横截面积，h为试样的高度。

某一渗压下，岩土材料试样在某一时刻的轴向应变ε1和环向应变ε3分别为：

其中，x1为试样在该时刻的轴向变形量，l1、l2、l3分别为该时刻试样上部、中部及下部的环向变形量。

本发明所述的一种复杂应力状态下岩土材料渗透变形测试装置，包括压力室以及分别与压力室连通的围压伺服加载系统和渗压伺服加载系统，压力室包括压力室顶盖、顶部压头和压力室底板，且压力室内设置试样，该试样固定在顶部压头与压力室底板之间；顶部压头上固设有轴向应变计、且轴向应变计下端与压力室底板固定，试样上部、中部和下部分别安装有环向应变计。

轴向应变计可为lvdt应变计，用于精确测量在渗透压力作用下试样的轴向变形，即试样在渗透路径方向的变形。上、中、下三个环向应变计可以精确测量在渗透变形过程中，岩土材料试验不同部位的环向变形。

优选的，试样外部包裹橡胶套，环向应变计套设在橡胶套上部、中部和下部。

进一步的，试样两端设有透水石。透水石既可以隔离试样和渗透管道的接触，同时使渗透有能力均匀分布在试样顶部。

其中，渗压伺服加载系统包括伺服控制水泵和水箱，伺服控制水泵通过进水管道与试样顶部连接，且进水管道上设有用于监测显示渗透压力的第一压力计和用于测量进水量的进水口流量计；试样底部设有出水管道，该出水管道上设有用于测量渗透通过试样的水流量的出水口流量计。由可伺服控制水泵进行渗透压力加载，根据试验所需，可设定不同大小的渗透压力。

进一步的，围压伺服加载系统包括伺服控制油泵和油箱，伺服控制油泵通过进油管道与压力室连通，且进油管道上设有用于监测显示围压的第二压力计。围压伺服加载系统可伺服控制油泵进行围压加载，从而可测量不同围压作用下岩土材料试样的渗透变形及渗透参数。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的岩土材料渗透变形测试方法通过伺服泵精确控制渗透压力和围压自动加载，可实现复杂应力状态和应力路径精确加载，进而实现复杂应力状态下的渗透变形精确测试；该方法通过测量试样的轴向变形和环向变形，可确定出在不同渗透压力和围压作用下的轴向应变和环向应变，并通过记录渗透变形过程中的流量变化计算出试样在渗透压力作用下渗透系数的变化规律，这些参数可以精确表征岩土材料的渗透变形情况；另外，本发明的测试方法将试样放置在压力室中进行渗透变形测试，测试过程不受试样尺寸限制，通用性强。

附图说明

图1为本发明的岩土材料渗透变形测试装置的结构示意图；

图2为岩土材料试样安装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种复杂应力状态下岩土材料渗透变形测试方法，包括如下步骤：

(1)制作岩土材料的圆柱体试样，测量记录试样的尺寸大；

(2)将试样放置于压力室中，封闭压力室；

(3)通过伺服控制油泵对压力室加载围压至目标值；

(4)保持围压不变，通过伺服控制水泵多级加载渗压，每级渗压加载稳定后，随时间变化记录渗透通过试样的水流量、试样的轴向变形及环向变形，确定每级渗压下试样的渗透系数、轴向应变、环向应变随时间变化情况。其中，渗透系数的变化侧面反映试样的渗透变形情况，轴向应变与环形应变的变化直接反映了试样的渗透变形变化规律；从而可获得同一围压不同渗压下试样的渗透变形变化规律；

其中，某一渗压下，岩土材料试样在t时段内的渗透系数k根据下式确定：

式中，p为渗透压力，q为该级渗压加载稳定后t时段内渗透通过试样的水流量，a为试样的横截面积，h为试样的高度。

某一渗压下，岩土材料试样在某一时刻的轴向应变ε1和环向应变ε3分别为：

其中，x1为试样在该时刻的轴向变形量，当采用多个轴向应变计测试试样的轴向应变量时，x1的值为多个轴向应变计测试数据的平均值；l1、l2、l3分别为该时刻试样上部、中部及下部的环向变形量。

(5)重复步骤(3)和(4)，伺服控制加载不同的围压和渗压，获得复杂应力状态下岩土材料的渗透变形情况。

基于上述渗透变形测试方法，本发明提供了一种复杂应力状态下岩土材料渗透变形测试装置，如图1～2，包括压力室1、渗压伺服加载系统2和围压伺服加载系统3三个主要部分，渗压伺服加载系统2及围压伺服加载系统3分别与压力室1连通，用于精确控制渗压和围压的加载，实现复杂应力状态和应力路径的精确加载。

其中，压力室1包括压力室顶盖22和压力室底板8，通过螺杆螺母9可将压力室底板8和压力室顶盖22固定组成全封闭压力室。压力室顶盖22下方设有顶部压头10，顶部压头10与压力室底板8之间固定安装试样4，试样4外部可包裹橡胶套7，然后可通过环向固定部件23将橡胶套7上、下两端固定在顶部压头10和压力室底板8上。试样4两端还可设置透水石6，透水石6既可以隔离试样4和渗透管道的接触，同时使渗透有能力均匀分布在试样顶部。

顶部压头10上固设有轴向应变计5，如在试样横截面两侧分别设置一个lvdt应变计，轴向应变计5下端与压力室底板8固定，轴向应变计5可以精确测量试样4在渗透压力作用下，在渗透路径方向的变形，即试样的轴向变形；试样4上部、中部和下部分别安装有环向应变计24，当试样4外部包裹橡胶套7时，在橡胶套7外部上、中、下三个部位安装环向应变计24，可以精确测量在渗透变形过程中，岩土材料试样不同部位的环向变形。

渗压伺服加载系统2由可伺服控制水泵进行渗透压力加载，根据试验所需，可设定不同大小的渗透压力，从而可测量不同渗透压力下，岩土材料试样的渗透变形及渗透参数。渗压伺服加载系统2伺服控制水泵12和与其连通的水箱14，两者之间设置水阀13；伺服控制水泵12通过进水管道与试样4顶部连接，进水管道上设有第一压力计11，用于监测显示渗透压力，还设有进水口流量计15，用于测量进水量；试样4底部设有出水管道，该出水管道上设有出水口流量计21，用于测量渗透通过试样的水流量，出水管道一端连接试样底部，另一端可连接储水容器20，用于收集渗透通过试样的水。

围压伺服加载系统3由可伺服控制油泵进行围压加载，可根据试验需要，设定加载不同大小的围压，从而可测量不同围压作用下，岩土材料试样的渗透变形及渗透参数。围压伺服加载系统3包括伺服控制油泵17和与其连通的油箱19，两者之间设置有油阀18；伺服控制油泵17通过进油管道与压力室1连通，在橡胶套7外部进行围压伺服加载；进油管道上还设有第二压力计16，用于监测显示围压大小。

通过渗压伺服加载系统2和围压伺服加载系统3精确控制渗透压力和围压自动加载，可实现复杂应力状态和应力路径精确加载，进而实现复杂应力状态下的渗透变形精确测试，获得复杂应力状态下岩土材料的渗透特性。

采用本发明的复杂应力状态下岩土材料渗透变形测试装置进行测试的工作过程如下：

(1)将制备好的试样4装入橡胶套7内，试样4两端均放置透水石6；

(2)完成后步骤(1)之后将橡胶套7底部用环向固定部件23固定于压力室底板8的压头上，橡胶套7上部固定于顶部压头10；

(3)安装并调节三个环向应变计24，同时调节两个lvdt轴向应变计5；

(4)安装压力室顶盖22，并用螺杆螺母9贯穿固定，组成一个全封闭的压力室1；

(5)连接围压伺服加载系统3和渗压伺服加载系统2；

(6)围压施加：打开围压加载油阀18，通过围压伺服加载系统3加载围压至目标值；

(7)待围压稳定后，打开渗透压力施加水阀13，通过渗压伺服加载系统2进行渗透压力的加载；

(8)待渗透压力稳定后，进行试验测定并记录，采用进水口流量计15和出水口流量计21可以计算在渗透变形过程中试样的渗透系数随时间的变化；通过环向应变计24和轴向应变计5可测量渗透变形过程中试样的变形随时间的变化规律；通过渗透系数-时间曲线与变形-时间曲线对比，可以看出渗透系数与渗透变形两者之间的联系，渗透系数的变化侧面反映试样变形情况；

(9)通过渗压伺服加载系统2改变渗透压力，然后重复步骤(8)，记录不同渗压下的试样的渗透系数变化及试样的轴向变形和环向变形情况，从而可获得相同围压不同渗压下的试样变形变化规律；

(10)通过围压伺服加载系统3改变围压，重复步骤(7)～(9)，可获得不同围压下试样的变形变化规律。