测定应力和干湿循环共同作用下岩土体渗透蠕变耦合特性的试验装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是一种测定应力和干湿循环共同作用下岩土体渗透蠕变耦合特性的试验装置及方法。

背景技术：

库水周期性涨落会对库岸边坡消落带岩土体的稳定性产生很大影响，而通常在室内通过对岩土体试样的干湿循环作用过程来模拟库水的周期性作用，在此基础上研究库岸消落带岩土体的物理力学性质。

干湿循环条件下岩土体物理力学特性的获得，通常分为两个步骤。第一步，通过在室内模拟干湿循环作用环境，完成岩土体不同次数的干湿循环作用试验；第二步，对经历不同干湿循环作用次数的岩土体试样进行渗透等物理特性及强度等力学特性测试，获取干湿循环条件下岩土体的物理力学特性等研究成果，并将研究成果应用于库岸边坡稳定性分析及评价。

库岸消落带岩土体的物理力学特性不仅仅与库水的周期性作用相关，与岩土体的应力状态也密切相关，岩土体真实的物理力学特性应是周期性库水和应力共同作用状态下的，然而，传统的干湿循环作用环境并没有考虑到岩土体的应力状态，与库岸消落带岩土体的实际赋存环境相差较大，获取的岩土体物理力学特性存在偏差。再者，岩土体的渗透特性与力学特性密切相关，因此，库岸消落带岩土体的渗透特性与库岸边坡的稳定性也密切相关。

目前，获取干湿循环条件下岩土体物理力学特性的设备，主要考虑了库水周期性作用，但是，考虑周期性库水和应力共同作用的试验设备相对较少。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种测定应力和干湿循环共同作用下岩土体渗透蠕变耦合特性的试验装置及方法，可以解决现有试验设备无法考虑周期性库水和应力共同作用的问题，实现在库岸消落带岩土体在应力条件下的干湿循环作用下测定岩土体渗透和蠕变耦合特性；为获取周期性库水和应力共同作用下岩土体的力学特性提供可靠的试验基础，获得更符合消落带岩土体实际赋存环境的力学特性；又能以常规岩土体渗透试验为依据，采用升高试样温度的方式加快试样内部水分的消散，很大程度上减少了饱和岩土体试样达到设定含水率的自然干燥时间，提高了试验效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种测定应力和干湿循环共同作用下岩土体渗透蠕变耦合特性的试验装置，包括带支架的底座，底座上安装有反力架，反力架两竖杆之间的底座上设置有下盖，下盖上设置有顶面敞开的试样加热筒，试样加热筒顶端设置有中部开口的上盖，试样加热筒的底面为下透水板，试样加热筒内还放置有与岩土体试样相配合的上透水板，放置于上透水板中部的垫块与穿过上盖中部开口的传力活塞下端相配合，传力活塞上端与加载液压缸相连接，传力活塞中部与压力传感器连接，加载液压缸安装于反力架的横杆底部并与荷载控制系统连接，溢水管与上盖侧壁连通，下盖通过进水管与水头控制系统连通；

试样加热筒的侧壁的上部、中部及下部分别开设有测压孔；

上盖上还设置有变形传感器。

试样加热筒与下盖和上盖之间各通过密封圈压实密封。

溢水管的出口端与量筒相配合。

水头控制系统由水杯和蠕动泵组成，下盖通过进水管与蠕动泵和水杯连通。

试样加热筒通过导线与温度控制系统连接。

荷载控制系统通过加载液压缸与传力活塞连接，荷载控制系统通过导线与压力传感器和变形传感器连接。

一种采用上述试验装置进行测定应力和干湿循环共同作用下岩土体渗透蠕变耦合特性的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：装样：按试验规程规定的装样方式将岩土体试样装于试样加热筒中，并将试样加热筒置于下盖上方，将试样加热筒与下盖通过密封圈压实密封；将上透水板置于岩土体试样上方，将垫块置于上透水板的中心位置，然后将上盖置于试样加热筒上方，将试样加热筒与上盖通过密封圈压实密封，并将变形传感器固定在上盖上；

步骤2：通过荷载控制系统设定某一固定的轴向应力，通过传力活塞和垫块传递给岩土体试样轴向应力，通过水头控制系统控制岩土体渗透的水头压力；

步骤3：通过压力传感器记录轴向压力，通过变形传感器记录变形值，通过水头控制系统记录水头压力，通过量筒记录溢出的水含量，通过测压孔记录岩土体试样不同高度处的水压力；

步骤4：通过温度控制系统对岩土体试样进行加热，加快岩土体试样内部的水分消散，待岩土体试样干燥后，再进行渗透饱和过程，重复以上过程，完成应力条件下不同次数的干湿循环作用下岩土体渗透蠕变耦合过程；

步骤5：通过荷载控制系统由小到大改变轴向荷载，重复上述步骤1~4，得到不同应力和干湿循环次数下岩土体的渗透蠕变耦合特征。

本发明提供的测定应力和干湿循环共同作用下岩土体渗透蠕变耦合特性的试验装置及方法，可以解决现有试验设备无法考虑周期性库水和应力共同作用的问题，实现在库岸消落带岩土体在应力条件下的干湿循环作用下测定岩土体渗透和蠕变耦合特性；为获取周期性库水和应力共同作用下岩土体的力学特性提供可靠的试验基础，获得更符合消落带岩土体实际赋存环境的力学特性；又能以常规岩土体渗透试验为依据，采用升高试样温度的方式加快试样内部水分的消散，很大程度上减少了饱和岩土体试样达到设定含水率的自然干燥时间，提高了试验效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的温度控制系统的示意图；

图3为本发明装置的荷载控制系统的示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种测定应力和干湿循环共同作用下岩土体渗透蠕变耦合特性的试验装置，包括带支架12的底座11，底座11上安装有反力架2，反力架2两竖杆2-1之间的底座11上设置有下盖10，下盖10上设置有顶面敞开的试样加热筒8，试样加热筒8顶端设置有中部开口的上盖5，试样加热筒8的底面为下透水板9，试样加热筒8内还放置有与岩土体试样20相配合的上透水板7，放置于上透水板7中部的垫块13与穿过上盖5中部开口的传力活塞4下端相配合，传力活塞4上端与加载液压缸1相连接，传力活塞4中部与压力传感器18连接，加载液压缸1安装于反力架2的横杆2-2底部并与荷载控制系统3连接，溢水管23与上盖5侧壁连通，下盖10通过进水管17与水头控制系统连通；

试样加热筒8的侧壁的上部、中部及下部分别开设有测压孔21；

上盖5上还设置有变形传感器14。

试样加热筒8与下盖10和上盖5之间各通过密封圈6压实密封。

溢水管23的出口端与量筒19相配合。

水头控制系统由水杯15和蠕动泵16组成，下盖10通过进水管17与蠕动泵16和水杯15连通。

试样加热筒8通过导线与温度控制系统22连接。

如图2所示，温度控制系统22由plc主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等四部分组成。其实现过程是：首先温度传感器将加热炉的温度转化为电压信号，plc主控系统内部的a/d转换器将送进来的电压信号转化为西门子s7-300plc可识别的数字量；plc将系统给定的温度值与反馈回来的温度值进行比较并经过pid运算处理后，给固态继电器输入端一个控制信号，控制固态继电器的输出端导通与否，从而使加热炉开始加热或停止加热。

荷载控制系统3通过加载液压缸1与传力活塞4连接，荷载控制系统3通过导线与压力传感器18和变形传感器14连接。

如图3所示，荷载控制系统由液压伺服系统、下位机、a/d转换器和d/a转换器等四部分组成。其实现过程是：首先压力传感器和变形传感器将试件压力和变形信号转化成电信号，a/d转换器将电信号转化成可识别的数字信号传递给下位机；然后下位机将反馈的信号经过d/a转换器进行信号转换，然后传递给液压伺服系统，从而实现试件的轴向加载过程。

实施例二

一种采用上述试验装置进行测定应力和干湿循环共同作用下岩土体渗透蠕变耦合特性的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：装样：按试验规程规定的装样方式将岩土体试样20装于试样加热筒8中，并将试样加热筒8置于下盖10上方，将试样加热筒8与下盖10通过密封圈6压实密封；将上透水板7置于岩土体试样20上方，将垫块13置于上透水板7的中心位置，然后将上盖5置于试样加热筒8上方，将试样加热筒8与上盖5通过密封圈6压实密封，并将变形传感器14固定在上盖5上；

步骤2：通过荷载控制系统3设定某一固定的轴向应力（200kpa），通过传力活塞4和垫块13传递给岩土体试样20轴向应力，通过水头控制系统15控制岩土体渗透的水头压力；

步骤3：通过压力传感器18记录轴向压力，通过变形传感器14记录变形值，通过水头控制系统记录水头压力，通过量筒19记录溢出的水含量，通过测压孔21记录岩土体试样20不同高度处的水压力；

步骤4：通过温度控制系统22对岩土体试样20进行加热，加快岩土体试样20内部的水分消散，待岩土体试样20干燥后，再进行渗透饱和过程，重复以上过程，完成应力条件下不同次数的干湿循环作用下岩土体渗透蠕变耦合过程；

步骤5：通过荷载控制系统3由小到大改变轴向荷载（400kpa、500kpa…），重复上述步骤1~4，得到不同应力和干湿循环次数下岩土体的渗透蠕变耦合特征。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。