一种堆积体-岩石界面的剪切渗流耦合试验装置的制作方法

本发明涉及岩土体力学性质测试领域，具体是一种堆积体-岩石界面的剪切渗流耦合试验装置。

背景技术：

堆积体包括冲积物、洪积物、坡积物及人工填筑体等自然或人为的堆填筑土体或土石混合体。堆积体斜/边坡一般是由上覆堆积体和下覆基岩组成，坡体整体稳定性主要受这两者影响，其中上覆堆积体和下覆基岩的交界面称为基覆界面。堆积体斜/边坡的破坏大都沿基覆界面发生，尤其是堆积体滑坡造成地表出现较多裂隙时，降雨或地表水渗入基覆界面，进一步劣化此界面的力学性质，促进其沿界面侵蚀破坏。

此外，在外部荷载或自身重力的作用下，堆积体与岩石接触面处常发生较大的剪切错位变形。这种剪切变形和渗流作用共同劣化堆积体斜/边坡的稳定性，对边坡的整体稳定性造成威胁。因此，开展剪切-渗流耦合作用下堆积体与岩石接触面力学行为试验研究具有重要的理论意义及工程实用价值。

堆积体-岩石界面的剪切力学性质受其岩石种类、岩石表面粗糙起伏形态、上覆土体的类型、级配和含石量、渗流侵蚀条件等因素的影响，采用传统的试验仪器获取界面的动态剪切及渗流力学参数效果不佳。现有涉及界面抗剪强度特性的仪器大部分具有操作不便、试验精度不够等缺陷，如申请号201510836695.1和201610391482.7的文献所涉及的装置操作复杂，试验数据采集精度不高，同时不可进行渗流试验，无法考虑水流渗流侵蚀软化作用对堆积体-岩石界面力学性质的影响。又如申请号201510214711.3的文献公开了适用于土体水平接触面剪切变形的水平渗透仪，虽可以进行剪切渗流耦合试验，但剪切变形距离存在限制，无法实现大剪切变形下的渗流试验。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种堆积体-岩石界面的剪切渗流耦合试验装置。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种堆积体-岩石界面剪切渗流耦合试验装置，其特征在于该装置包括反力架、下剪切盒、上剪切盒、箱体、孔隙水压力计、加载板、垂直位移计、水压调节单元一、水压调节单元二、流量计、滚轮装置、力传感器、水平位移计、竖直伺服电机、垂直应力加载装置、剪切应力加载装置和水平伺服电机；

所述箱体通过滚轮装置放置于反力架内部，能沿反力架水平移动；所述水平伺服电机固定于反力架的侧板上，其输出端安装有剪切应力加载装置；剪切应力加载装置与箱体接触；水平位移计用于采集箱体的水平位移；

所述下剪切盒的底部固定于箱体内部中间位置处，侧板顶部放置有上剪切盒；下剪切盒与上剪切盒连通；上剪切盒的侧板顶部通过第一密封板与箱体的侧板顶部密封连接，形成位于矩形剪切盒与箱体之间的密封的左侧水室和右侧水室；下剪切盒与左侧水室和右侧水室接触的两侧板以及上剪切盒与左侧水室和右侧水室接触的两侧板上均开有透水孔；水压调节单元一通过管道伸入左侧水室内部，用于调节左侧水压，管道上安装有流量计；水压调节单元二通过管道伸入右侧水室内部，用于调节右侧水压，管道上安装有流量计；

所述力传感器的一端固定与反力架内部，穿过箱体，另一端与上剪切盒接触；力传感器和箱体的接缝处设置有活塞，起密封作用，防止液体从力传感器和箱体的接缝处漏出；下剪切盒用于放置岩石试样，上剪切盒用于放置堆积体试样，堆积体试样与岩石试样相接触的界面为堆积体-岩石界面；所述孔隙水压力计放置于堆积体-岩石界面处；加载板放置于堆积体试样顶部，侧面与上剪切盒的内侧接触，两者的接触处设置有第二密封板；竖直伺服电机固定于反力架的顶板上，其输出端安装有垂直应力加载装置；垂直应力加载装置与加载板接触；所述垂直位移计用于采集加载板的垂直位移。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本装置不仅能实现复杂界面性质(不同岩石的种类和粗糙度及堆积体不同的物质组成和级配)的堆积体-岩石界面剪切力学性质研究，同时还可进行模拟不同埋深的堆积体-岩石界面的剪切渗流耦合状态下的试验研究。

(2)通过改变剪切盒两侧的渗透压力，进行水的渗流侵蚀、软化等作用下堆积体-岩石界面剪切强度变化规律及变形性质的试验研究。

(3)本装置可在试验过程中实时采集堆积体-岩石接触面处的孔隙水压力，对剪切过程中的渗流特性进行试验研究。

(4)本装置具有结构设计合理、试验操作方便、测量精度较高等优点，同时也满足了不同垂直应力，考虑堆积体不同种类、不同级配和不同含石量条件下以及考虑岩石界面形态的直剪试验要求。

(5)本装置除了可实现在不同渗透压力状态下，堆积体-岩石界面的大剪切变形试验研究，还可实现在不同渗透压力状态下，堆积体的大剪切变形试验研究。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构内部示意图；

图2为本发明图1中a-a线剖视图；

图3为本发明图1中b-b线剖视图；

图4为本发明一种实施例的上剪切盒的结构示意图；

图5为本发明一种实施例的下剪切盒的结构示意图；

图6为本发明一种实施例的第一密封板结构示意图；

图中：1、反力架；2、下剪切盒；3、上剪切盒；4、水平控制杆；5、箱体；6、透水板；7、孔隙水压力计；8、加载板；9、垂直位移计；10、第一密封板；11、左侧水室；12、右侧水室；13、活塞；14、水压调节单元一；15、水压调节单元二；16、流量计；17、滚轮装置；18、力传感器；19、水平位移计；20、堆积体试样；21、岩石试样；22、堆积体-岩石界面；23、插栓；24、密封条；25、竖直伺服电机；26、垂直应力加载装置；27、剪切应力加载装置；28、水平伺服电机；29、透水孔；30、第二密封板；31、上刚性板；32、下刚性板；33、橡胶轴。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种堆积体-岩石界面剪切渗流耦合试验装置(简称装置，参见图1-5)，其特征在于该装置包括反力架1、下剪切盒2、上剪切盒3、箱体5、孔隙水压力计7、加载板8、垂直位移计9、水压调节单元一14、水压调节单元二15、流量计16、滚轮装置17、力传感器18、水平位移计19、竖直伺服电机25、垂直应力加载装置26、剪切应力加载装置27和水平伺服电机28；

所述箱体5的底部通过滚轮装置17放置于反力架1内部，能沿反力架1水平移动；所述水平伺服电机28固定于反力架1的侧板上，其输出端安装有剪切应力加载装置27，水平伺服电机28控制试验过程中剪切应力大小；剪切应力加载装置27与箱体5的侧板接触，实现箱体5的水平移动；水平位移计19安装于反力架1内部，用于采集箱体5的水平位移；

所述下剪切盒2的底部通过插栓23固定于箱体5内部中间位置处，侧板顶部放置有上剪切盒3，与上剪切盒3的侧板底部接触；下剪切盒2与上剪切盒3连通；上剪切盒3的侧板顶部通过第一密封板10与箱体5的侧板顶部密封连接，形成位于矩形剪切盒(上剪切盒3和下剪切盒2)与箱体5之间的密封的左侧水室11和右侧水室12；下剪切盒2与左侧水室11和右侧水室12接触的两侧板以及上剪切盒3与左侧水室11和右侧水室12接触的两侧板上均开有透水孔29；水压调节单元一14通过管道穿过第一密封板10伸入左侧水室11内部，用于调节左侧水压，管道上安装有流量计16，用于测量液体流量；水压调节单元二15通过管道穿过第一密封板10伸入右侧水室12内部，用于调节右侧水压，管道上安装有流量计16；通过水压调节单元一14和水压调节单元二15控制左侧水室11和右侧水室12的水压，产生压差，达到渗流的效果；

所述力传感器18的一端固定与反力架1内部，穿过箱体5，另一端与上剪切盒3接触；力传感器18和箱体5的接缝处设置有活塞13，起密封作用，防止液体从力传感器18和箱体5的接缝处漏出；下剪切盒2用于放置岩石试样21，上剪切盒3用于放置堆积体试样20，堆积体试样20与岩石试样21相接触的界面为模拟自然界的堆积体-岩石界面22；所述孔隙水压力计7放置于堆积体-岩石界面22处，用于采集饱和土体-岩石界面孔隙水压力；加载板8放置于堆积体试样20顶部，侧面与上剪切盒3的内侧接触，两者的接触处设置有第二密封板30；竖直伺服电机25固定于反力架1的顶板上，其输出端安装有垂直应力加载装置26，竖直伺服电机25控制试验过程中垂直应力大小；垂直应力加载装置26与加载板8接触，通过加载板8施加垂直应力；所述垂直位移计9安装于反力架1内部，用于采集加载板8的垂直位移。

优选地，所述下剪切盒2是由前、后、左、右和底部五块钢板组成的矩形空心盒，为可拆装结构，通过螺栓连接，便于岩石试样21的拆装；左右两块钢板(即与左侧水室11和右侧水室12接触的两侧板)上均匀布置三排透水孔29，每排四个透水孔29，透水孔直径为20mm，透水孔中心横向间距100mm、垂向间距50mm，用于渗流时液体通过。

优选地，所述上剪切盒3是由前、后、左、右四块钢板组成的矩形空心盒，为可拆分结构，通过螺栓连接；左右两块钢板(与左侧水室11和右侧水室12接触的两侧板)上均匀布置三排透水孔29，每排四个透水孔29，透水孔直径为20mm，透水孔中心横向间距100mm、垂向间距50mm，用于渗流时液体通过。

优选地，该装置还包括水平控制杆4；水平控制杆4的一端通过旋转螺母固定于箱体5内部，另一端与下剪切盒2的外侧面接触，用于支撑下剪切盒2，保证下剪切盒2和箱体5固定在一起，保证试验过程中两者一起运动。

优选地，该装置还包括透水板6；透水板6置于上剪切盒3的凹槽中，位于透水孔29处，用于均匀分配从透水孔29流入的液体，使液体压力均匀分布在堆积体试样20两侧。

优选地，第二密封板30采用低摩擦密封材料，用于密封，防止液体从加载板8与上剪切盒3的接触处流出。

优选地，下剪切盒2与箱体5以及上剪切盒3与箱体5的连接处均通过细螺栓安装有密封条24，密封条24为柔性不透液材料，保证液体只通过透水孔29流通，实现左侧水室11和右侧水室12相互独立，形成渗透压差。

优选地，所述垂直应力加载装置26和剪切应力加载装置27的结构相同，均包括加载机、伸缩器、压头和压力传感器；所述加载机与电机输出端连接，压头通过伸缩器与加载机连接，压头与箱体5或加载板8接触；压力传感器安装于压头上。

优选地，第一密封板10包括上刚性板31、下刚性板32和橡胶轴33；上刚性板31和下刚性板32均为l形板；所述上刚性板31的一端通过细螺栓固定于上剪切盒3顶部，另一端与下刚性板32的表面紧密接触；所述下刚性板32的一端通过细螺栓固定于箱体5顶部，另一端与上刚性板31的表面紧密接触；上刚性板31和下刚性板32形成的空间中放置有具有一定弹性的棒状的橡胶轴33；下刚性板32上开有通孔，用于水压调节单元一14和水压调节单元二15的管道的通过，进而伸入到左侧水室11和右侧水室12内部；试验过程中箱体5移动时，第一密封板10可随箱体5的移动相应的改变长度，同时刚性板间的橡胶轴33可保证液体不从两刚性板缝隙间流出，实现密封。

所述堆积体试样20可以是不同种类、不同级配的纯土体试样，也可以是不同岩石种类、不同含石量的土石混合体试样。

所述堆积体-岩石界面22的粗糙程度可通过加工与堆积体试样20接触的岩石试样21某一面的粗糙起伏特性确定。

下剪切盒2、上剪切盒3和箱体5的中心线重合。

外接上位机(计算机)中的数据采集系统分别与孔隙水压力计7、垂直位移计9、水压调节单元一14、水压调节单元二15、流量计16、力传感器18和水平位移计19连接，用于采集和处理数据。

堆积体-岩石界面剪切渗流耦合试验方法：

(一)考虑岩石界面粗糙度的直剪试验：

s1.制作试件：

采用水刀切割加工出具有一定岩石界面粗糙度的岩石试样21，确定相应的粗糙度系数。

s2.试验装置的安装：

1)将岩石试样21装入下剪切盒2中，用螺栓将前、后、左、右和底部五块钢制铁板紧固；

2)将下剪切盒2和岩石试样21整体放入箱体5中，并通过水平控制杆4使得三者的中心线重合，随后通过插栓23将下剪切盒2、岩石试样21以及箱体5连接固定形成整体；

3)将透水板6置于上剪切盒3内侧凹槽中，并将上剪切盒3置于下剪切盒2上，手动调节两个剪切盒的位置保证其中心线相互重合；

4)按照要求含水率和含石量称取相应质量的土体、碎石和水，随后将三者均匀混合，采用分层压实的方法将土石混合体试样装入上剪切盒3内，随后在堆积体试样20顶部盖上加载板8；

5)通过调整力传感器18的长度使其与上剪切盒3相接触，并调整相应位置使得垂直应力加载装置26、上矩形钢制盒3和下剪切盒2三者的中心线重合，在试验过程中控制上剪切盒3位置不变；

s3.剪切试验：

1)开启竖直伺服电机25，使垂直应力加载装置26的压头接触加载板8的顶端，按要求施加垂直应力，并保持不变；

2)启动水平伺服电机28，使剪切应力加载装置27的压头接触箱体5侧板，采用应变控制方式(每分钟移动多少毫米，mm/min)施加剪切应力。全过程记录施加的轴向应力、剪切应力、试样相对位移的大小以及孔隙水压力计7采集的孔隙水压力的大小；当水平位移增大到试验要求时停止试验，同步绘制剪应力-位移曲线，此时的剪切应力值即为饱和土体-岩石界面的抗剪强度得出一组应力值；

3)通过竖直伺服电机25使垂直应力卸载，水平伺服电机28使剪切应力卸载，拆卸全部试样；

s4.重复试验：

改变垂直应力的大小，重复步骤s2～s3，获得多组应力值，故可求得此种条件下堆积体-岩石界面22的剪切力学参数。

(二)考虑渗透压作用下的直剪试验：

重复步骤s1～s2后，竖直伺服电机25施加一定的初始应力确保下剪切盒2和上剪切盒3的位置固定，将进水阀门打开，通过水泵抽水将左侧水室11和右侧水室12充满，然后通过水压调节单元一14和水压调节单元二15使得下剪切盒2和上剪切盒3两侧的渗透压力维持在设定值，施加相应的渗流压力。然后重复步骤s3-s4，即可获得相对应剪切力学参数。

除了剪切力学参数，试验过程还可获得剪切过程中渗透性的相关参数。将试验样品安装好后，在剪切过程中，记录渗透压下渗流量的大小，根据具体样本尺寸，可反算出剪切变形过程中渗透系数的变化情况。

本发明未述及之处适用于现有技术。