一种堆石料试验装置及其方法与流程

本发明涉及水电水利工程堆石料特性试验技术领域，具体涉及一种堆石料试验装置及其方法。

背景技术：

对于高面板堆石坝，变形控制是大坝设计和施工的核心。面板堆石坝的变形主要包括堆石体的浸水湿化变形和流变变形。

堆石料的湿化变形是指堆石料在一定的应力状态下遇水产生的变形。其原因是部分颗粒遇水软化破碎以及浸水润滑颗粒接触，从而触发颗粒受力的不平衡，引起颗粒重排、调整并逐渐恢复平衡，致使堆石体中应力重分布并产生变形。流变是堆石体的一项基本变形特性，堆石体是具有一定级配的岩石颗粒的集合体，其应力和变形都是时间的函数。在骨架应力作用下，颗粒的重新排列和骨架体的错动具有时间效应，堆石颗粒内部应力必须调整。根据实测资料，坝体在初次蓄水、运行期水库水位上下波动、雨水浸入坝体或蒸发等作用下，都会产生湿化变形。堆石坝初次蓄水过程中由上游堆石产生的湿化变形往往对大坝的安全运行产生影响，轻者会在坝顶产生湿陷裂缝，重者会造成坝肩等重要部位产生深度裂缝，甚至形成渗漏通道，威胁坝体安全。

由于堆石料湿化软化特性的重要性、变形机理的复杂性、湿化软化试验的难度较大等原因，目前，在高堆石坝设计中，无论是堆石料湿化软化变形的试验、理论，还是数值模拟，都没有得到很好解决，而对于长期浸水作用下的流变特性研究更是无人开展。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种堆石料试验试验装置及其方法，可以对堆石料进行长期稳定的压力测试，并采集测试过程中的应变信息，为堆石料的特性研究提供了可靠地数据支撑。具体技术方案如下。

一种堆石料试验装置，其特征在于，包括容器、透水底板、透水顶板、圆形筒、加压机构、量测机构和控制系统；

所述透水底板和透水顶板的外径与所述圆形筒的内径相匹配，所述透水底板放置于所述容器的底部，所述透水底板和所述透水顶板分别位于所述圆形筒的下端和上端，所述透水底板、圆形筒和透水顶板围成用于容纳堆石料的空间；所述加压机构用于向所述透水顶板施加向下的测试力；所述量测机构用于量测所述透水顶板的位移量和所述测试力；所述控制系统分别与所述量测机构和所述加压机构通信，用于接收、处理所述量测机构获取的数据，并控制所述加压机构。

进一步地，所述容器的侧壁底部沿着圆周方向还设置有至少三个定位螺栓，所述定位螺栓沿着所述圆形筒的径向方向穿过所述容器的侧壁，所述定位螺栓与所述容器的侧壁螺纹连接；所述定位螺栓能够在定位位置和非定位位置之间进行切换，当所述定位螺栓位于所述定位位置时，所述圆形筒的底部支撑于所述定位螺栓的顶部，所述圆形筒的底部不高于所述透水底板的上表面，当所述定位螺栓处于所述非定位位置时，所述定位螺栓位于所述圆形筒的外侧。

进一步地，所述加压机构包括电机、丝杠机构和承压板，所述电机用于驱动所述丝杠机构的丝杠上下运动，所述承压板位于所述透水顶板的上方。优选地，所述丝杠的下端还设置有推力轴承。

进一步地，所述量测机构包括数据采集模块、测力计和用于测量所述透水顶板位移量的千分表；所述承压板的顶部中心设置有所述测力计，所述测力计与所述千分表分别与所述数据采集模块通信。

基于同一发明构思，本发明还涉及一种堆石料试验方法，其采用上述的堆石料试验装置，主要包括以下步骤：

试验装置安装步骤包括：

步骤s1：将定位螺栓调旋拧定位位置，将圆形筒架于定位螺栓之上，将透水布放置于透水底板之上，在圆形筒和透水底板形成的空间内制备堆石料试样；

步骤s2：平整试样上表面，依次放上透水布、透水顶板和承压板，将定位螺栓回拧至非定位位置，解除定位螺栓对圆形筒的支撑，安装测力计和千分表；

堆石料试样试验步骤包括：

步骤ss1：取2个堆石料试样开展对比试验，一个堆石料试样为干燥状态，另一个堆石料试样为饱和状态，通过控制系统启动加压机构，对堆石料试样施加3～5kpa的预压应力，当堆石料试样在预压应力下达到稳定后，对于饱和状态的堆石料试样向容器内注水使堆石料试样饱和；然后分别对堆石料试样进行压缩试验，开始逐级施加预定的压应力，同时量测机构实时获取测力计和千分表的数据，堆石料试样在每一级压应力下达到流变变形稳定状态后施加下一级的压应力，每一级的压应力按照公式k×2^n-1mpa来计算，其中n为正自然数且n不小于4，第一级的压应力为kmpa，第二级的压应力为2kmpa，第n级的压应力为k×2^n-1mpa。

步骤ss2：取若干数量的堆石料试样进行对比试验，分为两组：一组为干燥状态，另一组为饱和状态，两组堆石料试样分别取不同的试样施加不同的预定压应力k×2^n-1mpa，n为正自然数且n不小于4，量测机构实时获取测力计和千分表的数据，直至堆石料试样达到流变变形稳定状态；

步骤ss3：提取步骤ss1和步骤ss2中获取的数据，绘制的试样高度h与时间t的关系曲线和轴向应变εh与时间t的关系曲线，并获取对应的数据列表。

优选地，k取值0.1-0.2。

进一步地，步骤ss1和步骤ss2中，所述流变变形稳定状态为24小时内的变形量/总流变量≤5％；

进一步地，根据步骤ss2所得，计算各级预定压应力湿化变形量δhi、干样压缩变形量δhi、饱和样压缩变形量δhi′，再根据公式计算各级预定压应力下的湿化系数，根据公式计算各级预定压应力下的孔隙比，根据公式计算各级预定压应力下的压缩系数，根据公式计算各级预定压应力下的压缩模量，然后绘制绘制δ-p、e-p关系曲线，其中δ表示湿化系数，e表示孔隙比，p表示压力。

进一步的，根据步骤ss3所得，通过数值软件，拟合出堆石料浸水湿化软化本构模型。

本发明提供的试验装置能够用于研究堆石料在轴向应力状态下的湿化特性和长期浸水状态下的软化特性，最终获得堆石料在单轴应力状态下的湿化本构模型和单轴压缩流变模型。

附图说明

图1是本发明的堆石料试验装置示意图；

图2是本发明的容器底部示意图；

图3是本发明的堆石料长期浸水湿化软化试验流程图。

图中：控制系统1、数据采集模块2、电机3、链轮4、丝杠机构5、丝杠6、支架7-1、底座7-2、测力计8、千分表9、堆石料试样10、透水底板11-1、透水顶板11-2、圆形筒12、承压板13、容器14、定位螺栓15、注水孔16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1-3，一种堆石料试验装置，其包括容器14、透水底板11-1、透水顶板11-2、圆形筒12、加压机构、量测机构和控制系统1；

透水底板11-1和透水顶板11-2的外径与圆形筒12的内径相匹配，保障透水底板11-1和透水顶板11-2能够容纳在圆形筒12的内部，又不会存在较大的间隙，比如圆形筒12的内径比透水底板11-1和透水顶板11-2的外径大0.5-3mm；

透水底板11-1放置于容器15的底部，透水底板11-1和所述透水顶板11-2分别位于所述圆形筒14的下端和上端，所述透水底板、圆形筒和透水顶板围成用于容纳堆石料10的空间；

加压机构用于向透水顶板11-2施加向下的测试力；本实施例中，加压机构包括电机3、链轮4、丝杠机构5和承压板13，电机3通过链轮链条机构驱动丝杠机构5的丝杠6上下运动，承压板13位于透水顶板11-2的上方。容器14位于底座7-2上，支架7-1固定于底座7-2上，支架7-1用来固定丝杠机构5。优选地，为了消除丝杠6的旋转扭矩对承压板13的影响，丝杠6的下端还设置有推力轴承(未图示)；电机3可以采用伺服电机，受控制系统1的控制。

需要说明的是，加压机构也可以采用其他的结构形式，比如采用液压缸提供压力的方式，只要便于对堆石料试样提供测试力即可。

量测机构用于量测透水顶板11-2的位移量和加压机构施加的测试力(测试力可以换算成堆石料试样受到的压应力)；控制系统1分别与量测机构和所述加压机构通信，用于接收、处理量测机构获取的数据，并控制加压机构；该通信方式可以是通过数据线连接通信，也可以是无线通信，且控制系统1可以同时控制多台试验设备进行试验；控制系统1可以采用具有显示功能的计算机，能够将获取的数据绘制出相应的曲线。

量测机构包括数据采集模块2、测力计8和用于测量透水顶板11-2位移量的千分表9；透水顶板11-2的顶部中心设置有测力计8，测力计8与千分表9分别与数据采集模块2通信，以传递检测数据。千分表9可以通过支架固定设置在容器14上，并根据实际情况可以设置若干个千分表对称分布于透水顶板11-2的周围，如果若干个千分表的读数不一致，差异超过设定的误差范围，则认定堆石料试样制备不合格，需要重新进行制样开展实验。

优选地，容器14的侧壁底部沿着圆周方向还设置有至少三个定位螺栓15，所述定位螺栓15沿着所述圆形筒的径向方向穿过所述容器14的侧壁，所述定位螺栓15与所述容器14的侧壁螺纹连接；定位螺栓15能够在定位位置和非定位位置之间通过旋拧的方式进行切换，当所述定位螺栓15旋拧至所述定位位置时，所述圆形筒12的底部支撑于所述定位螺栓15的顶部，所述圆形筒12的底部不高于所述透水底板11-1的上表面，当所述定位螺栓15回拧至所述非定位位置时，所述定位螺栓15位于所述圆形筒的外侧；试验进行中时，定位螺栓15处于非定位位置，随着堆石料试样的压缩，圆形筒12能够随着堆石料试验自由地向下运动，这样能够减小圆形筒和堆石料试样间摩擦力对试验精度的影响；如果不采用定位螺栓15，圆形筒12始终是与容器14或者透水底板11-1抵接，那么压缩试验过程中，圆形筒12会对堆石料试验产生较大的向上的摩擦力，使得试验获取的数据与实际情况相差甚远。

当容器14中注水后，为了防止从定位螺栓处漏水，容器14侧壁上与定位螺栓15配合的螺孔可以采用弹性材料制成，便于对螺纹连接处形成密封效果。

为了向容器14中注水，可以在容器的侧壁上开设注水口16，当然也可以不设置注水口而直接从容器的敞口注水。

基于同一发明构思，本发明还涉及一种堆石料试验方法，其采用上述的堆石料试验装置，主要包括以下步骤：

试验装置安装步骤包括：

步骤s1：将定位螺栓15旋拧至定位位置，将圆形筒12架于定位螺栓15之上，将透水布(未图示)放置于透水底板11-1之上，在圆形筒12和透水底板11-1形成的空间内制备堆石料试样10；根据试验要求的干密度、试样尺寸和级配曲线计算确定各个粒组的质量，并称取试验所需的相应试样，将备好的试样分成几等份混合均匀，采用表面振动法，均匀制样；

步骤s2：平整试样上表面，依次放上透水布(透水布)、透水顶板11-2和承压板13，将定位螺栓15回拧至非定位位置，解除定位螺栓15对圆形筒12的支撑，安装测力计8和千分表9；

堆石料试样试验步骤包括：

步骤ss1：取2个堆石料试样开展对比试验，一个堆石料试样为干燥状态，另一个堆石料试样为饱和状态，通过控制系统1启动加压机构，对堆石料试样施加3～5kpa的预压应力，当堆石料试样在预压应力下达到稳定后(如：千分表每小时读数差均不大于0.05mm)，对于饱和状态的堆石料试样向容器内注水使堆石料试验饱和，对于干燥状态堆石料试样不加水；然后分别对两个堆石料试样进行压缩试验，开始逐级施加预定的压应力，同时量测机构实时获取测力计8和千分表9的数据，堆石料试样在每一级压应力下达到流变变形稳定状态后施加下一级的压应力，每一级的压应力按照公式k×2^n-1mpa来计算，其中n为自然数且不小于4，比如：第一级的压应力为0.1mpa，第二级的压应力为0.2mpa，以次类推逐级施加0.4mpa、0.8mpa、1.6mpa、3.2mpa、6.4mpa压应力。

步骤ss2：取12个堆石料试样进行对比试验，分为两组：一组为干燥状态，另一组为饱和状态，两组堆石料试样分别取不同的试样施加不同的预定压应力(0.2mpa、0.4mpa、0.8mpa、1.6mpa、3.2mpa和6.4mpa)，

对于干燥试样，当试样在预压应力下达到稳定后，即可施加设定的预定压应力，对于饱和试样，在预压应力且变形稳定后向蓄水槽内注水使试样饱和，试样在预定压应力下量测机构实时获取测力计8和千分表9的数据，直至堆石料试样达到流变变形稳定状态；

步骤ss3：提取步骤ss1和步骤ss2中获取的数据，绘制的试样高度h与时间t的关系曲线和轴向应变εh与时间t的关系曲线，并获取对应的数据列表。

优选地，步骤ss1和步骤ss2中，所述流变变形稳定状态为24小时内的变形量/总流变量≤5％；

优选地，根据步骤ss2所得，计算各级预定压应力湿化变形量δhi、干样压缩变形量δhi、饱和样压缩变形量δhi′，其中，δhi是指试样(干燥的)在预定压力(0、0.2mpa、0.4mpa、0.8mpa、1.6mpa、3.2mpa和6.4mpa)下稳定后，再对试样注水饱和，试样会下沉(保持压力不变)，这个下沉的量是湿化变形量；δhi是指干燥试样在前后两级压力下(如0.2到0.4mpa)，变形稳定后，沉陷量；δhi’是指饱和试样在前后两级压力下(如0.2到0.4mpa)，变形稳定后，沉陷量；再根据公式计算各级预定压应力下的湿化系数，根据公式计算各级预定压应力下的孔隙比，根据公式计算各级预定压应力下的压缩系数，根据公式计算各级预定压应力下的压缩模量，然后绘制绘制δ-p、e-p关系曲线，其中δ表示单位沉降量，e表示单位沉降量孔隙比，p表示压力。

优选地，根据步骤ss3所得，通过数值软件，拟合出堆石料浸水湿化软化模型。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。