一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法与流程

本发明涉及一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法，属于剪切实验装置技术领域。

背景技术：

第一次全国水利普查数据显示，我国已建成水库大坝近10万座，其中土石坝占比最高，数量最大。由于土石坝坝料用量极大，一般会在坝趾附近就地取材，不同料场土石料的变形模量等物理力学性质不尽相同，不协调沉降变形问题日益突出，这一问题在岩土工程安全性评价中尤为关键。大量学者研究发现，沉降差异极易诱发坝体与岸坡、坝趾与基岩等岩土体接触部位较大的剪切变形，这些剪切变形带在上游蓄水位的水头驱动下可能形成集中渗漏通道，继而引起坝体渗流量增大并最终发生冲蚀、流土等渗透破坏现象，严重威胁大坝的安全运行。因而针对大变形剪切前后岩土体接触部位的渗流特性研究迫在眉睫，同时该研究可起到保障水库大坝安全运行的关键作用。

目前，可对上述关键问题提供试验支撑的技术手段仍相当有限，绝大部分渗流试验仪器尚不具备剪切土样能力，而小部分较为先进的三轴渗流仪、环剪渗流仪尽管可开展剪切渗流试验，但上述装置封闭式模型箱的设计特点决定了其在实现不同岩土层制样要求，例如多种土层填筑、饱和情况、压实度、土体缺陷等不同工况时困难重重；此类三轴剪切装置的剪切形式往往依赖于刚性面板对土样的往复剪切，而非岩土层在接触部位的直接剪切，这与坝体接触部位多发的大变形剪切工况不完全相符；同时，环剪渗流仪仅可实现垂直剪切方向的渗流，而三轴渗流仪一般也仅能开展单向渗流，上述装置难以在一种接触土层配置中考虑剪切变形对不同方向接触面渗流的影响；环剪渗流仪亦不易实现竖向应力的施加，从而使其研究对象局限于表层浅土，难以将剪切渗流规律扩展至不同埋深土样。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够真实地还原岩土工程中岩土结构体因大剪切变形而引起的接触部位渗流变化情况，同时能够通过施加双向竖向应力模拟不同埋深下岩土结构体的受力情况的施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，包括固定框架，所述固定框架顶部固定有顶部位移荷载单元，所述固定框架侧方固定有侧向位移荷载单元，所述固定框架底部设置有底座，所述底座上表面固定有支撑座，所述底座上固定有底部位移荷载单元，所述顶部位移荷载单元、侧向位移荷载单元和底部位移荷载单元的位移触头上均设置有压力传感器，所述顶部位移荷载单元下面设置有上部剪切盒，所述上部剪切盒为顶面和底面开口结构，所述上部剪切盒顶面密封设置有上活动推板，所述上活动推板顶部通过安装上滑动导轨与所述顶部位移荷载单元相连，所述固定框架两侧设置有可上下调节的限位支架，所述限位支架底部安装有下滑动导轨，所述下滑动导轨与所述上部剪切盒侧壁相连，所述上部剪切盒下面设置有下部剪切盒，所述下部剪切盒为顶面和底面开口结构，所述下部剪切盒固定在所述支撑座上，所述下部剪切盒底面密封设置有下活动推板，所述下活动推板与所述底部位移荷载单元相连，所述下部剪切盒侧壁上设置有进水口接头和出水口接头，所述进水口接头进水口设置有入流流量阀和入流流量计，所述出水口接头出水口设置有出流流量阀和出流流量计。

所述上部剪切盒和下部剪切盒的材质包括透明树脂玻璃。

所述上活动推板和下活动推板的滑动面设置有开槽并嵌入双层橡胶止水条。

所述上部剪切盒底部边壁向外延伸构成上台面，所述下部剪切盒顶部边壁向外延伸构成下台面，所述下台面上开设有环形槽，所述环形槽内嵌入o形止水圈，所述环形槽与所述上部剪切盒内壁距离大于最大剪切行程。

所述下部剪切盒底部边壁向外延伸构成固定部，所述固定部开设有与所述支撑座配合的圆孔。

所述进水口接头和出水口接头外侧均装有出流流量控制阀和出流流量计。

所述进水口接头和出水口接头对应内壁侧开设长条形槽，所述长条形槽内垫有透水石。

一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪使用方法，包括以下步骤：

s01：从固定框架和限位支架中拆卸出上部剪切盒、下部剪切盒，上部剪切盒、下部剪切盒的活动推板复位，上部剪切盒、下部剪切盒开口面朝上，关闭下部剪切盒的进水口接头和出水口接头；

s02：确定接触试验上分界面岩土料类型，将相应岩土料装入上部剪切盒，装填过程中埋入试验所需传感器，依据试验要求制样；

s03：确定接触试验下分界面岩土料类型，将相应岩土料装入下部剪切盒，装填过程中埋入试验所需传感器，依据试验要求制样；

s04：用挡板压在上部剪切盒开口处，倒置上部剪切盒并置于下部剪切盒上方，抽出挡板；

s05：将上部剪切盒、下部剪切盒整体安装至支撑座上，使底部荷载位移单元与下部剪切盒的下活动推板接触，调节限位支架高度使其紧密贴合上部剪切盒台面；

s06：调节固定框架，使顶部荷载位移单元与上部剪切盒的上活动推板上方的上滑动导轨接触，使侧向荷载位移单元与上部剪切盒侧壁接触；

s07：按照试验需要设定顶部荷载位移单元、底部荷载位移单元的荷载数值；

s08：待上活动推板和下活动推板停止位移后，进水口、出水口处安装pvc水管接入外部水源，打开入流流量阀、出流流量阀，待入流流量计、出流流量计读数一致后记录流量数据；

s09：启动侧向荷载位移单元，根据试验内容设定最大剪切位移、剪切速率，侧向荷载位移单元内控制系统记录位移、剪切力数值，剪切过程进行录像；

s10：出流流量计内控制系统记录剪切过程中出流流量变化值；

s11：达到最大剪切位移后关闭侧向荷载位移单元，关闭入流流量阀、出流流量阀；

s12：整理剪切过程流量与位移、剪切力关系。

本发明的有益效果：本发明提供的一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法，能够施加竖向应力的同时实现剪切渗流功能，能够较为真实地还原岩土工程中岩土结构体因大剪切变形而引起的接触部位渗流变化情况，以及岩土接触部位渗流侵蚀前后的力学剪切性质变化情况，能够施加竖向应力模拟不同埋深下的岩土接触工况；本发明装置具备多土层制样便捷可控的特点，能够实现平行、垂直剪切方向的多种渗流方向。

附图说明

图1为本发明一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪的结构示意图；

图2为本发明一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪的正视图；

图3为本发明一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪的侧视图。

附图标记的含义为：1-顶部位移荷载单元，2-压力传感器，3-上滑动导轨，4-上部剪切盒，5-限位支架，6-o形止水圈，7-透水石，8-进水口接头，9-底部位移荷载单元，10-上活动推板，11-侧向位移荷载单元，12-下部剪切盒，13-支撑座，14-底座，15-固定框架，16-土样一，17-土样二，18-出水口接头，19-下活动推板，20-下滑动导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1到图3所示，本发明公开一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，在便于实际操作、制样装样灵活的前提下，能够可信地考虑多因素对大变形剪切前后岩土接触面渗透特性的影响，合理实现与实际接触部位剪切形式相符的剪切前后双向接触面渗流，为水力耦合作用下岩土体接触带力学、渗流性质变化提供试验技术支撑。其具体结构主要包括上部剪切盒4、下部剪切盒12、顶部位移荷载单元、底部位移荷载单元、侧向位移荷载单元，固定框架和限位支架5等部分。

上部剪切盒4为一长方体形状，该上部剪切盒4无底面，剪切盒内壁为圆弧倒角，底部边壁向剪切盒外延伸构成一台面，底部台面进行抛光打磨处理。上部剪切盒4顶面为上活动推板10，上活动推板10可沿竖直方向往复错动，上活动推板10顶部安装上滑动导轨3，上活动推板10与侧壁接触部位设有密封单元，具体为活动推板接触面开槽并嵌入双层o形止水圈6。本发明中，上部剪切盒4的材料为透明树脂玻璃。

下部剪切盒12为一长方体形状，该下部剪切盒12无顶面，顶部边壁向剪切盒外延伸构成一台面，台面进行抛光打磨处理，台面上开设环形槽，环形槽内嵌入o形止水圈6，材质为橡胶。环形槽与剪切盒内壁距离大于最大剪切行程；下部剪切盒12底面为下活动推板19，下活动推板19可沿竖直方向往复错动，下活动推板19底部安装下滑动导轨20，下活动推板19与侧壁接触部位设有密封单元具体为活动推板接触面开槽并嵌入双层o形止水圈6。本发明中，下部剪切盒12的材料为透明树脂玻璃。

荷载单元包含顶部荷载位移单元1、侧向荷载位移单元11、底部荷载位移单元9，顶部位移荷载单元1可沿竖直方向向下位移，顶部位移荷载单元内置有电机、控制电路、位移反馈系统，顶部位移荷载单元下方安装压力传感器2；底部位移荷载单元9可沿竖直方向向上位移，底部移荷载单元内置有电机、控制电路、位移反馈系统，底部位移荷载单元上方安装压力传感器2；侧向位移荷载单元11可沿水平方向位移，侧向位移荷载单元内置有电机、控制电路、位移反馈系统，侧向位移荷载单元位移触头上安装压力传感器2。

固定限位框架包含固定框架15与限位支架5，固定框架15顶部固定有顶部位移荷载单元1，固定框架15顶部可连带顶部位移荷载单元1向上拉伸；固定框架15侧方固定有侧向位移荷载单元11，固定框架15侧部可连带侧向位移荷载单元向外拉伸；固定框架15底部有一底座，底座14四角固定有支撑座13，下部剪切盒12可通过预开圆孔固定在支撑座13上；限位支架5安装在总框架两侧，限位支架5高度可上下调节，限位支架5底部安装有滑动导轨3。

上部剪切盒、下部剪切盒可拆卸，将下部剪切盒旋转90°即可改变渗流方向。上部剪切盒4侧壁上预留有若干细孔槽，剪切盒内埋设传感器后，传感器电线可由垫好止水垫片孔槽接出。下部剪切盒12侧壁上预留有若干细孔槽，剪切盒内埋设传感器后，传感器电线可由垫好止水垫片的孔槽接出。下部剪切盒台面前侧开有进水口，进水口上安装接头，可连接外源供水管道。下部剪切盒台面后侧开有出水口，出水口上安装接头，可连接外源出水管道。下部剪切盒台面前侧进水口处接头外侧装有入流流量控制阀和入流流量计。下部剪切盒台面后侧出水口处接头外侧装有出流流量控制阀和出流流量计。

下部剪切盒进水口对应内壁侧开设长条形槽，槽内垫有透水石7，下部剪切盒出水口对应内壁侧开设长条形槽，槽内垫有透水石7；

本发明还公开一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪使用方法，包括以下步骤：

步骤一：从固定框架15和限位支架5中拆卸出上部剪切盒4、下部剪切盒12，上部剪切盒、下部剪切盒的活动推板复位，上部剪切盒4、下部剪切盒12开口面朝上，关闭下部剪切盒12的进水口接头8和出水口接头18；

步骤二：确定接触试验上分界面岩土料类型，将相应岩土料装入上部剪切盒4，装填过程中埋入试验所需传感器，依据试验要求制样；

步骤三：确定接触试验下分界面岩土料类型，将相应岩土料装入下部剪切盒12，装填过程中埋入试验所需传感器，依据试验要求制样；

步骤四：用挡板压在上部剪切盒4开口处，倒置上部剪切盒4并置于下部剪切盒12上方，抽出挡板；

步骤五：将上部剪切盒4、下部剪切盒12整体安装至支撑座13上，使底部荷载位移单元9与下部剪切盒12的下活动推板19接触，调节限位支架5高度使其紧密贴合上部剪切盒4台面；

步骤六：调节固定框架15，使顶部荷载位移单元1与上部剪切盒4的上活动推板10上方的上滑动导轨3接触，使侧向荷载位移单元11与上部剪切盒4侧壁接触；

步骤七：按照试验需要设定顶部荷载位移单元1、底部荷载位移单元9的荷载数值；

步骤八：待上活动推板10和下活动推板19停止位移后，进水口、出水口处安装pvc水管接入外部水源，打开入流流量阀、出流流量阀，待入流流量计、出流流量计读数一致后记录流量数据；

步骤九：启动侧向荷载位移单元11，根据试验内容设定最大剪切位移、剪切速率，侧向荷载位移单元11内控制系统记录位移、剪切力数值，剪切过程进行录像；

步骤十：出流流量计内控制系统记录剪切过程中出流流量变化值；

步骤十一：达到最大剪切位移后关闭侧向荷载位移单元11，关闭入流流量阀、出流流量阀；

步骤十二：整理剪切过程流量与位移、剪切力关系。

本发明装置具备多土层制样便捷可控的特点，能够实现平行、垂直剪切方向的多种渗流方向，试验过程可随时观察记录。本发明装置可应用于大型水工、土工建筑物与基坑、地下工程等领域中自然、人工结构物(例如山体，基岩，地下连续墙，灌注桩等)与土层分界面处的常规力学、渗流与接触渗流特性的试验研究与机理探索。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。