土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗方法及裝置的製作方法
2023-06-07 01:55:11 2
專利名稱：土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及土體強度變形特性測試領域，具體是模擬經過飽水-疏幹循環的土體三軸壓縮試驗。
背景技術：
大型水庫(如長江三峽水庫)蓄水運行後，庫水位隨水庫調度呈周期性的上升、下降變化，並且庫水位的變幅很大。例如長江三峽水庫，按其調度計劃，正常蓄水後壩前庫水位每年在175m—145m之間變化,庫水位最大變幅達30m。在庫水位的周期性上升、下降變化中，庫岸地下水位及攔河土石壩浸潤線也呈周期性的上升、下降變化。庫水位和地下水位的周期性上升、下降變化，必然使得其變化範圍內的庫岸土體及攔河土石壩土體經受周期性的飽水一疏幹循環作用。在飽水一疏幹循環作用下，土體的強度、變形等特性可能發生變化，為了能夠科學評價庫岸土體和攔河土石壩土體在周期性的飽水一疏幹循環作用下的強 度、變形特性，需要研究土體在飽水一疏幹循環作用下強度、變形特性的試驗方法。對於初次蓄水的水庫而言，隨庫水位的逐漸抬高，地下水位也逐漸抬高，庫水位及地下水位變化幅度範圍內的庫岸土體和攔河土石壩土體由原來的非飽和狀態甚至是乾燥狀態逐漸轉變為飽和狀態，這一過程稱為「溼化」作用。在「溼化」作用下，土體的強度、變形等特性將可能有顯著變化。前人已對「溼化」作用的試驗方法等進行了研究，本發明不涉及「溼化」問題。對於試驗性蓄水運行和正常蓄水運行的大型水庫而言當庫水位從高水位逐漸向低水位變化時，地下水位也隨之逐漸下降變化，庫水位和地下水位變化幅度內的庫岸土體和攔河土石壩土體內的水體將在重力作用下逐漸排出，這一過程稱為地下水的重力疏幹或重力排水過程，本發明稱之為「疏幹」；當庫水位從低水位逐漸向高水位變化時，地下水位也隨之逐漸上升變化，庫水位和地下水位變化幅度內的庫岸土體和攔河土石壩土體因水的滲入逐漸變為飽和狀態，這一過程稱為庫水位上升引起庫岸及大壩土體的飽水過程，本發明稱之為「飽水」。值得說明的是，「飽水」與前述「溼化」都是使土體由非飽和狀態轉變為飽和狀態，但兩者是不同的。「飽水」是庫水位下降後再次上升過程中使土體由非飽和狀態變為飽和狀態的過程。「飽水」發生前，雖然土體因重力水已經排出而處於非飽和狀態，但土體中仍存在大量的毛細水、結合水等，含水率通常較高。「溼化」發生前，土體沒有經歷因庫水位和地下水位上升引起的由非飽和狀態向飽和狀態轉變的過程，土體通常處於半乾燥狀態甚至乾燥狀態，含水率通常較低。大型水庫的庫水位上升過程、下降過程的歷時往往均較長，從數十日到數個月不等，這使得庫岸土體和攔河大壩土體的「飽水」、「疏幹」過程歷時也較長。在室內試驗條件下，研究土體在飽水一疏幹循環條件下的強度、變形特性，需要儘可能真實地模擬庫岸及攔河大壩土體經歷的飽水一疏幹循環條件，但為了節約試驗時間，試驗的歷時又不能很長。為了能夠在室內試驗條件下，研究土體在飽水一疏幹循環條件下的強度、變形特性，需要研究相應的試驗方法和試驗系統。另一方面，傳統的三軸壓縮試驗方法可分為三種，即固結排水剪試驗(CD試驗)、固結不排水剪試驗(CU試驗)和不固結不排水剪試驗(UU試驗)三種，但不涉及飽水-疏幹循環過程。
發明內容
本發明的目的是提供一種在土體三軸壓縮試驗中實現飽水-疏幹循環過程的方法。為實現本發明目的而採用的技術方案是這樣的，一種土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗方法，包括以下步驟
1)製備三軸壓縮試驗所需要的試樣；
2)使步驟I)中的試樣飽和；
3)疏幹對試樣施加圍壓，向試樣的頂端施加具有壓力的氣體，所述氣體的氣壓不大於圍壓；所述氣體從試樣的頂端緩慢向試樣的底端滲透，試樣內部的重力水在氣體的推動下自上而下滲透並從試樣底端排出；在本步驟的過程中，試樣頂端僅進氣、不排氣、不進水、不排水，試樣底端僅排水、不進水、不進氣、不排氣；
4)飽水保持施加於步驟3)中處理試樣的圍壓不變，向試樣的底端施加具有壓力的無氣水，所述無氣水的壓力不大於圍壓；所述無氣水自試樣的底端緩慢向試樣的頂端滲透，試樣內部的氣體在無氣水的推動下自下而上滲透並從試樣頂端排出；在本步驟的過程中，試樣頂端僅排氣、不進水、不排水、不進氣，試樣底端僅進水、不排水、不進氣、不排氣；
5)重複步驟3)、4)若干次；
6)進行CD試驗、CU試驗或者UU試驗。值得說明的是，本發明提出的飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗方法仍屬於三軸壓縮試驗方法範疇。其CD試驗、CU試驗和UU試驗所用到的方法或裝置可以與傳統三軸壓縮試驗相同。只是在傳統三軸壓縮試驗基礎上，模擬了土體試樣飽水-疏幹循環的過程，並獲取飽水-疏幹循環後的土體試樣的力學性能數據。本發明的另一目的是提供一種土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗裝置，利用該裝置能夠在三軸壓縮試驗中模擬土體飽水-疏幹循環。S卩，一種土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗裝置，主要包括壓力室、軸向加荷系統和施加圍壓系統，以及與壓力室的底座連接的管道系統。使用時，所述壓力室的底座承載著包裹了橡皮套的試樣，所述試樣的頂端安裝了試樣帽。所述試樣帽與氣壓力控制調節系統連通。在疏幹步驟中，通過所述氣壓力控制調節系統向試樣的頂端施加具有壓力的氣體，使試樣內部的重力水從與底座連接的管道排出。在飽水步驟中，從底座向試樣的底端施加具有壓力的無氣水，試樣內部的氣體通過所述氣壓力控制調節系統排出。同樣值得說明的是，本發明所公開的三軸壓縮試驗裝置，具有傳統三軸壓縮試驗系統的所有基本結構，可以與計算機控制及數據採集系統連接。本發明所要解決的技術問題即是模擬飽水-疏幹循環過程。為了實現疏幹，本發明所公開的技術方案在試樣頂部增加了通入氣體的裝置，其目的是使得飽和或飽水試樣在氣體的壓力驅動作用下通過底部排水。相應地，向疏幹後的試樣底部灌注無氣水，同時從試樣頂部排氣，即實現了飽水。
本發明的裝置可以通過附圖給出的非限定性實施例進一步說明。圖I為本發明的裝置的結構示意 圖2為本發明的裝置中壓力室部分的結構示意 圖3為底座部分的剖視 圖4為底座部分的俯視圖。圖中I-軸向加荷系統，2_試樣,3_底座,4_壓力室,5_試樣帽,6_橡皮套,8_陶土板底側氣壓力調節系統，9-圍壓控制調節系統，10-孔隙水壓力控制調節系統，11-透水控制調節系統，12-氣壓力控制調節系統，13-注水系統，16-陶土板，17-透水石，18-隔離帶。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但不應該理解為本發明上述主題範圍僅限於下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明範圍內。一種土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗方法，包括以下步驟
1)製備三軸壓縮試驗所需要的試樣；
2)使步驟I)中的試樣飽和；
3)疏幹對試樣施加圍壓，向試樣的頂端施加具有壓力的氣體，所述氣體的氣壓不大於圍壓；所述氣體從試樣的頂端緩慢向試樣的底端滲透，試樣內部的重力水在氣體的推動下自上而下滲透並從試樣底端排出；在本步驟的過程中，試樣頂端僅進氣、不排氣、不進水、不排水，試樣底端僅排水、不進水、不進氣、不排氣；
4)飽水保持施加於步驟3)中處理試樣的圍壓不變，向試樣的底端施加具有壓力的無氣水，所述無氣水的壓力不大於圍壓；所述無氣水自試樣的底端緩慢向試樣的頂端滲透，試樣內部的氣體在無氣水的推動下自下而上滲透並從試樣頂端排出；在本步驟的過程中，試樣頂端僅排氣、不進水、不排水、不進氣，試樣底端僅進水、不排水、不進氣、不排氣；
5)重複步驟3)、4)若干次；
6)進行CD試驗、CU試驗或者UU試驗。本發明的實施例中，公開一種用於實現上述方法的土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗裝置，主要包括壓力室4、軸向加荷系統I和施加圍壓系統，以及與壓力室4的底座3連接的管道系統。使用時，所述壓力室4的底座3承載著包裹了橡皮套6的試樣2，所述試樣2的頂端安裝了試樣帽5，其特徵在於所述試樣帽5與氣壓力控制調節系統12連通。在疏幹步驟中，通過所述氣壓力控制調節系統12向試樣2的頂端施加具有壓力的氣體，使試樣2內部的重力水從與底座3連接的管道排出。在飽水步驟中，從底座3向試樣2的底端施加具有壓力的無氣水，試樣2內部的氣體通過所述氣壓力控制調節系統12排出。進一步地，所述與底座3連接的管道系統包括陶土板底側氣壓力調節系統8、孔隙水壓力控制調節系統10和透水控制調節系統11，所述陶土板底側氣壓力調節系統8和孔隙水壓力控制調節系統10在底座3上方的出口覆蓋了陶土板16，所述透水控制調節系統11在底座3上方的出口覆蓋了透水石17。本實施例詳細公開了試樣2疏幹過程的操作方法打開氣壓力控制調節系統12的進氣閥門，通過與氣壓力控制調節系統12相連的試樣帽5向試樣2的頂端通入壓力氣體。與此同時，打開孔隙水壓力控制調節系統10的排水閥門，使試樣內部的重力水在所述壓力氣體的推動下自上而下滲透，並穿透圓盤形陶土板16，最後從所述孔隙水壓力控制調節系統10的排水閥門中排出。為了加快疏幹過程，可以在打開孔隙水壓力控制調節系統10的排水閥門的同時，打開透水控制調節系統11的排水閥門。這時，試樣內部的重力水在壓力氣體的推動下穿過環形透水石17，最後從透水控制調節系統11的排水閥門排出。但是，透水控制調節系統11的排水閥門需在疏幹過程完成前關閉，並先於孔隙水壓力控制調節系統10的排水閥門關閉。參見圖4，實施例所公開的陶土板16為圓盤狀，所述透水石17為環繞陶土板16的圓環。陶土板16僅能透過水，透水石17能透過水和氣。值得注意的是，一旦在疏幹過程中發現透水控制調節系統11的排水閥門在排氣，就要即刻關閉該閥門，由於陶土板16不透氣，試樣2中的水分會在氣壓驅動下從陶土板16下方的管道閥門中排出，達 到較好的疏幹效果。反之，如果不關閉透水控制調節系統11的排水閥門，該閥門會一直排氣，水分卻因沒有足夠的驅動力而殘留在試樣2內排不出。整個疏幹過程中，施加於試樣2頂端的氣體壓力不大於施加於試樣2的圍壓。本實施例還詳細公開了試樣2飽水過程的操作方法在疏幹完成後，同時打開孔隙水壓力控制調節系統10的進水閥門和透水控制調節系統11的進水閥門，通過與孔隙水壓力控制調節系統10相連的陶土板16和與透水控制調節系統11相連的透水石17向試樣2的底端通入具有壓力的無氣水。之後，所述無氣水自試樣的底端向試樣的頂端滲透。與此同時，打開氣壓力控制調節系統12的排氣閥門，使試樣內部的氣體在具有壓力的無氣水的推動下自下而上滲透，並最終從與試樣帽5相連的氣壓力控制調節系統12的排氣閥門中排出。整個飽水過程中,施加於試樣底端的水壓不大於施加於試樣的圍壓。本發明的實施例中，所述施加圍壓系統可以採用現有的裝置，圍壓應當可測。通常的圍壓系統主要包括與壓力室4頂部連通的自動注水系統13，和與壓力室4底部連通的圍壓控制調節系統9。值得說明的是，自動注水系統13和圍壓控制調節系統9均不與試樣2接觸。進一步，所述陶土板16與透水石17之間具有既不透水也不透氣的隔離帶18。
權利要求
1.一種土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗方法，其特徵在於，包括以下步驟 1)製備三軸壓縮試驗所需要的試樣； 2)使步驟I)中的試樣飽和； 3)疏幹對試樣施加圍壓，向試樣的頂端施加具有壓力的氣體，所述氣體的氣壓不大於圍壓；所述氣體從試樣的頂端緩慢向試樣的底端滲透，試樣內部的重力水在氣體的推動下自上而下滲透並從試樣底端排出；在本步驟的過程中，試樣頂端僅進氣、不排氣、不進水、不排水，試樣底端僅排水、不進水、不進氣、不排氣； 4)飽水保持施加於步驟3)中處理試樣的圍壓不變，向試樣的底端施加具有壓力的無氣水，所述無氣水的壓力不大於圍壓；所述無氣水自試樣的底端緩慢向試樣的頂端滲透，試樣內部的氣體在無氣水的推動下自下而上滲透並從試樣頂端排出；在本步驟的過程中，試樣頂端僅排氣、不進水、不排水、不進氣，試樣底端僅進水、不排水、不進氣、不排氣； 5)重複步驟3)、4)若干次； 6)進行CD試驗、CU試驗或者UU試驗。
2.一種用於實現權利要求I所述方法的土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗裝置，主要包括壓力室(4)、軸向加荷系統(I)和施加圍壓系統，以及與壓力室(4)的底座(3)連接的管道系統；使用時，所述壓力室(4)的底座(3)承載著包裹了橡皮套(6)的試樣(2)，所述試樣(2)的頂端安裝了試樣帽(5)，其特徵在於所述試樣帽(5)與氣壓力控制調節系統(12)連通；在疏幹步驟中，通過所述氣壓力控制調節系統(12)向試樣(2)的頂端施加具有壓力的氣體，使試樣(2)內部的重力水從與底座(3)連接的管道排出；在飽水步驟中，從底座(3)向試樣(2)的底端施加具有壓力的無氣水，試樣(2)內部的氣體通過所述氣壓力控制調節系統(12)排出。
3.根據權利要求2所述的土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗裝置，其特徵在於所述與底座(3)連接的管道系統包括陶土板底側氣壓力調節系統(8)、孔隙水壓力控制調節系統(10)和透水控制調節系統(11)，所述氣壓力調節系統(8)和孔隙水壓力控制調節系統(10)在底座(3)上方的出口覆蓋了陶土板(16)，所述透水控制調節系統(11)在底座(3)上方的出口覆蓋了透水石(17)。
4.根據權利要求2所述的土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗裝置，其特徵在於所述施加圍壓系統包括與壓力室(4)頂部連通的自動注水系統(13)，和與壓力室(4)底部連通的圍壓控制調節系統(9)。
5.根據權利要求3所述的土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗裝置，其特徵在於所述陶土板(16)為圓盤狀，所述透水石(17)為環繞陶土板(16)的圓環。
6.根據權利要求3所述的土體飽水-疏幹循環三軸壓縮試驗裝置，其特徵在於所述陶土板(16)與透水石(17)之間具有既不透水也不透氣的隔離帶(18)。
全文摘要
本發明的目的是提供一種在土體三軸壓縮試驗中實現飽水-疏幹循環過程的方法和實現該方法的裝置。所述方法包括以下步驟1)製備三軸壓縮試驗所需要的試樣；2)使步驟1)中的試樣飽和；3)疏幹；4)飽水；5)重複步驟3)、4)若干次；6)進行CD試驗、CU試驗或者UU試驗。所述裝置主要包括壓力室、軸向加荷系統和施加圍壓系統，以及與壓力室的底座連接的管道系統。在疏幹步驟中，所述通過氣壓力控制調節系統向試樣的頂端施加具有壓力的氣體，使試樣內部的重力水從與底座連接的管道排出。在飽水步驟中，從底座向試樣的底端施加具有壓力的無氣水，試樣內部的氣體通過所述氣壓力控制調節系統排出。
文檔編號G01N3/08GK102944476SQ20121051336
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者王俊傑, 張慧萍, 鄧文杰, 趙迪 申請人:重慶交通大學