土體飽水-疏幹循環壓縮試驗方法及其裝置的製作方法

2023-06-07 01:49:26

專利名稱：土體飽水-疏幹循環壓縮試驗方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及土體基本力學特性的測試，具體是一種在實驗室條件下模擬經過飽水-疏幹循環的土體，並對所述土體進行側限壓縮試驗或固結試驗。
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，且變幅往往很大。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」。這裡「飽水」與現有技術中所稱的「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。而「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。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-疏幹循環作用。在飽水-疏幹循環作用下，土體的變形特性可能發生變化，表徵其側限壓縮變形特性的壓縮係數、壓縮模量等壓縮指標也會有所變化。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-疏幹循環條件下的側限壓縮變形特性，需要儘可能真實地模擬庫岸及攔河大壩土體經歷的飽水-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。側限壓縮試驗亦稱固結試驗(參見GB/T50123-1999 土工試驗方法標準、HZCS/C-04固結試驗技術細則等)。所謂側限，就是使土樣在豎向壓力作用下只能發生豎向變形，而無側向變形。傳統試驗所採用的裝置為壓縮儀(或固結儀)，具有一個上端敞口的容置腔。試驗時將切有土樣的環刀置於容置腔(剛性護環)中，由於金屬環刀及剛性護環的限制，使得土樣在豎向壓力作用下只能發生豎向變形，而無側向變形。在土樣上下放置的透水石是土樣受壓後排出孔隙水的兩個界面。壓縮過程中豎向壓力通過剛性板施加給土樣，土樣產生的壓縮量可通過百分表量測。傳統的壓縮儀通常不具有氣密性，不足之處在於，無法模擬被測土體的飽水-疏幹循環過程。

發明內容
本發明的目的是提供一種模擬土體飽水-疏幹循環過程，並對所述土體進行壓縮試驗的方法。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-疏幹循環壓縮試驗方法，包括以下步驟 1)製備側限壓縮試驗或固結試驗所需要的試樣；
2)使步驟I)中的試樣飽和；
3)疏幹向所述試樣的頂端施加具有壓力的氣體；所述氣體從試樣的頂端緩慢向試樣的底端滲透，以驅動試樣內部的重力水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)飽水從試樣的底端向試樣施加具有壓力的無氣水,或同時從試樣的底端和頂端向試樣施加具有壓力的無氣水；所述無氣水在試樣內滲透的過程中，試樣內部的氣體從試樣頂端排出；在本步驟的過程中，試樣頂端排氣、不排水、不進氣，試樣頂端進水或不進水，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)進行側限壓縮試驗或固結試驗。本發明的另一個目的是提供一種實現上述方法的裝置，即一種土體飽水-疏幹循環壓縮試驗裝置，主要包括軸向加荷系統和壓力室。所述壓力室包括壓力室圓筒、頂蓋和底座，所述頂蓋和底座的內部均安裝有若干管道系統，所述壓力室圓筒、頂蓋和底座相結合處具有氣密性。所述底座的上方安放陶土板和環形透水石，所述底座內部的管道系統包括透水石底側進水及排水控制調節系統、陶土板底側進水及排水控制調節系統和陶土板底側氣壓控制調節系統。所述頂蓋內部的管道系統包括壓力室頂部進出氣系統和壓力室頂部進水系統。試驗時，試樣安放在所述陶土板和環形透水石上，所述試樣上安放試樣加載板，所述軸向加荷系統的傳力裝置穿過所述頂蓋後與試樣加載板相接觸。值得說明的是，為了實現疏幹，本發明採取了在試樣頂部通入氣體的方案，其目的是使得飽和或飽水試樣在氣體的作用下通過底部排水。相應地，向疏幹後的試樣底部、或底部和頂部灌注無氣水，同時從試樣頂部排氣，即實現了飽水。相對於傳統的壓縮儀或固結儀，本發明所公開的裝置具有一個壓力室。當與所述壓力室連通的所有管道系統上的閥門關閉時，所述壓力室具有氣密性。正是基於上述技術方案，本發明能夠模擬土體的飽水-疏幹循環過程，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-疏幹循環作用下的壓縮特性。


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；圖4為底座部分的俯視圖。圖中1_軸向加荷系統，2-壓力室，3-底座，4-壓力室圓筒，5-頂蓋，6-試樣加載板，7-試樣，8-試樣頂部透水石，10-陶土板底側進水及排水控制調節系統，11-陶土板底側氣壓控制調節系統，12-透水石底側進水及排水控制調節系統，13-壓力室頂部進水系統，14-壓力室頂部進出氣系統，16-陶土板，17-環形透水石，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。
參見附圖圖中一種土體飽水-疏幹循環壓縮試驗方法，包括以下步驟
O製備側限壓縮試驗或固結試驗所需要的試樣；
2)使步驟I)中的試樣飽和；
3)疏幹向所述試樣的頂端施加具有壓力的氣體；所述氣體從試樣的頂端緩慢向試樣的底端滲透，以驅動試樣內部的重力水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)飽水從試樣的底端向試樣施加具有壓力的無氣水,或同時從試樣的底端和頂端向試樣施加具有壓力的無氣水；所述無氣水在試樣內滲透的過程中，試樣內部的氣體從試樣頂端排出；在本步驟的過程中，試樣頂端排氣、不排水、不進氣，試樣頂端進水或不進水，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)進行側限壓縮試驗或固結試驗。本發明的實施例公開一種能夠實現上述方法的土體飽水-疏幹循環壓縮試驗裝置，主要包括軸向加荷系統I和壓力室2。所述壓力室2包括壓力室圓筒4、頂蓋5和底座3，所述頂蓋5和底座3的內部均安裝有若干管道系統，所述壓力室圓筒4、頂蓋5和底座3相結合處具有氣密性。所述底座3的上方安放陶土板16和環形透水石17，所述底座3內部的管道系統包括透水石底側進水及排水控制調節系統12、陶土板底側進水及排水控制調節系統10和陶土板底側氣壓控制調節系統11。所述頂蓋5內部的管道系統包括壓力室頂部進出氣系統14和壓力室頂部進水系統13。試驗時，試樣7安放在所述陶土板16和環形透水石17上，所述試樣7上安放試樣加載板6，所述軸向加荷系統I的傳力裝置穿過所述頂蓋5後與試樣加載板6相接觸。本發明所公開的裝置仍屬於固結試驗或壓縮試驗範疇，總體結構包含了傳統壓縮儀的全部結構。在不進行飽水-疏幹循環作用時，本發明所公開的裝置可用於常規的土體固結試驗。但在進行飽水-疏幹循環作用時，其與傳統的試驗不同，可全自動的實現對試樣7進行若干次飽水-疏幹循環過程，然後再進行測試。裝置中，包括了傳統的機架、力學測量裝置、計算機控制及數據採集系統等，軸向加荷系統I包括傳統設備中的反力架、軸向位移傳感器、軸向反力傳感器、軸向反力傳杆等。壓力室2為可控密閉型壓力室，安裝好試樣2後，可以通過打開或關閉各管道系統的閥門來控制壓力室2與外界的水、氣排放輸入和輸出。所述試樣加載板6與試樣7之間具有試樣頂部透水石。試驗過程中，先是安放好試樣2，再在試樣2上安放好試樣頂部透水石8，然後在試樣頂部透水石8上安放好試樣加載板6，最後安裝頂蓋5和軸向加荷系統I。如圖，軸向加荷系統I的部件進入到壓力室2內，需要在結合處加裝密封件，以保證關閉所有閥門後壓力室2內部具有氣密性。環形透水石17和/或陶土板16的側面與底座3的結合處應該氣密。所述底座3內部的管道系統均包括若干具有閥門的管路，通過閥門的開閉來控制壓力室與外界的水氣連通。顧名思義，所述透水石底側進水及排水控制調節系統12在壓力室2內的出口在環形透水石17下方；陶土板底側進水及排水控制調節系統10和陶土板底側氣壓控制調節系統 11在壓力室2內的出口在陶土板16下方。陶土板16隻透水不透氣，環形透水石17既透水又透氣的性質對試驗效果的影響參見後文對裝置工作過程的描述。進一步地，所述壓力室頂部進水系統13的管道穿透所述加載板6後，與所述試樣頂部透水石8接觸。使得壓力室頂部進水系統13中注入的水直接浸入試樣7。所述陶土板16為圓盤狀，所述環形透水石17環繞陶土板16，所述陶土板16與環形透水石17之間是既不透水也不透氣的隔離帶18。本發明所公開的裝置試驗具有傳統裝置的全部基本結構，能進行傳統試驗，還能模擬土體飽水-疏幹循環過程。本發明壓縮試驗裝置中飽水-疏幹循環過程的操作方法如下
試樣7疏幹過程的操作方法打開壓力室氣壓力控制調節系統14的進氣閥門，將壓力氣體通入壓力室2。同時，打開陶土板底側進水及排水控制調節系統10排水閥門，使壓力室水體及試樣內部的重力水在壓力氣體的推動下在試樣內部自上而下滲透，並從與圓盤形陶土板16相連的陶土板底側進水及排水控制調節系統10排水閥門排出。為了加快「疏幹」過程，還可以打開透水石底側進水及排水控制調節系統12排水閥門，使壓力室水體及試樣內部的重力水在壓力氣體的推動下同時從環形透水石17底部的透水石底側進水及排水控制調節系統12的排水閥門排出。但是，透水石底側進水及排水控制調節系統12的排水閥門需在「疏幹」過程完成前關閉，並先於陶土板底側進水及排水控制調節系統10的排水閥門關閉。另外，一旦發現透水石底側進水及排水控制調節系統12排水閥門排氣，即刻關閉該閥門。原因是如果不及時關閉透水石底側進水及排水控制調節系統12的閥門，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7內排不出。關閉透水石底側進水及排水控制調節系統12的排水閥門後，由於陶土板16不透氣，試樣7中的水分會在氣壓驅動下從陶土板16下方的陶土板底側進水及排水控制調節系統的10的閥門中排出，達到較好的疏幹效果。試驗過程中，施加於試樣頂端的氣體壓力不大於施加於試樣的軸向壓力。試樣7飽水過程的操作方法打開陶土板底側進水及排水控制調節系統10的進水閥門和透水石底側進水及排水控制調節系統12的進水閥門，這樣就從壓力室2的底部向試樣7通入具有壓力的無氣水。同時，打開壓力室氣壓力控制調節系統14的排氣閥門，使試樣7內部及壓力室2內的氣體在無氣水的水壓的推動作用下，從壓力室氣壓力控制調節系統14的排氣閥門中排出。為了加快「飽和」過程，還可以同時打開試樣頂部進水系統13的閥門，從試樣頂部向試樣通入具有壓力的無氣水。試驗過程中，施加於試樣底端和頂端的水壓力不大於施加於試樣的軸向壓力。
在完成若干次飽水-疏幹循環後，對試樣7進行側限壓縮試驗或固結試驗。本發明與傳統的土體壓縮試驗方法及裝置相比，具有以下特點
1)不僅能用於飽和土體的側限壓縮試驗或固結試驗研究，還能用於非飽和土體的側限壓縮試驗或固結試驗；
2)不僅可用於研究飽水-疏幹循環作用下的土體壓縮特性，還能用於研究溼化等特殊條件下的土體壓縮特性；
3)各控制調節系統、傳感器等均與計算機控制及數據採集系統連接，實現了整個試驗過程的全自動化，操作簡單方便、數據採集精度高。
權利要求
1.一種土體飽水-疏幹循環壓縮試驗方法，其特徵在於包括以下步驟 1)製備側限壓縮試驗或固結試驗所需要的試樣； 2)使步驟I)中的試樣飽和； 3)疏幹向所述試樣的頂端施加具有壓力的氣體；所述氣體從試樣的頂端緩慢向試樣的底端滲透，以驅動試樣內部的重力水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)飽水從試樣的底端向試樣施加具有壓力的無氣水,或同時從試樣的底端和頂端向試樣施加具有壓力的無氣水；所述無氣水在試樣內滲透的過程中，試樣內部的氣體從試樣頂端排出；在本步驟的過程中，試樣頂端排氣、不排水、不進氣，試樣頂端進水或不進水，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)進行側限壓縮試驗或固結試驗。
2.一種用於實現權利要求I所述方法的土體飽水_疏幹循環壓縮試驗裝置，主要包括軸向加荷系統(I)和壓力室(2)，其特徵在於所述壓力室(2)包括壓力室圓筒(4)、頂蓋(5)和底座(3)，所述頂蓋(5)和底座(3)的內部均安裝有若干管道系統，所述壓力室圓筒(4)、頂蓋(5)和底座(3)相結合處具有氣密性； 所述底座(3)的上方安放陶土板(16)和環形透水石(17)，所述底座(3)內部的管道系統包括透水石底側進水及排水控制調節系統(12)、陶土板底側進水及排水控制調節系統(10)和陶土板底側氣壓控制調節系統(11)； 所述頂蓋(5)內部的管道系統包括壓力室頂部進出氣系統(14)和壓力室頂部進水系統(13)； 試驗時，試樣(7)安放在所述陶土板(16)和環形透水石(17)上，所述試樣(7)上安放試樣加載板(6)，所述軸向加荷系統(I)的傳力裝置穿過所述頂蓋(5)後與試樣加載板(6)相接觸。
3.根據權利要求2所述的土體飽水-疏幹循環壓縮試驗裝置，其特徵在於所述試樣加載板(6)與試樣(7)之間具有試樣頂部透水石(8)。
4.根據權利要求2所述的土體飽水-疏幹循環壓縮試驗裝置，其特徵在於所述陶土板(16)為圓盤狀，所述環形透水石(17)環繞陶土板(16)，所述陶土板(16)與環形透水石(17)之間是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模擬土體飽水-疏幹循環過程，並對所述土體進行壓縮試驗的方法。即一種土體飽水-疏幹循環壓縮試驗方法，包括以下步驟1)製備側限壓縮試驗或固結試驗所需要的試樣；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)進行側限壓縮試驗或固結試驗。實現上述方法的裝置主要包括軸向加荷系統和壓力室。所述壓力室包括壓力室圓筒、頂蓋和底座。試驗時，試樣安放在所述陶土板和環形透水石上，所述試樣上安放試樣加載板，所述軸向加荷系統的傳力裝置穿過所述頂蓋後與試樣加載板相接觸。
文檔編號G01N33/24GK102967695SQ20121051337
公開日2013年3月13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, 劉明維, 鄧弟平, 趙迪 申請人:重慶交通大學