無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和方法及裝置與流程
2023-11-11 03:24:02 4
本發明涉及巖土工程試驗技術領域，具體而言，涉及一種無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和方法及裝置。
背景技術：
隨著西部開發的進程，西南部地區建立和籌建一批高土石壩，由於該地區地震烈度高，地質情況複雜，壩高庫水容量大，一旦失事，將產生災難性的後果。因而有必要開展築壩料靜動力特性研究，靜動三軸試驗是研究土體力學特性的重要手段，試驗過程中試樣的飽和度是影響試驗結果的一個重要因素。
目前室內三軸試驗中無粘性土試樣的飽和方法常採用反壓飽和法，通過增加試樣內部反壓使試樣內空氣壓縮，同時增加圍壓使有效圍壓保持在較低水平，然後在試樣內空氣壓縮穩定後打開排氣閥門將氣體向外排出。
其中，反壓飽和方法在排氣泡的過程中反壓瞬間降至大氣壓，而圍壓仍處於較高水平，從而有效圍壓突然增大，試樣會產生預固結，影響試樣的試驗狀態從而影響後續試驗結果。另一方面反壓飽和法不斷重複壓縮試樣內氣泡、釋放並排出氣泡的步驟，在最終接近飽和狀態時，該過程對去除氣泡的效果越來越不明顯，因此飽和過程耗時很長。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和方法，其飽和速度快、飽和效果好、對試樣擾動小、易於操作。
本發明的另一目的在於提供一種無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和裝置，其操作簡便、取材容易。
本發明的實施例是這樣實現的：
一種無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和方法，其包括以下步驟：
將制好的無粘性土試樣安裝在三軸儀中。
在試樣頂端、圍壓室頂端、試樣底端分別抽真空，達到相應的真空度目標值，進行第一級滲流飽和，其中，試樣頂端真空度目標值>圍壓室真空度目標值，試樣底端真空度目標值>圍壓室真空度目標值，試樣頂端真空度目標值≠試樣底端真空度目標值。
當試樣頂端或試樣底端不再有氣泡排出或者試樣頂端或試樣底端排出的水的體積大於試樣體積時，調整圍壓室真空度目標值、試樣頂端真空度目標值、試樣底端真空度目標值均增加一定的幅值，進行第二級滲流飽和，其中，試樣頂端真空度目標值>圍壓室真空度目標值，試樣底端真空度目標值>圍壓室真空度目標值，試樣頂端真空度目標值≠試樣底端真空度目標值，重複第二級滲流飽和的步驟，直到飽和。
一種無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和裝置，適於與三軸儀配合使用，三軸儀包括圍壓室，裝置包括與試樣頂端連通的第一密封箱、與試樣底端連通的第二密封箱、與圍壓室頂端連通的第三密封箱和真空泵，試樣頂端與第一密封箱之間、試樣底端與第二密封箱之間、圍壓室頂端與第三密封箱之間分別設置有閥門；真空泵分別與第一密封箱、第二密封箱和第三密封箱相連通。
本發明實施例的一種無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和方法及裝置的有益效果是：通過調整圍壓室和試樣內的真空度，可使試樣在飽和過程中有效圍壓控制在較低的水平，並且試樣兩端真空度差異相對較小，可控制試樣內不同高度的有效圍壓分布相對均勻，可避免飽和過程對後續試驗結果的影響；飽和過程中，試樣內處於負壓狀態，能有效擴大試樣內氣泡的體積，更便於氣泡的排出；試樣上下兩端存在一定的壓力差，可使無氣蒸餾水在試樣內滲流，水流可持續將試樣內氣泡帶出試樣。本發明具有飽和速度快、飽和效果好、對試樣擾動小、易於操作的特點。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1為本發明第一實施例提供的無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和裝置；
圖2為本發明第一實施例提供的四通連接器的結構示意圖；
圖3為本發明第一實施例提供的第二密封箱的結構示意圖；
圖4為本發明第二實施例提供的無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和裝置。
圖標：100-無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和裝置；200-三軸儀；210-底座；220-試樣；221-第一出口；222-第二出口；223-第三出口；224-試樣頂端；225-試樣底端；231-傳力杆；232-頂帽；240-橡皮膜；241-密封橡膠圈；250-圍壓室；251-圍壓室頂端；260-閥門；300-第一密封箱；320-第一排氣口；400-第二密封箱；410-第二排氣口；500-水循環通道；600-第三密封箱；610-第三排氣口；700-真空泵；710-四通連接器；711-第一真空泵；712-第二真空泵；713-第三真空泵；720-第三手動調壓閥；730-第三負壓表；740-第一手動調壓閥；750-第一負壓表；760-第二手動調壓閥；770-第二負壓表。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。
因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「上」、「下」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
第一實施例
請參照圖1，本實施例提供一種無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和裝置100，適於與三軸儀200配合使用，三軸儀200包括圍壓室250，試樣220放置於三軸儀200的底座210上。無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和裝置100包括與試樣頂端224即試樣220遠離底座210的一端連通的第一密封箱300、與試樣底端225即試樣220靠近底座210的一端連通的第二密封箱400、與圍壓室頂端251即圍壓室250遠離底座210的一端連通的第三密封箱600和真空泵700。
試樣頂端224設置有相互連接的傳力杆231及頂帽232，優選地，試樣220的相對兩端面設置有橡皮膜240，使用時橡皮膜240與底座210、頂帽232密閉緊貼，通過橡皮膜240實現試樣220與圍壓室250的隔離；優選地，通過密封橡膠圈241箍緊橡皮膜240，達到更好的隔離效果。
試樣頂端224與第一密封箱300相連通，並在兩者之間設置閥門260，具體的，試樣頂端224設置有第一出口221，第一出口221與第一密封箱300通過連接管道相連通，在第一出口221與第一密封箱300之間設置閥門260；優選地，連接管道伸入第一密封箱300部分的長度不小於0.8倍的第一密封箱300的深度，如果連接管道伸入第一密封箱300部分的長度過短，會導致液面下降到管口以下時吸不到水。
試樣底端225與第二密封箱400相連通，並在兩者之間設置有閥門260，具體的，試樣220靠近底座210的一端設置有第二出口222，第二出口222與第二密封箱400通過連接管道相連通，在第二出口222與第二密封箱400之間設置有閥門260，優選地，連接管道伸入第二密封箱400部分的長度不小於0.8倍的第二密封箱400深度。
優選地，第一密封箱300與第二密封箱400之間設置有水循環通道500，水循環通道500上設置有閥門260，目的是為了方便在飽和過程中不用拆卸裝置而實現第一密封箱300與第二密封箱400箱內水的轉移。其中，水循環通道500伸入第一密封箱300部分的長度不小於0.8倍的第一密封箱300深度，伸入第二密封箱400部分的長度不小於0.8倍的第二密封箱400深度。優選地，第二密封箱400的容積等於第一密封箱300的容積。
圍壓室頂端251與第三密封箱600相連通，並在兩者之間設有閥門260，具體的，圍壓室250遠離底座210的一端，即圍壓室頂端251設置有第三出口223，第三出口223與第三密封箱600通過連接管道相連通，第三出口223與第三密封箱600之間設置有閥門260；優選地，連接管道伸入第三密封箱600部分的長度不小於0.8倍的第三密封箱600的深度。
結合圖1及圖2，真空泵700分別與第三密封箱600、第一密封箱300、第二密封箱400相連通，優選地，真空泵700通過四通連接器710分三路分別與第三密封箱600、第一密封箱300、第二密封箱400相連通；真空泵700與第一密封箱300的連接通道上依次設置有第一手動調壓閥740、第一負壓表750和閥門260；真空泵700與第二密封箱400的連接通道上依次設置有第二手動調壓閥760、第二負壓表770和閥門260；真空泵700與第三密封箱600的連接通道上依次設置有第三手動調壓閥720、第三負壓表730和閥門260；優選地，第一密封箱300上設置第一排氣口320，第一排氣口320上設置有閥門260，第二密封箱400上設置有第二排氣口410，第二排氣口410上設置有閥門260，第三密封箱600上設置有第三排氣口610，第三排氣口610上設置有閥門260。其中，第三密封箱600、第一密封箱300、第二密封箱400與真空泵700連接的管道均不伸入相應的密封箱，如果連接管伸入相應的密封箱，當液面過高時，液體會隨著連接管進入真空泵700，會引起真空泵700的損壞。
結合圖1及圖3，優選地，第三密封箱600、第一密封箱300和第二密封箱400均由透明材質製成，例如均由有機玻璃製成，更優選的，第三密封箱600、第一密封箱300和第二密封箱400的一側面均標有刻度線，目的是為了方便讀取容器內液體的體積。
本實施例中所提到的閥門260均優選為球閥。
第二實施例
請參照圖4，圖4示出了本發明第二實施例提供的無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和裝置100，與第一實施例不同的是：本實施例中，真空泵700包括第一真空泵711、第二真空泵712和第三真空泵713，第一真空泵711與第一密封箱300相連通，第一真空泵711與第一密封箱300的連接通道上依次設置有第一手動調壓閥740、第一負壓表750和閥門260；第二真空泵712與第二密封箱400相連通，第二真空泵712與第二密封箱400的連接通道上依次設置有第二手動調壓閥760、第二負壓表770和閥門260；第三真空泵713與第三密封箱600相連通，第三真空泵713與第三密封箱600的連接通道上依次設置有第三手動調壓閥720、第三負壓表730和閥門260。
第三實施例
一種無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和方法，該飽和方法的原理為在負壓環境下使無氣蒸餾水在三軸試樣孔隙內滲流循環。首先將制好的無粘性土試樣220安裝在三軸儀200中，具體的，將試樣220放置於三軸儀200的底座210上，慢慢放下傳力杆231，當試樣頂端224與頂帽232剛有接觸時卡死傳力杆231以固定頂帽232位置，使試樣220兩端橡皮膜240與底座210、頂帽232密閉緊貼並用密封橡膠圈241箍緊。優選地，在第一密封箱300和第二密封箱400內各裝入半箱水，同時連接第一出口221與第一密封箱300、第二出口222與第二密封箱400、第三出口223與第三密封箱600。
為了檢測試樣220是否完全密閉隔離，優選地，將試樣220兩端的閥門260一端打開、一端關閉，例如，打開第一出口221與第一密封箱300之間的閥門260，關閉第二出口222與第二密封箱400之間的閥門260，或打開第二出口222與第二密封箱400之間的閥門260，關閉第一出口221與第一密封箱300之間的閥門260。在打開端用真空泵700抽真空，真空度為10-20千帕時，例如真空度為10千帕、12千帕、15千帕或20千帕時，關閉該端閥門260並保持一段時間，若試樣220內真空度沒有變化，說明試樣220安裝完全密閉，試樣220安裝成功，否則重新安裝試樣220，具體的，可以在三軸儀200內設置孔壓傳感器(圖未示)，若孔壓傳感器的讀數沒有下降，說明試樣220安裝完全密閉。
然後在試樣頂端224、圍壓室頂端251、試樣底端225分別抽真空，達到相應的真空度目標值，進行第一級滲流飽和。具體的，關閉試樣底端225的閥門260，試樣頂端224抽真空至試樣頂端224真空度目標值，試樣220內壓力穩定後在圍壓室頂端251抽真空至圍壓室250真空度目標值，保持試樣底端225的閥門260關閉，與試樣底端225連接的第二密封箱400內預先調負壓至與試樣頂端224相等並保持壓力穩定，緩緩打開試樣底端225的閥門260，試樣220內負壓值穩定後慢慢調節試樣底端225負壓至試樣底端225真空度目標值。其中，試樣頂端224真空度目標值>圍壓室250真空度目標值，試樣底端225真空度目標值>圍壓室250真空度目標值，試樣頂端224真空度目標值≠試樣底端225真空度目標值，這樣做主要三個目的，第一是為了使試樣220內部保持負壓狀態，放大空隙內空氣氣泡；第二是為了使試樣220外部也為負壓狀態，試樣220外部真空度小於試樣220內部真空度，試樣220內外壓力差較小，控制飽和過程中試樣220的有效圍壓在較低的水平；第三是為了使試樣頂端224和試樣底端225的真空度不同，存在壓力差，使試樣220孔隙內的水在試樣220兩端壓力差的作用下形成滲流，帶動放大的氣泡排出試樣220。優選地，第一級滲流飽和過程中，圍壓室250真空度目標值為0-10千帕，例如圍壓室250真空度目標值可以為0千帕、2千帕、5千帕、8千帕或10千帕。當試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值為10-40千帕，例如試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值為10千帕、15千帕、20千帕、25千帕、30千帕、35千帕或40千帕；此時試樣底端225真空度目標值與圍壓室250真空度目標值的差值為10-20千帕，例如試樣底端225真空度目標值與圍壓室250真空度目標值的差值為10千帕、12千帕、15千帕、19千帕或20千帕，這時試樣220內水流滲流的方向是從試樣底端225流向試樣頂端224；當試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值為-10千帕、-15千帕、-0千帕、-25千帕、-30千帕、-35千帕或-40千帕，此時試樣頂端224真空度目標值與圍壓室250真空度目標值的差值為10-20千帕，例如試樣頂端224真空度目標值與圍壓室250真空度目標值的差值為10千帕、12千帕、15千帕、19千帕或20千帕，這時試樣220內水流滲流的方向是從試樣頂端224流向試樣底端225。
當試樣220內水流滲流的方向是從試樣頂端224流向試樣底端225時，此時當試樣底端225不再有氣泡排出試樣底端225排出的水的體積大於試樣220的體積時；或當試樣220內水流滲流的方向是從試樣底端225流向試樣頂端224時，此時當試樣頂端224不再有氣泡排出試樣頂端224排出的水的體積大於試樣220的體積時；即當試樣220內水流流出的一端通道內不再有氣泡排出或者試樣220內水流流出的一端通道內排出的水的體積大於試樣220體積時，依次調整試樣頂端224、試樣底端225、圍壓室250的真空度，均增加一定的幅值，進行第二級滲流飽和，增加的幅值優選為10-30千帕，並始終確保試樣頂端224真空度目標值>圍壓室250真空度目標值，試樣底端225真空度目標值>圍壓室250真空度目標值，試樣頂端224真空度目標值≠試樣底端225真空度目標值，優選地，試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值為±10-±40千帕，需要說明的是，這一級試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值的具體值可以與上一級不同，例如第一級中試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值為10千帕，這一級試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值可以為20千帕；或第一級中試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值為10千帕，這一級試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值可以為-10千帕。具體的，當試樣220內水流流出的一端通道內不再有氣泡排出或者試樣220內水流流出的一端通道內排出的水的體積大於試樣220體積時，關閉試樣底端225的閥門260，試樣頂端224真空度增加10-30千帕，例如10千帕、12千帕、15千帕、18千帕、20千帕、25千帕或30千帕，試樣220內壓力穩定後，圍壓室250頂端真空度增加10-30千帕，例如10千帕、12千帕、15千帕、18千帕、20千帕、25千帕或30千帕，保持試樣220底端閥門260關閉，與試樣底端225連接的第二密封箱400預先調負壓至與試樣頂端224相等並保持壓力穩定，緩緩打開試樣底端225的閥門260，試樣220內負壓值穩定後慢慢調節試樣底端225負壓，直到試樣底端225真空度的值達到其目標值，優選地，當試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值為10千帕、15千帕、20千帕、25千帕、30千帕、35千帕、40千帕時，試樣底端225真空度目標值與圍壓室250真空度目標值的差值為10-20千帕；當試樣頂端224的真空度目標值與試樣底端225的真空度目標值的差值為-10千帕、-15千帕、-0千帕、-25千帕、-30千帕、-35千帕或-40千帕時，試樣頂端224真空度目標值與圍壓室250真空度目標值的差值為10-20千帕。重複第二級滲流飽和的步驟，直到滿足飽和的要求。飽和過程的時間優選為60-120min，例如飽和過程的時間為60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min等。同時，每級滲壓飽和的時間優選為10-30min，例如每級滲流飽和的時間為10min、15min、20min、25min、30min等。需要說明的是，在整個飽和過程中，第一密封箱300、第二密封箱400內液面的高度不得低於其與三軸儀200連接管道的管口。
選用南京細砂三軸試樣作為無粘性土三軸試樣，採用常規的反壓飽和法，反壓400千帕，飽和時間10小時，B值達到0.92；採用本方法進行測試，負壓滲流飽和2小時，B值均能達到0.96及以上。
綜上所述，一種無粘性土三軸試樣的負壓滲流飽和方法及裝置的有益效果是通過調整圍壓室250和試樣220內的真空度，可使試樣220在飽和過程中有效圍壓控制在較低的水平，並且試樣220兩端真空度差異相對較小，可控制試樣220內不同高度的有效圍壓分布相對均勻，可避免飽和過程對後續試驗結果的影響；飽和過程中，試樣220內處於負壓狀態，能有效擴大試樣220內氣泡的體積，更便於氣泡的排出；試樣220上下兩端存在一定的壓力差，可使無氣蒸餾水在試樣220內滲流，水流可持續將試樣220內氣泡帶出試樣220。本發明具有飽和速度快、飽和效果好、對試樣220擾動小、易於操作的特點。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。