一種反壓飽和狀態大三軸試樣的柔性壁壓力滲流試驗裝置的製作方法

2023-11-06 02:44:07 4

本發明涉及巖土工程室內試驗技術領域，尤其是一種反壓飽和狀態大三軸試樣的柔性壁壓力滲流試驗裝置。

背景技術：

近年來港口、機場等大型基礎工程建設中，經常遇到粗粒土填築土工結構相關工程問題。粗粒土的滲透性能、壓力滲流變形等是該類土工結構性能與穩定控制的關鍵節點問題之一。例如，南海島礁吹填機場等工程建設中，吹填珊瑚碎屑粗粒土材料的滲流性能與滲流變形穩定的試驗評價，至關重要。

細粒土小尺度單元體室內滲透試樣設備較為完善，相對而言粗粒土大尺度單元體試樣的室內滲流試驗設備較為滯後。例如，目前規範推薦的tst-70型粗粒土滲透儀，為直徑100mm剛性壁自流式滲流試驗。經過改裝，可提供抽真空滲流飽和試樣飽和及壓力滲流試驗。試樣高飽和度控制與評價、剛性壁與粗粒土接觸面滲透精度影響，以及制樣初始狀態控制等，難以解決。

粗粒土300mm大尺度單元體室內滲流試驗，適合粗粒土滲透性能與滲流穩定研究揭示。截止目前，未見試樣維持反壓高飽和狀態的柔性壁滲透係數測試與壓力滲流變形的試驗設備。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在於，提供一種反壓飽和狀態大三軸試樣的柔性壁壓力滲流試驗裝置，能夠實現三軸試樣維持反壓飽和條件，進行截面300大尺度柔性壁單元體滲透係數與壓力滲流變形等室內土工試驗。

為解決上述技術問題，本發明提供一種反壓飽和狀態大三軸試樣的柔性壁壓力滲流試驗裝置，包括：圍壓滲流轉換單元和體變流量轉換單元；圍壓滲流轉換單元和體變流量轉換單元通過滲入水路部分的滲流閥19和三通接口i3相連。

優選的，圍壓滲流轉換單元包括20升圍壓水罐16、淨水源補水閥17、四通接口i4、圍壓閥2、滲流試樣1、軸力杆8、滲流閥19、下孔壓閥14和孔壓傳感器15；20升圍壓水罐16依次連接四通接口i4和滲流閥19接入三通接口i3進入下孔閥13水路，淨水源補水閥17依次連接四通接口i4和圍壓閥2後連接滲流試樣1，滲流試樣1還分別連接軸力杆8和孔壓傳感器15，孔壓傳感器15連接下孔壓閥14。

優選的，體變流量轉換單元包括空壓機36、反壓閥35、減壓閥30、小反壓閥28、大反壓閥29、體變傳感器32、小體變管33、排氣閥31、大體變管34、上孔壓閥20、小體變閥26、大體變閥27、抽氣閥25、連接閥21、下孔閥13、截斷閥22、飽和閥24和排水閥23；空壓機36和反壓閥35、減壓閥30依次連接，分兩路一路與大反壓閥29相連注入大體變管34，另一路與小反壓閥28相連注入小體變管33，小體變管33還連接有體變傳感器32和小體變閥26，大體變管34還連接有體變傳感器32、排氣閥31和大體變閥27，大體變閥27還連接有排水閥23，孔壓傳感器15依次連接上孔壓閥20和抽氣閥25，下孔閥13依次連接截斷閥22和飽和閥24，截斷閥22連接有連接閥21。

優選的，開通淨水源補水閥17，關閉圍壓閥2和滲流閥19，由專門配備的潔淨水箱及水泵通過淨水源補水閥17補充20升圍壓水罐16水體接近水罐容量，完成滲入水體儲備；之後設定20升圍壓水罐16滲流壓力ub>反壓us值，啟動圍壓油缸加載至ub並伺服穩定，完成20升圍壓水罐16圍壓滲流轉換準備；關閉下孔閥13，打開滲流閥19，20升壓力水罐16伺服壓力水以流量控制方式，進入下孔閥13前端三通接口i3，進入滲流試樣1底端，實現壓力水滲入。

優選的，試樣飽和試驗階段採用大體變管34，截斷閥22處於聯通狀態，抽真空飽和與反壓us飽和；試樣飽和後穩定，關閉上孔壓閥20和下孔壓閥14、下孔閥13；打開反壓閥35，打開大體變閥27和小體變閥26、截斷閥22與排氣閥31，之後打開排水閥23進行大體變管34和小體變管33排水，調整滲流體積接近最大量程，關閉排水閥23和排氣閥31；滲流試驗前，需打開反壓閥35，通過減壓閥30恢復大體變管34和小體變管33壓力至試樣飽和反壓us；關閉小體變閥26，打開上孔壓閥20、連接閥21、截斷閥22和大體變閥27，聯通大體變管34進行測試；下孔閥13關閉狀態打開滲流閥19，聯通20升圍壓水罐16，讓壓力水滲入試樣，即可實現單元體試樣維持反壓飽和狀態時的滲流試樣1頂端壓力水滲出體積的連續測讀，同時測讀孔壓傳感器15孔壓值、滲流時間和滲流試樣1軸向位移。

優選的，截取上部和下部孔壓傳感器15ut和ub穩定後的滲出水體積vw與時間δts測讀數據，即可根據滲流試樣1截面直徑ds和高度hs，得到試樣滲透係數如下：

優選的，大小體變管滲流轉換，當試樣滲出流量速度相對較慢時，上下孔壓傳感器15ut和ub穩定後，可通過關閉大體變閥27和截斷閥22，打開小體變閥26，實施大體變管34轉換為小體變管33的高精度滲出流量測試，縮短測試周期，即「大體變→小體變」流量測試轉換；同時，由小體變管33體變傳感器32數據，計算試樣滲透係數；大小體變管聯測，當試樣滲出流量較大時，通過上述大體變管34和小體變管33轉換時的大反壓閥29和截斷閥22關閉狀態，可以打開大體變管34的排氣閥31和排水閥23，進行大體變管34排水，重新調整滲流體積量程，之後迅速關閉排氣閥31和排水閥23，打開大反壓閥29恢復大體變管34反壓us；之後，小體變管33滲出流量接近其量程時，關閉小體變閥26，再次打開截斷閥22和大體變閥27，即可實現「小體變→大體變」測試轉換；轉換聯測全過程「大體變→小體變→大體變」有效量測為10+1.5+10＝21.5升，大於20升圍壓水罐水16容量，可以實現試樣滲出流量大量程聯測。

優選的，結合大三軸剪切設備固有的圍壓、軸壓加載系統；位移、孔壓和時間等測試系統，可結合20升圍壓水罐16壓力流量控制，方便靈活地開展滲透係數測試、壓力滲流試驗；壓力滲流試驗原理同上述低水頭滲透試驗，可通過20升圍壓水罐16設定高水頭壓力ub，結合試樣軸向變形測試，進行試樣滲透變形試驗研究。

本發明的有益效果為：大三軸剪切設備與兩個轉換單元相連，可以實現三軸試樣維持反壓飽和條件，進行截面300大尺度柔性壁單元體滲透係數與壓力滲流變形等室內土工試驗。

附圖說明

圖1為本發明的大三軸裝置結構示意圖。

圖2為本發明的大三軸底座結構示意圖。

圖3為本發明的大三軸水氣路及改裝後結構示意圖。

其中，1、滲流試樣；2、圍壓閥；3、滲入；4、滲出；5、橡膠膜；6、土工反濾布；7、大三軸壓力室底座；8、軸力杆；9、壓力室排氣閥；10、大三軸壓力室；11、固定螺栓；12、止水圈；13、下孔閥；14、下孔壓閥；15、孔壓傳感器；16、20升圍壓水罐；17、淨水源補水閥；18、補水；19、滲流閥；20、上孔壓閥；21、連接閥；22、截斷閥；23、排水閥；24、飽和閥；25、抽氣閥；26、小體變閥；27、大體變閥；28、小反壓閥；29、大反壓閥；30、減壓閥；31、排氣閥；32、體變傳感器；33、小體變管；34、大體變管；35、反壓閥；36、空壓機；i3、三通接口；i4、四通接口。

具體實施方式

如圖1、2和3所示，一種反壓飽和狀態大三軸試樣的柔性壁壓力滲流試驗裝置，包括：圍壓滲流轉換單元和體變流量轉換單元；圍壓滲流轉換單元和體變流量轉換單元通過滲入水路部分的滲流閥19和三通接口i3相連。

圍壓滲流轉換單元包括20升圍壓水罐16、淨水源補水閥17、四通接口i4、圍壓閥2、滲流試樣1、軸力杆8、滲流閥19、下孔壓閥14和孔壓傳感器15；20升圍壓水罐16依次連接四通接口i4和滲流閥19接入三通接口i3進入下孔閥13水路，淨水源補水閥17依次連接四通接口i4和圍壓閥2後連接滲流試樣1，滲流試樣1還分別連接軸力杆8和孔壓傳感器15，孔壓傳感器15連接下孔壓閥14。

體變流量轉換單元包括空壓機36、反壓閥35、減壓閥30、小反壓閥28、大反壓閥29、體變傳感器32、小體變管33、排氣閥31、大體變管34、上孔壓閥20、小體變閥26、大體變閥27、抽氣閥25、連接閥21、下孔閥13、截斷閥22、飽和閥24和排水閥23；空壓機36和反壓閥35、減壓閥30依次連接，分兩路一路與大反壓閥29相連注入大體變管34，另一路與小反壓閥28相連注入小體變管33，小體變管33還連接有體變傳感器32和小體變閥26，大體變管34還連接有體變傳感器32、排氣閥31和大體變閥27，大體變閥27還連接有排水閥23，孔壓傳感器15依次連接上孔壓閥20和抽氣閥25，下孔閥13依次連接截斷閥22和飽和閥24，截斷閥22連接有連接閥21。

開通淨水源補水閥17，關閉圍壓閥2和滲流閥19，由專門配備的潔淨水箱及水泵通過淨水源補水閥17補充20升圍壓水罐16水體接近水罐容量，完成滲入水體儲備；之後設定20升圍壓水罐16滲流壓力ub>反壓us值，啟動圍壓油缸加載至ub並伺服穩定，完成20升圍壓水罐16圍壓滲流轉換準備；關閉下孔閥13，打開滲流閥19，20升壓力水罐16伺服壓力水以流量控制方式，進入下孔閥13前端三通接口i3，進入滲流試樣1底端，實現壓力水滲入。

試樣飽和試驗階段採用大體變管34，截斷閥22處於聯通狀態，抽真空飽和與反壓us飽和；試樣飽和後穩定，關閉上孔壓閥20和下孔壓閥14、下孔閥13；打開反壓閥35，打開大體變閥27和小體變閥26、截斷閥22與排氣閥31，之後打開排水閥23進行大體變管34和小體變管33排水，調整滲流體積接近最大量程，關閉排水閥23和排氣閥31；滲流試驗前，需打開反壓閥35，通過減壓閥30恢復大體變管34和小體變管33壓力至試樣飽和反壓us；關閉小體變閥26，打開上孔壓閥20、連接閥21、截斷閥22和大體變閥27，聯通大體變管34進行測試；下孔閥13關閉狀態打開滲流閥19，聯通20升圍壓水罐16，讓壓力水滲入試樣，即可實現單元體試樣維持反壓飽和狀態時的滲流試樣1頂端壓力水滲出體積的連續測讀，同時測讀孔壓傳感器15孔壓值、滲流時間和滲流試樣1軸向位移。

截取上部和下部孔壓傳感器15(數值)ut和ub穩定後的滲出水體積vw與時間δts測讀數據，即可根據滲流試樣1截面直徑ds和高度hs，得到試樣滲透係數如下：

大小體變管滲流轉換，當試樣滲出流量速度相對較慢時，上下孔壓傳感器15ut和ub穩定後，可通過關閉大體變閥27和截斷閥22，打開小體變閥26，實施大體變管34轉換為小體變管33的高精度滲出流量測試，縮短測試周期，即「大體變→小體變」流量測試轉換；同時，由小體變管33體變傳感器32數據，計算試樣滲透係數；大小體變管聯測，當試樣滲出流量較大時，通過上述大體變管34和小體變管33轉換時的大反壓閥29和截斷閥22關閉狀態，可以打開大體變管34的排氣閥31和排水閥23，進行大體變管34排水，重新調整滲流體積量程，之後迅速關閉排氣閥31和排水閥23，打開大反壓閥29恢復大體變管34反壓us。之後，小體變管33滲出流量接近其量程時，關閉小體變閥26，再次打開截斷閥22和大體變閥27，即可實現「小體變→大體變」測試轉換；轉換聯測全過程「大體變→小體變→大體變」有效量測為10+1.5+10＝21.5升，大於20升圍壓水罐水16容量，可以實現試樣滲出流量大量程聯測。

結合大三軸剪切設備固有的圍壓、軸壓加載系統；位移、孔壓和時間等測試系統，可結合20升圍壓水罐16壓力流量控制，方便靈活地開展滲透係數測試、壓力滲流試驗；壓力滲流試驗原理同上述低水頭滲透試驗，可通過20升圍壓水罐16設定高水頭壓力ub，結合試樣軸向變形測試，進行試樣滲透變形試驗研究。

實施例i——粗粒土滲透係數測試：

試樣飽和：製備300mm粗粒土大尺度三軸單元體滲流試樣1，安裝至大三軸後進行常規大三軸壓力室10注水、所有水路排氣後，關閉滲流閥19與淨水源補水閥17。打開圍壓閥2，大三軸剪切設備20升圍壓水罐16通過大三軸控制系統施加壓力室圍壓，圍壓伺服狀態進行滲流試樣1滲流抽真空飽和，配合圍壓進一步實施反壓飽和至us，試樣達到高飽和度要求。

滲流準備：滲流閥19關閉狀態，三軸試樣反壓飽和後，且圍壓施加後，關閉圍壓閥2，同時關閉上孔壓閥20、下孔壓閥14和下孔閥13，關閉反壓閥35，關閉抽氣閥25和飽和閥24；打開淨水源補水閥17補充20升圍壓水罐水體16接近其容量20升，之後關閉淨水源補水閥17；打開排氣閥31、大體變閥27和小體變閥26、截斷閥22與排水閥23，大體變管34和小體變管33排水至滲出流量容許最大量程；之後，大小反壓閥聯通狀態，關閉排氣閥31，再次打開反壓閥35，通過減壓閥30施加大小體變管反壓至飽和壓力us。

滲透試驗：首先關閉小體變閥26，通過大三軸控制系統設置20升圍壓水罐16伺服壓力(ub>us)和流量速度後，打開滲流閥19，提供滲入壓力水；同時在截斷閥22聯通狀態，打開連接閥21、上孔壓閥20，20升圍壓水罐16按設定壓力與流速提供滲入壓力水，大體變管體變傳感器32連續測讀試樣滲出流量，同時連續測讀時間，上下的孔壓傳感器15水壓ut和ub。

數據分析：截取上下的孔壓傳感器15(數值)ut和ub穩定後的滲出水體積vw與時間δts測讀數據，即可根據滲流試樣1截面直徑ds和試樣高度hs，按上式計算試樣滲透係數。

此外，當滲流速度相對較慢時，上下的孔壓傳感器15(數值)ut和ub穩定後，可採用上述「大→小」雙體變管轉換，進行高精度滲出流量測試；當滲流速度較快時，且上述大體變管排水量程不足時，可以採用雙體變管「大→小→大」聯測轉換。

實施例ii——滲透變形試驗：

通過圍壓水罐提供不同高水平壓力水頭，分別採用上述實施實例i步驟和方法進行滲透試驗與數據分析，同時讀取滲流試樣軸向變形，揭示不同水頭梯度時的三軸試樣滲透係數變化規律和試樣變形特徵，判斷壓力滲流變形穩定。

必須指出，每一級壓力水頭滲透試驗前，均需要進行實施實例i中的壓力水罐補水和大小體變管排水操作步驟，提供充足壓力滲入壓力水體積和反壓滲出流量的測試量程。

儘管本發明就優選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本發明的權利要求所限定的範圍，可以對本發明進行各種變化和修改。