土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試方法及其裝置的製作方法
2023-11-03 23:54:37 1
專利名稱：土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試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，並對所述土體進行靜止側壓力係數測試。
背景技術：
土體的靜止側壓力係數是計算靜止土壓力、研究土與結構相互作用的關鍵參數，其是指土體在無側向變形條件(即側限條件)下側向有效應力與豎向有效應力之比。靜止側壓力係數能夠反映地基土體在其自重及上部荷載作用下引起的水平向應力大小，可用於計算土體作用於擋土結構物上的靜止土壓力大小及分布、評價擋土結構的穩定性等，已被廣泛應用於水利工程、土木工程、交通工程等中各類擋土結構的設計計算之中。靜止側壓力係數的確定方法有試驗測試法、理論計算法和經驗公式法等，其中試驗測試法的結果最可靠。在《土工試驗規程》(SL237—1999)中介紹了室內試驗測定靜止側壓力係數的方法用環刀將試驗製備後，將帶有試樣的環刀裝入框式飽和器內，按照《土工試驗規程》規定的真空飽和法對試樣進行飽和，飽和度要求達到95%以上。在測試容器的內壁上塗一薄層矽油，然後將試樣從環刀中推入側壓儀容器內，放上透水板、防護圈、傳壓板、鋼珠，將容器置於加壓框架正中，施加IkPa預壓力，安裝軸向位移計，並調至零位。打開接側壓力量測裝置的閥，調平電測儀表，測記受壓室中水壓力為零時的壓力傳感器讀數Re。按壓力等級施加每級軸向壓力後，隨時調平電測儀表，測記不同時刻儀表讀數R和軸向變形直至變形穩定為止。試驗結束後，取出試樣稱重並測定含水率。根據公式計算獲得側向壓力，以軸向有效應力為橫坐標，有效側壓力為縱坐標，繪製關係曲線，所得斜率即為土體靜止側壓力係數。大型水庫蓄水運行後，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，且變幅往往也很大。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，土體的靜止側壓力係數可能發生變化，這可能引起作用於沿岸擋土結構物及樞紐結構物上的土壓力發生變化，進而可能影響結構的安全與穩定，因此，有必要對飽水-疏幹循環作用下的土體靜止側壓力係數變化特徵進行研究。值得說明的是，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。在實驗室條件下研究土體在飽水-疏幹循環條件下的靜止側壓力係數變化特性，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。傳統試驗方法及其系統是土體在飽和狀態下進行固結，無法對試樣進行飽水-疏幹循環作用，因此無法用於研究飽水-疏幹循環作用對靜止側壓力係數的影響問題。另外，傳統試驗中需先對環刀中試樣進行飽和，再將飽和試樣從環刀推入側壓儀容器內，這種操作方法對土樣的擾動較大。
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，並研究土體飽水-疏幹循環作用下靜止側壓力係數的方法。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-疏幹循環靜止側壓力係數測試方法，包括以下步驟
1)製備靜止側壓力係數測試所需要的試樣；
2)使步驟I)中的試樣飽和； 3)疏幹向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)進行靜止側壓力係數測試。本發明的另一目的是公開一種實現上述土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試方法的裝置。即一種土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試裝置，主要包括軸向加荷系統、土壓力傳感系統、水壓力傳感系統和壓力室。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出水系統、陶土板底側進出水系統和陶土板氣壓力控制調節系統。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，傳統的側壓力儀(參見SL237-028-1999靜止側壓力係數試驗)是將通過環刀製取的土體飽和後，推入儀器中進行測試。而本發明所公開的技術方案中，可以先將土體放入裝置中，再通入無氣水對土體進行飽和，避免對土體的擾動。進一步地，本發明還克服了傳統方法及其裝置不能模擬土體飽水-疏幹循環的缺點。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、或向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。
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-壓力室，5-頂蓋，6-壓力室頂部進出氣系統，7-壓力室頂部進水系統，8-壓力室圓筒，9-試樣加載板，10-試樣頂部透水石，11- 土壓力傳感系統，12-水壓力傳感系統，13-陶土板，14-環形透水石，15-透水石底側進出水系統，16-陶土板氣壓力控制調節系統，17-陶土板底側進出水系統，18-底座，19-試樣，21-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-疏幹循環靜止側壓力係數測試方法，包括以下步驟
O製備靜止側壓力係數測試所需要的試樣；
2)使步驟I)中的試樣飽和；
3)疏幹向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)進行靜止側壓力係數測試。本發明的實施例公開一種用於實現上述方法的土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試裝置，主要包括軸向加荷系統I、土壓力傳感系統11、水壓力傳感系統12和壓力室
2。所述壓力室2包括壓力室圓筒8、頂蓋5和底座18，所述頂蓋5和底座18的內部均安裝有若干管道系統，所述壓力室圓筒8、頂蓋5和底座18相結合處具有氣密性。所述底座18的上方安放陶土板13和環形透水石14，所述底座18內部的管道系統包括透水石底側進出水系統15、陶土板底側進出水系統17和陶土板氣壓力控制調節系統16。所述頂蓋5內部的管道系統包括壓力室頂部進出氣系統6和壓力室頂部進水系統7。試驗時，試樣19安放在所述陶土板13和環形透水石14上，所述試樣19上安放試樣加載板9，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9相接觸。本發明所公開的裝置仍屬於靜止側壓力係數測試系統範疇，總體結構包含了與傳統靜止土壓力測試中所用到的側壓儀的全部結構。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靜止側壓力係數測試試驗。但在進行飽水-疏幹循環作用時，其與傳統的靜止側壓力係數測試系統不同，可全自動的實現對試樣進行若干次飽水-疏幹循環過程，然後再進行靜止側壓力係數的測試。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、軸向測力及位移傳感器、軸向反力傳力杆等。壓力室2為可控密閉型壓力室，安裝好試樣19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。實施例中，所述試樣加載板9與試樣19之間具有試樣頂部透水石10。試驗過程中，先是安放好試樣19，再在試樣19上安放好試樣頂部透水石10，然後在試樣頂部透水石10上安放好試樣加載板9,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。實施例中，所述土壓力傳感系統11和水壓力傳感系統12安裝在壓力室圓筒8四周。應該注意到的是，所述土壓力傳感系統11和水壓力·傳感系統12與傳統試驗中的結構相同。在進行飽水-疏幹循環的過程中，土壓力傳感系統11和水壓力傳感系統12均不參與工作。在飽水-疏幹循環後，土壓力傳感系統11和水壓力傳感系統12的工作方式同傳統試驗。進一步地，所述陶土板13為圓盤狀，所述環形透水石14環繞陶土板13，所述陶土板13與環形透水石14之間是既不透水也不透氣的隔離帶21。環形透水石14和/或陶土板13的側面與底座18的結合處應該氣密。所述底座18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，所述透水石底側進出水系統15在壓力室2內的出口在環形透水石14下方；陶土板底側進出水系統17和陶土板氣壓力控制調節系統16在壓力室2內的出口在陶土板13下方。陶土板13隻透水不透氣，環形透水石14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7的管道穿透所述加載板9後，與所述試樣頂部透水石10接觸。使得壓力室頂部進水系統7中注入的水直接浸入試樣19。本裝置的試樣19在裝入裝置前並不需要預先進行飽和操作。即可以待試樣裝入裝置後，通過頂部和/或底部的進出水系統向試樣19供水，並通過頂部的排氣系統排氣，使其飽和。避免了在裝置外部飽和操作時對試樣19的擾動。在裝置內安裝好飽和試樣19或已經對試樣19飽水後，其疏幹過程的操作方法是打開壓力室頂部進出氣系統6的進氣閥門，向壓力室通入壓力氣體，使氣體自試樣19的頂端通過試樣緩慢向試樣的底端滲透。同時，打開陶土板底側進出水系統17的排水閥門，使試樣內部的重力水在壓力氣體的推動下自上而下滲透，並從與圓盤形陶土板13相連的陶土板底側進出水系統17的排水閥門排出；與此同時，為了加快「疏幹」過程，打開壓力室底部透水石底側進出水系統15的排水閥門，使試樣內部的重力水在壓力氣體的推動下同時從與環形透水石14相連的透水石底側進出水系統15的排水閥門排出，但壓力室底部透水石進出水系統15的排水閥門需在「疏幹」過程完成前關閉，並先於壓力室底部陶土板底側進出水系統17的排水閥門關閉前關閉。另外，一旦發現壓力室底部透水石底側進出水系統15的排水閥門排氣，即刻關閉該閥門。原因是如果不關閉透水石底側進出水系統15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19內排不出。關閉透水石底側進出水系統15的排水閥門後，由於陶土板13不透氣，試樣19中的水分會在氣壓驅動下從陶土板13下方的陶土板底側進出水系統17的閥門中排出，達到較好的疏幹效果。試樣飽水過程的操作方法打開壓力室底部陶土板底側進出水系統17的進水閥門，並啟動陶土板底側進出水系統17，從試樣19底部通入具有壓力的無氣水。同時，可以打開壓力室底部透水石底側進出水系統15的進水閥門，同樣從試樣19底部通入具有壓力的無氣水。為了加快「飽水」過程，還可以打開壓力室頂部進水系統7的進水閥門，從試樣頂部通入具有壓力的無氣水。當然，在打開通入無氣水的過程中，壓力室頂部進出氣系統6的排氣閥門需要打開。無氣水自試樣的底端和/或頂端向試樣19內部滲透，試樣19內部的氣體隨著無氣水的滲透逐漸從壓力室頂部進出氣系統6的排氣閥門中排出。完成若干次飽水-疏幹循環後，試樣總側壓力測試和試樣孔隙水壓力測試較為簡單，基本操作同傳統試樣。一般將3個土壓力傳感器系統11等間距裝置於壓力室圓筒8上，試驗中可同時測試試樣的總側壓力。3個土壓力傳感系統所測得的總側壓力平均值為試樣總側壓力；土壓力傳感器系統11在壓力室圓筒8內壁面上的形態為圓弧面圓形，圓弧面圓 形的直徑大於試樣中最大顆粒粒徑的I. 5 2. O倍，以避免因試樣最大顆粒粒徑過大對測試結果的影響。與土壓力傳感系統11相似。一般將3個水壓力傳感系統12也等間距裝置於壓力室圓筒8上，試驗中可同時測試試樣的孔隙水壓力，3個孔隙水壓力傳感系統所測得的孔隙水壓力平均值為試樣孔隙水壓力。孔隙水壓力傳感器系統12在壓力室圓筒8內壁面上的形態也為圓弧面圓形；為避免試驗中試樣細小顆粒堵塞孔隙水壓力傳感器而影響測試結果，水壓力傳感系統12內的孔隙水壓力傳感器的感應端不正對試樣。
權利要求
1.一種土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試方法，其特徵在於，包括以下步驟 1)製備靜止側壓力係數測試所需要的試樣； 2)使步驟I)中的試樣飽和； 3)疏幹向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)進行靜止側壓力係數測試。
2.一種用於實現權利要求I所述方法的土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試裝置，主要包括軸向加荷系統(I)、土壓力傳感系統(U)、水壓力傳感系統(12)和壓力室(2)，其特徵在於所述壓力室(2)包括壓力室圓筒(8)、頂蓋(5)和底座(18)，所述頂蓋(5)和底座(18)的內部均安裝有若干管道系統，所述壓力室圓筒(8)、頂蓋(5)和底座(18)相結合處具有氣密性； 所述底座(18)的上方安放陶土板(13)和環形透水石(14)，所述底座(18)內部的管道系統包括透水石底側進出水系統(15 )、陶土板底側進出水系統(17 )和陶土板氣壓力控制調節系統(16)； 所述頂蓋(5)內部的管道系統包括壓力室頂部進出氣系統(6)和壓力室頂部進水系統(7)； 試驗時，試樣(19)安放在所述陶土板(13)和環形透水石(14)上，所述試樣(19)上安放試樣加載板(9)，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(9)相接觸。
3.根據權利要求2所述的土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試裝置，其特徵在於所述試樣加載板(9)與試樣(19)之間具有試樣頂部透水石(10)。
4.根據權利要求2所述的土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試裝置，其特徵在於所述土壓力傳感系統(11)和水壓力傳感系統(12)安裝在壓力室圓筒(8)四周。
5.根據權利要求2所述的土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試裝置，其特徵在於所述陶土板(13)為圓盤狀，所述環形透水石(14)環繞陶土板(13)，所述陶土板(13)與環形透水石(14)之間是既不透水也不透氣的隔離帶(21)。
6.根據權利要求3所述的土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試裝置，其特徵在於所述壓力室頂部進水系統(7)的管道穿透所述加載板(9)後，與所述試樣頂部透水石(10)接觸。
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，並研究土體飽水-疏幹循環作用下靜止側壓力係數的方法。即一種土體飽水-疏幹循環靜止側壓力係數測試方法，包括以下步驟1)製備靜止側壓力係數測試所需要的試樣；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)進行靜止側壓力係數測試。實現上述方法的裝置主要包括軸向加荷系統、土壓力傳感系統、水壓力傳感系統和壓力室。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G01N3/00GK102944467SQ20121051341
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, 趙迪, 梁越, 劉明維 申請人:重慶交通大學