土体饱水-疏干循环三轴压缩试验方法及装置

摘要

本发明的目的是提供一种在土体三轴压缩试验中实现饱水-疏干循环过程的方法和实现该方法的装置。所述方法包括以下步骤：1）制备三轴压缩试验所需要的试样；2）使步骤1）中的试样饱和；3）疏干；4）饱水；5）重复步骤3）、4）若干次；6）进行CD试验、CU试验或者UU试验。所述装置主要包括压力室、轴向加荷系统和施加围压系统，以及与压力室的底座连接的管道系统。在疏干步骤中，所述通过气压力控制调节系统向试样的顶端施加具有压力的气体，使试样内部的重力水从与底座连接的管道排出。在饱水步骤中，从底座向试样的底端施加具有压力的无气水，试样内部的气体通过所述气压力控制调节系统排出。

说明书

技术领域

本发明涉及土体强度变形特性测试领域，具体是模拟经过饱水-疏干循环的土体三轴压缩试验。

背景技术

大型水库（如长江三峡水库）蓄水运行后，库水位随水库调度呈周期性的上升、下降变化，并且库水位的变幅很大。例如长江三峡水库，按其调度计划，正常蓄水后坝前库水位每年在175m—145m之间变化，库水位最大变幅达30m。在库水位的周期性上升、下降变化中，库岸地下水位及拦河土石坝浸润线也呈周期性的上升、下降变化。库水位和地下水位的周期性上升、下降变化，必然使得其变化范围内的库岸土体及拦河土石坝土体经受周期性的饱水—疏干循环作用。在饱水—疏干循环作用下，土体的强度、变形等特性可能发生变化，为了能够科学评价库岸土体和拦河土石坝土体在周期性的饱水—疏干循环作用下的强度、变形特性，需要研究土体在饱水—疏干循环作用下强度、变形特性的试验方法。

对于初次蓄水的水库而言，随库水位的逐渐抬高，地下水位也逐渐抬高，库水位及地下水位变化幅度范围内的库岸土体和拦河土石坝土体由原来的非饱和状态甚至是干燥状态逐渐转变为饱和状态，这一过程称为“湿化”作用。在“湿化”作用下，土体的强度、变形等特性将可能有显著变化。前人已对“湿化”作用的试验方法等进行了研究，本发明不涉及“湿化”问题。

对于试验性蓄水运行和正常蓄水运行的大型水库而言：当库水位从高水位逐渐向低水位变化时，地下水位也随之逐渐下降变化，库水位和地下水位变化幅度内的库岸土体和拦河土石坝土体内的水体将在重力作用下逐渐排出，这一过程称为地下水的重力疏干或重力排水过程，本发明称之为“疏干”；当库水位从低水位逐渐向高水位变化时，地下水位也随之逐渐上升变化，库水位和地下水位变化幅度内的库岸土体和拦河土石坝土体因水的渗入逐渐变为饱和状态，这一过程称为库水位上升引起库岸及大坝土体的饱水过程，本发明称之为“饱水”。

值得说明的是，“饱水”与前述“湿化”都是使土体由非饱和状态转变为饱和状态，但两者是不同的。“饱水”是库水位下降后再次上升过程中使土体由非饱和状态变为饱和状态的过程。“饱水”发生前，虽然土体因重力水已经排出而处于非饱和状态，但土体中仍存在大量的毛细水、结合水等，含水率通常较高。“湿化”发生前，土体没有经历因库水位和地下水位上升引起的由非饱和状态向饱和状态转变的过程，土体通常处于半干燥状态甚至干燥状态，含水率通常较低。

大型水库的库水位上升过程、下降过程的历时往往均较长，从数十日到数个月不等，这使得库岸土体和拦河大坝土体的“饱水”、“疏干”过程历时也较长。在室内试验条件下，研究土体在饱水—疏干循环条件下的强度、变形特性，需要尽可能真实地模拟库岸及拦河大坝土体经历的饱水—疏干循环条件，但为了节约试验时间，试验的历时又不能很长。为了能够在室内试验条件下，研究土体在饱水—疏干循环条件下的强度、变形特性，需要研究相应的试验方法和试验系统。

另一方面，传统的三轴压缩试验方法可分为三种，即固结排水剪试验（CD试验）、固结不排水剪试验（CU试验）和不固结不排水剪试验（UU试验）三种，但不涉及饱水-疏干循环过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种在土体三轴压缩试验中实现饱水-疏干循环过程的方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种土体饱水-疏干循环三轴压缩试验方法，包括以下步骤：

1）制备三轴压缩试验所需要的试样；

2）使步骤1）中的试样饱和；

3）疏干：对试样施加围压，向试样的顶端施加具有压力的气体，所述气体的气压不大于围压；所述气体从试样的顶端缓慢向试样的底端渗透，试样内部的重力水在气体的推动下自上而下渗透并从试样底端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅进气、不排气、不进水、不排水，试样底端仅排水、不进水、不进气、不排气；

4）饱水：保持施加于步骤3）中处理试样的围压不变，向试样的底端施加具有压力的无气水，所述无气水的压力不大于围压；所述无气水自试样的底端缓慢向试样的顶端渗透，试样内部的气体在无气水的推动下自下而上渗透并从试样顶端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅排气、不进水、不排水、不进气，试样底端仅进水、不排水、不进气、不排气；

5）重复步骤3）、4）若干次；

6）进行CD试验、CU试验或者UU试验。 

值得说明的是，本发明提出的饱水-疏干循环三轴压缩试验方法仍属于三轴压缩试验方法范畴。其CD试验、CU试验和UU试验所用到的方法或装置可以与传统三轴压缩试验相同。只是在传统三轴压缩试验基础上，模拟了土体试样饱水-疏干循环的过程，并获取饱水-疏干循环后的土体试样的力学性能数据。

本发明的另一目的是提供一种土体饱水-疏干循环三轴压缩试验装置，利用该装置能够在三轴压缩试验中模拟土体饱水-疏干循环。

即，一种土体饱水-疏干循环三轴压缩试验装置，主要包括压力室、轴向加荷系统和施加围压系统，以及与压力室的底座连接的管道系统。使用时，所述压力室的底座承载着包裹了橡皮套的试样，所述试样的顶端安装了试样帽。所述试样帽与气压力控制调节系统连通。在疏干步骤中，通过所述气压力控制调节系统向试样的顶端施加具有压力的气体，使试样内部的重力水从与底座连接的管道排出。在饱水步骤中，从底座向试样的底端施加具有压力的无气水，试样内部的气体通过所述气压力控制调节系统排出。

同样值得说明的是，本发明所公开的三轴压缩试验装置，具有传统三轴压缩试验系统的所有基本结构，可以与计算机控制及数据采集系统连接。本发明所要解决的技术问题即是模拟饱水-疏干循环过程。为了实现疏干，本发明所公开的技术方案在试样顶部增加了通入气体的装置，其目的是使得饱和或饱水试样在气体的压力驱动作用下通过底部排水。相应地，向疏干后的试样底部灌注无气水，同时从试样顶部排气，即实现了饱水。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明的装置的结构示意图；

图2为本发明的装置中压力室部分的结构示意图；

图3为底座部分的剖视图；

图4为底座部分的俯视图。

图中： 1-轴向加荷系统，2-试样，3-底座，4-压力室，5-试样帽，6-橡皮套，8-陶土板底侧气压力调节系统，9-围压控制调节系统，10-孔隙水压力控制调节系统，11-透水控制调节系统，12-气压力控制调节系统，13-注水系统，16-陶土板，17-透水石，18-隔离带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

一种土体饱水-疏干循环三轴压缩试验方法，包括以下步骤：

1）制备三轴压缩试验所需要的试样；

2）使步骤1）中的试样饱和；

3）疏干：对试样施加围压，向试样的顶端施加具有压力的气体，所述气体的气压不大于围压；所述气体从试样的顶端缓慢向试样的底端渗透，试样内部的重力水在气体的推动下自上而下渗透并从试样底端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅进气、不排气、不进水、不排水，试样底端仅排水、不进水、不进气、不排气；

4）饱水：保持施加于步骤3）中处理试样的围压不变，向试样的底端施加具有压力的无气水，所述无气水的压力不大于围压；所述无气水自试样的底端缓慢向试样的顶端渗透，试样内部的气体在无气水的推动下自下而上渗透并从试样顶端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅排气、不进水、不排水、不进气，试样底端仅进水、不排水、不进气、不排气；

5）重复步骤3）、4）若干次；

6）进行CD试验、CU试验或者UU试验。 

本发明的实施例中，公开一种用于实现上述方法的土体饱水-疏干循环三轴压缩试验装置，主要包括压力室4、轴向加荷系统1和施加围压系统，以及与压力室4的底座3连接的管道系统。使用时，所述压力室4的底座3承载着包裹了橡皮套6的试样2，所述试样2的顶端安装了试样帽5，其特征在于：所述试样帽5与气压力控制调节系统12连通。在疏干步骤中，通过所述气压力控制调节系统12向试样2的顶端施加具有压力的气体，使试样2内部的重力水从与底座3连接的管道排出。在饱水步骤中，从底座3向试样2的底端施加具有压力的无气水，试样2内部的气体通过所述气压力控制调节系统12排出。

进一步地，所述与底座3连接的管道系统包括陶土板底侧气压力调节系统8、孔隙水压力控制调节系统10和透水控制调节系统11，所述陶土板底侧气压力调节系统8和孔隙水压力控制调节系统10在底座3上方的出口覆盖了陶土板16，所述透水控制调节系统11在底座3上方的出口覆盖了透水石17。

本实施例详细公开了试样2疏干过程的操作方法：打开气压力控制调节系统12的进气阀门，通过与气压力控制调节系统12相连的试样帽5向试样2的顶端通入压力气体。与此同时，打开孔隙水压力控制调节系统10的排水阀门，使试样内部的重力水在所述压力气体的推动下自上而下渗透，并穿透圆盘形陶土板16，最后从所述孔隙水压力控制调节系统10的排水阀门中排出。为了加快疏干过程，可以在打开孔隙水压力控制调节系统10的排水阀门的同时，打开透水控制调节系统11的排水阀门。这时，试样内部的重力水在压力气体的推动下穿过环形透水石17，最后从透水控制调节系统11的排水阀门排出。但是，透水控制调节系统11的排水阀门需在疏干过程完成前关闭，并先于孔隙水压力控制调节系统10的排水阀门关闭。参见图4，实施例所公开的陶土板16为圆盘状，所述透水石17为环绕陶土板16的圆环。陶土板16仅能透过水，透水石17能透过水和气。值得注意的是，一旦在疏干过程中发现透水控制调节系统11的排水阀门在排气，就要即刻关闭该阀门，由于陶土板16不透气，试样2中的水分会在气压驱动下从陶土板16下方的管道阀门中排出，达到较好的疏干效果。反之，如果不关闭透水控制调节系统11的排水阀门，该阀门会一直排气，水分却因没有足够的驱动力而残留在试样2内排不出。整个疏干过程中，施加于试样2顶端的气体压力不大于施加于试样2的围压。

本实施例还详细公开了试样2饱水过程的操作方法：在疏干完成后，同时打开孔隙水压力控制调节系统10的进水阀门和透水控制调节系统11的进水阀门，通过与孔隙水压力控制调节系统10相连的陶土板16和与透水控制调节系统11相连的透水石17向试样2的底端通入具有压力的无气水。之后，所述无气水自试样的底端向试样的顶端渗透。与此同时，打开气压力控制调节系统12的排气阀门，使试样内部的气体在具有压力的无气水的推动下自下而上渗透，并最终从与试样帽5相连的气压力控制调节系统12的排气阀门中排出。整个饱水过程中，施加于试样底端的水压不大于施加于试样的围压。

本发明的实施例中，所述施加围压系统可以采用现有的装置，围压应当可测。通常的围压系统主要包括与压力室4顶部连通的自动注水系统13，和与压力室4底部连通的围压控制调节系统9。值得说明的是，自动注水系统13和围压控制调节系统9均不与试样2接触。

进一步，所述陶土板16与透水石17之间具有既不透水也不透气的隔离带18。