碎石土渗透侵蚀三轴试验装置及试验方法

摘要

本发明提供了一种碎石土渗透侵蚀三轴试验装置，包括压力控制系统、渗透侵蚀三轴试验系统以及砂水分离系统；所述渗透侵蚀三轴试验系统用于盛放碎石土试样，并通过自身加载的轴压以及压力供应系统提供的围压和水压，形成具有多级水头及复杂应力条件的渗透侵蚀环境；所述盛放碎石土试样在渗透侵蚀环境下，由渗透侵蚀三轴试验系统流出，并进入砂水分离系统。同时提供了上述试验装置的试验方法。本发明将试样放置在有围压的压力室内进行饱和，从而在模拟真实环境应力状态条件下，实现多级水头的渗透侵蚀及强度测试；由压力室多孔底盘将侵蚀颗粒排出，并在砂土分离后实时称量侵蚀颗粒质量，有效完成多级水头及复杂应力条件的渗透侵蚀三轴试验过程。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体地，涉及一种用于渗透侵蚀(潜蚀)作用条件下碎石土渗透特性及力学强度变化的碎石土渗透侵蚀三轴试验装置及试验方法。

背景技术

集中渗漏侵蚀、后退侵蚀、接触侵蚀和潜蚀等侵蚀现象均可导致岩土体内部渗透侵蚀。潜蚀现象，即在渗透水作用下粗颗粒骨架内部细颗粒有选择性的侵蚀现象。对于易于受侵蚀岩土体，一旦细小颗粒移动，岩土体相应的细观结构将随着变化，其剪切强度将相应减小，内部水力条件也将发生突变。许多堆石坝失事及地质灾害发生均与潜蚀作用密切相关。

以往的试验测试主要是量化在自重条件下土体潜蚀可能性，大部分都是针对细颗粒松散土。传统的方法是将试样放置在刚性圆桶内，测试在恒定向下水流情况下开展试验。对于内侵蚀的判定通常是在试验完成后对试样不同高度的试样重新进行颗分试验来完成。

然而，土石坝或堤坝内部应力状态非常复杂，特别是在带有心墙的土石坝内部。近年来，复杂应力状态下侵蚀问题成为国内外热点研究问题，Moffat and Fannin(2006)采用大尺寸的刚性圆筒研究K0应力条件下无粘性土内部不稳定起始问题。Bendahmane et al.(2008)研究了各向压力条件相同情况下内部侵蚀问题，主要研究围压从150kPa减小到100kPa时侵蚀量变化。Richards and Reddy(2010)开发真三轴系统来研究管涌在粘性和无粘性土中发生的可能性。Shwiyhat and Xiao(2010)研究了在恒定水头条件下内侵蚀作用导致的土体渗透性及体积的变化。常东升等(2011)利用改造的应力控制三轴试验仪(试样直径100mm)，研究了砂土在内侵蚀后的应力应变关系。罗玉龙等(2013)研制渗流-侵蚀-应力耦合管涌试验装置，该装置(试样直径101mm)可模拟无围压、等向受压、三轴受压等管涌试验。从以上试验成果上看，对于真实应力条件下的侵蚀问题的研究还处于起始阶段，而对于采用大直径的碎石土进行侵蚀研究还未见成熟的设备及成果。

发明内容

本发明的目的在于针对传统细颗粒组成的土体渗透试验方法将试样置于自重条件下进行试验，而不能在多级水头及复杂应力条件下模拟侵蚀的不足，以及侵蚀颗粒采集效率低下的不足，提供一种可模拟多级水头及复杂应力条件，模拟侵蚀过程的大粒径碎石土渗透侵蚀三轴试验装置及试验方法。

为了实现上述目的，本发明涉及的试验装置和试验方法是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种碎石土渗透侵蚀三轴试验装置，包括依次连接的压力控制系统、渗透侵蚀三轴试验系统以及砂水分离系统；其中，所述渗透侵蚀三轴试验系统用于盛放碎石土试样，并通过自身加载的轴压以及压力控制系统提供的围压和水压，模拟具有多级水头及复杂应力条件的渗透侵蚀环境；所述碎石土试样在设定的渗透侵蚀环境下，侵蚀颗粒由渗透侵蚀三轴试验系统流出，并进入砂水分离系统。

优选地，所述渗透侵蚀三轴压力试验系统包括轴压加载杆、压力室、带槽试样帽、多孔底盘以及底座，其中，所述压力室的中处设有试样盛放腔，所述试样盛放腔与压力室之间具有间隙，所述碎石土试样设置于所述试样盛放腔内；所述轴压加载杆压设在试样盛放腔的顶部，所述轴压加载杆和试样盛放腔之间设有带槽试样帽，所述多孔底盘设置于试样盛放腔的底部，所述底座设置于压力室的底部，所述底座与试样盛放腔之间设有漏斗沉积基座，所述漏斗沉积基座的出口端端口处设有侵蚀出流阀，漏斗沉积基座通过侵蚀出流阀与砂水分离系统相连接；所述碎石土试样在渗透侵蚀环境下，经过多孔底盘由侵蚀出流阀流出。

优选地，所述试样盛放腔外壁采用透明有机玻璃，所述碎石土试样外部包裹橡胶膜。

优选地，所述压力控制系统包括渗流供水筒、渗流供水筒内压力控制单元、空气压缩机、压力室内气压控制单元、压力室供水筒以及压力室内水压控制单元，其中，所述渗流供水筒的供水管路通过渗流供水筒内压力控制单元连接至试样盛放腔，渗流供水筒供水管路的出水端连接在试样盛放腔顶部的带槽压力帽顶端；所述压力室供水筒的供水管路通过压力室内水压控制单元连接至压力室的底部；所述空气压缩机分别与渗流供水筒和压力室相连接，所述空气压缩机的供气管路通过压力室内气压控制单元连接至压力室的底部。空气压缩机用于提供渗流供水筒内反压控制以及提供压力室内气压加载。

优选地，所述压力供应系统还包括体变量测筒、数据采集系统、压力控制器和阀门控制器，所述体变量测筒分别与漏斗沉积基座的出口端和数据采集系统相连接，所述数据采集系统分别与压力控制器和阀门控制器相连接，所述压力控制器和阀门控制器分别与渗流供水筒和压力室供水筒相连接。

优选地，所述压力控制系统还包括外接水源管路和/或外接真空泵管路，所述外接水管管路和/或外接真空泵管路通过压力控制器连接至试样放置腔的底部。

优选地，所述砂水分离系统包括砂水分离筒和储水筒，所述砂水分离筒与渗透侵蚀三轴试验系统相连接，所述储水筒与砂水分离筒相连接；所述砂水分离筒和储水筒的底部分别设有电子天平。

优选地，所述砂水分离筒设有电子浊度计；所述储水桶设有离心泵。

根据本发明的第二个方面，提供了一种上述碎石土渗透侵蚀三轴试验装置的试验方法，包括如下步骤：碎石土试样饱和后，压力控制系统始终向渗透侵蚀三轴试验系统提供水压和围压，模拟渗透侵蚀环境，应力条件根据试验方案循环变化，直至完成完全破坏全过程。

优选地，所述试验方法具体为：

步骤一，将碎石土试样放置在压力室中心处的试样盛放腔内，使试样通过真空泵抽取试样内部空气达到真空包括，和/或，使试样通过微渗流供水方式从试样底部供水，达到浸水饱和；

步骤二，渗流供水筒供水从试样顶部入渗，流经试样的水及侵蚀出的细颗粒通过试样底部的多孔底座排出，以模拟渗透侵蚀过程；

步骤三，试样的侵蚀过程中，携带细颗粒的渗流出水通过砂水分离系统处理，并实时称量；

步骤四，侵蚀过程模拟完成完毕后，按应力或者应变方式通过轴压加载杆进行轴压加载，在保持试样围压不变的情况下进行碎石土试样强度测试。

本发明的工作原理为：

将碎石土试样放置在有围压的三轴透明有机玻璃压力室内，由渗流供水筒内空气加压继而将水加压，经渗流供水筒从试样顶部入渗，流经试样的水及侵蚀出的细颗粒通过试样底部的多孔底座排出，以模拟渗透侵蚀作用，通过压力室供水筒和/或空气压缩机，模拟围压环境。试样的侵蚀过程中，携带细颗粒的渗流出水通过砂水分离系统处理，并实时称量。砂水分离完毕后，关闭侵蚀出流阀，按应力或者应变方式进行轴压加载，在保持试样围压不变的情况下进行试样强度测试。

本发明将试样放置在有围压的压力室内进行饱和，从而在模拟真实环境应力状态条件下，实现多级水头的渗透侵蚀及强度测试；由压力室多孔底盘将侵蚀颗粒排出，并在砂土分离后实时称量侵蚀颗粒质量，有效完成多级水头及复杂应力条件的渗透侵蚀三轴试验过程。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、将试样放置在有围压的压力室内进行饱和，从而在真实环境应力状态情况下，实现多级水头的渗透侵蚀的强度测试；通过压力室多孔底座将侵蚀颗粒排出，并进行砂土分离实时称量。

2、模拟多级水头及复杂应力条件，对于不同粒径分布土体，采用孔径不同的多孔底盘，侵蚀颗粒与渗流出水通过砂土分离器分离，并实时称量。

3、带槽试样帽的底部带有凹槽，可有效避免试验过程中渗流集中，可使渗流水均匀入渗，提高试验成功率。

4、本发明考虑松散土体在渗透侵蚀作用下，土体细颗粒被带出的真实状态，系统的研究在多级水头和复杂应力环境下，内侵蚀起始及发展过程机制以及内侵蚀过程对土体应力应变行为的影响。该发明可独立控制试样水力梯度和应力状态，受侵蚀颗粒随渗透水流出并实时称量，同时进行轴向应力、应变、周围压力、孔隙压力、试样体积变化、饱和进水量和固结排水量等参数测试。

5、多级压力水头条件采用渗透供水筒内通入高压空气实现，并实现自动控制程序；采用油压方式完成轴向应力加载，采用压缩气体或水稳定施加试样周围压力及反压；试样压力室采用透明有机玻璃制作，试样底部安置多孔板，侵蚀颗粒通过多孔板流出，通过侵蚀出流阀，在砂水分离筒内收集；各部分加载运行采用PC机控制，各部分能够独立工作，有效完成多级水头及复杂应力条件的渗透侵蚀试验过程。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明试验仪器的结构示意图；

图2为试验设备使用流程图；

图中：1为轴压加载杆，2为压力室，3为带槽试样帽，4为多孔底盘，5为漏斗沉积基座，6为压力室底座，7为碎石土试样，8为数据采集器，9为压力控制器，10为阀门控制器，11为体变测量筒，12为离心泵，13为电子浊度计，14为侵蚀出流阀，15为储水筒，16为颗粒沉积筒，17为电子天平，18为空气压缩机，19为压力室供水筒，20为渗流供水筒，21为轴压液压缸，I为渗透侵蚀三轴试验系统，II为压力控制系统，III为砂水分离系统。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

具体为：

本实施例提供的碎石土渗透侵蚀三轴试验装置，包括依次连接的压力控制系统、渗透侵蚀三轴试验系统以及砂水分离系统；其中，所述渗透侵蚀三轴试验系统用于盛放碎石土试样，并通过自身加载的轴压以及压力控制系统提供的围压和水压，形成具有多级水头及复杂应力条件的渗透侵蚀环境；所述盛放碎石土试样在渗透侵蚀环境下，由渗透侵蚀三轴试验系统流出，并进入砂水分离系统。

进一步地，所述渗透侵蚀三轴压力试验系统包括轴压加载杆1、压力室2、带槽试样帽3、多孔底盘4以及压力室底座6，其中，所述压力室2的中处设有试样盛放腔，所述试样盛放腔与压力室2之间具有围压间隙，所述碎石土试样设置于所述试样盛放腔内；所述轴压加载杆1压设在试样盛放腔的顶部，所述轴压加载杆1和试样盛放腔之间设有带槽试样帽3，所述多孔底盘4设置于试样盛放腔的底部，所述压力室底座6设置于压力室2的底部，所述压力室底座6与试样盛放腔之间设有漏斗沉积基座5，所述漏斗沉积基座5的出口端与砂水分离系统之间采用侵蚀出流阀相连接。

进一步地，所述渗透侵蚀三轴压力试验系统还包括：轴压液压缸，所述轴压液压缸的作用为轴压加载杆提供动力。

进一步地，所述试样盛放腔外壁采用透明有机玻璃，试样外表面采用橡胶膜包裹。

进一步地，所述漏斗沉积结构的出口端的端口处设有侵蚀出流阀14。

进一步地，所述压力控制系统包括渗流供水筒20和压力室供水筒19，所述渗流供水筒20通过供水管路连接至试样盛放腔；所述供水管路的出水端连接在试样盛放腔的顶部带槽压力帽顶端；所述压力室供水筒19通过围压管路连接至围压间隙。

进一步地，所述压力控制系统还包括空气压缩机18，所述空气压缩机10通过空气管路连接至压力室内气压控制单元，再将压缩空气通入试样盛放腔；所述空气管路的端口连接在试样盛放腔的顶部。

进一步地，所述压力控制系统还包括体变量测筒11、数据采集系统8、压力控制器9和阀门控制器10，所述体变量测筒11分别与漏斗沉积结构的出口端和数据采集系统8相连接，所述数据采集系统8分别与压力控制器9和阀门控制器10相连接，所述压力控制器9与渗流供水筒20和压力室供水筒19相连接，阀门控制器10与渗流供水筒20和压力室供水筒19相连接。

进一步地，所述砂水分离系统包括砂水分离筒16和储水筒15，所述砂水分离筒16与渗透侵蚀三轴试验系统相连接，所述储水筒15与砂水分离筒16相连接；所述砂水分离筒16和储水筒15的底部分别设有电子天平17。

进一步地，所述砂水分离筒设有电子浊度计13；所述储水筒设有离心泵12。

本实施例提供的碎石土渗透侵蚀三轴试验装置，其试验方法，包括如下步骤：碎石土试样饱和后，压力供应系统始终向渗透侵蚀三轴试验系统提供水压和围压，模拟渗透侵蚀环境，应力条件循环变化，直至完成完全破坏全过程。

进一步地，所述试验方法具体为：

步骤一，将碎石土试样放置在压力室中心处的试样盛放腔内，使试样通过真空泵抽取试样内部空气，使试样采用真空饱和或通过微渗流供水方式从试样底部供水，直至试样饱和；

步骤二，渗流供水筒供水从试样顶部入渗，流经试样的水及侵蚀出的细颗粒通过试样底部的多孔底座排出，以模拟渗透侵蚀过程；

步骤三，试样的侵蚀过程中，携带细颗粒的渗流出水通过砂水分离系统处理，并实时称量；

步骤四，侵蚀过程模拟完成完毕后，按应力或者应变方式通过轴压加载杆进行轴压加载，在保持试样围压不变的情况下进行碎石土试样强度测试。

下面结合具体实施方式对本实施例进一步描述。

本实施例提供的试验装置，其各部分均可以采用PC机控制，各部分能够独立工作，且能够与PC机进行数据交换，集中数据采集处理，仪器PC机实时绘制曲线，保存数据，打印曲线和报表。

1、制样及安装

选择试验使用的透明有机玻璃压力室(500mm)；将底座与压力室分离，按《土工试验规程》制样要求装样，装样过程中应使用排水管排除测量孔隙压力管路和排水管路内的空气，装样过程中避免外部空气进入试样内部。试样安装完毕，将压力室放在压力室底座上，用螺母固紧，松开压力室上部的排气阀，转动压力室下部的压力室供水阀，使压力室内部与压力室供水筒相通，向压力室内注水。当压力室内水溢出时，关周围压力阀，使压力室内管道与围压控制器相通，各控制器通电。

2、试样饱和固结

将碎石土试样放置在压力室中心处的试样盛放腔内，使试样通过真空泵抽取试样内部空气，使得试样顶部形成真空，同时将渗流供水筒与试样底部联通，采用微渗流供水方式从试样底部供水，直至试样饱和。饱和度是通过测定孔隙水系数B检测试样饱和状态。在反压力保持一定值时，周围压力增量(Δσ3)引起孔隙水压力的增量Δu。

B＝Δu/Δσ3

饱和试验的设定可以通过PC机荧屏或控制器的键盘进行设定，在设定目标周围压力和反压力值后，可以通过PC机荧屏的开始键或在试验目标值栏点击鼠标右键进行控制，或在控制器的键盘对以上参数进行设定、启动、停止等控制，可以在PC机荧屏上或控制器的显示屏记录实际围压和孔隙水压力值以及反压力值，试验开始后，PC机荧屏显示围压、反压试样上下孔隙压力值、侵蚀颗粒质量、排水量、浊度值与时间的关系曲线，并按固结试验记录数据的时间间隔记录数据。装样结束后，若不施加反压力，则关闭排水阀；如果施加反压力饱和，则使压力室的排水阀的管道和体变量测筒与反压力控制器的管路相通。将周围压力控制器中的孔隙压力和周围压力清零。周围压力和反压力的设定范围分别为0～2000kPa、0～1000kPa。

PC机将围压的目标值传输给压力控制系统并启动，待围压达到目标值后，稳定几分钟后，PC机自动将反压力目标值发送至压力控制系统，反压力按目标设定值控制，各控制器按PC机的要求回传给PC机，PC机PC实时显示数据，同时开启排水阀，将排水阀切换使排水管和反压力控制器相通，固结试验开始(试样的孔隙水流向反压力控制器)，PC机自动计算出试样的固结度，并记录在数据表中。试验过程中，PC机自动显示固结排水量与时间平方根曲线、排水量与时间对数曲线、孔隙压力与时间对数曲线。

3、渗透侵蚀试验

通过恒定的周围压力、主应力差施加至试样后，待试试样固结完成后，以恒定的流速或恒定的水头对试试样试验，测量试试样在各种受力情况下的渗透系数及侵蚀量。渗透试验的参数设定可以通过PC机荧屏和各控制器的键盘进行设定，选择试验方法后、确定试试样的受力情况(设定主应力差、周围压力值)，确定顶部渗透压力、底部水压力或底部流速后，可以通过PC机荧屏和控制器的键盘对以上参数进行设定、启动、停止等控制，在PC机荧屏和控制器的显示屏读出实际的周围压力、孔隙水压力值、反压力值、主应力差以及试样体积变化。试验开始后，PC机荧屏的仪器状态一栏显示三轴试验所有量测数据，选择按时间记录数据，PC机按时间间隔记录数据。同时PC机荧屏显示反压力1、反压力2与时间的关系曲线、流量与时间的关系曲线以及轴向变形与时间的关系曲线。

控制器的显示屏读出实际的周围压力、孔隙水压力值、反压力值、主应力差以及上部流量、侵蚀颗粒重量等。

4、力学性能试验

4a、应力路径试验(破坏试验)

应力路径的工作原理：通过分别控制围压增量、主应力差增量值，按时间间隔逐级施加围压和主应力差，使试样在一定的应力路径下达到破坏，设计原理为：

a.施加一级围压和主应力差，待加压时间到，即根据围压增量和主应力差的计算增量，加下一级围压和主应力差，直至试样破坏。

b.通过PC机设定围压增量Δσ3、主应力差增量值Δ(σ1-σ3)、时间间隔(Z增加时间)，传输至各控制器进行应力路径试验。试验过程中，PC机荧屏实时显示有效应力p/q曲线和总应力p/q曲线、轴向变形与时间的曲线、孔隙水压力与时间的关系曲线。

试验步骤：

a.如果应力路径试验前需要进行饱和试验、固结试验，可以参考饱和试验、固结试验的试验步骤进行，试试样的编号为同一种。

b.在试验方法中选择应力路径试验，选择试试样编号，选择试验结束条件和条件参数。

c.确定固结试验时或试试样在原位的受力情况时的围压的目标值(范围0-2000)和反压力(范围1-300)(单位：kPa)和主应力差。

d.将轴向位移清零。采用PC机软件清零(方法是启动试验采集处理软件后，在仪器状态一栏中按各项目的清零键，对周围压力、孔隙压力、轴向位移、主应力、反压力1、侵蚀颗粒质量、流量等参数清零)。

e.如果进行排水剪切试验，则开启排水阀，排水阀的方向是使试样中的孔隙水流入反压力控制器中，并设定反压力目标值为0。如果进行不排水剪，则关闭排水阀。

f.设定围压增量Δσ3、主应力差增量Δ(σ1-σ3)(目标值可以为负值)。

g.清零和设定完毕，点击开始试验，此时各控制器按目标值进行控制，各控制器按PC机的要求回传给PC机，PC机自动记录试验过程中有关的数据。

h.试验过程中，PC机自动显示总应力路径曲线、有效应力曲线、轴向应变与时间关系曲线、孔隙压力与时间的关系曲线。

i.一旦试验条件满足结束条件时，PC机弹出一对话框，显示结束试验提示，程序恢复到初始输入参数状态。

4b、应力控制试验(破坏)

应力控制试验的工作原理：在围压保持不变的前提下，按时间间隔逐级施加主应力差(即主应力按一定的速度增加)，使试样在一定的应力条件下达到破坏，设计原理为：

a.施加一级围压。

b.通过PC机设定主应力差增量值Δ(σ1-σ3)、时间间隔，传输至压力控制系统进行应力控制试验。试验过程中，PC机荧屏实时显示主应力差与时间的关系曲线、主应力差与轴向变形的关系曲线、轴向变形与时间的曲线、孔隙水压力与时间的关系曲线。

试验步骤：

a.如果应力控制试验前需要进行饱和试验、固结试验，可以参考饱和试验、固结试验的试验步骤进行。

b.在试验方法中选择应力控制试验，选择试样编号，选择试验结束条件和条件参数。

c.确定固结试验时或试样在原位应力状态下的围压的目标值(范围0-2000)和反压力(范围1-300)(单位：kPa)和主应力差。

d.将轴向位移清零。用PC机软件清零(方法是启动试验采集处理软件后，在仪器状态一栏中按各项目的清零键，对周围压力、上下孔隙压力、轴向位移、主应力差、侵蚀颗粒质量、排水量、浑浊度清零)。

e.如果进行排水剪切试验，则开启排水阀，排水阀的方向是使试样中的孔隙水流入体变量测筒中，并设定反压力目标值为0。如果进行不排水剪，则关闭阀门控制系统中体变量测筒阀门。

f.设定围压σ3、主应力差增量Δ(σ1-σ3)，增加时间。

g.清零和设定完毕，点击开始试验，此时各控制器按目标值进行控制，各控制器按PC机的要求回传给PC机，PC机自动记录应力控制试验过程中有关的数据。

h.试验过程中，PC机自动显示主应力差与时间的关系曲线、主应力差与轴向变形的关系曲线、轴向变形与时间的曲线、孔隙水压力与时间的关系曲线。

i.一旦试验条件满足结束条件时，PC机显示结束试验提示，程序恢复到初始输入参数状态。

4c、多级加载试验

多级加载试验工作原理：通过分别控制围压增量、主应力差增量值，按时间间隔逐级施加围压和主应力差，使试样在一定的应力路径下达到破坏，设计原理为：

a.施加一级围压和主应力差，待加压时间结束，即根据围压增量和主应力差的计算增量，施加加下一级围压和主应力差，直至试样破坏。

b.通过PC机设定围压增量Δσ3、主应力差增量值Δ(σ1-σ3)、时间间隔，传输至各控制器进行应力路径试验。试验过程中，PC机荧屏实时显示有效应力p/q曲线和总应力p/q曲线、轴向变形与时间的曲线、孔隙水压力与时间的关系曲线。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。