一种三轴试验中模拟降雨湿化的试验装置及试验方法

摘要

本发明涉及一种三轴试验中模拟降雨湿化的试验装置及试验方法，其特征在于，该试验装置包括三轴试验仪、三轴试样顶帽、微孔均匀布水装置、外置供水装置及控制系统；外置供水装置及控制系统包括水箱、伺服电机、活塞、滚珠丝杠和计算机，水箱内滑动插设活塞，活塞的外端部固定连接滚珠丝杠，伺服电机的输出端固定连接滚珠丝杠，水箱的出水口通过出水管路进入压力室连接三轴试样顶帽的进水口，且出水管路上设置有顶帽进水控制阀，计算机通过控制伺服电机工作进而模拟不同降雨条件。本发明填补了岩土室内试验中单线法测定坝料降雨条件下非饱和湿化试验的技术空白，不仅具有重要的研究价值，还具有极其广阔的实际应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩土工程中模拟天然降雨的试验装置及试验方法，特别是关于一种在三轴试验中实现测试降雨条件下粗粒料湿化变形特性的试验装置及试验方法，属于岩土工程室内试验领域。

背景技术

降雨是土石坝坝体后期变形的重要外因之一，会造成坝体与心墙应力变形的不利影响。我国已建、在建或拟建的许多高土石坝位于西南多雨地区，因此，深入研究降雨条件下坝料的湿化变形机理和规律，有助于保证土石坝工程的安全运行，具有重要的工程实践意义与推广应用前景。进行土体室内湿化试验是研究上述问题的基本手段。现有的湿化试验使用的仪器主要为压缩仪和三轴仪。压缩仪仅能测定侧限条件下土体的湿化变形，无法得到土体湿化变形模型参数。三轴仪可进行不同应力状态下土体的湿化变形试验，较压缩仪有一定优势。

传统的湿化试验方法有单线法与双线法。双线法是分别测量处于湿态和干态的两个试样在相同应力状态下的应变，将两者之差作为该应力状态下的湿化变形。但是一方面双线法与实际湿化过程相差较大，另一方面对于透水性大的粗粒料，难以制作一定含水率的非饱和试样，因此鲜少采用双线法进行粗粒料的非饱和湿化试验。单线法是将干态试样沿着某一应力路径加载到一定的应力状态，在控制应力状态不变的条件下，将试样增湿至特定含水量，测量该过程中的变形增量，从而得到某应力状态下的湿化变形。在单线法试验过程中，如何模拟自然降雨、对试样进行一定含水率的湿化是试验的关键。受三轴仪压力室结构所限，目前所进行的粗粒料三轴湿化试验多为从底部排水孔进水使试样浸水饱和，研究其饱和湿化特性，与天然降雨条件下的非饱和湿化状态相差较大。目前，迫切需要有针对降雨条件下粗粒料非饱和湿化的试验装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实现三轴试验中进行降雨条件下粗粒料湿化变形特性试验的模拟天然降雨的试验装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种三轴试验中模拟降雨湿化的试验装置，其特征在于，该试验装置包括三轴试验仪和外置供水装置及控制系统；所述三轴试验仪包括压力室、橡胶模、三轴试样体和三轴仪控制系统，所述压力室底部设置有进出水控制阀，所述压力室顶部穿设有加载杆，所述橡胶模用于包裹所述三轴试样体放置在所述压力室内且位于所述加载杆正下方；所述三轴试样体包括圆柱土样、三轴试样顶帽、微孔均匀布水装置、土工织物、第一滤纸、第二滤纸和透水石，所述圆柱土样顶部设置所述三轴试样顶帽，所述圆柱土样与所述三轴试样顶帽之间放置所述第一滤纸和微孔均匀布水装置，所述微孔均匀布水装置与所述三轴试样顶帽之间设置所述土工织物，所述圆柱土样的底部固定设置所述第二滤纸和透水石，所述三轴试验仪底部开设有一个以上的试样排水孔，所述圆柱土样中的水通过所述试样排水孔经试样排水管路排放到所述压力室外部，每一所述试样排水管路的外端部固定设置有试样排水阀，所述三轴仪控制系统用于控制所述压力室的压力及加载杆的加卸载；所述外置供水装置及控制系统包括水箱、伺服电机、活塞、滚珠丝杠和计算机，所述水箱内滑动插设所述活塞，所述活塞的外端部固定连接所述滚珠丝杠，所述伺服电机的输出端固定连接所述滚珠丝杠，所述水箱的出水口通过出水管路进入所述压力室连接所述三轴试样顶帽的进水口，所述出水管路上设置有顶帽进水控制阀，所述计算机通过控制所述伺服电机工作进而模拟不同降雨条件。

进一步，所述三轴试样顶帽采用圆柱，所述三轴试样顶帽顶部设置有用于接触所述加载杆的定位槽，所述三轴试样顶帽一侧贯穿设置有进水通孔，所述三轴试样顶帽下部设置有用于容纳所述土工织物的空腔，所述三轴试样顶帽底部周向还设置有若干个螺丝孔。

进一步，所述微孔均匀布水装置采用与所述三轴试样顶帽大小相同的圆柱，所述微孔均匀布水装置顶部开设有凹槽成为储水空腔，所述储水空腔的底部均匀设置有大小相同的微孔，所述微孔均匀布水装置的顶部还设置有一用于放置O型密封圈的环形密封槽沟，对应于所述三轴试样顶帽的螺丝孔的位置，所述微孔均匀布水装置外周对应间隔设置有若干螺丝通孔。

进一步，所述储水空腔内还间隔设置有若干承压凸起。

进一步，每一所述微孔的直径≤0.2mm。

为实现上述目的，本发明还采取以下技术方案：一种三轴试验中模拟降雨湿化的试验方法，其特征在于包括以下内容：1)制备三轴试样体；2)将三轴试样体放置在压力室，并使压力室的加载杆接触三轴试样体的三轴试样顶帽顶部；3)将外置供水装置及控制系统的水箱通过出水管路连接到三轴试样顶帽的进水口；4)打开压力室的进出水控制阀向压力室注水，当压力室充满水后关闭进出水控制阀，按照试验方案，通过三轴仪控制系统调节压力室压力至设定值；5)打开三轴试样体底部试样排水管路的试样排水阀，通过加载杆施加偏差应力，按照试验方案使常规三轴剪切试验至设定的应力状态，自动控制保持该应力状态；6)外置供水装置及控制系统的计算机启动伺服电机进行工作，按照试验目标雨强变化调节流量，外置供水装置及控制系统的计算机实时记录供水流量；7)打开三轴试样顶帽的顶帽进水控制阀，进行一定应力条件下降雨非饱和湿化试验，通过与三轴试验仪控制系统相连的传感器实时采集上述湿化过程中的试样湿化变形数据；8)试验目标降雨过程完成后，关闭三轴试样顶帽的顶帽进水控制阀，继续进行三轴剪切试验；9)试验结束后，撤去围压，打开压力室的进出水控制阀，使压力室内水排空。

进一步，所述步骤1)制备三轴试样体的具体过程为：按照预设密度制作圆柱土样，圆柱土样上方依次放置第一滤纸、微孔均匀布水装置、土工织物和三轴试样顶帽，并将微孔均匀布水装置与三轴试样顶帽进行密封，圆柱土样下方依次放置第二滤纸和透水石，并采用橡胶模包裹三轴试样体。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的微孔均匀布水装置均匀分布设置的极小微孔，具有较高的吸力作用，上部储水空腔内的来水不能单纯在重力作用下自由出流，从而可使上部来水在储水空腔内发生积蓄并形成一定水压，在这个水压作用下，储水空腔内的来水通过这些微孔被均匀分布到试样的整个横断面上，从而实现在三轴试样横断面上的均匀降雨入渗，本发明为研究降雨条件下坝料特别是粗粒料非饱和湿化变形特性提供新的试验方法，通用性好、结构简单、可靠性高、实现容易。2、本发明的试验装置可以实现降雨条件下粗粒料非饱和湿化三轴试验，试验过程中可以控制试样应力状态，测量试样发生的轴向和体积变形。3、本发明设置有外置供水装置及控制系统，外置供水装置及控制系统与压力室内三轴试样体连接，根据试验需要，可以实现三轴试验中不同应力状态下模拟降雨入渗过程，并可实时控制降雨强度、降雨历时等降雨特征因素，通过传感器实现湿化变形数据与降雨特征值的实时采集。综上，本发明填补了岩土室内试验中单线法测定坝料降雨条件下非饱和湿化试验的技术空白，不仅具有重要的研究价值，还具有极其广阔的实际应用前景。

附图说明

图1为本发明的三轴试验中模拟降雨湿化的试验装置结构示意图；

图2为本发明的三轴试样顶帽结构示意图；

图3是本发明的微孔均匀布水装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明提供的三轴试验中模拟降雨湿化的试验装置，除了包括常规三轴试验仪1外，还包括三轴试样顶帽2、微孔均匀布水装置3、外置供水装置及控制系统4。

三轴试验仪1包括有压力室11、橡胶模12、三轴试样体13和三轴仪控制系统(图中未示出)，压力室11的底部设置有一进出水控制阀14，用于控制向压力室11内进行注水操作形成围压。压力室11顶部穿设有加载杆15，用于对三轴试样体13施加轴向压力。橡胶模12用于包裹三轴试样体13放置在压力室11内且位于加载杆15的正下方。

三轴试样体13包括圆柱土样、三轴试样顶帽2、微孔均匀布水装置3、土工织物6、第一滤纸7、第二滤纸8和透水石9，圆柱土样顶部设置三轴试样顶帽2，圆柱土样与三轴试样顶帽2之间放置有第一滤纸7和微孔均匀布水装置3，微孔均匀布水装置3与三轴试样顶帽2之间设置有过滤用土工织物6，土工织物6用于过滤水中杂质并使通过三轴试样顶帽2的来水初步均匀分布，圆柱土样的底部固定设置第二滤纸8和透水石9。三轴试验仪1的底部开设有一个以上的试样排水孔(本发明实施例为两个，以此为例，不限于此)，圆柱土样中的水穿过第二滤纸8和透水石9并通过试样排水孔经试样排水管路延伸到压力室11外部，且每一试样排水管路的外端部固定设置有试样排水阀10，另外，三轴仪控制系统用于控制压力室11的压力及加载杆15的加卸载，三轴仪控制系统为现有技术，在此不做赘述。

外置供水装置及控制系统4用于提供可控流量的出水，以模拟不同的降雨强度特征，包括水箱41、活塞42、伺服电机43、滚珠丝杠44和计算机(图中未示出)。水箱41内滑动插设活塞42，活塞42的外端部固定连接滚珠丝杠44，伺服电机43的输出端固定连接滚珠丝杠44。水箱41的出水口通过出水管路进入压力室11连接三轴试样顶帽2的进水口22，且出水管路上设置有顶帽进水控制阀45。计算机通过采集控制器与伺服电机43相连，控制其工作进而模拟不同降雨条件。

在一个优选的实施例中，如图2所示，三轴试样顶帽2为圆柱，三轴试样顶帽2顶部设置有用于接触加载杆15的定位槽21，三轴试样顶帽2一侧贯穿设置有进水通孔22，三轴试样顶帽2的下部设置有用于容纳土工织物6的空腔23，且三轴试样顶帽2底部周向还设置有若干个螺丝孔24。

在一个优选的实施例中，如图3所示，微孔均匀布水装置3用于将上部来水均匀布置到圆柱土样的横断面上，以模拟降雨的非饱和入渗作用。微孔均匀布水装置3采用与三轴试样顶帽2相同大小的圆柱，微孔均匀布水装置3顶部开设有凹槽成为储水空腔31，储水空腔31的底部均匀设置有微孔32，每一微孔32的大小相同，直径≤0.2mm，为保证微孔均匀布水装置3可承受较高轴压力的作用，储水空腔31内还间隔设置有若干承压凸起33，微孔均匀布水装置3顶部还设置有一环形密封槽沟34，对应于三轴试样顶帽2的螺丝孔24的位置，微孔均匀布水装置3外周对应间隔设置有若干螺丝通孔35，使用时，在密封槽沟34内放置一O型密封圈，再用密封螺丝将微孔均匀布水装置3与三轴试样顶帽2进行密封。使用时，储水空腔31内的来水不能单纯在重力作用下自由出流，从而可使上部来水在储水空腔内发生积蓄并形成一定水压，在这个水压作用下，储水空腔31内的来水通过这些微孔32被均匀分布到圆柱土样的整个横断面上，从而实现在圆柱土样横断面上的均匀降雨入渗。

下面通过具体实施例进一步说明本发明的三轴试验中模拟降雨湿化的试验方法，具体过程为：

1、制备三轴试样体13。

按照一定密度制作圆柱土样，圆柱土样上方依次放置第一滤纸7、微孔均匀布水装置3、土工织物6和三轴试样顶帽2，并将微孔均匀布水装置3与三轴试样顶帽2通过密封螺丝和密封圈进行密封，圆柱土样下方依次放置第二滤纸8和透水石9，并采用橡胶膜12包裹上述三轴试样体3。

2、将制备完成的三轴试样体13后放置在压力室11，并使压力室11的加载杆15接触三轴试样顶帽2的定位槽21。

3、将水箱41通过出水管路通过顶帽进水控制阀45连接到三轴试样顶帽2的进水口22。

4、打开压力室11的进出水控制阀14向压力室11注水，当压力室11充满水后关闭进出水控制阀14。按照试验方案，通过三轴仪控制系统调节压力室11的压力至设定值。

5、打开三轴试样体13底部试样排水管路的试样排水阀10，启动轴向加载，通过加载杆15施加偏差应力，按试验方案进行常规三轴剪切试验至设定的应力状态，自动控制保持该应力状态。

6、启动伺服电机43进行工作，按试验目标雨强变化调节流量，计算机实时记录供水流量，计算机可以通过记录滚珠丝杠44的旋转圈数进行计算获得供水流量。

7、打开三轴试样顶帽2的顶帽进水控制阀45，进行一定应力条件下降雨非饱和湿化试验，通过与三轴试验仪控制系统相连的传感器实时采集上述湿化过程中的试样湿化变形数据。其中，用于获取湿化变形数据的传感器可以采用现有技术的位移传感器、径向传感器和流量传感器。位移传感器可以设置在加载杆15上，径向传感器环绕三轴试样体13放置，流量传感器可以分别设置在压力室11的进出水控制阀14以及试样排水管路，通过位移传感器、径向传感器和流量传感器采集数据发送到计算机可以获得圆柱土样的轴向、径向及体积变化，此部分的数据采集均为现有技术，在此不详细赘述。

8、试验目标降雨过程完成后，关闭三轴试样顶帽2的顶帽进水控制阀45，继续进行三轴剪切试验。

9、试验结束后，撤去围压，打开压力室11的进出水控制阀14，待压力室11内水排空后，依次拆除相关试验装置。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。