一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验装置及方法与流程

一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验装置及方法
1.本发明涉及土-结构物接触渗流测试技术领域，特别是一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流特性试验装置及方法。


背景技术：

2.土-结构接触面剪切渗流问题存在于许多工程中，如心墙堆石坝中接触粘土与混凝土基座的接触面、穿堤建筑物与周围土体的接触面、混凝土结构与土石坝连接结构的界面等，这些接触面同时存在剪切变形与渗流作用，且剪切变形方向与渗流方向接近于正交关系，若形成渗透通道，威胁工程安全。
3.通过室内剪切渗流试验，研究土-结构接触面的剪切渗流特性，分析其剪切渗流机理，对工程建设具有重要的指导意义。现有土-结构接触面的剪切渗流装置多采用直接剪切渗流方式和旋转剪切渗流方式，直接剪切渗流方式的剪切方向与渗流方向可正交或平行，但密封性较差，难以实现大剪切变形；旋转剪切渗流方式可保证剪切方向与渗流方向正交，亦可实现大剪切变形，但往往剪切方向和渗流方向固定，实际工程中渗流方向并不确定，接触面位置也不固定，因此，这类旋转剪切渗流方式与实际情况不完全符合。
4.因此，有必要研发一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流特性试验装置及方法，其不仅可控制剪切方向与渗流方向正交，实现接触面大剪切变形，而且可以改变任意渗流方向和接触面位置，真实模拟实际工程中土体与混凝土接触的应力及渗流状态，实现不同面积接触面的剪切变形下土-混凝土的接触渗流特性研究。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流特性试验装置，并提出了相应的试验方法，该考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流特性试验装置及方法意在解决土-结构接触面的剪切渗流试验中大剪切变形的施加、剪切方向与渗流方向在剪切面内的正交性、渗流方向不确定，接触面位置不固定等问题，可真实反映大剪切变形-水力耦合作用的土-结构接触面的剪切特性与渗流特性。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验装置，包括压力室、旋转加载系统、围压加载系统和渗透水施加系统。
8.压力室中心放置有圆柱状的土-混凝土试样，土-混凝土试样从内至外依次包括圆台状混凝土、土体和密封膜。
9.圆台状混凝土的中心轴线处预埋有细金属转轴，细金属转轴的顶部从土-混凝土试样顶部伸出。
10.土体和圆台状混凝土之间形成倾斜的土-混凝土接触面。
11.旋转加载系统与细金属转轴相连接，用于驱动圆台状混凝土沿自身轴线旋转。
12.围压加载系统用于向压力室充填围压流体，从而对土-混凝土试样外周施加围压。
13.渗透水施加系统用于提供渗透水，渗透水从土-混凝土试样底部进入，沿土体及土-混凝土接触面发生接触渗流。
14.圆台状混凝土的圆台母线与水平方向的夹角为α，通过调节α值，实现不同倾斜角度的土-混凝土接触面的模拟，α＝45
°
～90
°
。
15.圆台状混凝土上表面圆直径为d1 cm，圆台状混凝土上表面圆直径为d
2 cm，圆台状混凝土的高度为hcm，土-混凝土试样的直径为d cm，则d1≤d2，d≥d2 8cm；当α＝45
°
时，d2＝d1 2h。
16.渗透水施加系统包括上透水板、下透水板和渗透水压力体积控制器。
17.上透水板和下透水板上均布设有若干个透水孔。
18.上透水板安装在土-混凝土试样的顶端面，下透水板安装在土-混凝土试样的底端面，渗透水压力体积控制器用于向下透水板施加高水压的渗透水。
19.上透水板的下表面外缘均布有若干个均沿径向分布的上卡齿，每个上卡齿的径向长度均不超过(d-d1)/2；下透水板的上表面外缘均布有若干个均沿径向分布的下卡齿，每个下卡齿的径向长度均不超过(d-d2)/2。
20.渗透水施加系统还包括真空泵，在压力室的顶盖上设置有与上透水板上的透水孔相连通的渗透出水孔，渗透出水孔与真空泵相连接。
21.旋转加载系统包括伺服电机、扭矩传感器、角度传感器、上旋转套筒、下旋转套筒和粗金属转轴；粗金属转轴与细金属转轴同轴设置，粗金属转轴底端穿过压力室顶盖，并与细金属转轴的顶部伸出部分相连接；粗金属转轴的直径等于圆台状混凝土上表面圆直径。
22.扭矩传感器和角度传感器均通过上旋转套筒安装在伺服电机的输出轴上。
23.伺服电机输出轴底端同轴位于粗金属转轴的正上方，且与粗金属转轴之间具有轴向间隙；下旋转套筒同轴套设在轴向间隙外周，且用于连接伺服电机输出轴和粗金属转轴。
24.扭矩传感器的最大扭矩为50n.m，测量精度为0.2％f.s。
25.一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验方法，包括如下步骤：
26.步骤1，制作圆台状混凝土，具体包括如下步骤：
27.步骤1a、确定α值：根据待模拟的大坝与岸坡接触面的倾斜角度，确定圆台状混凝土的圆台母线与水平方向的夹角α；其中，α＝45
°
～90
°
。
28.步骤1b、浇筑圆台状混凝土：根据步骤1a确定的α值，在细金属转轴的外周，浇筑圆台形的圆台状混凝土；圆台状混凝土上表面圆直径为d
1 cm，圆台状混凝土上表面圆直径为d
2 cm，圆台状混凝土的高度为hcm；当α＝45
°
时，d2＝d1 2h；细金属转轴的顶部需从圆台状混凝土顶部伸出。
29.步骤1c、养护：将步骤1b浇筑完成的圆台状混凝土，静置1天后脱模，再将整体放入蒸馏水中进行养护28天。
30.步骤2，制作土-混凝土试样，具体包括如下步骤：
31.步骤2a、放置圆台状混凝土：将圆台状混凝土放置在下透水板的上表面中心。
32.步骤2b、填充土体：在圆台状混凝土的外周同轴套设具有圆柱内腔的土体制样模具；在土体制样模具与圆台状混凝土之间的倒圆台状空腔内填充土体并分层击实；此时，下透水板上表面设置的若干个下卡齿均嵌入土体中。
33.步骤2c、套设密封膜：拆除土体制样模具，并在土体外周包覆密封膜并绑扎。
34.步骤2d、抽气饱和：将步骤2c套设有密封膜的整个试样进行抽气饱和，并放置10小时以上，从而形成直径为d cm的土-混凝土试样，其中d≥d2 8cm。
35.步骤3，安装试样，具体包括如下步骤：
36.步骤3a、将试样放置在压力室中：将步骤2制作完成的包含下透水板的土-混凝土试样一起放在压力室底座上，接着安装压力室筒身、上透水板和压力室顶盖；其中，上透水板下表面设置的若干个上卡齿均镶嵌入土-混凝土试样中的土体内。
37.步骤3b、安装旋转加载系统：先将粗金属转轴底端与细金属转轴的顶端进行可拆卸连接；然后利用旋转套筒将粗金属转轴与旋转加载系统中伺服电机的输出轴相连接，保证旋转加载系统能够带动细金属转轴、圆台状混凝土和土体三者同轴旋转；其中，伺服电机输出轴与粗金属转轴之间具有轴向间隙。
38.步骤3c、安装围压加载系统和渗透水施加系统：将围压加载系统与压力室侧壁的进水孔相连，将渗透水施加系统与压力室底部中心的渗透进水孔相连。
39.步骤4，试样固结，具体包括如下步骤：
40.步骤4a、压力室排气：将蒸馏水从压力室进水孔缓慢注入，使得压力室内气体缓慢从压力室顶部的排气孔排出；当压力室排气孔有水排出时，将压力室排气孔封堵，进而使得压力室内完全充满蒸馏水。
41.步骤4b、固结试样：在渗透进水孔处设置进水阀，在渗透出水孔处设置排水阀，同时打开排水阀和进水阀，使土-混凝土试样排水；当与渗透进水孔相连接的渗透水压力体积控制器的体积变化量小于100mm3/h，且渗透出水孔无水排出时，则试样固结完成。
42.步骤5，开展剪切渗流试验，具体包括如下步骤：
43.步骤5a、开展旋转剪切特性试验：根据待模拟的大坝与岸坡接触面的剪切变形要求，旋转加载系统旋转对粗金属转轴施加对应的扭矩值，进而能开展剪切变形条件下的土-混凝土接触面旋转剪切特性试验。
44.步骤5b、开展接触渗流特性试验：在步骤5a完成后，利用渗透水压力体积控制器提供高压渗透水，并实时监测渗透出水孔的压力和流量变化，进而开展土-混凝土接触渗流特性试验。
45.本发明具有如下有益效果：
46.1.本发明中混凝土结构采用特殊的圆台状混凝土结构使得本装置可以更好的模拟实际生活中的大坝与岸坡接触结构。
47.2.本发明采用特殊的圆台状混凝土结构，使得土-混凝土结构内部渗透水可以在竖直平面上任意渗透，且围压加载系统提供的正应力不再单一的垂直施加于土-混凝土接触面，进而可以达到更加真实、方便和准确的模拟大剪切变形-水力耦合作用的土-结构接触面的剪切特性与渗流特性。
48.3.本发明中圆台状混凝土圆台母线与水平方向的夹角为α，可以利用不同的浇筑模具制作角度α为45
°
～90
°
的圆台状混凝土，从而可以实现在不同渗流方向、不同面积接触面的剪切变形下土-混凝土的接触渗流试验，真实模拟实际工程中土与岸坡/混凝土垫层接触面处的应力渗流状态。
49.4.本发明中混凝土直接浇筑在预制的金属转轴上，外部包裹土体，可以更好地确保金属转轴-混凝土-土体三者同轴，旋转时不发生偏心，能够准确施加土样与混凝土接触
面的大剪切变形及往复剪切变形。
50.5.本发明中在试样上下两端分别设置了上透水板和下透水板，上透水板的下表面外缘均布有若干个均沿径向分布的上卡齿，下透水板的上表面外缘均布有若干个均沿径向分布的下卡齿，上下透水板上的卡齿均镶嵌入土体中，从而保证在高应力作用下，旋转金属转轴和混凝土时，土样不发生旋转。
附图说明
51.图1为本发明考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验装置的整体结构示意图。
52.图2为本发明中旋转剪切渗流试验装置的剖面图。
53.图3为本发明中压力室的三维图。
54.图4为本发明中上透水板的三维图。
55.图5为本发明中下透水板的三维图。
56.图6为本发明中剪切渗流试验原理图。
57.其中有：1为压力室；1-1为压力室顶盖；1-2为上透水板；1-3为压力室筒身；1-4为下透水板；1-5为压力室底座；1-6为密封膜；1-7为圆台状混凝土；1-8为土体；1-9为密封圈；
58.1-10为金属转轴；1-101为细金属转轴；1-102为粗金属转轴；
59.1-11为密封套筒；1-12为旋转套筒；1-13为连接杆；1-14为压力室进水孔；1-15为渗透进水孔；1-16为渗透出水孔；1-17为排气孔；1-18为扭矩传感器；1-19为角度传感器；1-20为高强螺栓；
60.2为旋转加载系统；3为围压加载系统；4为渗透水施加系统；5为抽真空装置；6为数据采集及分析系统；7、试样制备装置。
具体实施方式
61.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
62.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
63.如图1所示，一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验装置，包括压力室1、旋转加载系统2、围压加载系统3、渗透水施加系统4、抽真空装置5和数据采集及分析系统6。
64.如图2所示，上述压力室1和旋转加载系统2一起构成为旋转剪切渗流试验装置。
65.压力室1位于剪切渗流试验装置的中心，如图3所示，压力室1由上至下分别为压力室顶盖1-1、压力室筒身1-3和压力室底座1-5，三者之间依次通过高强螺栓1-20相连接。
66.压力室底座1-5中心开有渗透进水孔1-15，压力室底座1-5一侧开有压力室进水孔1-14。
67.压力室中心放置有圆柱状的土-混凝土试样，土-混凝土试样从内到外依次包括圆台状混凝土1-7、土体1-8和密封膜1-6；土-混凝土试样的直径为d cm，本实施例中优选为d＝18cm。
68.圆台状混凝土1-7和土体1-8之间形成倾斜的土-混凝土接触面，圆台状混凝土的中心轴线处预埋有细金属转轴1-101，细金属转轴1-101的顶部从土-混凝土试样顶部伸出，圆台状混凝土的圆台母线与水平方向的夹角为α，具体如图6所示，α＝45
°
～90
°
，本实施例中α优选为60
°
，通过调节α值，可以模拟不同倾斜角度的土-混凝土接触面。
69.圆台状混凝土上表面圆直径为d
1 cm，圆台状混凝土下表面圆直径为d2cm，圆台状混凝土的高度为h cm，则d1≤d2，d≥d2 8cm；当α＝45
°
时，d2＝d1 2h。本实施例中d1优选为6cm，d2优选为10cm，h优选为5cm。
70.上述密封膜1-6包裹在土体外周，本实施例中密封膜优选为耐高压乳胶膜，耐高压乳胶膜将压力室分隔为内、外两个密封腔体，两个密封腔体同时用密封圈1-9密封。
71.压力室顶盖1-1中心设置有直径和圆台状混凝土上表面圆直径相等的金属转轴穿孔，位于金属转轴穿孔一侧的压力室顶盖上设置有排气孔1-17；位于金属转轴穿孔另一侧的压力室顶盖上设置有渗透出水孔1-16。上述排气孔和渗透出水孔与金属转轴穿孔的间距均小于土-混凝土试样的半径。
72.旋转加载系统2位于压力室上方，由上至下依次包括伺服电机、扭矩传感器、角度传感器、两个旋转套筒1-12和粗金属转轴1-102，两个旋转套筒1-12分别为上旋转套筒和下旋转套筒，扭矩传感器和角度传感器均通过上旋转套筒安装在伺服电机的输出轴上，本实施例中扭矩传感器的最大扭矩优选为50n.m，测量精度优选为0.2％f.s，角度传感器测量精度优选为0.01
°
。通过伺服电机可精确控制旋转速率及旋转角度，从而可以精确提供指定大小、指定速率的剪切位移。
73.粗金属转轴1-102同轴位于伺服电机输出轴底端的正下方，且与伺服电机输出轴之间具有轴向间隙，同时粗金属转轴1-102还与细金属转轴1-101同轴设置。
74.粗金属转轴1-102底端从上述金属转轴穿孔穿过压力室顶盖1-1和下述的上透水板，并与细金属转轴1-101的顶部伸出部分进行连接，且粗金属转轴1-102的直径等于圆台状混凝土1-7上表面圆直径。进一步，粗金属转轴1-102的底端与圆台状混凝土1-7上表面贴紧接触。
75.在本实施例中，粗金属转轴和细金属转轴优选为一体设置，也即把一根整体的粗金属转轴掏掉一部分，形成细金属转轴，然后混凝土直接围绕这个细金属转轴浇筑，圆台状混凝土上表面直径和粗金属转轴相等，正好形成一个整体。
76.进一步，粗金属转轴1-102与压力室顶盖1-1接触处优选通过密封套筒1-11所密封。
77.下旋转套筒同轴套设在轴向间隙外周，用于连接伺服电机输出轴和粗金属转轴1-101，使得扭矩可以从伺服电机输出轴传递至粗金属转轴1-101用于驱动圆台状混凝土1-7沿自身轴线旋转。存在轴向间隙使得在转轴旋转过程中可以自动调节可能出现的旋转偏心，减小摩阻力，提高试验结果的准确性
78.围压加载系统3包括围压水压力体积控制器、高压水管和水压传感器，围压水压力体积控制器与压力室进水孔1-14相连，用于向压力室充填围压流体从而对土-混凝土试样外周施加围压。
79.渗透水施加系统4包括上透水板1-2、下透水板1-4、渗透水底座、渗透水压力体积控制器和抽真空装置5。
80.上透水板1-2安装在土-混凝土试样的顶端面，同时，上透水板还优选通过连接杆1-13和螺母与压力室顶盖1-1相接。如图4所示，上透水板1-2上均布设有若干个透水孔，且上透水板1-2中心有一个直径等于圆台状混凝土1-7上表面圆直径的金属转轴穿孔，同时上透水板的下表面外缘均布有若干个均沿径向分布的上卡齿，每个上卡齿的径向长度均不超过(d-d1)/2cm，本实施例中上卡齿的径向长度优选为5cm。
81.下透水板1-4安装在土-混凝土试样的底端面，如图5所示，下透水板1-4上均布设有若干个透水孔，且下透水板1-4中心开设置有渗透水底座穿孔，同时下透水板的上表面外缘均布有若干个均沿径向分布的下卡齿，每个下卡齿的径向长度均不超过(d-d2)/2，本实施例中上卡齿的径向长度优选为3cm。
82.渗透水底座截面呈t型，其竖直杆部底部安装在压力室底座中心，其t型头部嵌设在上述渗透水底座穿孔中。渗透水底座中设置有与下透水板相连通的渗水通道，渗水通道的底部中心为渗透水进水孔1-15。
83.渗透水压力体积控制器通过高压水管穿过压力室底座1-5并与渗透水进水孔1-15相相通，且用于向下透水板1-4施加高水压的渗透水，渗透水从土-混凝土试样底部进入，沿土体及土-混凝土接触面发生接触渗流。
84.抽真空装置包括真空缸和与真空缸相连接的真空泵，真空泵通过水管与渗透出水孔1-16相连接，真空泵可以使得压力室渗透出水孔处出现负压，进而提高试样内部的渗透水压，渗流方向在竖直平面上可呈任意方向，与剪切变形方向正交。
85.数据采集及分析系统6可以自动采集水压传感器、角度传感器、扭矩传感器、气压传感器的脉冲信号，并将信号转化为相应物理量，通过数据分析程序对采集物理量进行分析。
86.如图6所示，考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流特性试验原理，在剪切试验过程中通过试样外侧的围压提供稳定的接触面正应力σ3，通过上部外加扭矩旋转金属转轴，带动圆台状混凝土同轴旋转，从而实现土与混凝土之间的大剪切变形，土体不产生法向变形；在渗流试验过程中，利用高压乳胶膜隔绝围压室和土-混凝土联合试样，高压水从试样底部均匀进入，试样上表面作为自由排水边界，始终控制水头为0，实现整体试样渗透性的测量。
87.一种考虑接触面剪切的土-混凝土接触渗流试验方法，包括如下步骤。
88.步骤1，制作圆台状混凝土，具体包括如下步骤。
89.步骤1a、确定α值：根据待模拟的大坝与岸坡接触面的倾斜角度，确定圆台状混凝土的圆台母线与水平方向的夹角α；其中，α＝45
°
～90
°
，本实施例中α优选为60
°
。
90.步骤1b、制作浇筑模具：先确定细金属转轴直径，确保在上部电机转动时，杆件不出现弯曲，细金属转轴直径选取为2cm，考虑到圆台状混凝土与金属转轴的贴合度问题，保证混凝土能够成型并具备一定强度，选取圆台状混凝土上表面圆直径d1为6cm，由于考虑到试样整体的渗透性很小，为了节约渗透时长，高度只需满足基本渗流试验要求即可，选取高度h为4cm，圆台状混凝土下表面圆直径d2为10cm，整体试样直径d取为18cm。制作浇筑模具应根据圆台状混凝土下表面圆直径d2，采取对应直径的击实板将黏土样分三层击实。混凝土试样的浇筑应根据实际工程中的垫层混凝土配合比浇筑，水灰比取0.42，砂率0.34，砂石比0.5。
91.步骤1c、浇筑圆台状混凝土：根据步骤1a确定的α值，在细金属转轴的外周，浇筑圆台形的圆台状混凝土；圆台状混凝土上表面圆直径为d
1 cm，圆台状混凝土上表面圆直径为d
2 cm，圆台状混凝土的高度为h cm；当α＝45
°
时，d2＝d1 2h；细金属转轴的顶部需从圆台状混凝土顶部伸出，本实施例中d1优选为6cm，d2优选为10cm，h优选为5cm。
92.步骤1c、养护：将步骤1b浇筑完成的圆台状混凝土，静置1天后脱模，再将整体放入蒸馏水中进行养护28天。
93.步骤2，制作土-混凝土试样，具体包括如下步骤。
94.步骤2a、放置圆台状混凝土：将圆台状混凝土放置在下透水板的上表面中心。
95.步骤2b、填充土体：在圆台状混凝土的外周同轴套设具有圆柱内腔的土体制样模具；在土体制样模具与圆台状混凝土之间的倒圆台状空腔内填充土体并分层击实；此时，下透水板上表面设置的若干个下卡齿均嵌入土体中。
96.步骤2c、套设密封膜：拆除土体制样模具，并在土体外周包覆密封膜并绑扎。
97.步骤2d、抽气饱和：将步骤2c套设有密封膜的整个试样进行抽气饱和，并放置10小时以上，从而形成直径为d cm的土-混凝土试样，其中d≥d2 8cm。
98.步骤3，安装试样，具体包括如下步骤：
99.步骤3a、将试样放置在压力室中：将步骤2制作完成的包含下透水板的土-混凝土试样一起放在压力室底座上，接着安装压力室筒身、上透水板和压力室顶盖；其中，上透水板下表面设置的若干个上卡齿均镶嵌入土-混凝土试样中的土体内。
100.步骤3b、安装旋转加载系统：先将粗金属转轴底端与细金属转轴的顶端进行可拆卸连接；然后利用旋转套筒将粗金属转轴与旋转加载系统中伺服电机的输出轴相连接，保证旋转加载系统能够带动细金属转轴、圆台状混凝土和土体三者同轴旋转；其中，伺服电机输出轴与粗金属转轴之间具有轴向间隙。
101.步骤3c、安装围压加载系统和渗透水施加系统：将围压加载系统与压力室侧壁的进水孔相连，将渗透水施加系统与压力室底部中心的渗透进水孔相连。
102.步骤4，试样固结，具体包括如下步骤：
103.步骤4a、压力室排气：将蒸馏水从压力室进水孔缓慢注入，使得压力室内气体缓慢从压力室顶部的排气孔排出；当压力室排气孔有水排出时，将压力室排气孔封堵，进而使得压力室内完全充满蒸馏水。
104.步骤4b、固结试样：在渗透进水孔处设置进水阀，在渗透出水孔处设置排水阀，同时打开排水阀和进水阀，使土-混凝土试样排水；当与渗透进水孔相连接的渗透水压力体积控制器的体积变化量小于100mm3/h，且渗透出水孔无水排出时，则试样固结完成。
105.步骤5，开展剪切渗流试验，具体包括如下步骤：
106.步骤5a、开展旋转剪切特性试验：根据待模拟的大坝与岸坡接触面的剪切变形要求，旋转加载系统旋转对粗金属转轴施加对应的扭矩值，进而能开展剪切变形条件下的土-混凝土接触面旋转剪切特性试验。
107.步骤5b、开展接触渗流特性试验：在步骤5a完成后，利用渗透水压力体积控制器提供高压渗透水，并实时监测渗透出水孔的压力和流量变化，进而开展土-混凝土接触渗流特性试验。
108.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中
的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。