复杂水力载荷渗流-应力耦合三轴试验装置的制作方法

1.本发明涉及岩土体渗流试验设备领域，尤其涉及复杂水力载荷渗流-应力耦合三轴试验装置。


背景技术：

2.我国已建水库和堤防工程中，土石坝的数量占比较大。而已发生的溃坝事故中，土石坝的渗透破坏占比也较大。土体渗透安全事关土质堤坝工程的建设成败，其渗透变形的发生-发展-破坏全过程致灾机制迫切需要深入研究。
3.目前，国内外专家学者针对土体渗流问题的研究主要集中于探究未渗透变形土体的渗透系数(k)。我国《土工试验规程》(sl237-1999)对无黏性粗粒土采用常水头试验，对黏性细粒土采用变水头试验。国内外也有部分学者通过自行研发的土柱试验设备探究土体的渗透系数。但这些渗透试验都仅在侧限(一维应力)及单向稳定小水力梯度(i)状态下进行，不能考虑实际复杂的应力及水力环境。在实际工程中，土石坝、土质堤防等工程在服役期所处应力环境复杂，长期经受水位往复升降的循环水力载荷作用。这些复杂水力载荷-应力耦合作用将对土体的渗流特性、变形特性、强度特性产生深刻影响，以致影响工程安全运行。
4.同时，在土体渗透变形过程中，随颗粒的流失、移动，颗粒间的接触排列及力链的形成也会相应调整，造成土体强度、应力-应变规律等力学行为的变化。探究发生渗透变形土体(未破坏)的力学响应机制对土石坝、土质堤防等工程长期运营安全至关重要。但目前已有的试验设备多仅能单一测试土体的渗透系数(k)，不能连续性对已发生渗透变形(未破坏)土体进行剪切试验，以获得其力学参数的变化。若想要获得复杂应力环境-渗透变形监测-力学行为响应的连续性试验结果，往往需要准备多个试验设备，占用更多的人力资源和物力资源去完成试验。


技术实现要素：

5.为了解决以上技术问题，实现复杂应力环境-渗透变形监测-力学行为响应连续性试验，节约人力、物力，获得更好的试验效果，本发明提出了一种复杂水力载荷渗流-应力耦合三轴试验装置。
6.为了实现以上的发明目的，本发明提供的技术方案如下：
7.复杂水力载荷渗流-应力耦合三轴试验装置，包括水力荷载加载组件、一体式集成试验组件和渗透水流量监测组件；
8.所述水力荷载加载组件用于提供试验模拟的复杂渗流条件；
9.所述一体式集成试验组件与所述水力荷载加载组件连通，所述一体式集成试验组件包括上下设置的新型改进三轴仪和渗流颗粒收集单元；所述新型改进三轴仪用于放置试样，对所述试样施加复杂应力条件，监测所述试样在渗流过程中的渗透变形情况，并在渗透试验后进行连续性三轴剪切试验；所述渗流颗粒收集单元与所述新型改进三轴仪连通，用于收集和监测渗流过程中的试样颗粒流失量；
10.所述渗透水流量监测组件与所述一体式集成试验组件连通，用于监测所述试样在不同水力荷载作用下的渗透水流量。
11.在一些较优的实施例中，所述新型改进三轴仪包括从下至上依次设置的：底盘、多通道连接环和压力水域仓；
12.所述底盘下表面贯穿设置有出料端，所述出料端与所述渗流颗粒收集单元连通；所述底盘上表面设置有试样放置座；所述出料端与试样放置座的轴线共线。
13.在一些较优的实施例中，所述试样放置座内部设置有漏斗形通道，所述漏斗形通道小端贯穿所述试样放置座底面，大端设置有包括若干通孔的顶盖。
14.在一些较优的实施例中，所述新型改进三轴仪还包括试样放置顶帽和顶帽透水件；所述顶帽透水件设置在所述试样放置顶帽与试样之间，且表面均布有若干通孔；所述试样放置顶帽与所述水力荷载加载组件连通。
15.在一些较优的实施例中，所述渗流颗粒收集单元设置于所述新型改进三轴仪下方，包括从下至上依次设置的底座、称重装置和滤砂装置。
16.在一些较优的实施例中，所述滤砂装置包括从下至上依次设置的下盘、侧壁和上盘；
17.所述下盘内部设置有导流通道，所述导流通道一端贯穿下盘上表面，一端贯穿下盘侧面并与所述渗透水流量监测组件连通；
18.所述上盘贯穿设置有进料端，所述进料端与所述新型改进三轴仪连通；
19.所述侧壁中部设置有滤网固定环；所述滤网固定环上安装有滤砂网。
20.在一些较优的实施例中，所述渗透水流量监测组件包括并排设置的储水容器和量测容器；
21.所述储水容器包括设置在下部的进料口，和设置在上部的出料口；所述进料口与所述一体式集成试验组件连通，所述出料口与所述量测容器连通。
22.在一些较优的实施例中，所述出料口高度与所述一体式集成试验组件中放置的试样底面高度相同。
23.在一些较优的实施例中，所述水力荷载加载组件包括气动压力控制器、输气管路和压力水罐；
24.所述气动压力控制器进气端与气源连通，输气端通过所述输气管路与所述压力水罐的顶部连通；所述压力水罐的底部设置有出水口，所述出水口与所述一体式集成试验组件连通。
25.有益效果
26.1、本发明通过水力荷载加载组件，实现对复杂水力载荷的模拟，如激增瞬减水力载荷、循环水力梯度等，以使试验条件更加符合工程服役现场的复杂水力载荷情况；
27.2、通过一体式集成试验组件，可实现复杂应力环境-渗透变形监测-力学行为响应连续性试验，避免重复购置准备多个试验设备，节约了试验所需的人力、物力资源。
28.3、摒弃传统的挟沙水流底部沉积泥沙，上部取清水的渗流颗粒收集思想，采用三轴仪 滤砂装置 称重装置的一体式设计，实现水土分离，消除了水流流动对称重的影响，能在渗流试验进行过程中实时测量冲出颗粒的质量，试验过程更加方便，试验结果更加准确。
附图说明
29.图1为本发明一种较优实施例中的总结构示意图；
30.图2为本发明一种较优实施例中的水力荷载加载组件结构示意图；
31.图3为本发明一种较优实施例中的一体式集成试验组件结构示意图；
32.图4为本发明一种较优实施例中的试样放置座的轴侧放大示意图；
33.图5为本发明一种较优实施例中的局部轴向应变测量装置的结构示意图；
34.图6为本发明一种较优实施例中的局部径向应变测量装置的结构示意图；
35.图7为图3中a处的放大示意图；
36.图8为本发明一种较优实施例中的渗透水流量监测组件结构示意图；
37.图9为本发明另一种较优实施例中安装位置示意图；
38.图中：1、水力荷载加载组件；2、一体式集成试验组件；3、渗透水流量监测组件；101、气动压力控制器；102、输气管路；103、压力水罐；104、水荷载加载管路；201、新型改进三轴仪；2011、底盘；2012、多通道连接环；2013、压力水浴仓；2014、出料端；2015、试样放置座；2016、顶盖；2017、试样；2018、顶帽透水件；2019、试样放置顶帽；202、渗流颗粒收集单元；2021、底座；2022、称重装置；20221、压力传感器；20222、支承盘；2023、滤砂装置；20231、下盘；20232、侧壁；20233、上盘；20234、导流通道；20235、进料端；20236、滤网固定环；20237、滤砂网；20238、密封垫圈；2024、支柱2024；301、储水容器；302、量测容器；3011、进料口；3012、出料口；401、lvdt微型直线位移传感器；402、安装块；403、支架；404、铰接结构；
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。
40.实施例1
41.如图1所示，本发明提供了一种复杂水力载荷渗流-应力耦合三轴试验装置，包括水力荷载加载组件1、一体式集成试验组件2和渗透水流量监测组件3；
42.所述水力荷载加载组件1用于提供试验模拟的复杂渗流条件，即提供试验所需的模拟复杂渗流条件的水力荷载；所述水力荷载作用于试样2017顶部；现有技术中的水力荷载加载组件1往往只能提供单一的水力荷载，不能满足对工程现场复杂水力荷载的模拟，而能够提供模拟复杂渗流条件的水力荷载加载系统其必然需要使水力梯度以指定的速率或波形增加、减小，以模拟复杂水力条件。
43.在一些较优的实施例中，如图2所示，给出了一种水力荷载加载组件1具体示例：
44.所述水力荷载加载组件1包括气动压力控制器101、输气管路102、压力水罐103和水荷载加载管路104；所述气动压力控制器101进气端与气源连通，输气端通过所述输气管路102与所述压力水罐103的顶部连通；所述压力水罐103的底部设置有出水口，所述出水口通过所述水荷载加载管路104与所述一体式集成试验组件2连通。所述水力荷载加载组件1通过加压水实现不同水力梯度的施加，并使水力梯度以指定的速率或波形增加、减小，以模
拟复杂水力条件。气动压力控制器101中内置了控制气压的应用程序，用户可以通过应用程序设置恒定压力，也可以设置动态压力，如控制气压大小、气压增减速率、或自定义波形等方式以控制气压。进一步的，所述气源包括空压机；气动压力控制器101控制气压的输出，气压压力在气压控制器内部形成闭环反馈；压力水罐103的顶端连接气压控制器的输出，底部与试样2017上部的试样放置顶帽2019连通，从而实现复杂渗流条件的模拟。
45.所述一体式集成试验组件2与所述水力荷载加载组件1连通，所述一体式集成试验组件2包括上下设置的新型改进三轴仪201和渗流颗粒收集单元202；所述新型改进三轴仪201用于放置试样2017，对所述试样2017施加复杂应力条件，监测所述试样2017在渗流过程中的渗透变形情况，并在渗透试验后进行连续性三轴剪切试验；所述渗流颗粒收集单元202与所述新型改进三轴仪201连通，用于收集和监测渗流过程中试样2017的颗粒流失量；本领域技术人员应当知晓，现有技术中常用的三轴仪试验器材一般为独立的定型产品，当需要进行土体渗流特性的分析时，需要附加额外的管路和设备，将渗透水流和渗流颗粒收集起来。这样的设置导致整套试验设备占地空间大，且由于附加较多的管道从而难以避免管道对试验结果的扰动。本技术考虑将三轴仪和渗流颗粒收集设备组合起来，上部的新型改进三轴仪201可进行渗流试验及连续性三轴剪切试验，下部的渗流颗粒收集单元202直接收集渗透后的渗流颗粒，以获得土体渗流特性相关数据。
46.所述渗透水流量监测组件3与所述一体式集成试验组件2连通，用于监测所述试样2017在不同水力荷载作用下的渗透水流量。应当理解的是，本领域技术人员利用渗透水流量进行简单计算即可获得试样2017在不同水力梯度下的渗透系数。
47.实施例2
48.本实施例是在上述实施例1的基础上展开的，如图3所示，本实施例提供了一种一体式集成试验组件2的具体结构示例。
49.所述一体式集成试验组件2包括操作台、立柱、横梁、传力组件、局部应变测量装置、新型改进三轴仪201和渗流颗粒收集单元202。
50.其中，所述操作台、立柱、横梁、传力组件和局部应变测量装置与传统三轴仪相同，且并非本技术关注的重点，因此不再进一步赘述。
51.本实施例具体介绍了一种新型改进三轴仪201的主要结构：
52.所述新型改进三轴仪201包括从下至上依次设置的：底盘2011、多通道连接环2012和压力水域仓2013；
53.所述底盘2011下表面贯穿设置有出料端2014，所述出料端2014与所述渗流颗粒收集单元202连通；所述底盘2011上表面设置有试样放置座2015；所述出料端2014与试样放置座2015的轴线共线。所述试样放置座2015用于放置试样2017，并导出试样2017渗流出的水流及颗粒，最后通过所述出料端2014将渗流水流及颗粒导入下部的所述渗流颗粒收集单元202。所述多通道连接环2012用于接入局部应变测量装置、围压和反压通道。优选的，本实施例中的多通道连接环的通道数为6，所述局部应变测量装置的数量为3。所述压力水域仓2013包括压力室和水浴筒，其作为渗流试验三轴仪的标准配置，本实施例不再过多解释。
54.现有技术中的试样放置座2015顶部还会放置一块透水石，但在复杂水力载荷条件下，透水石将不再适用，主要是因为：透水石的孔径极小，阻碍细颗粒的正常流失。随渗流的发展，细颗粒将堵塞透水石的孔隙，因此水和细颗粒均将无法流出，难以模拟真实情况下的
渗透变形发展过程。在本技术的另一些较优的实施例中，为了方便收集渗流颗粒，所述试样放置座2015内部设置有漏斗形通道，所述漏斗形通道小端贯穿所述试样放置座2015底面，大端设置有包括若干通孔的顶盖2016，如图3、图4所示，顶盖2016的通孔可以为方孔或圆孔中的任意一种。此时，漏斗形通道小端与所述出料端2014连通，形成出料通道。包括若干通孔的顶盖2016一方面可以支撑试样2017，另一方面通孔也可以使渗透水流与渗流颗粒顺利通过。
55.更近一步的是，现有技术中在试样2017与放置顶帽2019间同样设置有透水石，在本实施例的应用场景中，由于透水石的孔隙较小无法及时的响应快速变化的水力荷载，因此在另一些较优的实施例中，考虑在试样放置顶帽2019与试样2017间设置顶帽透水件2018，所述顶帽透水件2018的表面均布有若干通孔(与试样放置座2015的顶盖2016类似)。这样水力荷载的变化可以及时作用在试样2017上。
56.实施例3
57.本实施例是在上述实施例2的基础上展开的，如图5、图6所示，本实施例提供了用于实时监测试样2017渗流变形发生-发展-破坏全过程的具体装置。根据本实施例中压力室内安装空间，选择lvdt微型直线位移传感器401mhr250型，该传感器具有体积小、精度高(线性误差：
±
0.5％fs)和稳定性好(长期稳定性：优于
±
0.25％fs/年)的特点，广泛应用于高精度设备仪器中。有关研究表明，三轴试验中试样2017中部三分之一部分构成主剪切区域，最能代表原状土的力学行为。因此，轴向局部应变测量区域为试样2017的中部三分之一位置处，本实施例中所用试样2017高度125mm，中部主剪切区域为42mm,按照剪切行程20％计算为8.4mm，传感器量程选择为
±
6.35mm。
58.如图5所示，局部轴向应变通过两个对称的lvdt传感器垂直安装在试样2017中部，安装量程约为1/3试样高度。每个传感器通过两个安装块402固定在试样2017上，安装块402与橡皮膜用胶水粘接，通过计量两个安装块402间的距离变化来计算试样2017的轴向应变。
59.径向应变测量传感器与轴向传感器相同，仍采用lvdt直线位移传感器。如图6所示，两个固定垫块固定在试样2017中间对称位置，两个支架403通过铰接结构404连接，形成v型结构，支架403通过弹簧保持紧闭贴合试样2017的状态。当试样2017膨胀时，v型开口增大，此时安装在v型支架403上的lvdt测得当前位置的位移变化δs，经过测量点连线中垂线长度65mm与传感器固定点处中垂线长度18mm,计算得试样2017径向变形δd＝65/18δs。lvdt量程为
±
2.54mm，因此该装置对应的径向变形量程为
±
9.17mm。
60.实施例4
61.本实施例是在上述实施例1的基础上展开的，如图3所示，本实施例提供了一种渗流颗粒收集单元202的具体结构示例。
62.所述渗流颗粒收集单元202设置于所述新型改进三轴仪201下方，包括从下至上依次设置的底座2021、称重装置2022和滤砂装置2023。所述渗流颗粒收集单元202还包括若干支柱2024，所述支柱2024呈圆周均布，一端连接所述新型改进三轴仪201的底盘2011下表面，一端连接所述渗流颗粒收集单元202的底座2021上表面，起到支撑新型改进三轴仪201的作用；显然的，所述称重装置2022和滤砂装置2023设置在所述支柱2024的合围空间内。
63.本实施例中的所述称重装置2022主要包括压力传感器20221和支承盘20222，所述压力传感器20221安装于所述底座2021上表面，其上连接有支承盘20222，支承盘20222上放
置有滤砂装置2023。所述压力传感器20221的测量精度较高，能实现0.1g的变化监测。
64.在一些较优的实施例中，给出了一种滤砂装置2023的具体结构。所述滤砂装置2023包括从下至上依次设置的下盘20231、侧壁20232和上盘20233；三者之间形成了一个密封的容器，用于容纳从所述新型改进三轴仪201导出的物料(包括渗流水和渗流颗粒)。为了方便观察渗流颗粒的收集情况，所述侧壁20232可以考虑用透明材料制成。
65.所述下盘20231内部设置有导流通道20234，所述导流通道20234一端贯穿下盘20231上表面，一端贯穿下盘20231侧面并与所述渗透水流量监测组件3连通；应当理解的是，此处导流通道20234与所述渗透水流量监测组件3的连通方式可由本领域技术人员根据现场的实际需要确定，可采用软管连接，也可采用金属管道连接。
66.所述上盘20233贯穿设置有进料端20235，所述进料端20235与所述新型改进三轴仪201连通；优选的，进料端20235与新型改进三轴仪201采用软管连通。
67.如图3、图7所示，所述侧壁20232中部设置有滤网固定环20236；所述滤网固定环20236上安装有滤砂网20237。应当理解的是，为了方便更换滤砂网20237，所述下盘20231、侧壁20232和上盘20233三者中任一两者的连接方式为密封活动连接，使其可拆卸；为了实现更好的密封效果，所述滤网固定环20236与侧壁20232间设置有密封垫圈20238。所述滤砂网20237将容器分为上下两层，含渗流颗粒的渗流水至上而下经过时，细颗粒被滤网阻挡，留在上层，水流不受影响自由通过，从而实现水土分离。使用时，该容器中始终是充满水的，因此水流通过时并不会导致称重装置2022的读数改变，当有颗粒被带入容器时，此时称重装置2022的数值发生变化，进而实现对试样2017渗流颗粒流失量的实时监测。
68.实施例5
69.本实施例是在上述实施例1的基础上展开的，如图8所示，本实施例提供了一种渗透水流量监测组件3的具体结构示例。
70.所述渗透水流量监测组件3包括并排设置的储水容器301和量测容器302；所述储水容器301包括设置在下部的进料口3011，和设置在上部的出料口3012；所述进料口3011与所述一体式集成试验组件2连通，所述出料口3012与所述量测容器302连通。
71.其具体使用方式如下：在渗流试验开始之前，会预先将储水容器301装满水，在渗流过程开始后，渗流水通过储水容器301出水口流入旁边的量测容器302内，而储水容器301内液面继续保持恒定。为了方便测得所述渗流水流量的具体数值，可以将所述量测容器302单独放置在压力传感器20221上，也可将所述渗透水流量监测组件3整体放置在压力传感器20221上，以试验开始前的压力值为初始值，测得试验过程中不断增加的渗流水量。随后经过简单计算即可获得试样2017在不同水力梯度下的渗透系数。
72.在另一些较优的实施例中，如图9所示，为了保证试样2017底部的水头稳定，考虑设置所述出料口3012高度与所述一体式集成试验组件2中放置的试样2017底面高度相同，即所述储水容器301装满水时的液面与试样2017底部处于同一水平面。
73.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。