一种用于测试渗流压力对岩土强度影响的装置

1.本发明属于岩土渗透系数测试设备技术领域，具体是一种用于测试渗流压力对岩土强度影响的装置。


背景技术：

2.地下工程施工过程中经常会遇到含水地层，不同压力下的含水地层，其渗透系数往往不同，所以对地下工程施工产生的影响也会不同。为了探究渗透系数与含水地层所受压力的关系，所以在实验室通过测试装置，对上述关系进行试验探究。
3.现有的试验方法和装置，主要是常水头渗透试验。试验过程中保持水头为一常数，通过测出渗透试验中的水头差δh，试样（用于代表含水地层）的横截面积a以及试样高度，再结合渗透流量q，共4个要素，就可以通过渗流系数的计算公式，计算出渗流系数。
4.上述试验装置的缺点在于，试验过程中，由于没有测量元件（如压力传感器）检测试样所受压力，所以试样所受压力大小是不可知的，试样所受压力的数据无法用于后续对渗流系数影响的探究。
5.另外，即使在试样中增加压力监测元件监测试样压力，由于没有给试样施加压力的驱动组件（如压力机），试样所受的压力无法改变，所以只能获得一个试样压力值，无法组成对照试验，无法准确地获知试样压力与对渗流系数的影响，更不能建立起试样压力跟渗流系数的对应关系。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种用于测试渗流压力对岩土强度影响的装置，解决现有技术中的测试装置不能改变压力，无法探究试样的渗透系数在不同压力下所受的影响的技术问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下方案实现：一种用于测试渗流压力对岩土强度影响的装置，包括底板、试验筒和压力盘；底板的上表壁固定有多个立杆，立杆竖向设置，多个立杆上共同套设有固定板，固定板水平设置，固定板固定在多个立杆上；试验筒固定在固定板上表壁上，试验筒有下底壁没有上顶壁；试验筒上固定有进水管和出水管，进水管和出水管均与试验筒连通，试验筒中设有用于承载试样的放置台，放置台上设有多个第一通孔，进水管高于试样的上端，出水管低于试样的下端；压力盘上设有多个第二通孔；压力盘的下表壁设有压力传感器；底板上设有用于使压力盘抵接试样上端的施压组件；固定板上设有用于对放置台夹持的承载组件。
8.进一步地，所述施压组件包括固定架，固定架的下端固定在固定板的上表壁上；固定架的上表壁固定有固定管，固定管的轴线沿竖向设置；固定管中转动连接有螺纹杆，固定板上固定有用于驱动螺纹杆转动的驱动电机；螺纹杆上螺纹连接有套管，套管处于固定管中；套管的外壁上固定连接有联动块，固定管的侧壁上开设有滑槽，联动块活动式卡设在滑槽中，滑槽沿竖向延伸设置，联动块和套管能沿竖向移动；联动块上设有转向管，转向管上
固定有支杆，转向管套设在固定管上，压力盘连接在支杆上。
9.通过螺纹杆的转动，驱动套管竖向移动，套管使转向管和联动管实现竖向移动，转向管转动后，压力盘也随转向管的转动而转动，让压力盘与试验筒的轴线重合，再通过螺纹杆的转动，使压力盘不断地给试样施压，记录不同的压力下的渗透量，结合水头差δh、试样（用于代表含水地层）的横截面积a以及试样高度就可以建立不同压力与渗透系数的对应关系，便于开展对照试验，分析出渗透系数与压力的关系；由于是通过螺纹杆驱动压力盘移动，螺纹杆的螺纹间距小，压力调整连续，且压力变化幅度可以很小。
10.进一步地，所述转向管转动连接在联动块上表壁，转向管能绕固定管的轴线转动。
11.转向管可以绕固定管的轴线转动，这样，在取出试样时，操作人员可以先将转向管绕固定管的轴线转动，直至转向管可以转至不妨碍试样的位置。这样，就方便了操作人员取出试样。或者方便操作人员将放置台从试验筒中取出来，更换放置台时，也可以将压力盘转动至其他位置，方便另一个规格的放置台放置到试验筒中。
12.进一步地，所述支杆上固定有第一连接管，第一连接管的轴线沿竖向设置；第一连接管中设有导向杆，第一连接管套设在导向杆上，导向杆活动式卡设在第一连接管上，导向杆能沿竖向相对于第一连接管移动；导向杆的上、下两端分别对应穿出第一连接管的上、下两端，导向杆的下端螺纹连接有螺套，压力盘固定在螺套的下端；螺套的上表壁与第一连接管的下表壁之间设有复位弹簧，复位弹簧始终处于压缩状态，复位弹簧套设在导向杆上；复位弹簧的上端与第一连接管的下端抵接，复位弹簧的下端与螺套的上表壁抵接；导向杆的上端螺纹连接有螺母，在复位弹簧的弹力作用下，螺母的下表壁与第一连接管的上表壁抵接。
13.螺母可以防止压力盘与第一连接管脱落；其次，压力盘与试样接触后，复位弹簧会首先小幅度地压缩一下，让试样的上端跟压力盘是柔性接触，再后续施加压力，则可以较为平顺地传递给试样。如果没有复位弹簧，压力盘会直接冲击试样的上端，可能会造成试样上端发生微小形变，试样形变，就会对渗透系数产生影响，导致影响试验的准确性。
14.进一步地，所述承载组件包括夹持电机、连接架和两组结构相同的连杆组件；夹持电机的外壳固定在固定板的下表壁，夹持电机的转轴轴线沿竖向设置，夹持电机的转轴穿过固定板和试验筒，夹持电机的转轴顶端处于试验筒中，夹持电机的转轴上套设有凸块，夹持电机的转轴能相对于固定板和试验筒转动；所述连接架固定在试验筒中，连接架的形状呈“匚”形，开口朝上。
15.两组连杆组件关于过夹持电机转轴的轴线所在平面对称设置，该平面与连接架对应的两个竖板平行；连杆组件包括驱动板，驱动板竖向设置，驱动板的下端活动式卡设在连接架上，驱动板能沿垂直于竖板的方向移动，凸块处于两个驱动板之间，驱动板上设有长杆，长杆通过轴一与驱动板转动连接。
16.长杆远离驱动板的一端一体设置有短杆，短杆与长杆共同组成形状l形的连杆，连接架的上端固定有两个连接板，连杆的中部位置通过轴二转动连接在连接板上；连接架的表壁开设有供连杆穿过的条形孔；连杆远离驱动板的一端固定有夹块；驱动板背向凸块的一侧设有第一弹簧，第一弹簧的一端与驱动板表壁固定连接，第一弹簧的另一端与连接架对应的表壁固定连接，第一弹簧始终处于压缩状态。
17.承载组件通过凸块的转动，使两个驱动板相背移动，进而两个夹块能夹住放置台
的支撑柱，让放置台不会在试验过程中随意移动，这样压力盘下表壁的压力传感器监测的压力值比较稳定，不会因为放置台的随意移动导致压力值不准确。
18.进一步地，所述凸块的横截面呈椭圆形。
19.椭圆形的凸块边缘光滑，凸块转动以后，由于椭圆形的凸块长轴和短轴长度不一样，所以就会是驱动板沿垂直于竖板的方向产生移动。椭圆形的凸块由于边缘是光滑的，所以使驱动板移动的过程平稳地移动。另外，由于凸块位于两个驱动板之间，所以可以同步驱动两个驱动板移动，两个驱动板又使夹块同步移动，两个夹块同步夹住支撑柱，更有利于支撑柱处于试验筒的轴线位置，有利于压力盘将压力准确地传递给试样。
20.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、通过设置有压力传感器和施压组件，可以给试样提供多个不同的压力，操作人员再根据该压力下所对应的水头差δh，试样（用于代表含水地层）的横截面积a以及试样高度，再结合渗透流量q，计算出渗透系数，再通过比较，分析出不同压力下试样的渗透系数变化情况，来间接反映含水地层在不同压力下的渗透系数变化。
21.2、通过设置有转向管，在取出试样时，通过转向管转动，就可以将压力盘转动至不妨碍取出试样的位置，方便操作人员将试样从试验筒中取出。
22.3、通过将放置台与承载组件相互分开，放置台可以更换，不同长度支撑柱的放置台，可以给试验增加另外的条件，形成对照试验，验证不同长度的支撑柱对渗透系数的影响。
附图说明
23.图1是一种用于测试渗流压力对岩土强度影响的装置的结构示意图；图2是承载组件的结构示意图；图3是螺纹杆、套管和转向管的连接关系图；图4是导向杆、第一连接管和压力盘的连接关系图；图5是放置台的结构图。
24.图中：1、底板；2、支撑脚；3、立杆；4、固定板；5、试验筒；6、进水管；7、出水管；8、夹持电机；9、凸块；10、连接架；11、驱动板；12、长杆；13、短杆；14、轴二；15、连接板；16、条形孔；17、夹块；18、承载板；19、第一弹簧；20、放置台；21、支撑柱；22、摆放盘；23、第一通孔；24、固定架；25、固定管；26、螺纹杆；27、第一锥齿轮；28、第二锥齿轮；29、驱动电机；30、套管；31、联动块；32、滑槽；33、转向管；34、支杆；35、第一连接管；36、导向杆；37、螺套；38、压力盘；39、复位弹簧；40、螺母；41、第二通孔。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.见图1，一种用于测试渗流压力对岩土强度影响的装置，包括底板1，底板1水平设置，底板1的下表壁固定有支撑脚2，用于支撑底板1及底板1上方的其他部件。
27.见图1，底板1的上表壁固定有多个立杆3，本实施例采用4个立杆3。立杆3的轴线竖向设置，立杆3的下端固定在底板1的上表壁。多个立杆3上共同套设有固定板4，固定板4水平设置，固定板4处于底板1的上方，固定板4固定在多个立杆3上。固定板4的下表壁与底板1的上表壁之间留有空隙。
28.见图1，固定板4的上表壁固定有试验筒5，试验筒为圆柱形筒，有下底壁没有上顶壁，即，试验筒5的上方为敞口。试验筒5的轴线沿竖向设置，试验筒5的下表壁固定在固定板4的上表壁上。试验筒5的圆周侧壁上水平固定有进水管6和出水管7，进水管6和出水管7沿竖向一高一低设置，进水管6和出水管7均与试验筒5连通，进水管6另一端连接水源，出水管7和进水管6中均设有用于监测流量的流量计。试验筒5中设置有用于承载试样的放置台20上，试样的上端低于进水管6，试样的下端高于出水管7。
29.见图1和图2，固定板4上设有承载组件，承载组件包括夹持电机8、连接架10和两组结构相同的连杆组件。所述夹持电机8的外壳固定在固定板4的下表壁，固定板4的下表壁与底板1的上表壁之间留设的空隙供夹持电机8放置，夹持电机8在图1中被遮挡。夹持电机8的转轴轴线沿竖向设置，夹持电机8的转轴穿过固定板4和试验筒5，固定板4和试验筒5上有供夹持电机8的转轴穿过的孔，夹持电机8的转轴轴线与试验筒5的轴线重合，夹持电机8的转轴能相对于固定板4和试验筒5转动，夹持电机8的转轴与试验筒5之间密封设置，防止漏水。
30.夹持电机8的转轴顶端处于试验筒5中，夹持电机8的转轴上套设有凸块9，在图2所示附图方向中，从凸块9的上方向下看，凸块9的边缘轮廓为椭圆形，凸块9与夹持电机8的转轴固定连接。
31.所述连接架10的形状呈“匚”形，开口朝上，连接架10固定在试验筒5的内侧下表壁上。夹持电机8的转轴穿过连接架10的中间位置，连接架10设有供夹持电机8的转轴穿过的孔，夹持电机8转轴转动时，夹持电机8的转轴能相对于连接架10发生转动，凸块9处于连接架10所围成的空间中。
32.见图2，两组连杆组件沿图1中x方向关于过夹持电机8转轴的轴线所在平面对称设置，该平面与连接架10对应的两个竖板平行。以其中一组连杆组件来看，连杆组件包括驱动板11，驱动板11竖向设置，驱动板11的下端活动式卡设在连接架10上，驱动板11能沿x方向移动。凸块9处于两个驱动板11之间，同时，两个驱动板11也处于连接架10对应的两个竖板之间。驱动板11上设有长杆12，长杆12连接在驱动板11背向凸块9的一侧表壁上。长杆12通过轴一与驱动板11转动连接，轴一的轴线沿图1中y方向，y方向垂直于x方向。
33.见图2，长杆12远离驱动板11的一端一体设置有短杆13，短杆13与长杆12共同组成形状类似于l形的连杆，且二者之间的夹角为钝角。连接架10的上端固定有两个连接板15，两个连接板15沿x方向对称设置。连杆的弯折部位通过轴二14转动连接在连接板15上，轴二14的轴线沿图1中y方向。连接架10的表壁开设有供连杆穿过的条形孔16，长杆12活动式穿过连接架10对应的表壁。
34.见图2，连杆远离驱动板11的一端固定有夹块17，两个夹块17相对的表壁上开设有夹槽（图中未示出，仅以平面作为示例）。两个连接板15之间设有承载板18，承载板18水平设置，承载板18的两端分别与对应的连接板15固定连接，夹块17高于承载板18，不与承载板18连接，承载板18处于驱动板11的上方，不影响驱动板11移动。
35.驱动板11背向凸块9的一侧设有第一弹簧19，第一弹簧19的一端与驱动板11表壁
固定连接，第一弹簧19的另一端与连接架10对应的表壁固定连接，第一弹簧19的轴线沿图1中x方向，第一弹簧19始终处于压缩状态，在第一弹簧19的恢复力作用下，驱动板11会抵接凸块9的外边缘。
36.放置台20（见图5）放置在承载板18上，放置台20包括圆柱形的支撑柱21，支撑柱21的轴线沿竖向设置。支撑柱21的上端固定有摆放盘22，摆放盘22为圆盘，摆放盘22的轴线与支撑柱21的轴线重合。摆放盘22上设有沿竖向贯穿摆放盘22的若干个第一通孔23。设计时，摆放盘22的直径要大于试样的下端尺寸，起到对试样进行支撑的作用；第一通孔23的孔径，要小于试样最小颗粒的直径，防止试样颗粒从第一通孔23泄露。
37.见图1和图3，施压组件处于试验筒5的外侧，施压组件包括固定架24、固定管25和螺纹杆26，固定架24在本实施例中沿图1中y方向看呈匚形，固定架24的下端固定在固定板4的上表壁上，固定管25的轴线沿竖向设置，其下端固定在固定架24的上表壁上。螺纹杆26的上端通过轴承转动连接在固定管25中，螺纹杆26的轴线与固定管25的轴线重合，螺纹杆26绕其轴线转动。
38.见图3，螺纹杆26的下端穿出固定管25，而且，螺纹杆26的下端也穿过固定架24，螺纹杆26的下端固定有第一锥齿轮27，第一锥齿轮27的轴线与螺纹杆26的轴线重合。第一锥齿轮27处于固定管25的所围成的空间中。固定板4上设有驱动电机29，驱动电机29的外壳固定在固定板4上，驱动电机29的转轴水平设置，且驱动电机29的转轴上固定有第二锥齿轮28，第二锥齿轮28的轴线与驱动电机29转轴的轴线重合。第二锥齿轮28和第一锥齿轮27啮合，驱动电机29带动螺纹杆26转动。
39.见图3，螺纹杆26上螺纹连接有套管30，套管30处于固定管25中，套管30呈圆管，套管30的轴线与螺纹杆26的轴线重合，套管30的外壁上固定连接有联动块31，固定管25的侧壁上开设有滑槽32，联动块31活动式卡设在滑槽32中，滑槽32沿竖向延伸设置，联动块31和套管30也只能沿竖向移动。
40.见图3，固定管25上套设有转向管33，转向管33转动连接在联动块31上表壁上，联动块31竖向移动时，转向管33也能沿竖向移动，同时，转向管33也能相对于联动块31绕螺纹杆26的轴线转动。
41.见图3和图4，转向管33的外壁上固定有支杆34，支杆34横向设置，支杆34远离转向管33的一端设有第一连接管35，第一连接管35的轴线沿竖向设置，第一连接管35为圆管，第一连接管35的圆周外壁与支杆34固定连接。第一连接管35中设有导向杆36，导向杆36沿竖向设置，第一连接管35套设在导向杆36上，导向杆36活动式卡设在第一连接管35上，导向杆36能沿竖向相对于第一连接管35移动，导向杆36的上、下两端分别穿出第一连接管35的上、下两端。导向杆36的下端螺纹连接有螺套37，螺套37的直径大于等于第一连接管35的直径，螺套37的下端固定连接有压力盘38，压力盘38为圆盘，压力盘38的轴线与导向杆36的轴线重合，压力盘38的直径小于等于试样桶5的内径；压力盘38的直径大于试样的上端尺寸。初始状态时，压力盘38的高度高于试验筒5上表壁，且压力盘38的轴线与试验筒5的轴线重合。
42.螺套37的上表壁与第一连接管35的下表壁之间设有复位弹簧39，复位弹簧39始终处于压缩状态，复位弹簧39套设在导向杆36上，复位弹簧39的上端与第一连接管35的下端抵接，复位弹簧39的下端与螺套37的上表壁抵接。导向杆36的上端螺纹连接有螺母40，螺母40直径大于第一连接管35上端的直径，在复位弹簧39的弹力作用下，螺母40的下表壁与第
一连接管35的上表壁抵接，防止导向杆36、螺套37以及压力盘38作为整体从第一连接管35上脱落。压力盘38的表壁开设有若干个第二通孔41，第二通孔41的孔径小于试样最小颗粒的直径，防止试样从第二通孔41处泄漏。
43.试样为圆柱形，在试样的圆周外壁设置上柔性薄膜材料，但不影响水在试样中的渗流。采用该装置对岩土试样的测试过程如下：放置台20的支撑柱21放置在承载板18的上表壁，摆放盘22水平放置。
44.启动夹持电机8，夹持电机8带动椭圆形的凸块9转动（不到一圈），当凸块9的长轴轴线逐渐与x方向平行的过程中，凸块9长轴方向的两端凸起会推动两侧的驱动板11，沿x方向相背移动。驱动板11会推动连杆转动，连杆绕轴二14转动，轴一相对于驱动板11转动，从而两个夹块17相互靠近夹住支撑柱21的圆周外壁。当观察到夹块17不再发生移动后（即，夹持电机8开始发生堵转时），操作人员手动关闭夹持电机8，夹持电机8具有自锁功能，夹块17保持着能始终夹住支撑柱21的状态，防止放置台20移动影响测试结果。
45.将试样连同柔性材料一起放入到试验筒5中，圆柱形试样的轴线竖直设置，试样的下表壁抵接在摆放盘22的上表壁，柔性材料抵接试验筒5的内壁，保证柔性材料与试验筒5的内壁之间保持密封状态。
46.启动驱动电机29，驱动电机29通过第二锥齿轮28带动第一锥齿轮27转动，第一锥齿轮27又带动螺纹杆26转动，螺纹杆26绕其轴线相对于固定管25转动，因为套管30与螺纹杆26螺纹连接，而且联动块31卡设在固定管25的滑槽32中，所以联动块31不随螺纹杆26的转动而转动，套管30以及联动块31只能沿竖向移动。
47.联动块31因为与转向管33是转动连接，联动块31下移就会使转向管33下移，转向管33又通过支杆34连接压力盘38；所以，驱动电机29驱动压力盘38向下移动，直至压力盘38的下表壁进入到试验筒5中并与试样上端抵接；试样下端被摆放盘22的上表壁抵接。压力盘38的下表壁固定有压力传感器，用于监测压力盘38对试样的压力。从进水管6中进水，水经过压力盘38的第二通孔41流入到试样中，并从试样的下端流出放置台20的第一通孔23，最终从出水管7流出。
48.不断地使压力盘38下移，记录压力传感器在不同压力值时，流量计测出来的进水管6和出水管7的流量；再结合试样的高度（已知）、试样的横截面积（已知）以及水头的高度差（在试样筒上测量），建立一一对应的关系，通过渗透系数的计算公式计算出渗透系数。在后续结论分析中，用于讨论和分析，试样在不同压力值下，其渗透系数的变化情况。
49.取出试样时：驱动电机29反向转动，让压力盘38上移，直至压力盘38高于试样筒的上表壁，然后，操作人员手动地转动转向管33。转向管33就可以相对于联动块31，绕固定管25的轴线发生转动，直至转向管33以及压力盘38转动到不妨碍试样从试验筒5中取出来的位置。
50.具体地，转动转向管33，转向管绕固定管25的轴线转动；支杆34以及压力盘38等均随转向管33的转动而转动。将转向管33与联动块31之间的摩擦力设置的较大，为了让转向管33不会在没有外力的作用下随意转动，只能在人力下，才能发生转动。然后将试样以及柔性材料从试验筒5中取出来。
51.反向启动夹持电机8（转动圈数小于半圈），凸块9的长轴轴线从趋近于与x平行的角度，转动至趋近于与y方向平行的角度。此过程中，凸块9长轴方向的两端逐渐地不再抵触
驱动板11（凸块9的短轴方向的两端逐渐地抵触驱动板11），由于第一弹簧19始终处于压缩状态，当凸块9长轴方向的两端不再抵触驱动板11后，在第一弹簧19的弹力作用下，第一弹簧19使两个驱动板11相互靠近，驱动板11又使连杆绕轴二14反转，从而两个夹块17松开支撑柱21，操作人员观察到夹块17松开支撑柱21后，从而操作人员可以将整个放置台20从试验筒5中取出来。
52.取出放置台20后，可以更换不同规格的放置台20，不同规格的放置台20，区别在于，支撑柱21的高度不同。更换不同规格的放置台20，试样的上端和下端，与进水管6和出水管7的高度就发生变化。这样可以做对比试验（高度不同的两组放置台20的试验），为后续研究放置台20的高度对渗透系数的影响提前做准备。
53.放置新的放置台20后，重复上述步骤，压力传感器在不同压力值时，进行对渗透系数的影响试验。
54.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的保护范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其保护范围。