CN106932284B - 一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法，其中，试验装置包括顶部开设有深槽的底座，中部两侧面用于与土样紧密接触的接触面板，中心开设安装孔的套筒，支撑在套筒顶部的顶帽和用于包裹在底座、接触面板加两侧土样、套筒以及顶帽***的密封膜；底座内设置有平行剪切面方向渗流出水管路和垂直剪切面方向渗流出水管路；接触面板通过下部安装在深槽中，接触面板横截面尺寸小于深槽横截面尺寸；套筒通过安装孔套装在接触面板上部高于土样的部分上，安装孔横截面尺寸大于接触面板横截面尺寸；顶帽中心开设活塞杆孔，活塞杆穿过顶帽直接作用在接触面板上，顶帽上设置有平行剪切面方向渗流进水管路和垂直剪切面方向渗流进水管路。

Description

一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种岩土工程中接触面的力学及渗透特性测试装置及其使用方法，尤其涉及一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法。

背景技术

在外部荷载作用下，土体与结构物接触面处常发生较大的剪切错位变形。此时，土体在复杂应力及渗流的作用下，容易发生剪切及渗透破坏，对土工结构的安全造成威胁。因此，对土体与结构接触面发生大剪切错位时的抗剪切渗透破坏特性的研究具有重要的工程实用价值。

进行土体与结构物接触面在大剪切错位变形条件下的渗流试验是研究上述问题的一个基本手段。目前，有传统的接触面剪切试验装置，但其只能单方面测定土体与结构物接触面的应力变形特性。另外还有“一种测定土体与结构物接触面渗流冲刷特性的试验装置”，其缺点是当需要测定较大的剪切错位变形时，密封膜与土体试样容易发生挤压，导致试验无法进行；且其接触面板依靠弹簧支撑，限制了可以产生的最大剪切错位变形的大小。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法，能够在结构物接触面与土体间造成大剪切错位变形的同时，在平行于接触面剪切方向上对土体进行渗流冲刷试验，测定土体与结构物接触面发生剪切错位变形时的力学及渗流特性，为分析土体在大剪切错位变形条件下的抗渗流冲刷能力提供数据基础。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种接触面大变形剪切渗流试验装置，该装置包括：顶部开设有深槽的底座，中部两侧面用于与土样紧密接触的接触面板，中心开设安装孔的套筒，支撑在所述套筒顶部的顶帽，和用于包裹在所述底座、接触面板加两侧土样、套筒以及顶帽***的密封膜；其中，所述底座用于固定安装在三轴剪切仪的压力室的压力室底座上，所述底座内部还设置有平行剪切面方向渗流出水管路和垂直剪切面方向渗流出水管路；所述接触面板通过下部安装在所述深槽中，且所述接触面板的横截面尺寸小于所述深槽的横截面尺寸；所述套筒通过所述安装孔套装在所述接触面板上部高于所述土样的部分上，且所述安装孔的横截面尺寸大于所述接触面板的横截面尺寸；所述顶帽的中心开设活塞杆孔，活塞杆穿过所述顶帽直接作用在所述接触面板上，所述顶帽上还设置有平行剪切面方向渗流进水管路和垂直剪切面方向渗流进水管路；所述平行剪切面方向渗流进水管路和垂直剪切面方向渗流进水管路的位置与所述平行剪切面方向渗流出水管路和垂直剪切面方向渗流出水管路的位置相对于所述接触面板上下相互对应。

所述底座包括一体设置在底部的圆台、中部的椭圆形柱体和顶部的矩形平台，所述底座通过所述圆台固定安装在所述三轴剪切仪的压力室的压力室底座上；所述椭圆形柱体与所述矩形平台之间具有渐近式的过渡斜面，所述矩形平台的横截面尺寸与所述接触面板加上两侧面的所述土样后的横截面尺寸相匹配；所述深槽开设在所述矩形平台的中间，且所述深槽的深度大于最大剪切错位的值；所述平行剪切面方向渗流出水管路自所述深槽底部向外引出，所述垂直剪切面方向渗流出水管路自所述过渡斜面向外引出。

所述接触面板为矩形板，所述深槽为矩形槽，所述套筒的所述安装孔为矩形通孔。

所述套筒的横截面尺寸与所述接触面板加上两侧面的所述土样后的横截面尺寸相匹配，所述套筒的所述安装孔底部与所述接触面板与所述土样不接触的两侧面相对应的两侧边沿所述套筒的长度方向还设置有凸出的挡片。

所述顶帽底部的横截面尺寸与所述套筒的横截面尺寸相匹配，所述顶帽的所述活塞杆孔为通孔；所述活塞杆孔的内孔壁上还开设有至少一道密封圈槽。

一种如上述任一项所述的接触面大变形剪切渗流试验装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将底座固定安装在三轴剪切仪的压力室的压力室底座上，将平行剪切面方向渗流出水管路和垂直剪切面方向渗流出水管路与压力室底座上对应的管路相连接；在深槽内充水，水位距离深槽的槽口留有一定距离；将底座和压力室底座组合体冷冻，使深槽内的水结冰；

2)将接触面板通过下部安装在底座的深槽中，接触面板被深槽中的冰支撑住；在接触面板的两侧面放置制备好的土样，土样由底座的顶部支撑；将套筒通过安装孔由上方穿过接触面板轻轻放置在土样上；将密封膜由上至下地包裹在套筒、土样和底座的外侧；轻轻盖上连接有活塞杆的顶帽，活塞杆直接作用在接触面板上；

3)将三轴剪切仪的压力室罩扣装在压力室底座上，并使活塞杆穿过压力室罩顶部；连接固定压力室底座和压力室罩，并做好压力室的密封；

4)向压力室中充水并加压，加压前接触面板由底座的深槽中的冰支撑；加压完成后，等待底座的深槽中的冰融化，接触面板由两侧土样提供的摩擦力支撑；

5)根据试验条件选择关闭或者连通垂直剪切面方向渗流进水管路和垂直剪切面方向渗流出水管路，同时连通或者关闭平行剪切面方向渗流进水管路和平行剪切面方向渗流出水管路；当压力室注水加压完成、底座的深槽中的冰完全融化且固结完成后，对平行剪切面方向渗流进水管路或者垂直剪切面方向渗流进水管路加渗流压力，将平行剪切面方向渗流出水管路或者垂直剪切面方向渗流出水管路与测量***的量水管相连接；将试验装置中所有相互连通的管道中均注满水；

6)连通平行剪切面方向渗流出水管路或者垂直剪切面方向渗流出水管路，待渗流稳定后，由轴向压力***通过活塞杆向下按压接触面板，使接触面板与土样之间发生竖直方向剪切，同时在平行于或者垂直于接触面板的方向发生渗流；剪切和渗流同时进行的过程中，通过外部测量***记录或计算接触面正应力、剪应力、渗流历时和渗水流量，分析接触面在不同应力变形条件、尤其是大剪切错位变形条件下的渗流特性。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法，通过改变底座中深槽的深度以及接触面板的支撑方式，并在土样上设置套筒，套筒将接触面板和密封膜隔开，避免当接触面板较长时密封膜和接触面板间的摩擦给试验带来误差。2、本发明的一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法，套筒侧面设有梯形凸出挡片，使接触面板与土样上方接触部分和外部包裹的密封膜隔开，避免剪切过程中密封膜与土样发生挤压，保证试验结果的准确性。3、本发明的一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法，通过使活塞杆与压力室的活塞套分离，并与顶帽连成一个整体，使加载方式更加合理。4、本发明的一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法，能够在结构物接触面与土体间造成大剪切错位变形的同时，在平行于接触面剪切方向上对土体进行渗流冲刷试验，测定土体与结构物接触面发生剪切错位变形时的力学及渗流特性，为分析土体在大剪切错位变形条件下的抗渗流冲刷能力提供数据基础。5、本发明的一种接触面大变形剪切渗流试验装置及其使用方法，实现了大剪切错位条件下进行接触面剪切渗流试验的目的，可以广泛应用于测定土体与结构物接触面发生剪切错位变形时的力学及渗流特性的测定试验。

附图说明

图1是本发明的使用状态图；

图2是本发明底座的结构示意图；

图3是本发明套筒的结构示意图；

图4是本发明顶帽的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～图4所示，本发明提供的一种接触面大变形剪切渗流试验装置，其包括底座1、接触面板2、套筒3、顶帽4和密封膜5。其中，底座1用于固定安装在三轴剪切仪的压力室6的压力室底座61上，底座1的顶部开设有深槽11，底座1在深槽11的底部设置有平行剪切面方向渗流出水管路12，底座1内部还设置有垂直剪切面方向渗流出水管路13。接触面板2可以通过下部安装在深槽11中，接触面板2的中部两侧面用于与土样7紧密接触，接触面板2的横截面尺寸略小于深槽11的横截面尺寸，以避免接触面板2在剪切过程中与深槽11的侧壁发生摩擦。套筒3中心开设安装孔31，套筒3通过安装孔31套装在接触面板2上部高于土样7的部分上，且安装孔31的横截面尺寸略大于接触面板2的横截面尺寸，使接触面板2不与套筒3发生摩擦。顶帽4支撑在套筒3的顶部，顶帽4的中心开设活塞杆孔41，用于安装活塞杆8，活塞杆8穿过顶帽4直接作用在接触面板2上；顶帽4上还设置有平行剪切面方向渗流进水管路42和垂直剪切面方向渗流进水管路43，且平行剪切面方向渗流进水管路42和垂直剪切面方向渗流进水管路43的位置与平行剪切面方向渗流出水管路12和垂直剪切面方向渗流出水管路13的位置相对于接触面板2上下相互对应；平行剪切面方向渗流出水管路12和垂直剪切面方向渗流出水管路13的出水端，以及平行剪切面方向渗流进水管路42和垂直剪切面方向渗流进水管路43的进水端均设置有阀门。密封膜5用于包裹在底座1、接触面板2加两侧土样7、套筒3和顶帽4的***，底座1、套筒3、顶帽4和土样7与密封膜5直接接触，从而可以在密封膜5的***施加周围压力水。

上述实施例中，如图2所示，底座1包括一体设置在底部的圆台14、中部的椭圆形柱体15和顶部的矩形平台16，其中，底座1通过圆台14固定安装在三轴剪切仪的压力室6的压力室底座61上；矩形平台16的横截面尺寸与接触面板2加上两侧面的土样7后的横截面尺寸相匹配，矩形平台16与椭圆形柱体15之间具有渐近的过渡斜面17。深槽11开设在矩形平台16中部沿底座1的高度方向上，深槽11为矩形，且深槽11的深度略大于最大剪切错位的值。平行剪切面方向渗流出水管路12自深槽11底部向外引出，垂直剪切面方向渗流出水管路13自过渡斜面17向外引出。

上述实施例中，如图3所示，接触面板2为矩形板，套筒3的安装孔31为矩形通孔，允许接触面板2穿过；套筒3的横截面尺寸与接触面板2加上两侧面的土样7后的横截面尺寸相匹配；套筒3的安装孔31底部与接触面板2与土样7不接触的两侧面相对应的两侧边沿套筒3的长度方向设置有凸出的梯形挡片32，使接触面板2与土样7上方接触部分和外部包裹的密封膜5隔开，避免剪切过程中密封膜5与土样7发生挤压。

上述实施例中，如图4所示，顶帽4为椭圆形柱体形状，并在底部设置有矩形凸台44，矩形凸台44和顶帽4主体之间采用渐近式斜面过渡，活塞杆孔41同时贯穿矩形凸台44和顶帽4主体；矩形凸台44的横截面尺寸与套筒3的横截面尺寸相匹配；顶帽4的活塞杆孔41的内孔壁上还开设有两道密封圈槽45，用于放置O型圈，活塞杆8从活塞杆孔41中穿过，并与顶帽4形成一个整体。

如图1所示，使用本发明的一种接触面大变形剪切渗流试验装置进行试验时，包括以下步骤：

1)将底座1固定安装在三轴剪切仪的压力室6的压力室底座61上，将平行剪切面方向渗流出水管路12和垂直剪切面方向渗流出水管路13与压力室底座61上对应的管路相连接。在深槽11内充水，水位距离深槽11的槽口留有一定距离；将安装有底座1的压力室底座61放入冰箱冷冻，使深槽11内的水结冰，取出底座1和压力室底座61组合体。

2)将接触面板2通过下部安装在底座1的深槽11中，接触面板2被深槽11中的冰支撑住；在接触面板2的两侧面放置制备好的土样7，土样7由底座1的顶部支撑。将套筒3通过安装孔31由上方穿过接触面板2轻轻放置在土样7上；将密封膜5由上至下地包裹在套筒2、土样7和底座1的外侧；轻轻盖上连接有活塞杆8的顶帽4，活塞杆8直接作用在接触面板2上。

3)取下压力室罩62顶部用于固定活塞套63的螺母64，取下活塞套63；将压力室罩62扣装在压力室底座61上，使活塞杆8穿过压力室罩62顶部；轻轻将活塞套63套装在活塞杆8上，并用螺母64固定；最后装上O形圈和压圈，再拧上固定螺母65。

4)向压力室6中充水并加压，加压前接触面板2由底座1的深槽11中的冰支撑；加压完成后，等待底座1的深槽11中的冰融化，接触面板2由两侧土样7提供的摩擦力支撑。

5)以平行剪切面方向渗流并剪切的试验为例：关闭与垂直剪切面方向渗流进水管路43和垂直剪切面方向渗流出水管路13相连接的阀门，当压力室6注水加压完成、底座1的深槽11中的冰完全融化且固结完成后，对平行剪切面方向渗流进水管路42加渗流压力，将平行剪切面方向渗流出水管路12与测量***的量水管(图中未示出)相连接，并将试验装置中所有相互连通的管道中注满水。

6)打开与平行剪切面方向渗流出水管路12相连接的阀门，待渗流稳定后，由轴向压力***通过活塞杆8向下按压接触面板2，使接触面板2与土样7之间发生竖直方向剪切，同时在平行于接触面板2的方向发生渗流。剪切和渗流同时进行的过程中，通过外部测量***记录或计算接触面正应力、剪应力、渗流历时和渗水流量等，可以分析接触面在不同应力变形条件、尤其是大剪切错位变形条件下的渗流特性。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式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。

Claims (9)

1.一种接触面大变形剪切渗流试验装置，该装置包括：

顶部开设有深槽的底座，

中部两侧面用于与土样紧密接触的接触面板，

中心开设安装孔的套筒，

支撑在所述套筒顶部的顶帽，和

用于包裹在所述底座、接触面板加两侧土样、套筒以及顶帽***的密封膜；

其中，所述底座用于固定安装在三轴剪切仪的压力室的压力室底座上，所述底座内部还设置有平行剪切面方向渗流出水管路和垂直剪切面方向渗流出水管路；所述接触面板通过下部安装在所述深槽中，且所述接触面板的横截面尺寸小于所述深槽的横截面尺寸；所述套筒通过所述安装孔套装在所述接触面板上部高于所述土样的部分上，且所述安装孔的横截面尺寸大于所述接触面板的横截面尺寸；所述顶帽的中心开设活塞杆孔，活塞杆穿过所述顶帽直接作用在所述接触面板上，所述顶帽上还设置有平行剪切面方向渗流进水管路和垂直剪切面方向渗流进水管路；所述平行剪切面方向渗流进水管路和垂直剪切面方向渗流进水管路的位置与所述平行剪切面方向渗流出水管路和垂直剪切面方向渗流出水管路的位置相对于所述接触面板上下相互对应。

2.如权利要求1所述的一种接触面大变形剪切渗流试验装置，其特征在于，所述底座包括一体设置在底部的圆台、中部的椭圆形柱体和顶部的矩形平台，所述底座通过所述圆台固定安装在所述三轴剪切仪的压力室的压力室底座上；所述椭圆形柱体与所述矩形平台之间具有渐近式的过渡斜面，所述矩形平台的横截面尺寸与所述接触面板加上两侧面的所述土样后的横截面尺寸相匹配；所述深槽开设在所述矩形平台的中间，且所述深槽的深度大于最大剪切错位的值；所述平行剪切面方向渗流出水管路自所述深槽底部向外引出，所述垂直剪切面方向渗流出水管路自所述过渡斜面向外引出。

3.如权利要求1或2所述的一种接触面大变形剪切渗流试验装置，其特征在于，所述接触面板为矩形板，所述深槽为矩形槽，所述套筒的所述安装孔为矩形通孔。

4.如权利要求1或2所述的一种接触面大变形剪切渗流试验装置，其特征在于，所述套筒的横截面尺寸与所述接触面板加上两侧面的所述土样后的横截面尺寸相匹配，所述套筒的所述安装孔底部与所述接触面板与所述土样不接触的两侧面相对应的两侧边沿所述套筒的长度方向还设置有凸出的挡片。

5.如权利要求3所述的一种接触面大变形剪切渗流试验装置，其特征在于，所述套筒的横截面尺寸与所述接触面板加上两侧面的所述土样后的横截面尺寸相匹配，所述套筒的所述安装孔底部与所述接触面板与所述土样不接触的两侧面相对应的两侧边沿所述套筒的长度方向还设置有凸出的挡片。

6.如权利要求1或2或5所述的一种接触面大变形剪切渗流试验装置，其特征在于，所述顶帽底部的横截面尺寸与所述套筒的横截面尺寸相匹配，所述顶帽的所述活塞杆孔为通孔；所述活塞杆孔的内孔壁上还开设有至少一道密封圈槽。

7.如权利要求3所述的一种接触面大变形剪切渗流试验装置，其特征在于，所述顶帽底部的横截面尺寸与所述套筒的横截面尺寸相匹配，所述顶帽的所述活塞杆孔为通孔；所述活塞杆孔的内孔壁上还开设有至少一道密封圈槽。

8.如权利要求4所述的一种接触面大变形剪切渗流试验装置，其特征在于，所述顶帽底部的横截面尺寸与所述套筒的横截面尺寸相匹配，所述顶帽的所述活塞杆孔为通孔；所述活塞杆孔的内孔壁上还开设有至少一道密封圈槽。

9.一种如权利要求1至8中任一项所述的接触面大变形剪切渗流试验装置的使用方法，包括以下步骤：

1)将底座固定安装在三轴剪切仪的压力室的压力室底座上，将平行剪切面方向渗流出水管路和垂直剪切面方向渗流出水管路与压力室底座上对应的管路相连接；在深槽内充水，水位距离深槽的槽口留有一定距离；将底座和压力室底座组合体冷冻，使深槽内的水结冰；

2)将接触面板通过下部安装在底座的深槽中，接触面板被深槽中的冰支撑住；在接触面板的两侧面放置制备好的土样，土样由底座的顶部支撑；将套筒通过安装孔由上方穿过接触面板轻轻放置在土样上；将密封膜由上至下地包裹在套筒、土样和底座的外侧；轻轻盖上连接有活塞杆的顶帽，活塞杆直接作用在接触面板上；

3)将三轴剪切仪的压力室罩扣装在压力室底座上，并使活塞杆穿过压力室罩顶部；连接固定压力室底座和压力室罩，并做好压力室的密封；

4)向压力室中充水并加压，加压前接触面板由底座的深槽中的冰支撑；加压完成后，等待底座的深槽中的冰融化，接触面板由两侧土样提供的摩擦力支撑；

5)根据试验条件选择关闭或者连通垂直剪切面方向渗流进水管路和垂直剪切面方向渗流出水管路，同时连通或者关闭平行剪切面方向渗流进水管路和平行剪切面方向渗流出水管路；当压力室注水加压完成、底座的深槽中的冰完全融化且固结完成后，对平行剪切面方向渗流进水管路或者垂直剪切面方向渗流进水管路加渗流压力，将平行剪切面方向渗流出水管路或者垂直剪切面方向渗流出水管路与测量***的量水管相连接；将试验装置中所有相互连通的管道中均注满水；

6)连通平行剪切面方向渗流出水管路或者垂直剪切面方向渗流出水管路，待渗流稳定后，由轴向压力***通过活塞杆向下按压接触面板，使接触面板与土样之间发生竖直方向剪切，同时在平行于或者垂直于接触面板的方向发生渗流；剪切和渗流同时进行的过程中，通过外部测量***记录或计算接触面正应力、剪应力、渗流历时和渗水流量，分析接触面在不同应力变形条件、尤其是大剪切错位变形条件下的渗流特性。