CN110426337B - 低应力条件下岩土体渗透变形测试装置及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低应力条件下岩土体渗透变形测试装置及其试验方法，包括渗透***；供水***与渗透***的水流入口连接，竖向荷载加载***的轴压输出端与渗透***的轴压加载端连接进行轴压加载，环向荷载加载***的围压输出端与渗透***的围压加载端连接进行围压加载，干湿循环***的热气输出端与渗透***的热气入口连接，渗透***的出水口与渗流量测量***连接，渗透***的热气出口与干湿循环***的热气干燥端连接，进行干湿循环试验，变形量测量***的输入端与渗透***的轴向变形端和环向变形端连接；渗透***包括底座、上下透水石、圆形不透水钢板和圆形透水钢板。解决了目前未考虑低应力与干湿循环的环境条件影响实验结果真实性的问题。

Description

低应力条件下岩土体渗透变形测试装置及其试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程试验领域，涉及一种低应力条件下岩土体渗透变形测试装置及其试验方法。
背景技术
岩土体的渗透变形特性是岩土工程所关注的热点问题之一。近年来，边坡在季节性降雨作用下发生浅层失稳的现象屡见不鲜，其主要原因是水分在边坡岩土体内发生迁移渗透，产生复杂程度的物理、化学和力学综合反应，导致岩土体结构破坏，强度降低，引发浅层失稳，造成巨大的经济损失。因此，研究岩土体在低应力以及干湿循环条件下的渗透变形特性具有重要意义。
目前，研究岩土体的渗透特性主要采用常水头渗透仪装置和变水头渗透仪装置，上述两种装置虽然可以测试岩土体的渗透系数，但是其条件过于理想化，未考虑到低应力与干湿循环的环境条件，不能模拟岩土体的实际情况，对试验成果的真实性影响较大，使得试验结果不够精确。且一般情况下，试验时难以同时考虑低应力和干湿循环等综合因素共同作用岩土体，只单独考虑低应力或干湿循环某一种因素作用，试验误差较大。
测试岩土体环向变形的方法有许多，例如：可以通过在岩土体表面粘贴应变片来测量其环向变形量，但是由于岩土体自身具有非均质性，其局部变形难以反映岩土体整体变形情况，测量精度不高。同时对试验条件要求高，需具备较为先进的三轴压缩试验仪器，操作复杂，成本高昂。另外，目前常采用轴压加载泵加载轴压，操作***复杂，施加压力大，不便施加较低轴向压力，不适用于低应力条件下岩土体渗透变形试验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，以解决现有岩土体渗透变形测试装置未考虑低应力与干湿循环的环境条件而影响实验结果真实性的问题，在岩土体表面局部粘贴应变片测量其环向变形量造成测量准确度不高的问题，目前采用轴压加载泵施加压力大、不便加载较低轴向压力且操作***复杂的问题，以及目前的加载***对试验条件要求高、需具备较为先进的三轴压缩试验仪器、操作复杂、成本高昂的问题。
本发明的另一目的在于提供一种低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的试验方法，以解决现有的试验方法未同时考虑低应力和干湿循环等综合因素共同作用造成试验误差大的问题。
本发明所采用的技术方案是，低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，包括渗透***、供水***、竖向荷载加载***、环向荷载加载***、干湿循环***、渗流量测量***和变形量测量***；供水***与渗透***的水流入口连接，竖向荷载加载***的轴压输出端与渗透***的轴压加载端连接，环向荷载加载***的围压输出端与渗透***的围压加载端连接，干湿循环***的热气输出端与渗透***的热气入口连接，渗透***的出水口与渗流量测量***连接，渗透***的热气出口与干湿循环***的热气干燥端连接，变形量测量***的输入端与渗透***的轴向变形端和环向变形端连接。
进一步的，所述渗透***由底座、下透水石、上透水石、圆形不透水钢板、圆柱形岩土体试样和圆形透水钢板组成；圆柱形岩土体试样位于底座上，下透水石置于圆柱形岩土体试样与底座之间，圆柱形岩土体试样的顶部设有从下到上依次放置的上透水石、圆形透水钢板和圆形不透水钢板。
进一步的，所述圆形不透水钢板上设有球支座和两个圆形通孔，球支座上设有空心半球形凹槽；所述渗透***通过圆形不透水钢板上的一个圆形通孔与供水***连接，其通过圆形不透水钢板上的另一个圆形通孔与干湿循环***连接，并通过圆形不透水钢板上的球支座与竖向荷载加载***连接；
所述底座上设有引流槽、出水孔和多圈从外向内依次嵌套的环形槽；出水孔嵌于最内圈的环形槽内，引流槽一端与最外圈的环形槽相通，另一端向内依次连通所有环形槽后与出水孔相通；下透水石与底座上的环形槽相贴合，且下透水石与底座上最外圈的环形槽直径相等；所述渗透***通过底座上的出水孔分别与渗流量测量***和干湿循环***连接。
进一步的，所述竖向荷载加载***由阻力砝码、斜杆、竖直杆、竖直加载杆、加载砝码托盘和加载砝码组成；竖直杆竖直固定于渗透***一侧，斜杆一端用螺栓与竖直杆的上部转动连接，加载砝码托盘固定于斜杆的另一端；竖直加载杆位于竖直杆和加载砝码托盘之间；竖直加载杆一端用螺栓与斜杆转动连接，其另一端设有与球支座的空心半球形凹槽相匹配的钢球，竖向荷载加载***通过竖直加载杆上的钢球以及球支座上的空心半球形凹槽与渗透***的球支座咬合固定；阻力砝码固定于斜杆与竖直杆固定连接的一端，且阻力砝码位于竖直杆远离竖直加载杆的一侧，加载砝码托盘内放置加载砝码。
进一步的，所述环向荷载加载***为依次套设在圆柱形岩土体试样外侧面的多层弹性橡胶膜，第一层的弹性橡胶膜通过防水胶固定套设在圆柱形岩土体试样外侧面；
所述下透水石、上透水石、圆形不透水钢板和圆形透水钢板均位于第一层的弹性橡胶膜内；下透水石、上透水石、圆形不透水钢板、圆柱形岩土体试样和圆形透水钢板的直径均与弹性橡胶膜的内径相等，且这五者的外侧壁与第一层的弹性橡胶膜的内壁相接触。
进一步的，所述供水***由储水装置、入水管和抽水泵组成；入水管一端经抽水泵与储水装置连通，其另一端与渗透***的圆形不透水钢板上的一个圆形通孔相通，入水管上设有第一阀门和测压计；
所述变形量测量***由轴向变形量测量***和环向变形量测量***组成；
所述轴向变形量测量***由固定杆和千分表组成，千分表竖直固定在固定杆上，其测头置于圆形不透水钢板上并与圆形不透水钢板相接触；
所述环向变形量测量***由测距仪、支撑杆和可旋转底座组成；可旋转底座套设于底座下部的外侧壁上，其可绕底座转动；支撑杆位于渗透***的侧面，并竖直固定在可旋转底座上；测距仪水平固定在支撑杆上，且其测距端朝向圆柱形岩土体试样；
所述测距仪的输出端与计算机电性连接。
进一步的，所述干湿循环***由热风机、真空泵和干燥装置组成；热风机经第二阀门与入水管相通，真空泵通过风管与渗透***的圆形不透水钢板上的另一个圆形通孔相通，干燥装置通过出水管与渗透***的底座上的出水孔相通。
进一步的，所述渗流量测量***由集水器和电子天平组成，集水器置于电子天平上；
所述出水管一端与底座的出水孔连接，其另一端分成两个支路，一个支路经第三阀门与干燥装置相通，另一个支路经第五阀门与渗流量测量***的集水器相通；
所述风管一端与圆形不透水钢板上的圆形通孔相通，其另一端分成两个支路，一个支路经第四阀门与真空泵连接，另一个支路经第六阀门与外部空气相通；
所述竖直杆、固定杆和可旋转底座均置于试验台上，试验台分为第一层台面和第二层台面两层；竖直杆、固定杆和可旋转底座固定在第一层台面上，干燥装置和电子天平放置在第二层台面上；出水管贯穿第一层台面后分成两个支路分别与干燥装置和集水器一一对应连通；
所述可旋转底座为一个轴承，其内圈与试验台固定连接，其外圈与支撑杆固定连接；底座嵌于可旋转底座的内圈中，并与试验台固定连接；
所述支撑杆由竖杆、横杆和调节杆组成，测距仪固定于调节杆上；竖杆一端与可旋转底座的外圈固定连接，其另一端与水平放置的横杆固定连接，横杆上设有竖直的螺纹通孔，调节杆上设有与该螺纹通孔相匹配的外螺纹，调节杆通过其上的外螺纹以及横杆上的螺纹通孔与横杆螺纹连接；
所述下透水石和上透水石的厚度均为10mm；
所述测距仪采用激光测距仪；
所述弹性橡胶膜的厚度为0.5～1mm。
本发明的另一技术方案是，步骤S1、制备圆柱形岩土体试样，原岩经过钻孔取芯、打磨、脱模，制成试验所需的圆柱形岩土体试样；
步骤S2、组装变形量测试***，在圆柱形岩土体试样的外侧壁上刷一层防水胶并套上第一层的弹性橡胶膜，然后在圆柱形岩土体试样上表面放置上透水石、圆形透水钢板和圆形不透水钢板，并在圆柱形岩土体试样下表面放置下透水石，同时用第一层的弹性橡胶膜包裹，上透水石与圆形透水钢板相贴合，圆形透水钢板与圆形不透水钢板相贴合；
步骤S3、围压加载，通过在第一层的弹性橡胶膜外侧依次套上多层的弹性橡胶膜，以达到施加设计围压的要求；
步骤S4、竖向荷载加载，将竖直加载杆下端的钢球与圆形不透水钢板上的球支座经其空心半球形凹槽咬合固定，然后将加载设计重量的加载砝码放入加载砝码托盘中；
步骤S5、渗透控制，打开第一阀门，使水流通过入水管，依次流经抽水泵、测压计和圆形不透水钢板，通过测压计和第一阀门来控制渗流所需的水压和水流量；
步骤S6、干湿循环控制，先打开第一阀门、第六阀门，使水流进入圆形不透水钢板下方，待第六阀门所在的风管支路处有水流溢出时，关闭第一阀门和第六阀门，当集水器中水的重量不发生变化时，关闭第五阀门，接着打开第四阀门和真空泵，排出圆柱形岩土体试样中的空气，使圆柱形岩土体试样饱和，24h后关闭第四阀门和真空泵，打开第二阀门、第三阀门和热风机，使热风通过圆柱形岩土体试样带走水分后，进入干燥装置进行脱湿，直至圆柱形岩土体试样干燥完毕后关闭第二阀门和热风机，接着打开第六阀门，使脱湿后热气经出水管和圆柱形岩土体试样后从风管排出，此为一个干湿循环；重复该步骤，直至达到试验所需干湿循环次数为止；
步骤S7、变形测量与渗透系数的监测，通过千分表、测距仪实时读数，对竖向变形、环向整体变形进行监测，每隔t时间段用电子天平对集水器和干燥装置进行称量并记录其质量，通过计算单位时间内通过出水管的水量和通过干燥装置的水量得到渗透系数；并依据圆柱形岩土体试样上加载的轴压、围压，以及其竖向变形和环向整体变形，得出干湿循环条件下不同渗透压力作用下渗透系数的变化规律。
进一步的，所述圆柱形岩土体试样在t时间段内的渗透系数根据以下公式确定：
式中，d为圆柱形岩土体试样的直径，Q为渗透压力加载稳定后通过圆柱形岩土体试样的渗流量，H为圆柱形岩土体试样的高度，P为渗透压力即水压；
所述渗透压力加载稳定后通过圆柱形岩土体试样的渗流量Q根据以下公式确定：
Q＝(m1-m′1)+(m2-m′2)；
式中，m′1为集水器的初始重量，m′2为干燥装置的初始重量，m1为集水器在加载t时间段稳定后的重量，m2为干燥装置在加载t时间段稳定后的重量；
所述干燥装置的含水率增至生石灰质量的70％时，即认为圆柱形岩土体试样干燥完毕，关闭第二阀门和热风机。
本发明的有益效果是：
(1)本实验装置能够同时模拟边坡浅层失稳时岩土体原位三向低应力状态及干湿循环条件，从而减少岩土体扰动对实验结果的影响。解决了现有岩土体渗透变形测试装置未考虑低应力与干湿循环的环境条件而影响实验结果真实性的问题。
(2)本实验装置可以测试三向低应力状态以及干湿循环原位共同作用下岩土体的渗透系数、轴向变形量与环向变形量，同时可以进一步计算得到三向低应力状态及干湿循环原位共同作用下岩土体渗透系数、轴向变形量、环向变形量的演化规律，得到的岩土体渗透变形参数与边坡浅层岩土体原位测试得到的渗透变形参数基本一致，测量误差小。解决了现有的试验方法难以同时考虑低应力和干湿循环等综合因素共同作用，未将其共同作用对岩土体的影响考虑在内，造成试验误差大的问题。
(3)利用杠杆原理，通过对杠杆进行改造，形成轴压加载***，通过调节砝码盘加载砝码的质量，精确控制岩土体试样上加载的轴压，操作方便、省力，解决了目前采用轴压加载泵施加压力大、不便加载较低轴向压力且操作***复杂的问题。
(4)通过可旋转底座带动激光测距仪的激光发射头能绕岩土体一周，通过调节杆上下移动，从而测量圆柱形岩土体试样每点的压缩量即环向变形量，同时通过千分表的读数，可测量竖向变形量，显示直观，操作简单，可精确测量岩土体的整体变形。解决了现有岩土体渗透变形测试装置在岩土体表面局部粘贴应变片来测量其环向变形量，造成测量准确度不高的问题。
(5)本实验装置各个***功能集成、结构简单、操作方便，无需具备较为先进的三轴压缩试验仪器，成本较低，解决了现有岩土体渗透变形测试装置对试验条件要求高、需具备较为先进的三轴压缩试验仪器、操作复杂、成本高昂的问题。同时考虑低应力和干湿循环等综合因素共同作用，实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的结构示意图。
图2是本发明低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的底座示意图。
图3是本发明低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的圆形透水钢板示意图。
图4是本发明低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的环向变形量测试***示意图。
图5是发明低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的竖向荷载加载示意图。
图6是本发明低应力条件下岩土体渗透系数与围压之间的关系图。
图7是本发明低应力条件下岩土体竖向变形与围压之间的关系图。
图8是本发明低应力条件下岩土体环向变形与围压之间的关系图。
图9是本发明低应力条件下岩土体渗透系数与轴压之间的关系图。
图10是本发明低应力条件下岩土体竖向变形与轴压之间的关系图。
图11是本发明低应力条件下岩土体环向变形与轴压之间的关系图。
图中，1.试验台，11.第一层台面，12.第二层台面，2.渗透***，21.底座，22.下透水石，23.弹性橡胶膜，24.上透水石，25.圆形不透水钢板，26.圆柱形岩土体试样，27.圆形透水钢板，28.出水管，29.引流槽，3.供水***，31.储水装置，32.测压计，33.入水管，34.抽水泵，4.竖向荷载加载***，41.阻力砝码，42.斜杆，43.竖直杆，44.竖直加载杆，45.加载砝码托盘，46.加载砝码，51.热风机，52.真空泵，53.干燥装置；61.千分表，62.测距仪，63.支撑杆，64.可旋转底座，65.集水器，66.电子天平。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，如图1所示，包括渗透***2、供水***3、竖向荷载加载***4、环向荷载加载***、干湿循环***、渗流量测量***、变形量测量***。供水***3与渗透***2的水流入口连接，竖向荷载加载***4的轴压输出端与渗透***2的轴压加载端连接，环向荷载加载***的围压输出端与渗透***2的围压加载端连接，干湿循环***的热气输出端与渗透***2的热气入口连接，渗透***2的出水口与渗流量测量***连接，渗透***2的热气出口与干湿循环***的热气干燥端连接，变形量测量***的输入端与渗透装置2的轴向变形端和环向变形端连接。
渗透***2由底座21、下透水石22、上透水石24、圆形不透水钢板25、圆柱形岩土体试样26、圆形透水钢板27组成。圆柱形岩土体试样26位于底座21上，下透水石22置于圆柱形岩土体试样26与底座21之间，圆柱形岩土体试样26的顶部设有从下到上依次放置的上透水石24、圆形透水钢板27和圆形不透水钢板25。圆形不透水钢板25上设有球支座和两个圆形通孔。渗透***2通过圆形不透水钢板25上的一个圆形通孔与供水***3连接，通过圆形不透水钢板25上的另一个圆形通孔与干湿循环***连接，并通过圆形不透水钢板25上的球支座与竖向荷载加载***4连接。如图2所示，底座21上设有引流槽29、出水孔和多圈从外向内依次嵌套的环形槽，出水孔用于与渗流量测量***连接，出水孔嵌于最内圈的环形槽内，引流槽29一端与最外圈的环形槽相通，另一端向内依次连通最外圈环形槽内的所有环形槽后与出水孔相通，下透水石22与底座21上的环形槽相贴合，且下透水石22与底座21上最外圈的环形槽直径一致。如图3所示，圆形透水钢板27是一个均匀设置有透水孔的钢板。
供水***3由储水装置31、入水管33和抽水泵34组成。入水管33一端经抽水泵34与储水装置31连通，其另一端与渗透***2的圆形不透水钢板25上的一个圆形通孔相通，入水管33上设有第一阀门(阀门K1)和测压计32。储水装置31是水箱、水桶等可盛放水的器皿。
竖向荷载加载***4由阻力砝码41、斜杆42、竖直杆43、竖直加载杆44、加载砝码托盘45和加载砝码46组成。竖直杆43竖直固定于渗透***2一侧，斜杆42一端用螺栓与竖直杆43的上部转动连接(即斜杆42可绕其与竖直杆43通过螺栓连接的连接点在竖直平面内左右转动)，加载砝码托盘45固定于斜杆42的另一端。竖直加载杆44位于竖直杆43和加载砝码托盘45之间。竖直加载杆44一端用螺栓与斜杆42转动连接(即竖直加载杆44可绕其与斜杆42通过螺栓连接的连接点在竖直平面内左右转动)，其另一端设有与渗透***2的圆形不透水钢板25上的球支座咬合固定的钢球，球支座为空心半球形凹槽。设置钢球和球支座，能够实现竖向荷载加载***4与圆形不透水钢板25分离。阻力砝码41固定于斜杆42与竖直杆43固定连接的一端，且阻力砝码41位于竖直杆43远离竖直加载杆44的一侧，加载砝码托盘45内放置加载砝码46。
环向荷载加载***为依次套设在圆柱形岩土体试样26外侧面的多层弹性橡胶膜23(材质与橡胶圈材质相同)，通过套设不同层数的橡胶模，控制土样承受的围压。弹性橡胶膜23的厚度为0.5～1mm，其内径与岩土体试样的直径大小一致。下透水石22、上透水石24、圆形不透水钢板25和圆形透水钢板27均位于第一层的弹性橡胶膜23内，下透水石22、上透水石24、圆形不透水钢板25、圆柱形岩土体试样26和圆形透水钢板27的直径均与弹性橡胶膜23的内径相等，其外侧壁与第一层的弹性橡胶膜23相接触。
本发明弹性橡胶膜23的变形量与其弹力即围压之间的关系为：
σ3＝10600ε；
围压计算为：
上式中，σ3表示围压即弹性橡胶膜23的弹力，ε为弹性橡胶膜23的弹性模量，b为弹性橡胶膜23的厚度，d0为弹性橡胶膜23的直径，n为弹性橡胶膜23的的层数。
干湿循环***由热风机51、真空泵52和干燥装置53组成。热风机51经第二阀门(阀门K2)与入水管33相通，真空泵52通过风管与渗透***2的圆形不透水钢板上的另一个圆形通孔相通，干燥装置53通过出水管28与渗透***2的底座21上的出水孔相通。本实施例干燥装置53为盛有生石灰等干燥剂的器皿(玻璃瓶等)，选用生石灰，易得且经济。风管一端与渗透***2的圆形不透水钢板25上的圆形通孔相通，另一端分成两个支路，一个支路经第四阀门(阀门K4)与真空泵52连接，另一个支路经第六阀门(阀门K6)与外部空气相通。
变形量测量***由轴向变形量测量***和环向变形量测量***组成，本实施例的轴向变形量测量***由固定杆和千分表61组成，千分表61竖直固定在固定杆上，其测头置于圆形不透水钢板25上并与圆形不透水钢板25相接触。环向变形量测量***由测距仪62、支撑杆63和可旋转底座64组成，本实施例中测距仪62采用激光测距仪。可旋转底座64套设于渗透***2的底座21的外侧壁上，其可绕底座21转动；激光测距仪水平固定于支撑杆63上，支撑杆63竖直固定于可旋转底座64上，支撑杆63位于渗透***2侧面，激光测距仪的激光发射头朝向圆柱形岩土体试样26的侧壁。本发明也可采用其他的测距仪，采用激光测距仪，精度较高，且操作方便。
每次圆柱形岩土体试样26的整体环向变形量测量时，均通过可旋转底座64带动激光测距仪的激光发射头绕圆柱形岩土体试样26一周，并通过调节杆上下移动，从而测量圆柱形岩土体试样26每点的环向变形量，测距仪62与计算机连接，将这些测量数据采集至计算机中，然后将测量的圆柱形岩土体试样26每点的环向变形量数据绘制散点图，并进行直线拟合和方差分析，得到圆柱形岩土体试样26的环向整体变形量。
渗流量测量***由集水器65和电子天平66组成，出水管28一端与渗透***2连接，另一端分成两个支路，其一个支路经第三阀门(阀门K3)与干湿循环***的干燥装置53相通，其另一个支路经第五阀门(阀门K5)与渗流量测量***的集水器65相通。水通过出水管28和第五阀门流入集水器65，集水器65置于电子天平66上，电子天平66用于称量集水器65的重量，得到渗流量。
竖向荷载加载***4的竖直杆43和变形量测量***的可旋转底座64均置于试验台1上，试验台1分为第一层台面11和第二层台面12两层。竖向荷载加载***4的竖直杆43固定在第一层台面11上，变形量测量***的可旋转底座64放置在第一层台面11上，干燥装置53和电子天平66放置在第二层台面12上，出水管28贯穿第一层台面后分成两个支路，分别与干燥装置53和集水器65相通。试验台1由钢材或混凝土等具有一定承载力的材料制作而成。圆柱形岩土体试样26的尺寸参数，根据环刀渗流试验试样的尺寸进行放大或缩小而得到。
可旋转底座64为一个轴承，其内圈与试验台1固定连接，其外圈与支撑杆63固定连接，渗透***2的底座21嵌于可旋转底座64的内圈中，底座21与试验台1固定连接。支撑杆63由竖杆、横杆和调节杆组成，测距仪62固定于调节杆上。竖杆一端与可旋转底座64的外圈固定连接，其另一端与水平放置的横杆固定连接，横杆上设有竖直的螺纹通孔，调节杆上设有与该螺纹通孔相匹配的外螺纹，调节杆通过其上的外螺纹以及横杆上的螺纹通孔与横杆螺纹连接。可旋转底座64带动测距仪62可绕圆柱形岩土体试样26转动一周，并通过调节杆与横杆螺纹连接调节测距仪62的高度，以便测量圆柱形岩土体试样26的整体环向变形量。
下透水石22和上透水石24的厚度均为10mm，直径均为100mm。
本发明的低应力条件下岩土体渗透变形测试方法的具体步骤如下：
步骤S1、制备圆柱形岩土体试样26，原岩经过钻孔取芯、打磨、脱模等工序，制成试验所需的圆柱形岩土体试样26；
步骤S2、组装渗透变形测试装置，在圆柱形岩土体试样26的外侧壁上刷一层防水胶并套上弹性橡胶膜23，然后在圆柱形岩土体试样26上表面放置上透水石24、圆形透水钢板27和圆形不透水钢板25，并在圆柱形岩土体试样26下表面放置下透水石22，同时用弹性橡胶膜23包裹，上透水石24与圆形透水钢板27相贴合，圆形透水钢板27相贴合与圆形不透水钢板25相贴合。
步骤S3、围压加载，通过在第一层的弹性橡胶膜23外侧依次套上n(n＝2、3、4……)层弹性橡胶膜，以达到施加设计围压的要求。
步骤S4、竖向荷载加载，将竖直加载杆44下端与圆形不透水钢板25上的球支座咬合固定，然后将加载设计重量的加载砝码46放入加载砝码托盘45中。
步骤S5、渗透控制，打开第一阀门，使水流通过入水管33，依次流进抽水泵34、测压计32、圆形不透水钢板25，渗入圆柱形岩土体试样26，通过测压计32和第一阀门来控制渗流所需的压力。
步骤S6、干湿循环控制，先打开第一阀门、第六阀门，使水流进入圆形不透水钢板25下方，待第六阀门所在的风管支路处有水流溢出时，关闭第一阀门和第六阀门，当水流全部流入集水器65时(即当集水器65中水的重量不发生变化时)，关闭第五阀门，接着打开第四阀门和真空泵52，排出岩土体、水中的空气，使圆柱形岩土体试样26饱和，24h后关闭第四阀门和真空泵52，打开第二阀门、第三阀门和热风机51，使热风通过圆柱形岩土体试样26带走水分后，进入干燥装置53进行脱湿，每小时用电子天平66称其重量并记录，若其含水率增至生石灰质量的70％时关闭第二阀门和热风机51(含水率增至生石灰质量的70％的时候，即认为岩土体试样已经干燥了)，接着打开第六阀门，使脱湿后热气经出水管28和圆柱形岩土体试样26后从风管排出，此为一个干湿循环；重复该步骤，直至达到试验所需干湿循环次数为止。
步骤S7、变形测量与渗透系数的监测，通过千分表61、测距仪62的实时读数，分别对竖向变形、环向变形进行监测，每隔一段时间用电子天平66对集水器65和干燥装置53进行称量并记录其质量，通过计算单位时间内通过出水管28的水量和通过干燥装置53的水量得到渗透系数。
如图5所示，为竖向荷载加载示意图，其中F1为阻力砝码41的重力，F2为竖直加载杆44受到的轴向加载力，F3为加载砝码46的重力，l1为F1作用的力臂，l2为F2作用的力臂，l3为F3作用的力臂，根据杆杆力矩平衡可得：
F1·l1＝F2·l2+F3·l3；
因此，在已知阻力砝码41的质量，阻力砝码41到竖直杆43的水平距离、竖直加载杆44到竖直杆43的水平距离以及加载砝码托盘45到竖直杆43的水平距离的前提下，依据所需加载的轴压大小(竖直加载杆44所需受到的轴向加载力)，根据上述公式即可计算得到加载砝码46的质量，进而在加载砝码托盘45中加载对应质量的加载砝码46，完成一次轴向加载。
每隔时间t用电子天平称量集水器65的重量m1和干燥装置53的重量m2，设初始时集水器65的重量为m′1、干燥装置53的重量为m′2，从而可得t时间段内岩土体试样的渗流量为Q＝(m1-m′1)+(m2-m′2)，进一步在渗透压力(水压)P下，圆柱形岩土体试样26在t时间段内的渗透系数可根据以下公式确定：
式中，d为圆柱形岩土体试样26的直径，Q为渗透压力加载稳定后通过圆柱形岩土体试样26的渗流量，H为圆柱形岩土体试样26的高度，该式可研究干湿循环条件下不同轴压或围压作用下岩土体渗透系数的变化规律。
假设轴压σ1一定，通过套用不同层数的弹性橡胶膜23对圆柱形岩土体试样26施加不同的围压σ3，通过千分表61和测距仪62的读数可测得在不同轴压与围压比下所发生的环向变形量L3和竖向变形量L4，分析数据，根据环向变形量L3和竖向变形量L4与不同围压σ3、轴压与围压比的关系，可建立表达式如下：
假设围压σ3一定，通过竖向荷载加载***4对圆柱形岩土体试样26施加不同的竖向荷载，通过千分表61和测距仪62的读数可测得在不同轴压与围压比下所发生的竖向变形量L1和环向变形量L2，分析数据，根据竖向变形量L1和环向变形量L2与不同轴压σ1、轴压与围压比的关系，可建立表达式如下：
通过控制加载不同的轴压与围压，可以获得低应力条件下岩土体的渗透变形情况。
分析试验数据，得到的岩土体渗透变形参数与边坡浅层岩土体原位测试得到的渗透变形参数基本一致。如图6所示，为在轴压σ1一定时，利用本发明的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置试验得到的圆柱形岩土体试样渗透系数与围压之间的关系图，由图可知，其与岩土体原位试验测量得到的结果基本一致，说明了本发明装置的有效性和准确度。如图7～8所示，可看出在轴压σ1一定时，利用本发明的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置试验得到的圆柱形岩土体试样的竖向变形量以及环向变形量与围压之间的关系均与岩土原位试验测量得到的结果基本一致，说明了本发明装置的有效性和准确度。
如图9所示，为在围压σ3一定时，利用本发明的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置试验得到的圆柱形岩土体试样渗透系数与轴压之间的关系图，由图可知，其与岩土体原位试验测量得到的结果基本一致，说明了本发明装置的有效性和准确度。如图10～11所示，可看出在围压σ3一定时，利用本发明的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置试验得到的圆柱形岩土体试样的竖向变形量以及环向变形量与轴压之间的关系均与岩土原位试验测量的测量结果基本一致，说明了本发明装置的有效性和准确度。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，包括渗透***（2）、供水***（3）、竖向荷载加载***（4）、环向荷载加载***、干湿循环***、渗流量测量***和变形量测量***；
供水***（3）与渗透***（2）的水流入口连接，竖向荷载加载***（4）的轴压输出端与渗透***（2）的轴压加载端连接，环向荷载加载***的围压输出端与渗透***（2）的围压加载端连接，干湿循环***的热气输出端与渗透***（2）的热气入口连接，渗透***（2）的出水口与渗流量测量***连接，渗透***（2）的热气出口与干湿循环***的热气干燥端连接，变形量测量***的输入端与渗透***（2）的轴向变形端和环向变形端连接；
所述渗透***（2）由底座（21）、下透水石（22）、上透水石（24）、圆形不透水钢板（25）、圆柱形岩土体试样（26）和圆形透水钢板（27）组成；圆柱形岩土体试样（26）位于底座（21）上，下透水石（22）置于圆柱形岩土体试样（26）与底座（21）之间，圆柱形岩土体试样（26）的顶部设有从下到上依次放置的上透水石（24）、圆形透水钢板（27）和圆形不透水钢板（25）；
所述圆形不透水钢板（25）上设有球支座和两个圆形通孔，球支座上设有空心半球形凹槽；所述渗透***（2）通过圆形不透水钢板（25）上的一个圆形通孔与供水***（3）连接，其通过圆形不透水钢板（25）上的另一个圆形通孔与干湿循环***连接，并通过圆形不透水钢板（25）上的球支座与竖向荷载加载***（4）连接；
所述环向荷载加载***为依次套设在圆柱形岩土体试样（26）外侧面的多层规格相同的弹性橡胶膜（23），第一层的弹性橡胶膜（23）通过防水胶固定套设在圆柱形岩土体试样（26）外侧面；
所述下透水石（22）、上透水石（24）、圆形不透水钢板（25）和圆形透水钢板（27）均位于第一层的弹性橡胶膜（23）内；下透水石（22）、上透水石（24）、圆形不透水钢板（25）、圆柱形岩土体试样（26）和圆形透水钢板（27）的直径均与弹性橡胶膜（23）的内径相等，且这五者的外侧壁与第一层的弹性橡胶膜（23）的内壁相接触。
2.根据权利要求1所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述底座（21）上设有引流槽（29）、出水孔和多圈从外向内依次嵌套的环形槽；出水孔嵌于最内圈的环形槽内，引流槽（29）一端与最外圈的环形槽相通，另一端向内依次连通所有环形槽后与出水孔相通；下透水石（22）与底座（21）上的环形槽相贴合，且下透水石（22）与底座（21）上最外圈的环形槽直径相等；所述渗透***（2）通过底座（21）上的出水孔分别与渗流量测量***和干湿循环***连接；
所述弹性橡胶膜（23）的厚度为0.5~1mm。
3.根据权利要求1所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述竖向荷载加载***（4）由阻力砝码（41）、斜杆（42）、竖直杆（43）、竖直加载杆（44）、加载砝码托盘（45）和加载砝码（46）组成；竖直杆（43）竖直固定于渗透***（2）一侧，斜杆（42）一端用螺栓与竖直杆（43）的上部转动连接，加载砝码托盘（45）固定于斜杆（42）的另一端；竖直加载杆（44）位于竖直杆（43）和加载砝码托盘（45）之间；竖直加载杆（44）一端用螺栓与斜杆（42）转动连接，其另一端设有与球支座的空心半球形凹槽相匹配的钢球，竖向荷载加载***（4）通过竖直加载杆（44）上的钢球以及球支座上的空心半球形凹槽与渗透***（2）的球支座咬合固定；阻力砝码（41）固定于斜杆（42）与竖直杆（43）固定连接的一端，且阻力砝码（41）位于竖直杆（43）远离竖直加载杆（44）的一侧，加载砝码托盘（45）内放置加载砝码（46）。
4.根据权利要求1~3任一项所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述供水***（3）由储水装置（31）、入水管（33）和抽水泵（34）组成；入水管（33）一端经抽水泵（34）与储水装置（31）连通，其另一端与渗透***（2）的圆形不透水钢板（25）上的一个圆形通孔相通，入水管（33）上设有第一阀门和测压计（32）；
所述变形量测量***由轴向变形量测量***和环向变形量测量***组成；
所述轴向变形量测量***由固定杆和千分表（61）组成，千分表（61）竖直固定在固定杆上，其测头置于圆形不透水钢板（25）上并与圆形不透水钢板（25）相接触；
所述环向变形量测量***由测距仪（62）、支撑杆（63）和可旋转底座（64）组成；可旋转底座（64）套设于底座（21）下部的外侧壁上，其可绕底座（21）转动；支撑杆（63）位于渗透***（2）的侧面，并竖直固定在可旋转底座（64）上；测距仪（62）水平固定在支撑杆（63）上，且其测距端朝向圆柱形岩土体试样（26）；
所述测距仪（62）的输出端与计算机电性连接。
5.根据权利要求4所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述干湿循环***由热风机（51）、真空泵（52）和干燥装置（53）组成；热风机（51）经第二阀门与入水管（33）相通，真空泵（52）通过风管与渗透***（2）的圆形不透水钢板（25）上的另一个圆形通孔相通，干燥装置（53）通过出水管（28）与渗透***（2）的底座（21）上的出水孔相通。
6.根据权利要求5所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置，其特征在于，所述渗流量测量***由集水器（65）和电子天平（66）组成，集水器（65）置于电子天平（66）上；
所述出水管（28）一端与底座（21）的出水孔连接，其另一端分成两个支路，一个支路经第三阀门与干燥装置（53）相通，另一个支路经第五阀门与渗流量测量***的集水器（65）相通；
所述风管一端与圆形不透水钢板（25）上的圆形通孔相通，其另一端分成两个支路，一个支路经第四阀门与真空泵（52）连接，另一个支路经第六阀门与外部空气相通；
所述竖直杆（43）、固定杆和可旋转底座（64）均置于试验台（1）上，试验台（1）分为第一层台面（11）和第二层台面（12）两层；竖直杆（43）、固定杆和可旋转底座（64）固定在第一层台面（11）上，干燥装置（53）和电子天平（66）放置在第二层台面（12）上；出水管（28）贯穿第一层台面后分成两个支路分别与干燥装置（53）和集水器（65）一一对应连通；
所述可旋转底座（64）为一个轴承，其内圈与试验台（1）固定连接，其外圈与支撑杆（63）固定连接；底座（21）嵌于可旋转底座（64）的内圈中，并与试验台（1）固定连接；
所述支撑杆（63）由竖杆、横杆和调节杆组成，测距仪（62）固定于调节杆上；竖杆一端与可旋转底座（64）的外圈固定连接，其另一端与水平放置的横杆固定连接，横杆上设有竖直的螺纹通孔，调节杆上设有与该螺纹通孔相匹配的外螺纹，调节杆通过其上的外螺纹以及横杆上的螺纹通孔与横杆螺纹连接；
所述下透水石（22）和上透水石（24）的厚度均为10mm；
所述测距仪（62）采用激光测距仪。
7.如权利要求1~6任一项所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1、制备圆柱形岩土体试样（26），原岩经过钻孔取芯、打磨、脱模，制成试验所需的圆柱形岩土体试样（26）；
步骤S2、组装变形量测试***，在圆柱形岩土体试样（26）的外侧壁上刷一层防水胶并套上第一层的弹性橡胶膜（23），然后在圆柱形岩土体试样（26）上表面放置上透水石（24）、圆形透水钢板（27）和圆形不透水钢板（25），并在圆柱形岩土体试样（26）下表面放置下透水石（22），同时用第一层的弹性橡胶膜（23）包裹，上透水石（24）与圆形透水钢板（27）相贴合，圆形透水钢板（27）与圆形不透水钢板（25）相贴合；
步骤S3、围压加载，通过在第一层的弹性橡胶膜（23）外侧依次套上多层的弹性橡胶膜（23），以达到施加设计围压的要求；
步骤S4、竖向荷载加载，将竖直加载杆（44）下端的钢球与圆形不透水钢板（25）上的球支座经其空心半球形凹槽咬合固定，然后将加载设计重量的加载砝码（46）放入加载砝码托盘（45）中；
步骤S5、渗透控制，打开第一阀门，使水流通过入水管（33），依次流经抽水泵（34）、测压计（32）和圆形不透水钢板（25），通过测压计（32）和第一阀门来控制渗流所需的水压和水流量；
步骤S6、干湿循环控制，先打开第一阀门、第六阀门，使水流进入圆形不透水钢板（25）下方，待第六阀门所在的风管支路处有水流溢出时，关闭第一阀门和第六阀门，当集水器（65）中水的重量不发生变化时，关闭第五阀门，接着打开第四阀门和真空泵（52），排出圆柱形岩土体试样（26）中的空气，使圆柱形岩土体试样（26）饱和，24h后关闭第四阀门和真空泵（52），打开第二阀门、第三阀门和热风机（51），使热风通过圆柱形岩土体试样（26）带走水分后，进入干燥装置（53）进行脱湿，直至圆柱形岩土体试样（26）干燥完毕后关闭第二阀门和热风机（51），接着打开第六阀门，使脱湿后热气经出水管（28）和圆柱形岩土体试样（26）后从风管排出，此为一个干湿循环；重复该步骤，直至达到试验所需干湿循环次数为止；
步骤S7、变形测量与渗透系数的监测，通过千分表（61）、测距仪（62）实时读数，对竖向变形、环向整体变形进行监测，每隔t时间段用电子天平（66）对集水器（65）和干燥装置（53）进行称量并记录其质量，通过计算单位时间内通过出水管（28）的水量和通过干燥装置（53）的水量得到渗透系数；并依据圆柱形岩土体试样（26）上加载的轴压、围压，以及其竖向变形和环向整体变形，得出干湿循环条件下不同渗透压力作用下渗透系数的变化规律。
8.根据权利要求7所述的低应力条件下岩土体渗透变形测试装置的试验方法，其特征在于，所述圆柱形岩土体试样（26）在t时间段内的渗透系数k根据以下公式确定：
；
式中，d为圆柱形岩土体试样（26）的直径，Q为渗透压力加载稳定后通过圆柱形岩土体试样（26）的渗流量，H为圆柱形岩土体试样（26）的高度，P为渗透压力即水压；
所述渗透压力加载稳定后通过圆柱形岩土体试样（26）的渗流量Q根据以下公式确定：
；
式中，为集水器（65）的初始重量，/>为干燥装置（53）的初始重量，/>为集水器（65）在加载t时间段稳定后的重量，/>为干燥装置（53）在加载t时间段稳定后的重量；
所述干燥装置（53）的含水率增至生石灰质量的70%时，即认为圆柱形岩土体试样（26）干燥完毕，关闭第二阀门和热风机（51）。
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