CN112268844B - 一种gds三轴仪排水条件下的渗流侵蚀控制***及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GDS三轴仪排水条件下的渗流侵蚀控制***及试验方法，该***包括顶部孔压传感器、底部孔压传感器、两个体积压缩控制器、换流阀门、顶部孔压阀门和底部孔压阀门；换流阀门外圈等间距设置四个接口，用于分别连接试样顶部管道、试样底部管道、两个体积压缩控制器；换流阀门内部为可转动圆盘，圆盘内设置两条相背的C形通道，可以连通换流阀门外圈任意两个相邻的接口；通过自由切换体积压缩控制器与GDS三轴仪内部试样的连接状态，可以实现试样内部形成稳定持续的渗流，满足土体恒定剪切排水试验的试验要求，解决了单个体积压缩控制器最大渗流体积总量为200cc而不足以完成整个渗透侵蚀试验的问题，提高了土体渗透侵蚀试验的效率与科学性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程项目施工过程中，排水工况下地下水渗流侵蚀的相关领域，利用一种GDS三轴仪排水条件下的渗流侵蚀控制***及试验方法，可以更加科学高效的开展GDS三轴仪渗透侵蚀试验。
背景技术
随着我国经济的迅速发展与城市建设进程的不断推进，近年来滨海地区的深基坑、隧道、桥梁等工程项目的数量不断增多，因此出现了大批在富水地层环境中施工的基坑工程。在富水地层中，水文地质条件十分复杂，若处理不当，极易引发管涌、流土等渗流侵蚀破坏问题，易导致基坑失稳坍塌等工程事故，也会造成周边建筑物倾斜沉降、路面开裂坍塌等问题，对生命和财产安全造成严重威胁。由此可见，进行土体渗流侵蚀的研究极为重要。
目前关于土体渗流侵蚀的试验研究多为开展恒定剪切排水试验；关于恒定剪切排水试验，其试验原理是保持试样的围压和轴向压力不变，利用顶部孔压与底部孔压形成一个压力差，从而在试样内部形成一个稳定连续的渗流，在持续渗流侵蚀的作用下，会造成土体细颗粒在粗颗粒间的孔隙通道中发生迁移，造成土体密度、孔隙率发生改变，对土体渗透性产生影响，并且渗流侵蚀作用下土体结构发生改变，进而影响土体力学性质。
当前开展上述渗流侵蚀试验多为采用GDS三轴仪自带的渗流模块来进行，但目前GDS三轴仪用来进行渗流试验所配置的体积压缩控制器，其体积量程为200cc(即200mL)，所存水量不足让土体发生渗透侵蚀破坏，为了完成恒定剪切排水试验，必须中途停止试验让体积压缩控制器进行吸水，使得试验不能高效开展。因此亟需一套满足试验要求的GDS三轴仪的渗流侵蚀模块，来保证渗透侵蚀试验的高效性及科学性。
发明内容
为了解决当前渗透侵蚀试验中的相关问题，本发明提供了一种GDS三轴仪排水条件下的渗流侵蚀控制***及试验方法，解决了恒定剪切排水试验渗透过程不连续的问题，保证了渗透侵蚀试验的高效性和科学性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一方面提供了一种GDS三轴仪排水条件下的渗流侵蚀控制***，该***包括顶部孔压传感器、底部孔压传感器、第一体积压缩控制器、第二体积压缩控制器、换流阀门、顶部孔压阀门和底部孔压阀门；通过该GDS三轴仪排水条件下的渗流侵蚀控制***，用户可以自由切换第一体积压缩控制器、第二体积压缩控制器与试样顶部、试样底部的试样端部管道接口的连接状态，进而实现第一体积压缩控制器、第二体积压缩控制器与试样顶部与底部的自由连接，使得试样内部获得持续渗流。
进一步地，所述换流阀门有外圈结构与内部圆盘结构；
所述换流阀门外圈固定，在外圈周围等间距设置四个接口，用于分别连接试样顶部管道、试样底部管道、第一体积压缩控制器、第二体积压缩控制器，其中两个连接试样顶部、底部的试样端部管道接口对称分布，两个体积压缩控制器接口对称分布，试样端部管道接口与体积压缩控制器接口相邻分布；
所述换流阀门内部圆盘结构可以绕着圆心处中轴转动，圆盘内设置两条相背的C形通道，可以连通换流阀门外圈任意两个相邻的接口；其中一个试样端部管道接口通过管路连通试样顶部，在管路上依次设有顶部孔压传感器、顶部孔压阀门，形成排水支路；另一个试样端部管道接口通过管路连通试样底部，在管路上依次设有底部孔压传感器、底部孔压阀门，形成注水支路；所述第一体积压缩控制器和第二体积压缩控制器通过换流阀门可以任意连通注水支路和排水支路，两个体积压缩控制器与所述注水支路、试样、排水支路贯通形成一条完整的渗流通路；
转动换流阀门可以实现两个体积压缩控制器与注水支路、排水支路连接状态的任意切换，进而实现两个体积压缩控制器与试样顶部、底部连接状态的切换，解决单个体积压缩控制器最大渗流体积总量为200cc而不足以完成整个渗透侵蚀试验的问题，通过渗流水流的外部循环与两个体积压缩控制器的切换，可以保证试样内部形成稳定连续的渗流，满足土体恒定剪切排水试验的试验要求。
进一步地，所述换流阀门外圈与内部圆盘之间的缝隙处设有止水橡胶圈，保证换流阀门外圈与内部圆盘发生相对转动的同时，具有较好的密封性。
本发明另一方面提供了一种基于渗流侵蚀控制***的渗流侵蚀排水试验方法，该方法包括以下步骤：
(1)利用GDS三轴仪开展恒定剪切排水试验，首先按照试验规范与试验方案完成试样的制备、饱和、固结过程，达到并维持试验方案所要求试样的应力状态，准备进行渗流侵蚀排水试验。
(2)关闭顶部孔压阀门和底部孔压阀门，将第一体积压缩控制器排空，第二体积压缩控制器吸满无气水，转动换流阀门使得第一体积压缩控制器与排水支路相接进而连通试样顶部，第二体积压缩控制器与注水支路相接进而连通试样底部；在计算机试验操作界面预设置顶部底部压力值大小、压力差、渗流速度等渗流参数，让试样内可以发生由下向上的渗流，在压力差的作用下可以使得第二体积压缩控制器向试样注水，第一体积压缩控制器向试样吸水；打开顶部孔压阀门和底部孔压阀门，点击开始试验。压力差的作用下，GDS三轴仪的渗流侵蚀控制***便从第二体积压缩控制器出水，通过换流阀门向试样底部注水，流经试样内部，从试样顶部排水，再经由换流阀门吸入第一体积压缩控制器，从而开始渗流侵蚀试验；然后由GDS三轴仪的数据采集***自动记录和保存试样的轴向变形、体积变形、轴压、围压、孔隙水压力、渗透系数变化的数据。
(3)待第二体积压缩控制器内无气水即将排尽时，预先在计算机操作界面反向设置顶部底部压力值大小、压力差、渗流速度等渗流参数，在压力差的作用下可以使得第二体积压缩控制器向内吸水，第一体积压缩控制器往外注水。然后在计算机操作界面暂停上一试验阶段的运行；再迅速转动换流阀门使得第二体积压缩控制器与排水支路相接进而连通试样顶部，第一体积压缩控制器与注水支路相接进而连通试样底部；再立即按预先设置好的渗流参数继续渗流侵蚀试验，试样内持续发生由下向上的渗流。
(4)重复步骤(3)的操作，使得试样内部发生连续渗流，直至试样发生渗流侵蚀破坏，结束试验。
(5)试验结束后，按照试验操作规范，由内向外依此完成压力的卸载，然后进行拆样，清理仪器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用换流阀门，实现了两个体积压缩控制器与试样顶部、底部连接状态的自由切换，省去了重复拆卸仪器连接接口的问题。
2、本发明实现渗流侵蚀过程中渗透水流的循环使用，通过切换两个体积压缩控制器与试样顶部、底部连接状态，保证试样内部形成稳定连续的渗流，解决单个体积压缩控制器最大渗流体积总量为200cc而不足以完成整个渗透侵蚀试验的问题。
附图说明
图1为GDS三轴仪整体结构示意图；
图2为换流阀门状态Ⅰ连接示意图；
图3为换流阀门在状态Ⅰ情况下渗流流向示意图；
图4为换流阀门状态Ⅱ连接示意图；
图5为换流阀门在状态Ⅱ情况下渗流流向示意图；
图中，1、顶部孔压传感器；2、底部孔压传感器；3、第一体积压缩控制器；4、第二体积压缩控制器；5、换流阀门；6-1、顶部孔压阀门；6-2、底部孔压阀门；6-3、轴压阀门；6-4、围压阀门；6-5、压力室进水/排水阀门；7、轴压控制器；8、轴压传感器；9、试样顶帽；10、试样；11、试样底座；12、压力保护罩；13、位移传感器；14、基础底座；15、进水泵；16、围压传感器；17、围压控制器；18、数据采集***；19、计算机。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本实施例中GDS三轴仪包括GDS三轴仪主体、围压控制***、轴压控制***、渗流侵蚀控制***和数据采集与处理***；其中围压控制***与GDS三轴仪压力室相连，通过注水与排水过程实现围压控制，轴压控制***与GDS三轴仪底座以及顶部相连，通过控制试样底座的升降实现试样轴向压力控制，GDS三轴渗流侵蚀控制***与GDS三轴仪内部试样的顶部和底部相连，通过控制试样顶底水头压力差以及模块内部组件切换，实现试样内部稳定持续的渗流侵蚀，以上GDS三轴渗流侵蚀控制***、围压控制***、轴压控制***均与数据采集与处理***相连，受其控制并将数据传回数据采集与处理***。
所述GDS三轴仪主体包括：试样顶帽9、试样底座11、压力保护罩12、基础底座14、进水泵15、压力室进水/排水阀门6-5。试样10置于试样底座11与试样顶帽9之间，位于压力保护罩12之内，基础底座14之上。
所述轴压控制***包括：轴压控制器7、轴压传感器8、轴压阀门6-3、位移传感器13。
所述围压控制***包括：围压传感器16、围压控制器17、围压阀门6-4。
所述数据采集与处理***包括：数据采集控制***18、计算机19。
所述GDS三轴仪的渗流侵蚀控制***包括：顶部孔压传感器1、底部孔压传感器2、第一体积压缩控制器3、第二体积压缩控制器4、换流阀门5、顶部孔压阀门6-1和底部孔压阀门6-2；
所述换流阀门5外圈等间距设置四个接口，用于分别连接试样10顶部管道、试样10底部管道、第一体积压缩控制器3、第二体积压缩控制器4，其中两个连接试样10顶部、底部的试样端部管道接口对称分布，两个体积压缩控制器接口对称分布，试样端部管道接口与体积压缩控制器接口相邻分布；
所述换流阀门5内部为可转动圆盘，可绕着圆心处中轴转动，圆盘内设置两条相背的C形通道，可以连通换流阀门5外圈任意两个相邻的接口；其中一个试样端部管道接口通过管路连通试样10顶部，在管路上依次设有顶部孔压传感器1、顶部孔压阀门6-1，形成排水支路；另一个试样端部管道接口通过管路连通试样10底部，在管路上依次设有底部孔压传感器2、底部孔压阀门6-2，形成注水支路；所述第一体积压缩控制器3和第二体积压缩控制器4通过换流阀门5可以任意连通注水支路和排水支路，两个体积压缩控制器与所述注水支路、试样10、排水支路贯通形成一条完整的渗流通路；所述换流阀门5外圈与内部圆盘之间的缝隙处设有止水橡胶圈，保证换流阀门5外圈与内部圆盘发生相对转动的同时具有较好的密封性。
转动换流阀门5可以实现两个体积压缩控制器与注水支路、排水支路连接状态的任意切换，进而实现两个体积压缩控制器与试样10顶部、底部连接状态的切换，解决单个体积压缩控制器最大渗流体积总量为200cc而不足以完成整个渗透侵蚀试验的问题，通过渗流水流的外部循环与两个体积压缩控制器的切换，可以保证试样10内部形成稳定连续的渗流，满足土体恒定剪切排水试验的试验要求。
以下给出一砂土试样进行的渗流侵蚀试验示例，具体包括以下步骤：
步骤1：砂土制样与装样
(1)根据试验要求的称取烘干砂样、无气水，拌匀。
(2)打开底部孔压阀门6-2，使试样底座11充水，排尽试样底座11内的空气。将煮沸过的透水石滑入试样底座11上，并用橡皮带把透水石包扎在试样底座11上，放上滤纸，以防砂土漏入试样底座11中。关闭底部孔压阀门6-2，将橡皮膜的一端套在试样底座11上并扎紧，将对开模套在试样底座11上，将橡皮膜的上端外翻套在对开模上，然后抽气使橡皮膜贴紧对开模内壁；
(3)按试样10高度分5层击实，各层土料质量相等。每层击实至要求高度后，将表面刨毛，再加第2层土料；如此继续进行，直至击实最后一层，使所称出的砂样填满规定的体积；然后放上滤纸、透水石、试样顶帽9，翻起橡皮膜，并用橡皮带把橡皮膜扎紧在试样顶帽9上；
(4)将负压预饱和配件与顶部孔压阀门6-1处接口连接，打开负压预饱和配件进行抽气，使得在试样10内产生一定负压(20kPa)，使试样10能站立；拆除对开模，测量试样10的高度与直径，记录试样尺寸。
步骤2：二氧化碳饱和与水头饱和
(1)将砂土试样安装完毕后，利用负压预饱和配件进行持续抽气，保持试样10内部20kPa负压，查看橡皮膜有无破损漏气情况；安装压力保护罩12，打开压力室进水/排水阀门6-5，向压力室内注入无气水，直至淹没试样10；
(2)将二氧化碳气罐与底部孔压阀门6-2处接口连接，打开底部孔压阀门6-2，调节二氧化碳气罐的阀门，使得负压预饱和配件内的气泡均匀缓慢冒出；持续缓慢地向试样10内通二氧化碳气体30min后，关闭底部孔压阀门6-2和二氧化碳气罐的阀门；断开二氧化碳气罐与底部孔压阀门6-2处接口的连接；
(3)将无气水预饱和配件与底部孔压阀门6-2处接口连接；向无气水预饱和配件内注入充足的无气水后，缓慢打开底部孔压阀门6-2，在稳定负压作用下(20kPa)，无气水预饱和配件内的无气水将持续缓慢地注入试样10中，同时负压预饱和配件内将会有气泡均匀缓慢冒出；待负压预饱和配件内气泡完全消失后，再继续注无气水60min，然后同时关闭底部孔压阀门6-2和顶部孔压阀门6-1，再断开负压预饱和配件与顶部孔压阀门6-1处接口的连接，完成试样10的预饱和步骤。
步骤3：反压力饱和
(1)反压饱和过程中，压力应分级施加，并分级施加围压，以尽量减少对试样10的扰动。在施加反压过程中，始终保持围压比反压大10kPa。反压和围压的每级増量大小，对于砂土可取50kPa。
(2)操作时，先将围压调至50kPa，并将反压调至40kPa，同时同步打开围压阀门6-4、顶部孔压阀门5-1、底部孔压阀门5-2，待孔隙压力稳定后，进行B值检测。
(3)保持反压体积不变，增加围压20kPa，得到围压引起的孔隙压力增量△u，B＝△u/Δσ3(Δσ3为围压增量)，如若B＜0.98，则表示试样尚未饱和，这时继续按上述步骤加下一级围压和反压。如此逐级增加围压和反压直至试样饱和。
步骤4：排水固结
施加围压(在饱和基础上增加围压，围压大小按照试验方案加载100kPa/200kPa/300kPa/400kPa)，保持反压孔压压力值不变，维持时间为24h，则认为固结完成。
步骤5：渗流侵蚀恒定剪切排水试验
(1)关闭顶部孔压阀门6-1和底部孔压阀门6-2，将第一体积压缩控制器3排空，第二体积压缩控制器4吸满无气水，转动换流阀门5使得第一体积压缩控制器3与排水支路相接进而连通试样10顶部，第二体积压缩控制器4与注水支路相接进而连通试样10底部，如图2所示；在计算机19试验操作界面预设置顶部底部压力值大小、压力差、渗流速度等渗流参数，让试样10内可以发生由下向上的渗流，在压力差的作用下可以使得第二体积压缩控制器4向试样10注水，第一体积压缩控制器3向试样10吸水；打开顶部孔压阀门6-1和底部孔压阀门6-2，点击开始试验。压力差的作用下，GDS三轴仪的渗流侵蚀控制***便从第二体积压缩控制器4出水，通过换流阀门5向试样10底部注水，流经试样10内部，从试样10顶部排水，再经由换流阀门5吸入第一体积压缩控制器3，从而开始渗流侵蚀试验，如图3所示；然后由GDS三轴仪的数据采集***18获取顶部孔压传感器1、底部孔压传感器2、轴压传感器8、位移传感器13和围压传感器16数据，并自动记录和保存试样10的轴向变形、体积变形、轴压、围压、孔隙水压力、渗透系数变化的数据。
(2)待第二体积压缩控制器4内无气水即将排尽时，预先在计算机19操作界面反向设置顶部底部压力值大小、压力差、渗流速度等渗流参数，在压力差的作用下可以使得第二体积压缩控制器4向内吸水，第一体积压缩控制器3往外注水。然后在计算机19操作界面暂停上一试验阶段的运行；再迅速转动换流阀门5使得第二体积压缩控制器4与排水支路相接进而连通试样10顶部，第一体积压缩控制器3与注水支路相接进而连通试样10底部，如图4所示；再立即按预先设置好的渗流参数继续渗流侵蚀试验，试样10内持续发生由下向上的渗流，如图5所示。
(3)重复步骤(2)的操作，使得试样10内部发生连续渗流，直至试样发生渗流侵蚀破坏，结束试验。
(4)试验结束后，按照试验操作规范，由内向外依此完成压力的卸载，然后进行拆样，清理仪器。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种GDS三轴仪排水条件下的渗流侵蚀控制***，其特征在于，包括顶部孔压传感器(1)、底部孔压传感器(2)、第一体积压缩控制器(3)、第二体积压缩控制器(4)、换流阀门(5)、顶部孔压阀门(6-1)和底部孔压阀门(6-2)；
所述换流阀门(5)外圈等间距设置四个接口，用于分别连接试样(10)顶部管道、试样(10)底部管道、第一体积压缩控制器(3)、第二体积压缩控制器(4)，其中两个连接试样(10)顶部、底部的试样端部管道接口对称分布，两个体积压缩控制器接口对称分布，试样端部管道接口与体积压缩控制器接口相邻分布；
所述换流阀门(5)内部为可转动圆盘，可绕着圆心处中轴转动，圆盘内设置两条相背的C形通道，能够连通换流阀门(5)外圈任意两个相邻的接口；其中一个试样端部管道接口通过管路连通试样(10)顶部，在管路上依次设有顶部孔压传感器(1)、顶部孔压阀门(6-1)，形成排水支路；另一个试样端部管道接口通过管路连通试样(10)底部，在管路上依次设有底部孔压传感器(2)、底部孔压阀门(6-2)，形成注水支路；所述第一体积压缩控制器(3)和第二体积压缩控制器(4)通过换流阀门(5)能够任意连通注水支路和排水支路，两个体积压缩控制器与所述注水支路、试样(10)、排水支路贯通形成一条完整的渗流通路；所述换流阀门(5)外圈与内部圆盘之间的缝隙处设有止水橡胶圈，保证换流阀门(5)外圈与内部圆盘发生相对转动的同时具有较好的密封性；
转动换流阀门(5)能够实现两个体积压缩控制器与注水支路、排水支路连接状态的任意切换，进而实现两个体积压缩控制器与试样(10)顶部、底部连接状态的切换，通过渗流水流的外部循环与两个体积压缩控制器的切换，保证试样(10)内部形成稳定连续的渗流，满足土体恒定剪切排水试验的试验要求。
2.一种基于权利要求1所述渗流侵蚀控制***的渗流侵蚀排水试验方法，其特征在于，包括：
(1)利用GDS三轴仪开展恒定剪切排水试验，首先按照试验规范与试验方案完成试样(10)的制备、饱和、固结过程，达到并维持试验方案所要求试样(10)的应力状态，准备进行渗流侵蚀排水试验；
(2)关闭顶部孔压阀门(6-1)和底部孔压阀门(6-2)，将第一体积压缩控制器(3)排空，第二体积压缩控制器(4)吸满无气水，转动换流阀门(5)使得第一体积压缩控制器(3)与排水支路相接进而连通试样(10)顶部，第二体积压缩控制器(4)与注水支路相接进而连通试样(10)底部；在计算机(19)试验操作界面预设置顶部、底部压力值大小、压力差、渗流速度，让试样(10)内发生由下向上的渗流，在压力差的作用下使得第二体积压缩控制器(4)向试样(10)注水，第一体积压缩控制器(3)向试样(10)吸水；打开顶部孔压阀门(6-1)和底部孔压阀门(6-2)，点击开始试验；压力差的作用下，GDS三轴仪的渗流侵蚀控制***便从第二体积压缩控制器(4)出水，通过换流阀门(5)向试样(10)底部注水，流经试样(10)内部，从试样(10)顶部排水，再经由换流阀门(5)吸入第一体积压缩控制器(3)，从而开始渗流侵蚀试验；然后由GDS三轴仪的数据采集***(18)自动记录和保存试样(10)的轴向变形、体积变形、轴压、围压、孔隙水压力、渗透系数变化的数据；
(3)待第二体积压缩控制器(4)内无气水即将排尽时，预先在计算机(19)操作界面反向设置顶部底部压力值大小、压力差、渗流速度，在压力差的作用下使得第二体积压缩控制器(4)向内吸水，第一体积压缩控制器(3)往外注水；然后在计算机(19)操作界面暂停上一试验阶段的运行；再迅速转动换流阀门(5)使得第二体积压缩控制器(4)与排水支路相接进而连通试样(10)顶部，第一体积压缩控制器(3)与注水支路相接进而连通试样(10)底部；再立即按预先设置好的渗流参数继续渗流侵蚀试验，试样(10)内持续发生由下向上的渗流；
(4)重复步骤(3)的操作，使得试样(10)内部发生连续渗流，直至试样发生渗流侵蚀破坏，结束试验；
(5)试验结束后，按照试验操作规范，由内向外依此完成压力的卸载，然后进行拆样，清理仪器。
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