CN113776959A - 一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种滑带土剪切‑渗流耦合试验装置及其使用方法，压力室顶部与柱塞泵的排液口通过第一进水管道连接；剪切盒放置于压力室内，剪切盒和压力室之间用于填充水；上剪切盒顶部与柱塞泵的排液口通过第二进水管道连接，上剪切盒顶部连接有第二排气管道，第二排气管道穿过压力室延伸至压力室外，下剪切盒底部与柱塞泵的吸液口通过第二排水管道连接；剪切盒固定架以将上剪切盒固定；剪切***对上剪切盒提供垂向压力、对下剪切盒施加横向剪切力。本发明提出的技术方案的有益效果是：可满足多尺度的原状滑带土或重塑样滑带土的剪切‑渗流耦合试验，解决目前测定滑带土强度无法考虑渗流特征的问题，为水库滑坡的启动力学机制研究提供依托。
Description
技术领域
本发明涉及力学试验装置技术领域，尤其涉及一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置及其使用方法。
背景技术
水库滑坡具有分布广、体量大、破坏强的特点，对于大多数水库滑坡而言，其失稳破坏往往发生在水库水位下降阶段。一方面，水库水位下降在滑体内形成非稳定渗流场产生拖拽效应，使滑体下滑力增加；另一方面，地下水在滑带内的渗流引起滑带内孔隙压力的改变进而影响滑带的抗剪强度，而滑带剪切强度对于滑坡整体的稳定性具有控制作用。因此，开展滑带土的剪切-渗流耦合试验对于正确评价滑坡的稳定性具有重要的意义。目前，研究渗流-耦合的实验多集中于岩石结构面的强度劣化研究，而关于滑带土的研究报告目前处于几乎空白状态。尽管学术界已经对该问题有过较为一致的认识，但受限于没有合适的设备可供实验研究，关于滑带土的剪切渗流耦合仅停留在了理论分析和数值模拟层面上，而没有相应的物理实验成果。
发明内容
有鉴于此，为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置及其使用方法。
本发明的实施例提供一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置，包括：
柱塞泵，设有两个排液口和吸液口；
压力室，顶部连接有第一排气管道，底部连接有第一排水管道，所述压力室顶部与所述柱塞泵的排液口通过第一进水管道连接；
剪切盒，包括上下相对且开口相向的上剪切盒和下剪切盒，所述剪切盒用于装填滑带土，所述剪切盒放置于所述压力室内，所述剪切盒和压力室之间用于填充水，提供围压；
所述上剪切盒顶部与所述柱塞泵的排液口通过第二进水管道连接，所述上剪切盒顶部连接有第二排气管道，所述第二排气管道穿过所述压力室延伸至所述压力室外，所述下剪切盒底部与所述柱塞泵的吸液口通过第二排水管道连接；
剪切盒固定架，用于将所述上剪切盒固定；
剪切***，对所述上剪切盒内的滑带土提供垂向压力、对所述下剪切盒施加横向剪切力。
进一步地，所述上剪切盒顶部设置有上透水石，与所述第二进水管道连通；所述下剪切盒底部设置有下透水石，与所述第二排水管道连通。
进一步地，所述剪切盒外侧壁包裹有乳胶膜。
进一步地，所述压力室上设有压力表，所述压力表用于检测所述压力室内的压力。
进一步地，所述剪切盒还包括密封盖，所述上剪切盒顶部呈开口设置，所述密封盖盖合于所述上剪切盒顶部。
进一步地，还包括刚性框架，所述压力室固定于所述刚性框架上。
进一步地，所述剪切盒固定架固定于所述刚性框架上，所述压力室开设有供所述剪切盒固定架穿过的让位孔。
进一步地，所述剪切***包括垂向伺服加载装置和横向伺服加载装置；
所述垂向伺服加载装置固定于所述刚性框架顶部，所述横向伺服加载装置固定于所述刚性框架底部，所述压力室开设有供所述垂向伺服加载装置和横向伺服加载装置穿过的让位孔。
进一步地，所述压力室底壁上设有滚珠轴承滑轨，所述滚珠轴承滑轨的延伸方向与横向剪切力的方向相同，所述剪切盒放置于所述滚珠轴承滑轨上。
本发明的实施例还提供一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置的使用方法，基于上述滑带土剪切-渗流耦合试验装置，包括以下步骤：
S1、滑带土制样：向剪切盒内装填滑带土；
S2、安装剪切盒至压力室，将剪切盒固定架与上剪切盒固定连接，然后将上剪切盒顶部分别与第二进水管道、第二排气管道连接，下剪切盒底部与第二排水管道连接；
S3、施加围压作用：将第一进水管道、第二进水管道和第二排水管道均连接至柱塞泵，首先关闭第一排水管道，打开第一排气管道和第一进水管道，待压力室内充满水后关闭第一排气管道，保持第一进水管道处于打开状态，直至压力室内围压状态满足实验需求；
S4、施加渗流作用：首先打开第二进水管道、第二排水管道和第二排气管道的开关，初期设置柱塞泵以较小的渗流压力施加水压，待第二排气管道无气体排出后，关闭第二排气管道，设置柱塞泵以所需的渗透压力进行渗透实验；
S5、剪切-渗流耦合试验：首先通过控制垂向伺服加载装置施加恒定的法向荷载，然后控制横向伺服加载装置以恒定的应变速率推动下剪切盒运动；
S6、记录剪切过程中滑带土的应力与应变数据以及渗流状态，进而用于分析滑带土在剪切方向与渗流通道垂直耦合作用下的强度变化特征。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：可满足多尺度的原状滑带土或重塑样滑带土的剪切-渗流耦合试验，解决目前测定滑带土强度无法考虑渗流特征的问题，为水库滑坡的启动力学机制研究提供依托，使滑带土的强度特征研究能够充分的考虑渗流作用，为库水滑坡的变形破化机理和启动力学机制的研究提供了切实可行的研究手段，具有极大的科研价值。
附图说明
图1是本发明提供的滑带土剪切-渗流耦合试验装置一实施例的结构示意图；
图2是图1中压力室结构示意图；
图3是图1中剪切盒结构示意图；
图4是图1中剪切盒与剪切盒固定架横剖面示意图。
图中：1-柱塞泵；101-排液口；102-吸液口；2-刚性框架；3-压力室；4-垂向伺服加载装置；5-横向伺服加载装置；6-剪切盒固定架；7-螺栓；8-滚珠轴承滑轨；9-压力表；10-第一进水管道；11-第一排水管道；12-第一排气管道；13-第二排气管道；14-第二进水管道；15-第二排水管道；16-进水通道；17-排水通道；18-排气通道；19-密封盖；20-上剪切盒；21-下剪切盒；22-上透水石；23-下透水石；24-乳胶膜；301-侧盖；302-箱体；601-夹板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参见图1至图4，本发明的实施例提供一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置，包括柱塞泵1、刚性框架2、压力室3、剪切盒、剪切盒固定架6和剪切***。
柱塞泵1设有两个排液口101和吸液口102。压力室3固定于所述刚性框架2上，压力室3顶部连接有第一排气管道12，所述第一排气管道12用于排放压力室3内的空气，底部连接有第一排水管道11，所述第一排水管道11用于排放压力室3内的水。所述压力室3顶部与所述柱塞泵1的排液口101通过第一进水管道10连接。所述压力室3上设有压力表9，所述压力表9用于检测所述压力室3内的压力，根据压力表9的示数判断围压状态是否满足实验需求。
剪切盒放置于所述压力室3内，剪切盒包括上下相对且开口相向的上剪切盒20和下剪切盒21，所述剪切盒用于装填滑带土，所述剪切盒放置于所述压力室3内，所述剪切盒和压力室3之间用于填充水，提供围压。
便于剪切盒的取出和安装，压力室3包括箱体302和侧盖301，所述箱体302通过螺栓7与刚性框架2连接，所述侧盖301通过螺栓7与箱体302密封连接。
所述上剪切盒20顶部与所述柱塞泵1的排液口101通过第二进水管道14连接，第二进水管道14穿过压力室3，所述上剪切盒20顶部连接有第二排气管道13，所述第二排气管道13穿过所述压力室3延伸至所述压力上室3外。所述下剪切盒21底部与所述柱塞泵1的吸液口102通过第二排水管道15连接，第二排水管道15穿过压力室3，具体的下剪切盒21底部开设有与第二排水管道15连通的排水通道17。
为了便于装填滑带土，所述上剪切盒20顶部呈开口设置，所述密封盖19盖合于所述上剪切盒20顶部，所述密封盖19上设有进水通道16和排气通道18，进水通道16与第二进水管道14连通，排气通道18与第二排气管道13连通。柱塞泵1一方面为压力室3提供稳定的内部压力，另一方面为剪切盒提供渗透压力。
所述上剪切盒20顶部设置有上透水石22，与所述第二进水管道14连通，所述下剪切盒21底部设置有下透水石23，与所述第二排水管道15连通，设置上透水石22和下透水石23，使得水可均匀地渗透至滑带土内，所述剪切盒外侧壁包裹有乳胶膜24，保证剪切盒的完整性。
剪切盒固定架6将所述上剪切盒20固定，用于限定上剪切盒20的位置，具体的，请参见图4，剪切盒固定架6包括连接件和两个夹板601，连接件两端分别与夹板601通过螺栓连接，以夹持上剪切盒20。所述剪切盒固定架6固定于所述刚性框架2上，所述压力室3开设有供所述剪切盒固定架6穿过的让位孔，剪切盒固定架6穿过压力室3的箱体302侧壁作用于压力室3内部的上剪切盒20上。
剪切***对所述上剪切盒20内的滑带土提供垂向压力、对所述下剪切盒21施加横向剪切力。具体的，所述剪切***包括垂向伺服加载装置4和横向伺服加载装置5，所述垂向伺服加载装置4固定于所述刚性框架2顶部，为剪切盒提供法向荷载，所述横向伺服加载装置5固定于所述刚性框架2底部，为剪切盒提供横向剪切力，所述刚性框架2为垂向伺服加载装置4和横向伺服加载装置5提供反力支撑。所述压力室3开设有供所述垂向伺服加载装置4和横向伺服加载装置5穿过的让位孔，垂向伺服加载装置4、横向伺服加载装置5穿过压力室3的箱体302侧壁作用于压力室3内部的剪切盒上。
所述压力室3底壁上设有滚珠轴承滑轨8，所述滚珠轴承滑轨8的延伸方向与横向剪切力的方向相同，所述剪切盒放置于所述滚珠轴承滑轨8上，所述滚珠轴承滑轨8用于承托剪切盒，减小剪切盒与压力室3底板的摩擦，并限定剪切盒仅能呈线性运动。
基于上述滑带土剪切-渗流耦合试验装置，本发明实施例还提供一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置的使用方法，包括以下步骤：
S1、滑带土制样：向剪切盒内装填滑带土，具体的将上剪切盒20与下剪切盒21叠放在一起，下剪切盒21底部放置下透水石23，然后将滑带土填充在剪切盒内并击实至所需密实状态，上剪切盒20顶部放置上透水石22，然后将密封盖19盖在上剪切盒20上，最后采用乳胶膜24将整个剪切盒包裹。
S2、安装剪切盒至压力室3：将剪切盒固定架6与上剪切盒20固定连接，然后将上剪切盒20顶部分别与第二进水管道14、第二排气管道13连接，下剪切盒21底部与第二排水管道15连接。具体的，打开压力室3的侧盖301，将剪切盒放置到滚珠轴承滑轨8上并调整剪切盒的位置，将剪切盒固定架6与上剪切盒20固定连接，然后将进水通道16与第二进水管道14连接，排气通道18与第二排气管道13连接，排水通道17与第二排水管道15连接，然后将压力室3的侧盖301通过螺栓7密封安装。
S3、施加围压作用：将第一进水管道10、第二进水管道14和第二排水管道15均连接至柱塞泵1，首先关闭第一排水管道11，打开第一排气管道12和第一进水管道10，待压力室3内充满水后关闭第一排气管道12，保持第一进水管道10处于打开状态，，直至压力室3内围压状态满足实验需求，通过观测压力表9的示数，达到设置压强且稳定不变即表示围压状态满足实验需求。
S4、施加渗流作用：首先打开第二进水管道14、第二排水管道15和第二排气管道13的开关，初期设置柱塞泵1以较小的渗流压力施加水压，待第二排气管道13无气体排出后，关闭第二排气管道13，设置柱塞泵1以所需的渗透压力进行渗透实验。
S5、剪切-渗流耦合试验：首先通过控制垂向伺服加载装置4施加恒定的法向荷载，然后控制横向伺服加载装置5以恒定的应变速率推动下剪切盒21运动。
S6、记录剪切过程中滑带土的应力与应变数据以及渗流状态，进而用于分析滑带土在剪切方向与渗流通道垂直耦合作用下的强度变化特征。
本发明提供的一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置及使用方法，可满足多尺度的原状滑带土或重塑样滑带土的剪切-渗流耦合试验，解决目前测定滑带土强度无法考虑渗流特征的问题，为水库滑坡的启动力学机制研究提供依托，使滑带土的强度特征研究能够充分的考虑渗流作用，为库水滑坡的变形破化机理和启动力学机制的研究提供了切实可行的研究手段，具有极大的科研价值。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)
1.一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置，其特征在于，包括：
柱塞泵，设有两个排液口和吸液口；
压力室，顶部连接有第一排气管道，底部连接有第一排水管道，所述压力室顶部与所述柱塞泵的排液口通过第一进水管道连接；
剪切盒，包括上下相对且开口相向的上剪切盒和下剪切盒，所述剪切盒用于装填滑带土，所述剪切盒放置于所述压力室内，所述剪切盒和压力室之间用于填充水，提供围压；
所述上剪切盒顶部与所述柱塞泵的排液口通过第二进水管道连接，所述上剪切盒顶部连接有第二排气管道，所述第二排气管道穿过所述压力室延伸至所述压力室外，所述下剪切盒底部与所述柱塞泵的吸液口通过第二排水管道连接；
剪切盒固定架，用于将所述上剪切盒固定；
剪切***，对所述上剪切盒内的滑带土提供垂向压力、对所述下剪切盒施加横向剪切力。
2.如权利要求1所述的滑带土剪切-渗流耦合试验装置，其特征在于，所述上剪切盒顶部设置有上透水石，与所述第二进水管道连通；所述下剪切盒底部设置有下透水石，与所述第二排水管道连通。
3.如权利要求1所述的滑带土剪切-渗流耦合试验装置，其特征在于，所述剪切盒外侧壁包裹有乳胶膜。
4.如权利要求1所述的滑带土剪切-渗流耦合试验装置，其特征在于，所述压力室上设有压力表，所述压力表用于检测所述压力室内的压力。
5.如权利要求1所述的滑带土剪切-渗流耦合试验装置，其特征在于，所述剪切盒还包括密封盖，所述上剪切盒顶部呈开口设置，所述密封盖盖合于所述上剪切盒顶部。
6.如权利要求1所述的滑带土剪切-渗流耦合试验装置，其特征在于，还包括刚性框架，所述压力室固定于所述刚性框架上。
7.如权利要求6所述的滑带土剪切-渗流耦合试验装置，其特征在于，所述剪切盒固定架固定于所述刚性框架上，所述压力室开设有供所述剪切盒固定架穿过的让位孔。
8.如权利要求6所述的滑带土剪切-渗流耦合试验装置，其特征在于，所述剪切***包括垂向伺服加载装置和横向伺服加载装置；
所述垂向伺服加载装置固定于所述刚性框架顶部，所述横向伺服加载装置固定于所述刚性框架底部，所述压力室开设有供所述垂向伺服加载装置和横向伺服加载装置穿过的让位孔。
9.如权利要求1所述的滑带土剪切-渗流耦合试验装置，其特征在于，所述压力室底壁上设有滚珠轴承滑轨，所述滚珠轴承滑轨的延伸方向与横向剪切力的方向相同，所述剪切盒放置于所述滚珠轴承滑轨上。
10.一种滑带土剪切-渗流耦合试验装置的使用方法，其特征在于，基于如权利要求1至9任一项所述的滑带土剪切-渗流耦合试验装置，包括以下步骤：
S1、滑带土制样：向剪切盒内装填滑带土；
S2、安装剪切盒至压力室，将剪切盒固定架与上剪切盒固定连接，然后将上剪切盒顶部分别与第二进水管道、第二排气管道连接，下剪切盒底部与第二排水管道连接；
S3、施加围压作用：将第一进水管道、第二进水管道和第二排水管道均连接至柱塞泵，首先关闭第一排水管道，打开第一排气管道和第一进水管道，待压力室内充满水后关闭第一排气管道，保持第一进水管道处于打开状态，直至压力室内围压状态满足实验需求；
S4、施加渗流作用：首先打开第二进水管道、第二排水管道和第二排气管道的开关，初期设置柱塞泵以较小的渗流压力施加水压，待第二排气管道无气体排出后，关闭第二排气管道，设置柱塞泵以所需的渗透压力进行渗透实验；
S5、剪切-渗流耦合试验：首先通过控制垂向伺服加载装置施加恒定的法向荷载，然后控制横向伺服加载装置以恒定的应变速率推动下剪切盒运动；
S6、记录剪切过程中滑带土的应力与应变数据以及渗流状态，进而用于分析滑带土在剪切方向与渗流通道垂直耦合作用下的强度变化特征。
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