[发明专利]土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及土体基本力学特性的测试，具体是一种在实验室条件下模拟经过饱水-疏干循环的土体，并对所述土体进行静止侧压力系数测试。

背景技术

土体的静止侧压力系数是计算静止土压力、研究土与结构相互作用的关键参数，其是指土体在无侧向变形条件（即侧限条件）下侧向有效应力与竖向有效应力之比。静止侧压力系数能够反映地基土体在其自重及上部荷载作用下引起的水平向应力大小，可用于计算土体作用于挡土结构物上的静止土压力大小及分布、评价挡土结构的稳定性等，已被广泛应用于水利工程、土木工程、交通工程等中各类挡土结构的设计计算之中。静止侧压力系数的确定方法有试验测试法、理论计算法和经验公式法等，其中试验测试法的结果最可靠。在《土工试验规程》（SL237—1999）中介绍了室内试验测定静止侧压力系数的方法：用环刀将试验制备后，将带有试样的环刀装入框式饱和器内，按照《土工试验规程》规定的真空饱和法对试样进行饱和，饱和度要求达到95%以上。在测试容器的内壁上涂一薄层硅油，然后将试样从环刀中推入侧压仪容器内，放上透水板、防护圈、传压板、钢珠，将容器置于加压框架正中，施加1kPa预压力，安装轴向位移计，并调至零位。打开接侧压力量测装置的阀，调平电测仪表，测记受压室中水压力为零时的压力传感器读数R₀。按压力等级施加每级轴向压力后，随时调平电测仪表，测记不同时刻仪表读数R和轴向变形直至变形稳定为止。试验结束后，取出试样称重并测定含水率。根据公式计算获得侧向压力，以轴向有效应力为横坐标，有效侧压力为纵坐标，绘制关系曲线，所得斜率即为土体静止侧压力系数。

大型水库蓄水运行后，库水位随水库调度呈周期性的上升、下降变化，并且库水位的变幅很大。例如长江三峡水库，按其调度计划，正常蓄水后坝前库水位每年在175m—145m之间变化，库水位最大变幅达30m。在库水位的周期性上升、下降变化中，库岸地下水位及拦河土石坝浸润线也呈周期性的上升、下降变化，且变幅往往也很大。库水位和地下水位的周期性上升、下降变化，必然使得其变化范围内的库岸土体及拦河土石坝土体经受周期性的饱水-疏干循环作用。在饱水-疏干循环作用下，土体的静止侧压力系数可能发生变化，这可能引起作用于沿岸挡土结构物及枢纽结构物上的土压力发生变化，进而可能影响结构的安全与稳定，因此，有必要对饱水-疏干循环作用下的土体静止侧压力系数变化特征进行研究。值得说明的是，这里“饱水”与现有技术中所称的“湿化”都是使土体由非饱和状态转变为饱和状态，但两者是不同的。“饱水”是库水位下降后再次上升过程中使土体由非饱和状态变为饱和状态的过程。“饱水”发生前，虽然土体因重力水已经排出而处于非饱和状态，但土体中仍存在大量的毛细水、结合水等，含水率通常较高。而“湿化”发生前，土体没有经历因库水位和地下水位上升引起的由非饱和状态向饱和状态转变的过程，土体通常处于半干燥状态甚至干燥状态，含水率通常较低。

在实验室条件下研究土体在饱水-疏干循环条件下的静止侧压力系数变化特性，需要尽可能真实地模拟库岸及拦河大坝土体经历的饱水-疏干循环条件，但为了节约试验时间，试验的历时又不能很长。传统试验方法及其系统是土体在饱和状态下进行固结，无法对试样进行饱水-疏干循环作用，因此无法用于研究饱水-疏干循环作用对静止侧压力系数的影响问题。另外，传统试验中需先对环刀中试样进行饱和，再将饱和试样从环刀推入侧压仪容器内，这种操作方法对土样的扰动较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟土体饱水-疏干循环过程，并研究土体饱水-疏干循环作用下静止侧压力系数的方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试方法，包括以下步骤：

1）制备静止侧压力系数测试所需要的试样；

2）使步骤1）中的试样饱和；

3）疏干：向试样的顶端施加具有压力的气体；所述气体从试样的顶端缓慢向试样的底端渗透，以驱动试样内部的重力水自上而下渗透并从试样底端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅进气、不排气、不进水、不排水，试样底端仅排水、不进水、不进气、不排气；

4）饱水：从试样的底端向试样施加具有压力的无气水，或同时从试样的底端和顶端向试样施加具有压力的无气水；所述无气水在试样内渗透的过程中，试样内部的气体从试样顶端排出；在本步骤的过程中，试样顶端排气、不排水、不进气，试样顶端进水或不进水，试样底端仅进水、不排水、不进气、不排气；

5）重复步骤3）、4）若干次；

6）进行静止侧压力系数测试。