[发明专利]土体相变-本构耦合规律测试测试装置及方法

说明书

技术领域

    本发明属于土体渗透变形参数测试领域，具体是土体管涌过程中相变与本构关系相互作用规律的测试。

背景技术

管涌是在渗流作用下土体细颗粒沿骨架颗粒形成的孔隙被带出的现象。土体是一种由大小不等的固体颗粒组成的多孔介质，当发生管涌时，土体中的固体颗粒在一定的水力条件下由原来的静止状态转变为运动状态，因此，管涌的发生就是部分土体发生相变的过程。管涌过程中土体的相变规律主要是相变的临界条件与相变速率。管涌发生发展范围小、发展速度快、过程复杂，土体相变临界条件与相变速率不仅与土体本身有关系，还与土体所受的应力状态密切相关。土体相变要克服阻力，阻力越大，土体越难以发生相变。土颗粒之间的咬合力和摩擦力是阻力的主要形式，而咬合力、摩擦力与应力状态之间有着密切的关系。同时，土体相变伴随颗粒流失，从而造成土体体积在变化，即在一定的应力状态下将引起土体的应变。因此，管涌是一个土体相变与应力应变相互影响的过程，是一个土体相变－本构耦合的过程。土体相变－本构耦合规律的测定是分析管涌发生发展规律，并对管涌进行预测预警以及防治的关键问题。

现有技术方法对管涌过程中土体相变的临界状态、相变速率等与土体和流体的物理性质之间的关系进行了一系列的研究，探索了土体相变规律与土体颗粒级配、密实度，以及渗流速度、渗流方向等之间的关系，但对应力状态如何影响土体相变、相变发生发展如何影响土体变形等相变－本构耦合规律的测定尚未形成成熟的技术方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种在实验室条件下，对管涌过程中土体相变－本构耦合规律进行测定的装置。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的， 一种土体相变-本构耦合规律测试装置，包括围压室、轴向应力施加系统、上游水头施加系统和下游水头施加系统。所述围压室包括圆柱形筒体，以及分别与所述筒体上下两端扣合的顶盖和底盖。试验时，所述围压室内部安置被测试样。所述轴向应力施加系统位于围压室底部。所述轴向应力施加系统的加载轴穿透围压室的底盖，伸入到围压室内部。所述顶盖嵌入一个上端封闭、下端敞口的圆柱形盒体Ⅱ，所述加载轴上端放置一个上端敞口、下端封闭的圆柱形盒体Ⅰ。所述圆柱形盒体Ⅰ和圆柱形盒体Ⅱ内部填充卵砾石。所述被测试样的下端放置在圆柱形盒体Ⅰ内部的卵砾石上、被测试样的上端与圆柱形盒体Ⅱ内部的卵砾石接触。所述圆柱形盒体Ⅰ具有出砂孔。所述上游水头施加系统对被测试样的下端施加水压，所述下游水头施加系统对被测试样的上端施加水压。

值得说明的是，本发明中，被测试样是根据预设的土体颗粒组成与密实度制备的，可以利用三轴剪切试验制样方法制得试样。

所述围压室为常见的圆柱形密闭容器，其侧壁，即圆柱形筒体由耐压有机玻璃制成。围压室的底面及顶面，即顶盖和底盖通常由刚性耐压耐腐蚀金属材料制成。进一步地，所述顶盖预留排气孔，用于试验前向围压室内注水时排气，试验过程中排气孔关闭。

试验过程中所述加载轴对被测试样施加轴向压力，加载轴与底盖接触处气密。另外，在本发明中，所有伸入围压室的管件与顶盖或底盖接触处具有气密性，保证在整个试验过程中，围压室气密良好。

由于本发明需要对被测试样上下端施加水压，为了使得被测试样受力均匀，在被测试样上、下端分别设置上、下缓冲区。即设置填充了卵砾石料的圆柱形盒体Ⅰ和圆柱形盒体Ⅱ。所述圆柱形盒体Ⅰ是一个无盖的刚性空心圆柱。所述圆柱形盒体Ⅱ正好与圆柱形盒体Ⅰ相反，是一个无底的刚性空心圆柱。安装时，圆柱形盒体Ⅰ和圆柱形盒体Ⅱ同心安装。本发明中，填充用到的卵砾石料根据试样中细颗粒的大小确定，保证透水性的同时还要保证卵砾石料的孔隙大小足以使试样管涌产生的细颗粒顺利通过。卵砾石料击实入圆柱形盒体内，端面与试样上端或下端平齐接触。在上缓冲区，即圆柱形盒体Ⅱ预留出砂孔，被测试样管涌过程中涌出的细颗粒通过出砂孔排出。

由于被测试样通常是制备成圆柱体，与普通三轴试验一样，为了保护被测试样本体，需要给试样外套一个防水橡皮膜。本发明中，所述防水橡皮膜上下端分别套在圆柱形盒体Ⅱ和圆柱形盒体Ⅰ外部，以此保证施加围压时，围压室内的水不浸入被测试样内。

所述上游水头施加系统的设计，利用马氏瓶原理，通过向密封的储水箱内注入等压气体，为土体测试试样提供恒定的上游水头。测试过程中，通过改变注入气体压力的大小改变上游水头的大小，并可以通过流量计测量试验过程中流经土体试样的液体流量。

所述下游水头施加系统的设计，保证了不间断供水。即保持施加在被测试样的恒定下游水头，同时还可以利用流量计测量通过上缓冲区顶面的液体流量。