[发明专利]一种土体应力路径管涌三轴试验装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种土体应力路径管涌三轴试验装置，包括压力水头控制装置、水压控制装置、三轴压力试验主机、流速测定装置和涌土采集装置。所述三轴压力试验主机通过管线连接压力水头控制装置、水压控制装置、流速测定装置和涌土采集装置，用于提供试验所需围压、轴压、反压和压力水头，可对试样进行不同应力路径加载，模拟渗透破坏发生的复杂应力环境，满足试样固结饱和、三轴管涌实验和常规三轴剪切试验要求。同时提供了上述试验装置的试验方法。本发明适用于不同的管涌路径及渗透破坏模式，可对不同种类、不同级配的试样进行试验，试验数据可自动采集并实时统计。

技术领域

本发明属于岩土工程试验领域，特别涉及一种土体应力路径管涌三轴试验装置及试验方法。

背景技术

我国水资源总量约为2.8亿万立方米，占世界总水资源拥有量的6％，其中长江流域及其以南地区水资源量占据了全国的81％，洪涝灾害时有发生。在涉水建筑物中渗透破坏是建筑物的主要破坏形式，在基坑、隧道和土石坝都存在着非常显著的渗透破坏问题，其中管涌作为工程上最普遍出现的渗流破坏问题，在洪涝灾害中表现尤为明显。在1954年至2013年期间发生在我国的3481起溃坝事故中，由渗透破坏引起的溃坝数占相应溃坝总数的38.5％，渗透破坏引发的细颗粒在土层间的移动，同时会严重影响到土体本身力学性能和排水性能，还会造成基础不均匀沉降、地面排水恶化等问题。

现有研究表明，在含砂量小于25％的砂质砾石中，土体会表现出潜在的内部不稳定性，即在渗流作用下有可能发生管涌。同时，土作为一种有“记忆性”的材料，应力路径会对其的变形和强度特性产生显著影响，进而会影响到土体的渗流和渗透破坏特征等其他性质。另外，不同的水流入渗方向也会影响到土体的内部细观结构变化，对土体强度和变形特性产生影响。因此，探求不同应力路径和水流入渗方向对土体力学性能的影响是一个重要的课题。

现有的管涌实验技术并不成熟，公开号为CN102411042B的中国专利公开了一种研究在渗流-侵蚀-应力耦合作用影响下的管涌试验装置，该装置可实现不同应力状态下管涌现象的模拟。公开号为CN104535470B的中国专利公开了一种适用于碎石土渗透侵蚀三轴试验装置及试验方法，该装置可对碎石土试样实现多级水头的渗透侵蚀及强度测试试验，模拟复杂应力条件的渗透侵蚀三轴试验过程。公开号为CN204530607U的中国专利公开了一种模拟不同应力条件下管涌三轴试验装置，该装置可以对试样进行多方位施压达到管涌破坏的目的，但仪器构造较为简单。上述实验装置均不能全面真实的模拟土体在渗透破坏发展过程中的应力状态，不能满足不同应力路径三轴实验的要求，对渗透破坏发生后试样强度指标变化的测量并不完善，且部分室内渗透破坏试验耗时较长，试验试样体积较大，动态测量数据无法同时人为实施观测。

发明内容

本发明针对上述所述的不足提供了一种土体应力路径管涌三轴试验装置，该装置可实施不同压力水头、围压和轴压下的管涌试验及管涌后土体应力路径三轴剪切试验，通过采用不同的管路连接可以对试样施加不同方向的管涌路径，适应于不同种类、不同级配的试验试样。本实验仪器配备的涌土采集装置可以测量渗透破坏产生的细颗粒流失的质量和体积，应用的全自动压力控制器和位移传感器，可以考虑时间因素及动态数据观测的影响，实现对渗透破坏过程的实时监测。同时，本试验装置试样体积较小，试验操作方便。

为了实现上述目的，本发明涉及的试验装置和试验方法是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的第一个方面，提供了一种用于土体应力路径管涌三轴试验装置，包括压力水头控制装置、水压控制装置、三轴压力试验主机、流速测定装置和涌土采集装置。其中，所述三轴压力试验主机包括底部轴力控制装置，所述底部轴力控制装置上方设有最大承载力为50kN的荷载架支撑杆，所述荷载架支撑杆连接有反向横梁，所述反向横梁底部设