專利名稱：一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷特性的試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種土的力學特性測試裝置，特別是關于一種測定土體與結構物接 觸面滲流沖刷特性的試驗裝置。
背景技術：
在土體與結構物接觸面處，由于土體與結構物的物理力學性質的差別，在各種 荷載作用下常產生較大的剪切錯位變形現象。若土體處于水位以下及復雜的滲流場 中，則大剪切變形后可能引發接觸面部位土體的沖刷及滲透破壞，危及土工結構物 的安全。例如，高土石壩心墻與岸坡的接觸面處是可能發生大剪切變形的危險部位 之一，該部位的滲流沖刷是造成土石壩滲透破壞事故的一個主要原因。因此，大剪 切變形條件下接觸面部位土體的抗滲流沖刷特性的研究具有重要的工程實用價值， 關系到能否正確合理地評價土工建筑物的安全可行性。
進行土體與結構物接觸面在大剪切變形條件下的滲流沖刷試驗是研究和解決 上述問題的一個基本手段。傳統的接觸面剪切試驗裝置只能單方面測定土體與結構 物接觸面的應力變形特性，而傳統的滲流沖刷試驗裝置只能測定土體不發生剪切變 形條件下的抗滲流沖刷特性，測定接觸面部位土體在大剪切變形條件下的滲流沖刷 特性的能力還不足。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種測定土體接觸面滲流沖刷特性的試驗 裝置，該裝置能夠在平行于和垂直于接觸面剪切方向上對土體進行滲流沖刷試驗， 為分析土體在不同應力變形條件下的抗滲流沖刷能力提供數據基礎。
為實現上述目的，本發明采取以下技術方案 一種測定土體與結構物接觸面滲 流沖刷特性的試驗裝置，包括底座、頂帽和置于所述底座、頂帽之間的試樣，所述 底座、頂帽、試樣置于三軸剪切儀中，所述試樣由一接觸面板以及與接觸面板緊密 接觸的兩塊土樣組成，其特征在于所述頂帽上設置有平行于接觸面剪切方向滲流 進水管路和垂直于接觸面剪切方向滲流進水管路，所述底座上設置有平行于接觸面 剪切方向滲流出水管路和垂直于接觸面剪切方向滲流出水管路，所述平行于接觸面 剪切方向滲流進水管路和滲流出水管路相對于所述接觸面板上、下相對應，所述垂 直于接觸面剪切方向滲流進水管路和滲流出水管路相對于所述接觸面板兩側相對 應；各所述滲流進水管路的進水端和各所述滲流出水管路的出水端均設置有閥門，各所述滲流出水管路與測量系統連接。
所述底座、頂帽、試樣外圍包裹有密封膜，所述密封膜外圍施加有周圍壓力水。 所述接觸面板的上、下兩端均長于所述土樣。
所述底座底部為一圓臺，中間部分為一橢圓形凸臺，橢圓形凸臺頂部為一長方 形平臺，長方形平臺與橢圓形凸臺之間具有漸近的過渡斜面，從所述長方形平臺中 部向下開設有矩形深槽，所述矩形深槽的橫截面尺寸和所述接觸面板的橫截面尺寸 相匹配，所述矩形深槽內側底部置有彈簧，所述平行于接觸面剪切方向滲流出水管 路自所述矩形深槽底部向外引出，所述垂直于接觸面剪切方向滲流出水管路自所述 底座上的過渡斜面向外引出。
所述頂帽的上部為軸向壓力傳動桿，中間部分為橢圓形凸臺，橢圓形凸臺底部 為長方形平臺，所述長方形平臺與橢圓形凸臺之間具有漸近的過渡斜面，所述平行 于接觸面剪切方向滲流進水管路自所述橢圓形凸臺引入，從所述長方形平臺底部引 出，所述垂直于接觸面剪切方向滲流進水管路自所述橢圓形凸臺引入，從所述頂帽 上的過渡斜面引出。
所述頂帽上的長方形平臺和所述接觸面板的橫截面尺寸相匹配。
本發明由于采取以上技術方案，與現有技術相比具有以下優點本發明試驗裝 置建立在現有技術三軸剪切儀基礎上，簡單改變三軸剪切儀底座的形狀，并在底座 內設置平行及垂直于接觸面剪切方向的滲流出水管路，底座上設置試樣放置平臺及 接觸面板剪切移動的凹槽；在底座上方配套設置頂帽，頂帽上設置平行及垂直于接 觸面剪切方向的滲流進水管路。頂帽與底座之間放置土樣及接觸面板，土樣放置在 底座平臺上，接觸面板置于底座深槽中并在下部用彈簧支撐。從頂帽上施加壓力使 接觸面板向下移動與土樣發生剪切錯動，并通過進水管路加水滲流，土樣與接觸面 板之間的接觸面發生剪切變形的同時實現滲流沖刷。在進、出水管路上均設置有閥 門，可以獨立進行平行于剪切方向的滲流試驗，也可以獨立進行垂直于剪切方向的 滲流試驗。本發明實現了土體與結構物接觸面剪切變形的同時，又進行滲流沖刷特 性測量的目的。
圖1是本發明提供的一種接觸面滲流沖刷試驗裝置的結構示意圖。 圖2是本發明提供的底座結構剖面圖。 圖3是本發明提供的頂帽結構剖面圖。 圖4是圖3的仰視示意圖。
圖中l一底座；2—頂帽；3—試樣；ll一圓臺；12—橢圓形凸臺；13—長方形平臺；14—過渡斜面；15—矩形深槽；16_彈簧；17—平行于接觸面剪切方向滲 流出水管路；18—垂直于接觸面剪切方向滲流出水管路；19一周圍壓力水進水管路； 20—滲流壓力水進水管路；21—橢圓形凸臺；22—軸向壓力傳動桿；23—長方形平 臺；24—過渡斜面；25—平行于接觸面剪切方向滲流進水管路；26—垂直于接觸面 剪切方向滲流進水管路；31—接觸面板；32—土樣。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
如圖1所示，本發明與現有技術的不同是，它結合了滲流與剪切兩方面測量功 能，在底座和頂帽之間置放試樣，底座、頂帽、試樣置于三軸剪切儀中。在頂帽上 設置有平行于接觸面剪切方向和垂直于接觸面剪切方向兩路滲流進水管路，在所述 底座上設置有平行于接觸面剪切方向和垂直于接觸面剪切方向兩路滲流出水管路， 所述平行于接觸面剪切方向滲流進水管路和滲流出水管路相對于試樣上、下相對 應，所述垂直于接觸面剪切方向滲流進水管路和滲流出水管路相對于試樣兩側相對
應；各所述滲流進水管路的進水端和各所述滲流出水管路的出水端均設置有閥門， 各所述滲流出水管路與測量系統連接。試樣包括一接觸面板，接觸面板的兩側緊貼 有兩塊土樣。試驗時，向三軸剪切儀中底座、頂帽、試樣周圍施加壓力水，并向所 選取的一個剪切方向的滲流進水管路注水，關閉其他管路，通過出水端的測量系統 測量試樣在剪切作用下的滲流沖刷特性。
根據上述原理，本發明的一個較佳實施例為
如圖l、圖2所示，本發明底座1的底部為圓臺11，圓臺ll依賴于三軸剪切 儀的形狀而設置，從圓臺ll頂面的中心部位凸出設置橢圓形凸臺12。橢圓形凸臺 12的頂部又凸出設置長方形平臺13，凸出設置長方形平臺13的目的是用于放置試 樣3，使試樣更加平穩，其大小與試樣3樣相當。長方形平臺13與橢圓形凸臺12 之間具有光滑的漸近過渡斜面14，這種光滑的過渡能夠減少棱角，不會刮傷其他物 件。從長方形平臺13的頂部中間位置向下，也就是向橢圓形凸臺12的內部開挖有 一矩形深槽15，矩形深槽15的斷面尺寸與試驗所用接觸面板31的斷面尺寸相匹配， 其深度應滿足放置彈簧16后還能預留一段距離以便置入一部分接觸面板。
在矩形深槽15的底部開設有一出水孔，并通過此出水孔向外引出一條出水管 路，此出水管路稱之為平行于接觸面剪切方向(接觸面剪切方向即為圖1所示的Z 方向)滲流出水管路17。平行于接觸面剪切方向滲流出水管路17穿過橢圓形凸臺 12和圓臺11后，從圓臺ll的側面穿出。
在橢圓形凸臺12與長方形平臺13之間的過渡斜面14上，開設有另一出水孔，通過此出水孔向外引出另一條出水管路，此出水管路稱之為垂直于接觸面剪、切方向
(即垂直于Z方向)滲流出水管路18。垂直于接觸面剪切方向滲流出水管路18同 樣是穿過橢圓形凸臺12和圓臺11后，從圓臺11的側面穿出。
從圓臺11的外部還向內引入兩條水壓力系統進水管路， 一條是周圍壓力水進 水管路19， 一條是滲流壓力水進水管路20。周圍壓力水進水管路19和滲流壓力水 進水管路20從圓臺11的側面引入后，又從圓臺的上面穿出，其中，周圍壓力水進 水管路19用于向試樣3的周圍施加水壓力；滲流壓力水進水管路20 —直向上延伸， 與頂帽2上的進水管路相連接，用于提供試驗滲流水。
平行于接觸面剪切方向滲流出水管路17、垂直于接觸面剪切方向滲流出水管路 18、周圍壓力水進水管路19和滲流壓力水進水管路20伸出圓臺11側面之外部分 上均設置有獨立的閥門；周圍壓力水進水管路19外部還與三軸剪切儀圍壓系統相 連，滲流壓力水進水管路20外部還與三軸剪切儀反壓力系統相連接(圖中未示出)； 平行于接觸面剪切方向滲流出水管路17、垂直于接觸面剪切方向滲流出水管路18 外部還與測量系統相連(圖中未示出)。
如圖l、圖3、圖4所示，頂帽2也具有一橢圓形凸臺21，橢圓形凸臺21的上 面連接有一軸向壓力傳動桿22，橢圓形凸臺21的下面凸出設置一長方形平臺23, 長方形平臺23的橫截面形狀、大小和接觸面板31相當，目的是有力按壓接觸面板。 橢圓形凸臺21與長方形平臺23之間也具有光滑的漸近過渡斜面24，避免刮蹭。
在橢圓形凸臺21的上表面開設有兩個進水孔，通過這兩個進水孔分別向橢圓 形凸臺21內部引入兩條進水管路， 一條是從橢圓形凸臺21穿過后，從長方形平臺 23的底面穿出，稱之為平行于接觸面剪切方向滲流進水管路25;另一條是從橢圓 形凸臺21穿過后，從過渡斜面24的下表面穿出，稱之為垂直于接觸面剪切方向滲 流進水管路26。平行于接觸面剪切方向滲流進水管路25和垂直于接觸面剪切方向 滲流進水管路26在頂帽2上表面的引入端分別設置有獨立的閥門(圖中未示出)。
頂帽2上的平行于接觸面剪切方向滲流進水管路25與底座1上的平行于接觸 面剪切方向滲流出水管路17以接觸面板31為參照物，在接觸面板31的上、下相 對應設置，也就是滲流水從接觸面板的頂部進，從接觸面板的底部出。頂帽2上的 垂直于接觸面剪切方向滲流進水管路26與底座1上的垂直于接觸面剪切方向滲流 出水管路18以接觸面板31為參照物，在接觸面板31的前、后或左、右兩側相對 應設置，也就是滲流水從接觸面板的一側進入，從對應的另一側流出。
如前所述，接觸面板31的截面尺寸比底座上的矩形深槽15的尺寸略小，使得 接觸面板31能伸入到矩形深槽15中并可以沿豎直方向移動。接觸面板31兩側為土樣32，兩塊土樣32分別置于矩形深槽15兩側的長方形平臺13上，并與接觸面 板31緊密接觸形成兩個相同的接觸面。接觸面板31的長度大于土樣32的長度， 上、下都凸出一部分，這樣，上部的凸出部分為接觸面的剪切錯動提供預留空間， 下部的凸出部分置于矩形深槽15中的彈簧16之上。
試驗時，首先將矩形深槽15下部放置彈簧16，將接觸面板31放置在彈簧16 上，并保證接觸面板31下部處于矩形深槽15內；然后將兩塊同樣大小的土樣32 分別置于矩形深槽15兩側的長方形平臺13上，并將接觸面板31與土樣32緊貼在 一起；然后將頂帽2覆蓋在接觸面板31上部；最后將底座1中的橢圓形凸臺12及 以上部分、試樣3、頂帽2的橢圓形凸臺21及以下部分，用橡皮膜包裹并扎緊，然 后將底座l、頂帽2、試樣3這三部分整體放入三軸剪切儀壓力室中。
按試驗方案的要求，選擇平行于接觸面剪切方向(Z方向)或垂直于接觸面剪 切方向(X方向)中的某一方向作為滲流方向，并將所選擇的滲流方向的管路連接 起來，同時關閉其他管路的閥門。例如，若進行平行于接觸面剪切方向即Z方向的 滲流試驗時，則將外部水壓力系統與滲流壓力水進水管路20相連，滲流壓力水進 水管路20再與平行于接觸面剪切方向滲流進水管路25相連，平行于接觸面剪切方 向滲流出水管路17與外部測量系統相連；并將周圍壓力水進水管路19、滲流壓力 水進水管路20、平行于接觸面剪切方向滲流進水管路25、平行于接觸面剪切方向 滲流出水管路17上的閥門都打開，將垂直于接觸面剪切方向滲流出水管路18和垂 直于接觸面剪切方向滲流進水管路26上的閥門關閉。這樣設置后，通過外部水壓 力系統施加滲流壓力水，即可實現在平行于接觸面剪切方向上的滲流試驗。其滲流 過程的水流導向為外部水壓力系統一滲流壓力水進水管路20—平行于接觸面剪切 方向滲流進水管路25—土樣32與接觸面板31間接觸面一底座矩形深槽15—平行 于接觸面剪切方向滲流出水管路17—外部測量系統。
水流管路連接完畢后，先通過周圍壓力水進水管路19在橡皮膜外部加水并施 加周圍壓力，此時橡皮膜內部先不沖水，待外部加壓穩定及土樣固結后，再加通過 滲流壓力水進水管路20向試樣內部施加壓力水，開始進行滲流，使得在土樣及接 觸面板的周圍形成密封的水壓力室。
然后由軸向壓力系統通過軸向壓力傳動桿22向下按壓接觸面板31，使接觸面 板31與土樣32間接觸面發生豎直方向剪切，當接觸面產生某一較大的剪切變形后， 繼續通過滲流壓力水進水管路20施加壓力水，實現土樣與接觸面板發生大剪切變 形的同時進行滲流沖刷試驗。試驗認為土樣與接觸面板緊密接觸，接觸面上正應力 等于周圍壓力，且認為接觸面板滲透性極小視為不透水，接觸面板側面與橡皮膜緊密接觸，在較大周圍壓力作用下水流不在側面上通過，只在土樣與接觸面板間的接 觸面上形成平行滲流。
軸向剪切及接觸面滲流兩個過程中，通過外部測量系統記錄或計算接觸面正應 力、剪應力、滲流歷時、滲流水量等，可分析接觸面在不同應力變形條件下的滲流 特性。通過觀察滲流出水量大小及其渾濁程度等現象，可判別接觸面是否發生沖刷， 并據此分析接觸面在不同應力變形條件下的抗滲流沖刷能力大小。
權利要求
1、一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷特性的試驗裝置，包括置于三軸剪切儀中的底座、頂帽和置于所述底座、頂帽之間的試樣，所述試樣由一接觸面板以及與接觸面板緊密接觸的兩塊土樣組成，其特征在于所述頂帽上設置有平行于接觸面剪切方向滲流進水管路和垂直于接觸面剪切方向滲流進水管路，所述底座上設置有平行于接觸面剪切方向滲流出水管路和垂直于接觸面剪切方向滲流出水管路；所述平行于接觸面剪切方向滲流進水管路和滲流出水管路相對于所述接觸面板上、下相對應，所述垂直于接觸面剪切方向滲流進水管路和滲流出水管路相對于所述接觸面板兩側相對應；各所述滲流進水管路的進水端和各所述滲流出水管路的出水端均設置有閥門，各所述滲流出水管路與測量系統連接。
2、 如權利要求1所述的一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷特性的試驗裝 置，其特征在于所述底座、頂帽、試樣外圍包裹有密封膜，所述密封膜外圍施加 有周圍壓力水。
3、 如權利要求1所述的一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷特性的試驗裝 置，其特征在于所述接觸面板的上、下兩端均長于所述土樣。
4、 如權利要求2所述的一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷特性的試驗裝 置，其特征在于所述接觸面板的上、下兩端均長于所述土樣。
5、 如權利要求1或2或3或4所述的一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷f性的試驗裝置，其特征在于所述底座底部為一圓臺，中間部分為一橢圓形凸臺，橢圓形凸臺頂部為一長方形平臺，長方形平臺與橢圓形凸臺之間具有漸近的過渡斜 面，從所述長方形平臺中部向下開設有矩形深槽，所述矩形深槽的橫截面尺寸和所 述接觸面板的橫截面尺寸相匹配，所述矩形深槽內側底部置有彈簧，所述平行于接 觸面剪切方向滲流出水管路自所述矩形深槽底部向外引出，所述垂直于接觸面剪切 方向滲流出水管路自所述底座上的過渡斜面向外引出。
6、 如權利要求1或2或3或4所述的一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷 特性的試驗裝置，其特征在于所述頂帽的上部為軸向壓力傳動桿，中間部分為橢圓形凸臺，橢圓形凸臺底部為長方形平臺，所述長方形平臺與橢圓形凸臺之間具有 漸近的過渡斜面，所述平行于接觸面剪切方向滲流進水管路自所述橢圓形凸臺引 入，從所述長方形平臺底部引出，所述垂直于接觸面剪切方向滲流進水管路自所述 橢圓形凸臺引入，從所述頂帽上的過渡斜面引出。
7、 如權利要求5所述的一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷特性的試驗裝置，其特征在于所述頂帽的上部為軸向壓力傳動桿，中間部分為橢圓形凸臺，橢 圓形凸臺底部為長方形平臺，所述長方形平臺與橢圓形凸臺之間具有漸近的過渡斜 面，所述平行于接觸面剪切方向滲流進水管路自所述橢圓形凸臺引入，從所述長方 形平臺底部引出，所述垂直于接觸面剪切方向滲流進水管路自所述橢圓形凸臺引 入，從所述頂帽上的過渡斜面引出。
8、 如權利要求1或2或3或4或7所述的一種測定土體與結構物接觸面滲流 沖刷特性的試驗裝置，其特征在于所述頂帽上的長方形平臺和所述接觸面板的橫 截面尺寸相匹配。
9、 如權利要求5所述的一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷特性的試驗裝置，其特征在于所述頂帽上的長方形平臺和所述接觸面板的橫截面尺寸相匹配。
10、如權利要求6所述的一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷特性的試驗裝置，其特征在于所述頂帽上的長方形平臺和所述接觸面板的橫截面尺寸相匹配。
全文摘要
本發明涉及一種測定土體與結構物接觸面滲流沖刷特性的試驗裝置，包括底座、頂帽和位于中間試樣，置于三軸剪切儀中，試樣由一接觸面板以及與接觸面板緊密接觸的兩塊土樣組成，頂帽上設置有平行于接觸面剪切方向滲流進水管路和垂直于接觸面剪切方向滲流進水管路，底座上設置有平行于接觸面剪切方向滲流出水管路和垂直于接觸面剪切方向滲流出水管路，平行于接觸面剪切方向的一對進出管路相對于接觸面板上、下相對應，垂直于接觸面剪切方向的一對進出管路相對于接觸面板兩側相對應；各進出管路均設置有閥門，各出水管路與測量系統連接。本發明實現了對土體試樣與接觸面板實施應力剪切變形的同時，又進行滲流沖刷特性測量的目的。
文檔編號G01N13/00GK101561378SQ20091008548
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月22日 優先權日2009年5月22日
發明者于玉貞, 鋒 卞, 禾 呂, 雷紅軍 申請人:清華大學