測試堤壩發生滲透變形后土體的強度變化的試驗裝置及測試方法
【技術領域】
[0001]本發明公布一種可以測試堤壩滲透變形后強度變化的三軸管涌裝置，特別是一種能夠研宄一定應力條件下堤壩滲透變形后強度變化的試驗方法。
【背景技術】
[0002]在汛期，管涌堤壩常見險情之一。管涌是指在滲流的作用下，填充在土體骨架孔隙中的細顆粒被水帶走并形成滲流通道的現象。
[0003]前期的研宄表明，管涌是涉及孔隙水流動、顆粒運移、多孔介質變形等多復雜力學行為的現象。隨著管涌的發生，孔隙內細顆粒運移，導致土體的結構調整，使得土體宏觀結構和力學特性發生改變，如滲透性和抗剪強度的不均勻變化等。土體滲透性的改變使得土體的孔隙水應力發生改變，土體的有效應力隨之改變，這就導致土體內部應力的變化，土體的應力狀態的改變又反過來影響管涌的發展。因此針對管涌機理的研宄，必須考慮土體所處應力狀態的影響；土的抗剪強度變化使得堤壩存在安全隱患，嚴重的甚至釀成決堤的災難。
[0004]但是現階段針對管涌機理研宄的試驗裝置沒有或很少考慮土體所處應力狀態的影響以及管涌發生以后土體強度的變化的影響，這就導致所得的研宄成果無法全面客觀地揭示管涌發生發展的機理，嚴重影響了堤壩管涌險情的準確預報和處理。
【發明內容】
[0005]本發明針對上述所述的不足提供了一種可以測試堤壩滲透變形后強度變化的管涌三軸試驗裝置以及測試方法。
[0006]本發明如下技術方案:
本發明提供一種模擬一定應力條件下堤壩滲透變形后土體強度變化的管涌三軸試驗裝置，包括三軸加載主機、圍壓室、試樣、橡皮膜、試樣帽、多孔板、軸向傳力桿、試樣底座、孔壓傳感器、荷重位移傳感器、反壓控制器、圍壓控制器、滲透控制系統以及水砂分離系統；其中，所述的三軸加載主機上布置圍壓室，圍壓室上布置軸向傳力桿，軸向傳力桿頂部連接荷重位移傳感器；圍壓室內部底面設置試樣底座，所述多孔板包括設置于試樣底座與試樣之間的透水多孔板、設置于試樣上端與試樣帽之間的透水透砂多孔板；試樣的外層緊密包裹橡皮膜，試樣底座上設有進水口，試樣帽與軸向傳力桿相連，試樣帽頂端開孔后通過管道與所述水砂分離系統相連；在試樣底座進水口處布置孔壓傳感器，所述荷重位移傳感器、孔壓傳感器分別與三軸加載主機相連；圍壓室底座的側面開孔，通過管道分別與圍壓控制器、反壓控制器及滲透控制系統相連；所述圍壓控制器、反壓控制器、滲透控制系統及三軸加載主機分別與計算機相連。
[0007]所述透水多孔板為孔徑是0.075mm-0.1mm之間的銅板，所述透水透砂多孔板為孔徑是之間的銅板。
[0008]所述的圍壓室包括圍壓室底蓋、圍壓室頂蓋、有機玻璃罩及固定螺栓；其中，所述圍壓室底蓋與圍壓室頂蓋之間設置有所述有機玻璃罩，并通過所述固定螺栓緊固。
[0009]所述試樣帽的頂端設有凹槽，所述軸向傳力桿的一端設置于所述凹槽內，另一端與所述荷重位移傳感器緊密連接。
[0010]一種所述的測試堤壩滲透變形后強度變化的管涌三軸試驗裝置的測試方法，步驟如下:
步驟一、制備、安裝試樣；根據干密度及含水量要求，利用對開模具制備試樣，試樣外表采用橡膠模緊密包裹；在圍壓室底座上安裝試樣底座，在試樣底座上面放置多孔透水板，在試樣底座進水口中心處安置孔壓傳感器，然后將試樣固定在試樣底座上，試樣頂端加透水透砂板，加試樣帽，通過橡皮膜密封連接；試樣安裝過程保持豎直狀態；
步驟二、施加圍壓；安裝圍壓室，打開壓力室頂部排氣孔，往壓力室緩慢注水，待水全部充滿圍壓室并從排氣孔溢出時，擰緊排氣孔，關閉進水閥；其次，安裝軸向傳力桿，保證傳力桿的一端與所述荷重位移傳感器緊密接觸；打開圍壓控制器，施加圍壓同時打開排水管路，試樣開始固結過程；
步驟三、施加軸向壓力；根據試樣排水固結過程，起動軸向加壓設備，施加軸向壓力，加載過程通過控制器分級加載，通過荷重位移傳感器密切監視試樣在固結過程中的沉降量，施加一級荷載以后，當試樣沉降量不再變化時，開始施加下一級壓力，直至加載到要求的軸向荷載；待試樣沉降穩定后，保持圍壓及軸向壓力不變模擬實際工程中原狀土體所處的三向受壓狀態；
步驟四、施加滲透壓力；打開滲透控制系統，開始分級施加滲透壓力，滲透水流通過管路進入試樣，并通過出水管，進入水砂分離系統，在此過程中密切監視，試樣底端孔壓傳感器的讀數，出水管的流量、管涌發生以后出砂量隨時間變化關系、軸向變形情況等數據，待試樣破壞后，關閉出水管，滲透控制系統，做傳統三軸試驗，重復四組試樣，獲得管涌破壞后試樣的強度指標和變形參數；
步驟五、通過對比試樣發生管涌前后的強度和變形，來研宄管涌破壞后對堤壩土體的影響。
[0011]本發明的有益效果:
第一，測試一定應力條件下堤壩滲透變形后土體強度變化的管涌三軸試驗裝置能夠考慮不同應力狀態下管涌發生發展規律。
[0012]第二，能夠實時監測管涌發生過程中土體的變形，管涌破壞以后最終沉降量；考慮土體三向受力狀態下對管涌發生臨界狀態的影響；管涌破壞后土體的強度指標的變化、孔隙率變化、剛度變化。本發明可以模擬土體處于不同應力條件下管涌三軸試驗，為全面認識土體管涌發生發展機理提供新的角度，同時為堤壩管涌險情的預測預報及有效治理提供理論依據和技術支持。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明裝置的結構示意圖；
圖2是測試方法的步驟流程圖；
圖1中I是反壓桿，2是荷重位移傳感器，3是軸向傳力桿，4是排氣孔，5是圍壓室頂蓋，6是固定螺栓，7是有機玻璃罩，8是試樣帽，9是與反壓控制系統相連的管道，10是滲流出水出砂口，11是多孔板，12是橡皮膜，13是試樣，14是圍壓室底蓋，15是圍壓室底座，16是試樣底座，17是三軸加載主機；170、圍壓系統；171、反壓系統；172、水砂分離系統；173、滲透控制系統。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發明裝置進一步詳細說明:
如圖1所示:一種測試堤壩滲透變形后土體強度變化的管涌三軸試驗儀，三軸加載主機上布置圍壓室底座15 ;試樣13與試樣底座16安放在圍壓室底座15上，試樣13與試樣底座16通過多孔透水銅板11相連；試樣13上端通過透水透砂銅板與試樣帽8相連；試樣帽8與軸向傳力桿3相連，施加的荷重以及軸向位移由荷重位移傳感器2量測，并與三軸加載主機相連，實時監測試樣軸向力及軸向變形的大小；在試樣底座進水口處布置孔壓傳感器，通過三軸加載主機相連，實時監測施加在試樣上的水位；在試樣帽8的頂端開孔通過管路與水砂分離系統相連，飽和階段可以關閉管