本發(fā)明涉及巖土工程室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種反壓飽和狀態(tài)大三軸試樣的柔性壁壓力滲流試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

近年來港口、機(jī)場(chǎng)等大型基礎(chǔ)工程建設(shè)中，經(jīng)常遇到粗粒土填筑土工結(jié)構(gòu)相關(guān)工程問題。粗粒土的滲透性能、壓力滲流變形等是該類土工結(jié)構(gòu)性能與穩(wěn)定控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)問題之一。例如，南海島礁吹填機(jī)場(chǎng)等工程建設(shè)中，吹填珊瑚碎屑粗粒土材料的滲流性能與滲流變形穩(wěn)定的試驗(yàn)評(píng)價(jià)，至關(guān)重要。

細(xì)粒土小尺度單元體室內(nèi)滲透試樣設(shè)備較為完善，相對(duì)而言粗粒土大尺度單元體試樣的室內(nèi)滲流試驗(yàn)設(shè)備較為滯后。例如，目前規(guī)范推薦的tst-70型粗粒土滲透儀，為直徑100mm剛性壁自流式滲流試驗(yàn)。經(jīng)過改裝，可提供抽真空滲流飽和試樣飽和及壓力滲流試驗(yàn)。試樣高飽和度控制與評(píng)價(jià)、剛性壁與粗粒土接觸面滲透精度影響，以及制樣初始狀態(tài)控制等，難以解決。

粗粒土300mm大尺度單元體室內(nèi)滲流試驗(yàn)，適合粗粒土滲透性能與滲流穩(wěn)定研究揭示。截止目前，未見試樣維持反壓高飽和狀態(tài)的柔性壁滲透系數(shù)測(cè)試與壓力滲流變形的試驗(yàn)設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種反壓飽和狀態(tài)大三軸試樣的柔性壁壓力滲流試驗(yàn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)三軸試樣維持反壓飽和條件，進(jìn)行截面300大尺度柔性壁單元體滲透系數(shù)與壓力滲流變形等室內(nèi)土工試驗(yàn)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種反壓飽和狀態(tài)大三軸試樣的柔性壁壓力滲流試驗(yàn)裝置，包括：圍壓滲流轉(zhuǎn)換單元和體變流量轉(zhuǎn)換單元；圍壓滲流轉(zhuǎn)換單元和體變流量轉(zhuǎn)換單元通過滲入水路部分的滲流閥19和三通接口i3相連。

優(yōu)選的，圍壓滲流轉(zhuǎn)換單元包括20升圍壓水罐16、凈水源補(bǔ)水閥17、四通接口i4、圍壓閥2、滲流試樣1、軸力桿8、滲流閥19、下孔壓閥14和孔壓傳感器15；20升圍壓水罐16依次連接四通接口i4和滲流閥19接入三通接口i3進(jìn)入下孔閥13水路，凈水源補(bǔ)水閥17依次連接四通接口i4和圍壓閥2后連接滲流試樣1，滲流試樣1還分別連接軸力桿8和孔壓傳感器15，孔壓傳感器15連接下孔壓閥14。

優(yōu)選的，體變流量轉(zhuǎn)換單元包括空壓機(jī)36、反壓閥35、減壓閥30、小反壓閥28、大反壓閥29、體變傳感器32、小體變管33、排氣閥31、大體變管34、上孔壓閥20、小體變閥26、大體變閥27、抽氣閥25、連接閥21、下孔閥13、截?cái)嚅y22、飽和閥24和排水閥23；空壓機(jī)36和反壓閥35、減壓閥30依次連接，分兩路一路與大反壓閥29相連注入大體變管34，另一路與小反壓閥28相連注入小體變管33，小體變管33還連接有體變傳感器32和小體變閥26，大體變管34還連接有體變傳感器32、排氣閥31和大體變閥27，大體變閥27還連接有排水閥23，孔壓傳感器15依次連接上孔壓閥20和抽氣閥25，下孔閥13依次連接截?cái)嚅y22和飽和閥24，截?cái)嚅y22連接有連接閥21。

優(yōu)選的，開通凈水源補(bǔ)水閥17，關(guān)閉圍壓閥2和滲流閥19，由專門配備的潔凈水箱及水泵通過凈水源補(bǔ)水閥17補(bǔ)充20升圍壓水罐16水體接近水罐容量，完成滲入水體儲(chǔ)備；之后設(shè)定20升圍壓水罐16滲流壓力ub>反壓us值，啟動(dòng)圍壓油缸加載至ub并伺服穩(wěn)定，完成20升圍壓水罐16圍壓滲流轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備；關(guān)閉下孔閥13，打開滲流閥19，20升壓力水罐16伺服壓力水以流量控制方式，進(jìn)入下孔閥13前端三通接口i3，進(jìn)入滲流試樣1底端，實(shí)現(xiàn)壓力水滲入。

優(yōu)選的，試樣飽和試驗(yàn)階段采用大體變管34，截?cái)嚅y22處于聯(lián)通狀態(tài)，抽真空飽和與反壓us飽和；試樣飽和后穩(wěn)定，關(guān)閉上孔壓閥20和下孔壓閥14、下孔閥13；打開反壓閥35，打開大體變閥27和小體變閥26、截?cái)嚅y22與排氣閥31，之后打開排水閥23進(jìn)行大體變管34和小體變管33排水，調(diào)整滲流體積接近最大量程，關(guān)閉排水閥23和排氣閥31；滲流試驗(yàn)前，需打開反壓閥35，通過減壓閥30恢復(fù)大體變管34和小體變管33壓力至試樣飽和反壓us；關(guān)閉小體變閥26，打開上孔壓閥20、連接閥21、截?cái)嚅y22和大體變閥27，聯(lián)通大體變管34進(jìn)行測(cè)試；下孔閥13關(guān)閉狀態(tài)打開滲流閥19，聯(lián)通20升圍壓水罐16，讓壓力水滲入試樣，即可實(shí)現(xiàn)單元體試樣維持反壓飽和狀態(tài)時(shí)的滲流試樣1頂端壓力水滲出體積的連續(xù)測(cè)讀，同時(shí)測(cè)讀孔壓傳感器15孔壓值、滲流時(shí)間和滲流試樣1軸向位移。

優(yōu)選的，截取上部和下部孔壓傳感器15ut和ub穩(wěn)定后的滲出水體積vw與時(shí)間δts測(cè)讀數(shù)據(jù)，即可根據(jù)滲流試樣1截面直徑ds和高度hs，得到試樣滲透系數(shù)如下：

優(yōu)選的，大小體變管滲流轉(zhuǎn)換，當(dāng)試樣滲出流量速度相對(duì)較慢時(shí)，上下孔壓傳感器15ut和ub穩(wěn)定后，可通過關(guān)閉大體變閥27和截?cái)嚅y22，打開小體變閥26，實(shí)施大體變管34轉(zhuǎn)換為小體變管33的高精度滲出流量測(cè)試，縮短測(cè)試周期，即“大體變→小體變”流量測(cè)試轉(zhuǎn)換；同時(shí)，由小體變管33體變傳感器32數(shù)據(jù)，計(jì)算試樣滲透系數(shù)；大小體變管聯(lián)測(cè)，當(dāng)試樣滲出流量較大時(shí)，通過上述大體變管34和小體變管33轉(zhuǎn)換時(shí)的大反壓閥29和截?cái)嚅y22關(guān)閉狀態(tài)，可以打開大體變管34的排氣閥31和排水閥23，進(jìn)行大體變管34排水，重新調(diào)整滲流體積量程，之后迅速關(guān)閉排氣閥31和排水閥23，打開大反壓閥29恢復(fù)大體變管34反壓us；之后，小體變管33滲出流量接近其量程時(shí)，關(guān)閉小體變閥26，再次打開截?cái)嚅y22和大體變閥27，即可實(shí)現(xiàn)“小體變→大體變”測(cè)試轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換聯(lián)測(cè)全過程“大體變→小體變→大體變”有效量測(cè)為10+1.5+10＝21.5升，大于20升圍壓水罐水16容量，可以實(shí)現(xiàn)試樣滲出流量大量程聯(lián)測(cè)。

優(yōu)選的，結(jié)合大三軸剪切設(shè)備固有的圍壓、軸壓加載系統(tǒng)；位移、孔壓和時(shí)間等測(cè)試系統(tǒng)，可結(jié)合20升圍壓水罐16壓力流量控制，方便靈活地開展?jié)B透系數(shù)測(cè)試、壓力滲流試驗(yàn)；壓力滲流試驗(yàn)原理同上述低水頭滲透試驗(yàn)，可通過20升圍壓水罐16設(shè)定高水頭壓力ub，結(jié)合試樣軸向變形測(cè)試，進(jìn)行試樣滲透變形試驗(yàn)研究。

本發(fā)明的有益效果為：大三軸剪切設(shè)備與兩個(gè)轉(zhuǎn)換單元相連，可以實(shí)現(xiàn)三軸試樣維持反壓飽和條件，進(jìn)行截面300大尺度柔性壁單元體滲透系數(shù)與壓力滲流變形等室內(nèi)土工試驗(yàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的大三軸裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的大三軸底座結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的大三軸水氣路及改裝后結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、滲流試樣；2、圍壓閥；3、滲入；4、滲出；5、橡膠膜；6、土工反濾布；7、大三軸壓力室底座；8、軸力桿；9、壓力室排氣閥；10、大三軸壓力室；11、固定螺栓；12、止水圈；13、下孔閥；14、下孔壓閥；15、孔壓傳感器；16、20升圍壓水罐；17、凈水源補(bǔ)水閥；18、補(bǔ)水；19、滲流閥；20、上孔壓閥；21、連接閥；22、截?cái)嚅y；23、排水閥；24、飽和閥；25、抽氣閥；26、小體變閥；27、大體變閥；28、小反壓閥；29、大反壓閥；30、減壓閥；31、排氣閥；32、體變傳感器；33、小體變管；34、大體變管；35、反壓閥；36、空壓機(jī)；i3、三通接口；i4、四通接口。

具體實(shí)施方式

如圖1、2和3所示，一種反壓飽和狀態(tài)大三軸試樣的柔性壁壓力滲流試驗(yàn)裝置，包括：圍壓滲流轉(zhuǎn)換單元和體變流量轉(zhuǎn)換單元；圍壓滲流轉(zhuǎn)換單元和體變流量轉(zhuǎn)換單元通過滲入水路部分的滲流閥19和三通接口i3相連。

圍壓滲流轉(zhuǎn)換單元包括20升圍壓水罐16、凈水源補(bǔ)水閥17、四通接口i4、圍壓閥2、滲流試樣1、軸力桿8、滲流閥19、下孔壓閥14和孔壓傳感器15；20升圍壓水罐16依次連接四通接口i4和滲流閥19接入三通接口i3進(jìn)入下孔閥13水路，凈水源補(bǔ)水閥17依次連接四通接口i4和圍壓閥2后連接滲流試樣1，滲流試樣1還分別連接軸力桿8和孔壓傳感器15，孔壓傳感器15連接下孔壓閥14。

體變流量轉(zhuǎn)換單元包括空壓機(jī)36、反壓閥35、減壓閥30、小反壓閥28、大反壓閥29、體變傳感器32、小體變管33、排氣閥31、大體變管34、上孔壓閥20、小體變閥26、大體變閥27、抽氣閥25、連接閥21、下孔閥13、截?cái)嚅y22、飽和閥24和排水閥23；空壓機(jī)36和反壓閥35、減壓閥30依次連接，分兩路一路與大反壓閥29相連注入大體變管34，另一路與小反壓閥28相連注入小體變管33，小體變管33還連接有體變傳感器32和小體變閥26，大體變管34還連接有體變傳感器32、排氣閥31和大體變閥27，大體變閥27還連接有排水閥23，孔壓傳感器15依次連接上孔壓閥20和抽氣閥25，下孔閥13依次連接截?cái)嚅y22和飽和閥24，截?cái)嚅y22連接有連接閥21。

開通凈水源補(bǔ)水閥17，關(guān)閉圍壓閥2和滲流閥19，由專門配備的潔凈水箱及水泵通過凈水源補(bǔ)水閥17補(bǔ)充20升圍壓水罐16水體接近水罐容量，完成滲入水體儲(chǔ)備；之后設(shè)定20升圍壓水罐16滲流壓力ub>反壓us值，啟動(dòng)圍壓油缸加載至ub并伺服穩(wěn)定，完成20升圍壓水罐16圍壓滲流轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備；關(guān)閉下孔閥13，打開滲流閥19，20升壓力水罐16伺服壓力水以流量控制方式，進(jìn)入下孔閥13前端三通接口i3，進(jìn)入滲流試樣1底端，實(shí)現(xiàn)壓力水滲入。

試樣飽和試驗(yàn)階段采用大體變管34，截?cái)嚅y22處于聯(lián)通狀態(tài)，抽真空飽和與反壓us飽和；試樣飽和后穩(wěn)定，關(guān)閉上孔壓閥20和下孔壓閥14、下孔閥13；打開反壓閥35，打開大體變閥27和小體變閥26、截?cái)嚅y22與排氣閥31，之后打開排水閥23進(jìn)行大體變管34和小體變管33排水，調(diào)整滲流體積接近最大量程，關(guān)閉排水閥23和排氣閥31；滲流試驗(yàn)前，需打開反壓閥35，通過減壓閥30恢復(fù)大體變管34和小體變管33壓力至試樣飽和反壓us；關(guān)閉小體變閥26，打開上孔壓閥20、連接閥21、截?cái)嚅y22和大體變閥27，聯(lián)通大體變管34進(jìn)行測(cè)試；下孔閥13關(guān)閉狀態(tài)打開滲流閥19，聯(lián)通20升圍壓水罐16，讓壓力水滲入試樣，即可實(shí)現(xiàn)單元體試樣維持反壓飽和狀態(tài)時(shí)的滲流試樣1頂端壓力水滲出體積的連續(xù)測(cè)讀，同時(shí)測(cè)讀孔壓傳感器15孔壓值、滲流時(shí)間和滲流試樣1軸向位移。

截取上部和下部孔壓傳感器15(數(shù)值)ut和ub穩(wěn)定后的滲出水體積vw與時(shí)間δts測(cè)讀數(shù)據(jù)，即可根據(jù)滲流試樣1截面直徑ds和高度hs，得到試樣滲透系數(shù)如下：

大小體變管滲流轉(zhuǎn)換，當(dāng)試樣滲出流量速度相對(duì)較慢時(shí)，上下孔壓傳感器15ut和ub穩(wěn)定后，可通過關(guān)閉大體變閥27和截?cái)嚅y22，打開小體變閥26，實(shí)施大體變管34轉(zhuǎn)換為小體變管33的高精度滲出流量測(cè)試，縮短測(cè)試周期，即“大體變→小體變”流量測(cè)試轉(zhuǎn)換；同時(shí)，由小體變管33體變傳感器32數(shù)據(jù)，計(jì)算試樣滲透系數(shù)；大小體變管聯(lián)測(cè)，當(dāng)試樣滲出流量較大時(shí)，通過上述大體變管34和小體變管33轉(zhuǎn)換時(shí)的大反壓閥29和截?cái)嚅y22關(guān)閉狀態(tài)，可以打開大體變管34的排氣閥31和排水閥23，進(jìn)行大體變管34排水，重新調(diào)整滲流體積量程，之后迅速關(guān)閉排氣閥31和排水閥23，打開大反壓閥29恢復(fù)大體變管34反壓us。之后，小體變管33滲出流量接近其量程時(shí)，關(guān)閉小體變閥26，再次打開截?cái)嚅y22和大體變閥27，即可實(shí)現(xiàn)“小體變→大體變”測(cè)試轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換聯(lián)測(cè)全過程“大體變→小體變→大體變”有效量測(cè)為10+1.5+10＝21.5升，大于20升圍壓水罐水16容量，可以實(shí)現(xiàn)試樣滲出流量大量程聯(lián)測(cè)。

結(jié)合大三軸剪切設(shè)備固有的圍壓、軸壓加載系統(tǒng)；位移、孔壓和時(shí)間等測(cè)試系統(tǒng)，可結(jié)合20升圍壓水罐16壓力流量控制，方便靈活地開展?jié)B透系數(shù)測(cè)試、壓力滲流試驗(yàn)；壓力滲流試驗(yàn)原理同上述低水頭滲透試驗(yàn)，可通過20升圍壓水罐16設(shè)定高水頭壓力ub，結(jié)合試樣軸向變形測(cè)試，進(jìn)行試樣滲透變形試驗(yàn)研究。

實(shí)施例i——粗粒土滲透系數(shù)測(cè)試：

試樣飽和：制備300mm粗粒土大尺度三軸單元體滲流試樣1，安裝至大三軸后進(jìn)行常規(guī)大三軸壓力室10注水、所有水路排氣后，關(guān)閉滲流閥19與凈水源補(bǔ)水閥17。打開圍壓閥2，大三軸剪切設(shè)備20升圍壓水罐16通過大三軸控制系統(tǒng)施加壓力室圍壓，圍壓伺服狀態(tài)進(jìn)行滲流試樣1滲流抽真空飽和，配合圍壓進(jìn)一步實(shí)施反壓飽和至us，試樣達(dá)到高飽和度要求。

滲流準(zhǔn)備：滲流閥19關(guān)閉狀態(tài)，三軸試樣反壓飽和后，且圍壓施加后，關(guān)閉圍壓閥2，同時(shí)關(guān)閉上孔壓閥20、下孔壓閥14和下孔閥13，關(guān)閉反壓閥35，關(guān)閉抽氣閥25和飽和閥24；打開凈水源補(bǔ)水閥17補(bǔ)充20升圍壓水罐水體16接近其容量20升，之后關(guān)閉凈水源補(bǔ)水閥17；打開排氣閥31、大體變閥27和小體變閥26、截?cái)嚅y22與排水閥23，大體變管34和小體變管33排水至滲出流量容許最大量程；之后，大小反壓閥聯(lián)通狀態(tài)，關(guān)閉排氣閥31，再次打開反壓閥35，通過減壓閥30施加大小體變管反壓至飽和壓力us。

滲透試驗(yàn)：首先關(guān)閉小體變閥26，通過大三軸控制系統(tǒng)設(shè)置20升圍壓水罐16伺服壓力(ub>us)和流量速度后，打開滲流閥19，提供滲入壓力水；同時(shí)在截?cái)嚅y22聯(lián)通狀態(tài)，打開連接閥21、上孔壓閥20，20升圍壓水罐16按設(shè)定壓力與流速提供滲入壓力水，大體變管體變傳感器32連續(xù)測(cè)讀試樣滲出流量，同時(shí)連續(xù)測(cè)讀時(shí)間，上下的孔壓傳感器15水壓ut和ub。

數(shù)據(jù)分析：截取上下的孔壓傳感器15(數(shù)值)ut和ub穩(wěn)定后的滲出水體積vw與時(shí)間δts測(cè)讀數(shù)據(jù)，即可根據(jù)滲流試樣1截面直徑ds和試樣高度hs，按上式計(jì)算試樣滲透系數(shù)。

此外，當(dāng)滲流速度相對(duì)較慢時(shí)，上下的孔壓傳感器15(數(shù)值)ut和ub穩(wěn)定后，可采用上述“大→小”雙體變管轉(zhuǎn)換，進(jìn)行高精度滲出流量測(cè)試；當(dāng)滲流速度較快時(shí)，且上述大體變管排水量程不足時(shí)，可以采用雙體變管“大→小→大”聯(lián)測(cè)轉(zhuǎn)換。

實(shí)施例ii——滲透變形試驗(yàn)：

通過圍壓水罐提供不同高水平壓力水頭，分別采用上述實(shí)施實(shí)例i步驟和方法進(jìn)行滲透試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，同時(shí)讀取滲流試樣軸向變形，揭示不同水頭梯度時(shí)的三軸試樣滲透系數(shù)變化規(guī)律和試樣變形特征，判斷壓力滲流變形穩(wěn)定。

必須指出，每一級(jí)壓力水頭滲透試驗(yàn)前，均需要進(jìn)行實(shí)施實(shí)例i中的壓力水罐補(bǔ)水和大小體變管排水操作步驟，提供充足壓力滲入壓力水體積和反壓滲出流量的測(cè)試量程。

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。