[發明專利]土體相變-本構耦合規律測試測試裝置及方法

有效

• 申請號: 201310252575.8
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103293286A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 梁越;劉楠楠;王俊杰;劉明維
• 申請（專利權）人: 重慶交通大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 重慶大學專利中心 50201
• 代理人: 王翔

技術領域

????本發明屬于土體滲透變形參數測試領域，具體是土體管涌過程中相變與本構關系相互作用規律的測試。

背景技術

管涌是在滲流作用下土體細顆粒沿骨架顆粒形成的孔隙被帶出的現象。土體是一種由大小不等的固體顆粒組成的多孔介質，當發生管涌時，土體中的固體顆粒在一定的水力條件下由原來的靜止狀態轉變為運動狀態，因此，管涌的發生就是部分土體發生相變的過程。管涌過程中土體的相變規律主要是相變的臨界條件與相變速率。管涌發生發展范圍小、發展速度快、過程復雜，土體相變臨界條件與相變速率不僅與土體本身有關系，還與土體所受的應力狀態密切相關。土體相變要克服阻力，阻力越大，土體越難以發生相變。土顆粒之間的咬合力和摩擦力是阻力的主要形式，而咬合力、摩擦力與應力狀態之間有著密切的關系。同時，土體相變伴隨顆粒流失，從而造成土體體積在變化，即在一定的應力狀態下將引起土體的應變。因此，管涌是一個土體相變與應力應變相互影響的過程，是一個土體相變－本構耦合的過程。土體相變－本構耦合規律的測定是分析管涌發生發展規律，并對管涌進行預測預警以及防治的關鍵問題。

現有技術方法對管涌過程中土體相變的臨界狀態、相變速率等與土體和流體的物理性質之間的關系進行了一系列的研究，探索了土體相變規律與土體顆粒級配、密實度，以及滲流速度、滲流方向等之間的關系，但對應力狀態如何影響土體相變、相變發生發展如何影響土體變形等相變－本構耦合規律的測定尚未形成成熟的技術方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種在實驗室條件下，對管涌過程中土體相變－本構耦合規律進行測定的裝置。

為實現本發明目的而采用的技術方案是這樣的，?一種土體相變-本構耦合規律測試裝置，包括圍壓室、軸向應力施加系統、上游水頭施加系統和下游水頭施加系統。所述圍壓室包括圓柱形筒體，以及分別與所述筒體上下兩端扣合的頂蓋和底蓋。試驗時，所述圍壓室內部安置被測試樣。所述軸向應力施加系統位于圍壓室底部。所述軸向應力施加系統的加載軸穿透圍壓室的底蓋，伸入到圍壓室內部。所述頂蓋嵌入一個上端封閉、下端敞口的圓柱形盒體Ⅱ，所述加載軸上端放置一個上端敞口、下端封閉的圓柱形盒體Ⅰ。所述圓柱形盒體Ⅰ和圓柱形盒體Ⅱ內部填充卵礫石。所述被測試樣的下端放置在圓柱形盒體Ⅰ內部的卵礫石上、被測試樣的上端與圓柱形盒體Ⅱ內部的卵礫石接觸。所述圓柱形盒體Ⅰ具有出砂孔。所述上游水頭施加系統對被測試樣的下端施加水壓，所述下游水頭施加系統對被測試樣的上端施加水壓。

值得說明的是，本發明中，被測試樣是根據預設的土體顆粒組成與密實度制備的，可以利用三軸剪切試驗制樣方法制得試樣。

所述圍壓室為常見的圓柱形密閉容器，其側壁，即圓柱形筒體由耐壓有機玻璃制成。圍壓室的底面及頂面，即頂蓋和底蓋通常由剛性耐壓耐腐蝕金屬材料制成。進一步地，所述頂蓋預留排氣孔，用于試驗前向圍壓室內注水時排氣，試驗過程中排氣孔關閉。

試驗過程中所述加載軸對被測試樣施加軸向壓力，加載軸與底蓋接觸處氣密。另外，在本發明中，所有伸入圍壓室的管件與頂蓋或底蓋接觸處具有氣密性，保證在整個試驗過程中，圍壓室氣密良好。

由于本發明需要對被測試樣上下端施加水壓，為了使得被測試樣受力均勻，在被測試樣上、下端分別設置上、下緩沖區。即設置填充了卵礫石料的圓柱形盒體Ⅰ和圓柱形盒體Ⅱ。所述圓柱形盒體Ⅰ是一個無蓋的剛性空心圓柱。所述圓柱形盒體Ⅱ正好與圓柱形盒體Ⅰ相反，是一個無底的剛性空心圓柱。安裝時，圓柱形盒體Ⅰ和圓柱形盒體Ⅱ同心安裝。本發明中，填充用到的卵礫石料根據試樣中細顆粒的大小確定，保證透水性的同時還要保證卵礫石料的孔隙大小足以使試樣管涌產生的細顆粒順利通過。卵礫石料擊實入圓柱形盒體內，端面與試樣上端或下端平齊接觸。在上緩沖區，即圓柱形盒體Ⅱ預留出砂孔，被測試樣管涌過程中涌出的細顆粒通過出砂孔排出。

由于被測試樣通常是制備成圓柱體，與普通三軸試驗一樣，為了保護被測試樣本體，需要給試樣外套一個防水橡皮膜。本發明中，所述防水橡皮膜上下端分別套在圓柱形盒體Ⅱ和圓柱形盒體Ⅰ外部，以此保證施加圍壓時，圍壓室內的水不浸入被測試樣內。

所述上游水頭施加系統的設計，利用馬氏瓶原理，通過向密封的儲水箱內注入等壓氣體，為土體測試試樣提供恒定的上游水頭。測試過程中，通過改變注入氣體壓力的大小改變上游水頭的大小，并可以通過流量計測量試驗過程中流經土體試樣的液體流量。

所述下游水頭施加系統的設計，保證了不間斷供水。即保持施加在被測試樣的恒定下游水頭，同時還可以利用流量計測量通過上緩沖區頂面的液體流量。