[發(fā)明專利]一種用于模擬水位升降過程壩體土變形的試驗系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2021-06-08
• 公開（公告）號: CN113358484B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高江林;劉達;周宇航;胡松濤;石鈺鋒;李焱
• 申請（專利權(quán)）人: 江西省水利科學(xué)院
• 主分類號: G01N3/14
• 分類號: G01N3/14;G01N3/12;G01N1/28;G01N1/36
• 代理公司: 南昌豐擇知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 36137
• 代理人: 張榮

本發(fā)明公開了一種用于模擬水位升降過程壩體土變形的試驗系統(tǒng)及方法，主要包括杠桿加載裝置、試驗系統(tǒng)、高精度水壓裝置；試驗系統(tǒng)安裝在杠桿加載裝置上，在試驗系統(tǒng)一側(cè)設(shè)有高精度水壓裝置；其中杠桿加載裝置由承臺、基座、平衡錘、杠桿、砝碼、立柱和滑軌組成；試驗系統(tǒng)包括千分表、有孔銅制傳壓蓋、銅制導(dǎo)環(huán)、透水石、鋼制壓縮環(huán)刀和壓力室；高精度水壓裝置由高精度水壓表和水壓試驗機組成。采用本發(fā)明公開的模擬壩體土水位升降過程變形試驗系統(tǒng)，通過獨立施加上覆土壓力和孔隙水壓力，可實現(xiàn)不同深度荷載和任意水壓力的精準組合，模擬水位升降作用下不同深度壩體土真實性狀及全過程變形。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水利科學(xué)研究領(lǐng)域，具體為一種用于模擬水位升降過程壩體土變形的試驗系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

我國共有水庫大壩9.8萬余座，其中90％以上為土石壩，主要建設(shè)于上世紀50～70年代，在防洪、灌溉、供水、發(fā)電等方面發(fā)揮了巨大的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。特殊的歷史時期和經(jīng)濟技術(shù)條件導(dǎo)致這些大壩存在先天不足，且超設(shè)計使用年限運行的現(xiàn)象較為普遍，隨著運行年限的增加，土石壩的病險問題日益突出。因此，病險土石壩的加固和處理已成為我國水利工程建設(shè)與管理的一項長期而艱巨的任務(wù)。

近年來，在加固后的安全鑒定工作中發(fā)現(xiàn)有相當數(shù)量的防滲墻加固土石壩在運行多年后出現(xiàn)了壩頂裂縫問題。由于對加固壩體變形規(guī)律及內(nèi)在機制的認識不足，導(dǎo)致對壩體變形穩(wěn)定趨勢、裂縫危害程度等涉及大壩安全的關(guān)鍵問題缺乏科學(xué)判斷。當前，加固壩體的變形分析已成為推進大壩結(jié)構(gòu)安全評價的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

傳統(tǒng)土體變形試驗方法(如三軸壓縮試驗、固結(jié)試驗等)主要適用于新建土石壩施工期或蓄水運行初期的變形分析，此時的壩體土自重荷載、水位荷載、濕化和固結(jié)等因素作用較為明顯。針對已經(jīng)運行幾十年的老壩，庫水位反復(fù)升降引起的壩體土變形已成為運行期大壩總體變形的主要貢獻因素，此時，傳統(tǒng)土體變形試驗方法已不能滿足。因此，準確模擬庫水位升降作用下的壩體土變形是破解加固壩體變形難題的關(guān)鍵，發(fā)明相應(yīng)的試驗系統(tǒng)及方法十分迫切和必要。

壩體土受力主要分為豎直方向的上覆土壓力與孔隙水壓力。本試驗由杠桿加載裝置提供穩(wěn)定的軸向壓力，杠桿加載裝置由承臺、基座、平衡錘、杠桿及砝碼組成，通過杠桿加壓原理，增加砝碼重量的方式向傳力桿提供軸向壓力，軸向壓力通過傳力桿施加到壓力室內(nèi)的試件上，傳力桿一端在銅制有孔傳壓蓋頂端，另一端外延伸出壓力室，連接處采用橡膠止水隔絕滲水，傳力桿、有孔銅制傳壓蓋、銅制導(dǎo)環(huán)的組合向試件傳遞，該軸壓施加系統(tǒng)可以較好地模擬土體自重應(yīng)力。本試驗由高精度水壓裝置向壓力室內(nèi)注水，高精度水壓裝置由高精度水壓表、水壓試驗機組成，通過高精度水壓表讀取水壓力值，采用水壓試驗機調(diào)節(jié)水壓力值至目標值，進而實現(xiàn)水壓力值的精確調(diào)控。孔隙水壓力透過透水石、有孔銅制傳壓蓋向試件穩(wěn)定傳遞。穩(wěn)定的軸向壓力可以模擬壩體土的上覆土壓力進行固結(jié)，而不同深度的孔隙水壓力可以通過控制壓力室內(nèi)水壓力大小來實現(xiàn)。

一般的強度試驗方法(側(cè)向荷載通過圍壓實現(xiàn)，如三軸壓縮)，用橡膠套固定土樣試件，不限制土體的側(cè)向變形，土體會同時發(fā)生豎向和側(cè)向變形，隨著主應(yīng)力差的增大土體發(fā)生變形破壞，主要研究的是土體的剪切破壞作用。本發(fā)明采用鋼制壓縮環(huán)刀實現(xiàn)土樣側(cè)向約束，獨立施加豎向荷載，只產(chǎn)生豎向變形，不產(chǎn)生側(cè)向變形和剪切變形，模擬壩體土真實應(yīng)力狀態(tài)；

傳統(tǒng)三軸試驗設(shè)備土體試件并不時刻與水接觸，而是通過向橡膠套筒施加水壓的方式，向土體試件施加圍壓，并不能模擬土體試件在側(cè)向約束條件下不同孔隙水壓力作用的變形過程。本發(fā)明的銅制傳壓蓋、銅制導(dǎo)環(huán)，其作用是為了傳遞軸壓，并且在此基礎(chǔ)上對銅制傳壓蓋進行了打孔處理，其目的是為了將水與土體試件充分接觸，從而使得孔隙水壓力更好地傳遞到土體內(nèi)部。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了模擬壩體土水位升降過程變形的試驗，維持軸向壓力限制試樣側(cè)向變形，模擬不同穩(wěn)定孔隙水壓力作用下壩體土某一點處的豎向變形；提供一種利用鋼制壓縮環(huán)刀實現(xiàn)側(cè)向約束的變孔隙水壓力條件下土體變形試驗方法，系一種用于模擬水位升降過程壩體土變形的試驗系統(tǒng)及方法。