土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试方法及其装置

摘要

本发明的目的是提供一种模拟土体饱水-疏干循环过程，并研究土体饱水-疏干循环作用下静止侧压力系数的方法。即一种土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试方法，包括以下步骤：1）制备静止侧压力系数测试所需要的试样；2）使步骤1）中的试样饱和；3）疏干；4）饱水；5）重复步骤3）、4）若干次；6）进行静止侧压力系数测试。实现上述方法的装置主要包括轴向加荷系统、土压力传感系统、水压力传感系统和压力室。试验时，试样安放在所述陶土板和环形透水石上，所述试样上安放试样加载板，所述轴向加荷系统的传力装置穿过所述顶盖后与试样加载板相接触。

权利要求

1.一种土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试方法，其特征在于：采用的装置主要包括轴向加荷系统（1）、土压力传感系统（11）、水压力传感系统（12）和压力室（2），所述压力室（2）包括压力室圆筒（8）、顶盖（5）和底座（18），所述顶盖（5）和底座（18）的内部均安装有若干管道系统，所述压力室圆筒（8）、顶盖（5）和底座（18）相结合处具有气密性；

所述底座（18）的上方安放陶土板（13）和环形透水石（14），所述底座（18）内部的管道系统包括透水石底侧进出水系统（15）、陶土板底侧进出水系统（17）和陶土板气压力控制调节系统（16）；

所述顶盖（5）内部的管道系统包括压力室顶部进出气系统（6）和压力室顶部进水系统（7）；

试验时，试样（19）安放在所述陶土板（13）和环形透水石（14）上，所述试样（19）上安放试样加载板（9），所述轴向加荷系统（1）的传力装置穿过所述顶盖（5）后与试样加载板（9）相接触；

包括以下步骤：

1）制备静止侧压力系数测试所需要的试样；

2）使步骤1）中的试样饱和；

3）疏干：向试样的顶端施加具有压力的气体；所述气体从试样的顶端缓慢向试样的底端渗透，以驱动试样内部的重力水自上而下渗透并从试样底端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅进气、不排气、不进水、不排水，试样底端仅排水、不进水、不进气、不排气；

4）饱水：从试样的底端向试样施加具有压力的无气水，或同时从试样的底端和顶端向试样施加具有压力的无气水；所述无气水在试样内渗透的过程中，试样内部的气体从试样顶端排出；在本步骤的过程中，试样顶端排气、不排水、不进气，试样顶端进水或不进水，试样底端仅进水、不排水、不进气、不排气；

5）重复步骤3）、4）若干次；

6）进行静止侧压力系数测试。

2.一种用于实现权利要求1所述方法的土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试装置，其特征在于：主要包括轴向加荷系统（1）、土压力传感系统（11）、水压力传感系统（12）和压力室（2），所述压力室（2）包括压力室圆筒（8）、顶盖（5）和底座（18），所述顶盖（5）和底座（18）的内部均安装有若干管道系统，所述压力室圆筒（8）、顶盖（5）和底座（18）相结合处具有气密性；

所述底座（18）的上方安放陶土板（13）和环形透水石（14），所述底座（18）内部的管道系统包括透水石底侧进出水系统（15）、陶土板底侧进出水系统（17）和陶土板气压力控制调节系统（16）；

所述顶盖（5）内部的管道系统包括压力室顶部进出气系统（6）和压力室顶部进水系统（7）；

试验时，试样（19）安放在所述陶土板（13）和环形透水石（14）上，所述试样（19）上安放试样加载板（9），所述轴向加荷系统（1）的传力装置穿过所述顶盖（5）后与试样加载板（9）相接触；

所述试样加载板（9）与试样（19）之间具有试样顶部透水石（10）。

3.根据权利要求2所述的土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试装置，其特征在于：所述土压力传感系统（11）和水压力传感系统（12）安装在压力室圆筒（8）四周。

4.根据权利要求2所述的土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试装置，其特征在于：所述陶土板（13）为圆盘状，所述环形透水石（14）环绕陶土板（13），所述陶土板（13）与环形透水石（14）之间是既不透水也不透气的隔离带（21）。

5.根据权利要求2所述的土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试装置，其特征在于：所述压力室顶部进水系统（7）的管道穿透所述加载板（9）后，与所述试样顶部透水石（10）接触。

说明书

土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试方法及其装置

技术领域

[0001] 本发明涉及土体基本力学特性的测试，具体是一种在实验室条件下模拟经过饱水-疏干循环的土体，并对所述土体进行静止侧压力系数测试。

背景技术

[0002] 土体的静止侧压力系数是计算静止土压力、研究土与结构相互作用的关键参数，其是指土体在无侧向变形条件（即侧限条件）下侧向有效应力与竖向有效应力之比。静止侧压力系数能够反映地基土体在其自重及上部荷载作用下引起的水平向应力大小，可用于计算土体作用于挡土结构物上的静止土压力大小及分布、评价挡土结构的稳定性等，已被广泛应用于水利工程、土木工程、交通工程等中各类挡土结构的设计计算之中。静止侧压力系数的确定方法有试验测试法、理论计算法和经验公式法等，其中试验测试法的结果最可靠。在《土工试验规程》（SL237—1999）中介绍了室内试验测定静止侧压力系数的方法：用环刀将试验制备后，将带有试样的环刀装入框式饱和器内，按照《土工试验规程》规定的真空饱和法对试样进行饱和，饱和度要求达到95%以上。在测试容器的内壁上涂一薄层硅油，然后将试样从环刀中推入侧压仪容器内，放上透水板、防护圈、传压板、钢珠，将容器置于加压框架正中，施加1kPa预压力，安装轴向位移计，并调至零位。打开接侧压力量测装置的阀，调平电测仪表，测记受压室中水压力为零时的压力传感器读数R0。按压力等级施加每级轴向压力后，随时调平电测仪表，测记不同时刻仪表读数R和轴向变形直至变形稳定为止。试验结束后，取出试样称重并测定含水率。根据公式计算获得侧向压力，以轴向有效应力为横坐标，有效侧压力为纵坐标，绘制关系曲线，所得斜率即为土体静止侧压力系数。

[0003] 大型水库蓄水运行后，库水位随水库调度呈周期性的上升、下降变化，并且库水位的变幅很大。例如长江三峡水库，按其调度计划，正常蓄水后坝前库水位每年在175m—145m之间变化，库水位最大变幅达30m。在库水位的周期性上升、下降变化中，库岸地下水位及拦河土石坝浸润线也呈周期性的上升、下降变化，且变幅往往也很大。库水位和地下水位的周期性上升、下降变化，必然使得其变化范围内的库岸土体及拦河土石坝土体经受周期性的饱水-疏干循环作用。在饱水-疏干循环作用下，土体的静止侧压力系数可能发生变化，这可能引起作用于沿岸挡土结构物及枢纽结构物上的土压力发生变化，进而可能影响结构的安全与稳定，因此，有必要对饱水-疏干循环作用下的土体静止侧压力系数变化特征进行研究。值得说明的是，这里“饱水”与现有技术中所称的“湿化”都是使土体由非饱和状态转变为饱和状态，但两者是不同的。“饱水”是库水位下降后再次上升过程中使土体由非饱和状态变为饱和状态的过程。“饱水”发生前，虽然土体因重力水已经排出而处于非饱和状态，但土体中仍存在大量的毛细水、结合水等，含水率通常较高。而“湿化”发生前，土体没有经历因库水位和地下水位上升引起的由非饱和状态向饱和状态转变的过程，土体通常处于半干燥状态甚至干燥状态，含水率通常较低。

[0004] 在实验室条件下研究土体在饱水-疏干循环条件下的静止侧压力系数变化特性，需要尽可能真实地模拟库岸及拦河大坝土体经历的饱水-疏干循环条件，但为了节约试验时间，试验的历时又不能很长。传统试验方法及其系统是土体在饱和状态下进行固结，无法对试样进行饱水-疏干循环作用，因此无法用于研究饱水-疏干循环作用对静止侧压力系数的影响问题。另外，传统试验中需先对环刀中试样进行饱和，再将饱和试样从环刀推入侧压仪容器内，这种操作方法对土样的扰动较大。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种模拟土体饱水-疏干循环过程，并研究土体饱水-疏干循环作用下静止侧压力系数的方法。

[0006] 为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试方法，包括以下步骤：

[0007] 1）制备静止侧压力系数测试所需要的试样；

[0008] 2）使步骤1）中的试样饱和；

[0009] 3）疏干：向试样的顶端施加具有压力的气体；所述气体从试样的顶端缓慢向试样的底端渗透，以驱动试样内部的重力水自上而下渗透并从试样底端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅进气、不排气、不进水、不排水，试样底端仅排水、不进水、不进气、不排气；

[0010] 4）饱水：从试样的底端向试样施加具有压力的无气水，或同时从试样的底端和顶端向试样施加具有压力的无气水；所述无气水在试样内渗透的过程中，试样内部的气体从试样顶端排出；在本步骤的过程中，试样顶端排气、不排水、不进气，试样顶端进水或不进水，试样底端仅进水、不排水、不进气、不排气；

[0011] 5）重复步骤3）、4）若干次；

[0012] 6）进行静止侧压力系数测试。

[0013] 本发明的另一目的是公开一种实现上述土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试方法的装置。

[0014] 即一种土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试装置，主要包括轴向加荷系统、土压力传感系统、水压力传感系统和压力室。所述压力室包括压力室圆筒、顶盖和底座，所述顶盖和底座的内部均安装有若干管道系统，所述压力室圆筒、顶盖和底座相结合处具有气密性。所述底座的上方安放陶土板和环形透水石，所述底座内部的管道系统包括透水石底侧进出水系统、陶土板底侧进出水系统和陶土板气压力控制调节系统。所述顶盖内部的管道系统包括压力室顶部进出气系统和压力室顶部进水系统。试验时，试样安放在所述陶土板和环形透水石上，所述试样上安放试样加载板，所述轴向加荷系统的传力装置穿过所述顶盖后与试样加载板相接触。

[0015] 值得说明的是，传统的侧压力仪（参见SL237-028-1999 静止侧压力系数试验）是将通过环刀制取的土体饱和后，推入仪器中进行测试。而本发明所公开的技术方案中，可以先将土体放入装置中，再通入无气水对土体进行饱和，避免对土体的扰动。进一步地，本发明还克服了传统方法及其装置不能模拟土体饱水-疏干循环的缺点。为了实现疏干，本发明采取了在试样顶部通入气体的方案，其目的是使得饱和或饱水试样在气体的作用下通过底部排水。相应地，向疏干后的试样底部、或向底部和顶部灌注无气水，同时从试样顶部排气，即实现了饱水。

附图说明

[0016] 本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

[0017] 图1为本发明的装置的结构示意图；

[0018] 图2为本发明的装置中压力室部分的结构示意图；

[0019] 图3为底座部分的剖视图；

[0020] 图4为底座部分的俯视图。

[0021] 图中： 1-轴向加荷系统，2-压力室，5-顶盖，6-压力室顶部进出气系统，7-压力室顶部进水系统，8-压力室圆筒，9-试样加载板，10-试样顶部透水石，11-土压力传感系统，12-水压力传感系统，13-陶土板，14-环形透水石，15-透水石底侧进出水系统，16-陶土板气压力控制调节系统，17-陶土板底侧进出水系统，18-底座，19-试样，21-隔离带。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

[0023] 一种土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试方法，包括以下步骤：

[0024] 1）制备静止侧压力系数测试所需要的试样；

[0025] 2）使步骤1）中的试样饱和；

[0026] 3）疏干：向试样的顶端施加具有压力的气体；所述气体从试样的顶端缓慢向试样的底端渗透，以驱动试样内部的重力水自上而下渗透并从试样底端排出；在本步骤的过程中，试样顶端仅进气、不排气、不进水、不排水，试样底端仅排水、不进水、不进气、不排气；

[0027] 4）饱水：从试样的底端向试样施加具有压力的无气水，或同时从试样的底端和顶端向试样施加具有压力的无气水；所述无气水在试样内渗透的过程中，试样内部的气体从试样顶端排出；在本步骤的过程中，试样顶端排气、不排水、不进气，试样顶端进水或不进水，试样底端仅进水、不排水、不进气、不排气；

[0028] 5）重复步骤3）、4）若干次；

[0029] 6）进行静止侧压力系数测试。

[0030] 本发明的实施例公开一种用于实现上述方法的土体饱水-疏干循环静止侧压力系数测试装置，主要包括轴向加荷系统1、土压力传感系统11、水压力传感系统12和压力室2。所述压力室2包括压力室圆筒8、顶盖5和底座18，所述顶盖5和底座18的内部均安装有若干管道系统，所述压力室圆筒8、顶盖5和底座18相结合处具有气密性。所述底座18的上方安放陶土板13和环形透水石14，所述底座18内部的管道系统包括透水石底侧进出水系统15、陶土板底侧进出水系统17和陶土板气压力控制调节系统16。所述顶盖5内部的管道系统包括压力室顶部进出气系统6和压力室顶部进水系统7。试验时，试样19安放在所述陶土板13和环形透水石14上，所述试样19上安放试样加载板9，所述轴向加荷系统
1的传力装置穿过所述顶盖5后与试样加载板9相接触。

[0031] 本发明所公开的装置仍属于静止侧压力系数测试系统范畴，总体结构包含了与传统静止土压力测试中所用到的侧压仪的全部结构。在不进行饱水-疏干循环作用时，本发明所公开的装置可用于常规的土体静止侧压力系数测试试验。但在进行饱水-疏干循环作用时，其与传统的静止侧压力系数测试系统不同，可全自动的实现对试样进行若干次饱水-疏干循环过程，然后再进行静止侧压力系数的测试。装置中，包括了传统的机架、力学测量装置、计算机控制及数据采集系统等，轴向加荷系统1包括传统设备中的反力架、轴向测力及位移传感器、轴向反力传力杆等。压力室2为可控密闭型压力室，安装好试样19后，可以通过打开或关闭各管道系统的阀门来控制压力室2与外界的水、气排放输入和输出。

[0032] 实施例中，所述试样加载板9与试样19之间具有试样顶部透水石10。试验过程中，先是安放好试样19，再在试样19上安放好试样顶部透水石10，然后在试样顶部透水石10上安放好试样加载板9，最后安装顶盖5和轴向加荷系统1。如图，轴向加荷系统1的部件进入到压力室2内，需要在结合处加装密封件，以保证关闭所有阀门后压力室2内部具有气密性。

[0033] 实施例中，所述土压力传感系统11和水压力传感系统12安装在压力室圆筒8四周。应该注意到的是，所述土压力传感系统11和水压力传感系统12与传统试验中的结构相同。在进行饱水-疏干循环的过程中，土压力传感系统11和水压力传感系统12均不参与工作。在饱水-疏干循环后，土压力传感系统11和水压力传感系统12的工作方式同传统试验。

[0034] 进一步地，所述陶土板13为圆盘状，所述环形透水石14环绕陶土板13，所述陶土板13与环形透水石14之间是既不透水也不透气的隔离带21。环形透水石14和/或陶土板13的侧面与底座18的结合处应该气密。所述底座18内部的管道系统均包括若干具有阀门的管路，通过阀门的开闭来控制压力室与外界的水气连通。顾名思义，所述透水石底侧进出水系统15在压力室2内的出口在环形透水石14下方；陶土板底侧进出水系统17和陶土板气压力控制调节系统16在压力室2内的出口在陶土板13下方。陶土板13只透水不透气，环形透水石14既透水又透气的性质对试验效果的影响参见后文对装置工作过程的描述。

[0035] 进一步地，所述压力室顶部进水系统7的管道穿透所述加载板9后，与所述试样顶部透水石10接触。使得压力室顶部进水系统7中注入的水直接浸入试样19。本装置的试样19在装入装置前并不需要预先进行饱和操作。即可以待试样装入装置后，通过顶部和/或底部的进出水系统向试样19供水，并通过顶部的排气系统排气，使其饱和。避免了在装置外部饱和操作时对试样19的扰动。

[0036] 在装置内安装好饱和试样19或已经对试样19饱水后，其疏干过程的操作方法是：打开压力室顶部进出气系统6的进气阀门，向压力室通入压力气体，使气体自试样19的顶端通过试样缓慢向试样的底端渗透。同时，打开陶土板底侧进出水系统17的排水阀门，使试样内部的重力水在压力气体的推动下自上而下渗透，并从与圆盘形陶土板13相连的陶土板底侧进出水系统17的排水阀门排出；与此同时，为了加快“疏干”过程，打开压力室底部透水石底侧进出水系统15的排水阀门，使试样内部的重力水在压力气体的推动下同时从与环形透水石14相连的透水石底侧进出水系统15的排水阀门排出，但压力室底部透水石进出水系统15的排水阀门需在“疏干”过程完成前关闭，并先于压力室底部陶土板底侧进出水系统17的排水阀门关闭前关闭。另外，一旦发现压力室底部透水石底侧进出水系统
15的排水阀门排气，即刻关闭该阀门。原因是如果不关闭透水石底侧进出水系统15的阀门，该阀门会一直排气，水分却因没有足够的驱动力而残留在试样19内排不出。关闭透水石底侧进出水系统15的排水阀门后，由于陶土板13不透气，试样19中的水分会在气压驱动下从陶土板13下方的陶土板底侧进出水系统17的阀门中排出，达到较好的疏干效果。

[0037] 试样饱水过程的操作方法：打开压力室底部陶土板底侧进出水系统17的进水阀门，并启动陶土板底侧进出水系统17，从试样19底部通入具有压力的无气水。同时，可以打开压力室底部透水石底侧进出水系统15的进水阀门，同样从试样19底部通入具有压力的无气水。为了加快“饱水”过程，还可以打开压力室顶部进水系统7的进水阀门，从试样顶部通入具有压力的无气水。当然，在打开通入无气水的过程中，压力室顶部进出气系统6的排气阀门需要打开。无气水自试样的底端和/或顶端向试样19内部渗透，试样19内部的气体随着无气水的渗透逐渐从压力室顶部进出气系统6的排气阀门中排出。

[0038] 完成若干次饱水-疏干循环后，试样总侧压力测试和试样孔隙水压力测试较为简单，基本操作同传统试样。一般将3个土压力传感器系统11等间距装置于压力室圆筒8上，试验中可同时测试试样的总侧压力。3个土压力传感系统所测得的总侧压力平均值为试样总侧压力；土压力传感器系统11在压力室圆筒8内壁面上的形态为圆弧面圆形，圆弧面圆形的直径大于试样中最大颗粒粒径的1.5～2.0倍，以避免因试样最大颗粒粒径过大对测试结果的影响。与土压力传感系统11相似。一般将3个水压力传感系统12也等间距装置于压力室圆筒8上，试验中可同时测试试样的孔隙水压力，3个孔隙水压力传感系统所测得的孔隙水压力平均值为试样孔隙水压力。孔隙水压力传感器系统12在压力室圆筒8内壁面上的形态也为圆弧面圆形；为避免试验中试样细小颗粒堵塞孔隙水压力传感器而影响测试结果，水压力传感系统12内的孔隙水压力传感器的感应端不正对试样。