一种可以对岩土样进行渗透和环向剪切的设备及试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域中滑坡灾害研究技术领域，具体涉及一种可以对岩土样进行渗透和环向剪切的设备及试验方法。

背景技术

滑坡是一种普遍存在的自然灾害，它对人民的生命财产安全造成严重危害。近年来，随我国都市化的进程周边环境的改变导致滑坡发生更加频繁。尤其在我国黄土高原地区的黄土塬上，由于种植农作物及绿化等需要，大量的引水灌溉工程在黄土塬边缘持续进行。由此在黄土塬边缘诱发了大量的黄土滑坡，国内比较典型的区域包括甘肃永靖黑方台滑坡群以及陕西泾阳南塬黄土滑坡群。两处滑坡群主要由灌溉诱发，因此了解此类滑坡机理，对预防和治理此类滑坡是非常重要的。目前，对于滑坡土体的渗流和力学性质分别进行的研究比较丰富，但是对于自然界中，由于降雨或灌溉条件下会在土体中引起渗透过程，渗透作用进行时部分区域的土体总会发生剪切破坏，渗透和剪切同时存在的情况下，即渗流场与应力场耦合作用下，土体力学特性变化的研究较显少报道，此一研究空白使得致灾机理尚未完全明了，导致此类灾害层出不穷，为此我们提出了这种可以对岩土样进行渗透和环向剪切的设备及其试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种可以对岩土样进行渗透和环向剪切的设备。该设备可以分别从压力控制渗透和流速控制渗透这两种不同的渗透方式来探究饱和土体在渗流场和应力场耦合条件下的力学行为，克服了以往只能在渗透或剪切单一因素条件下，对岩土样的力学特性进行研究所存在的限制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可以对岩土样进行渗透和环向剪切的设备，其特征在于，包括环剪仪、第一压力体积控制器和第二压力体积控制器，所述环剪仪包括下剪切盒和位于下剪切盒上方的上剪切盒，所述上剪切盒内壁靠近剪切面的位置设置有孔隙压力传感器；环剪仪的上排水管通过第一管道与第一压力体积控制器连接，环剪仪的下排水管通过第二管道与第二压力体积控制器连接，所述第一管道与第一压力体积控制器的出水口连接，第二管道与第二压力体积控制器的出水口连接，所述上排水管和下排水管上均设置有阀门。

上述的一种可以对岩土样进行渗透和环向剪切的设备，其特征在于，所述下剪切盒内设置有第一多孔金属层，第一多孔金属层的表面设置有第一滤纸，所述上剪切盒内设置有第二多孔金属层，第二多孔金属层表面设置有第二滤纸。

上述的一种可以对岩土样进行渗透和环向剪切的设备，其特征在于，所述上剪切盒的侧壁开设有通道，孔隙压力传感器的探头穿过所述通道固定设置于上剪切盒内壁靠近剪切面的位置。

另外，本发明还提供了一种采用上述设备进行渗透和环向剪切的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制样：将烘干的重塑土过筛，然后按天然含水量配制成土样，将配制的土样制作成的环状土样；

步骤二、饱和：将步骤一中所述环状土样装入上述设备的环剪仪中，对环状土样进行抽真空饱和，然后再进行水头饱和，检测孔隙压力系数B值，当B值大于0.95时饱和完成，得到饱和试样；

步骤三、固结：向环剪仪的下压轴杆上连接荷载，对步骤二中所述饱和试样施加法相应力，固结12h以上，待竖向位移速率小于0.01mm/min时固结完成；

步骤四、渗透：通过第一压力体积控制器和第二压力体积控制器分别向固结后的试样进行压力控制渗透和流速控制渗透两种不同的渗透模式，并且控制不同的渗透时间；

步骤五、剪切：待渗透完成后，通过控制不同的剪切速率对试样进行剪切。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明可以对岩土样进行渗透和环向剪切，通过设置第一压力体积控制器和第二压力体积控制器，可以分别给试样上部和试样下部施加不同的液体压力或不同液体流速，进而可以模拟在不同水力梯度下对饱和试样进行压力控制渗透或流速控制渗透，使得试验结果更加可靠。

2、本发明通过在上剪切盒内壁靠近剪切面的位置设置孔隙压力传感器，可以精确监控渗透和剪切共同作用下剪切带孔隙水压力在土体中的传递和动态发展情况，对比渗透前后剪切过程中孔隙水压力变化情况，得出的试验数据可用以揭示试样强度弱化机制。

3、采用本发明的设备，可以分别从压力控制渗透和流速控制渗透这两种不同的渗透方式来探究饱和土体在渗流场和应力场耦合条件下的力学行为，克服了以往只能在渗透或剪切单一因素条件下，对岩土样的力学特性进行研究存在的限制。

4、采用本发明设备和方法可充分了解不同降雨形态或剪切作用对土体抗剪强度和承载力的影响，明确地下水渗流、剪应力和坡体自重应力相互作用关系，揭示黄土滑坡致灾机理，对预防和治理此类黄土滑坡有着重要的科学意义。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明设备的结构示意图。

图2为采用本发明设备和方法在不同流速进行渗透和环向剪切的剪切强度图。

图3为采用本发明设备和方法在不同渗透压力下进行渗透和环向剪切的剪切强度图。

图4为采用本发明设备和方法在不同渗透压力下进行渗透和环向剪切的孔压变化图。

附图标记说明：

1—上剪切盒； 2—下剪切盒； 3—孔隙压力传感器；

4—第一多孔金属层； 5—第一滤纸； 6—第二多孔金属层；

7—第二滤纸； 8—第一压力体积控制器；

9—第二压力体积控制器； 10—上排水管；

11—第一管道； 12—下排水管； 13—第二管道。

具体实施方式

如图1所示，本发明的可以对岩土样进行渗透和环向剪切的设备，包括环剪仪、第一压力体积控制器8和第二压力体积控制器9，所述环剪仪包括下剪切盒2和位于下剪切盒2上方的上剪切盒1，所述上剪切盒1内壁靠近剪切面的位置设置有孔隙压力传感器3；环剪仪的上排水管10通过第一管道11与第一压力体积控制器8连接，环剪仪的下排水管12通过第二管道13与第二压力体积控制器9连接，所述第一管道11与第一压力体积控制器8的出水口连接，第二管道13与第二压力体积控制器9的出水口连接，所述上排水管10和下排水管12上均设置有阀门14。

本实施例中，所述下剪切盒2内设置有第一多孔金属层4，第一多孔金属层4的表面设置有第一滤纸5，所述上剪切盒1内设置有第二多孔金属层6，第二多孔金属层6表面设置有第二滤纸7。

本实施例中，所述上剪切盒1的侧壁开设有通道，孔隙压力传感器3的探头穿过所述通道固定设置于上剪切盒1内壁靠近剪切面的位置。

本发明所用压力体积控制器的工作原理为：液压缸体中的液体(通常为无气水)通过移动活塞加压和产生位移。其中活塞由螺旋丝杆驱使，活塞与线性导轨上做往复运动的步进马达和齿轮箱连接在一起。液压缸中的液体通过移动活塞加压产生的压力由一个压力传感器测定，通过调节控制器可以达到目标压力或进一步达到一个目标体积变化。

本发明设备在使用时，环剪仪的上排水管10通过第一管道11与第一压力体积控制器8连接，环剪仪的下排水管12通过第二管道13与第二压力体积控制器9连接。因此，第一压力体积控制器8和第二压力体积控制器9可以分别给试样上部和试样下部施加不同的液体压力或不同液体流速，进而可以模拟在不同水力梯度下对饱和试样进行压力控制渗透或流速控制渗透，当渗透达到稳定状态后，可以利用环剪仪对试样进行剪切。可以分别从压力控制渗透和流速控制渗透这两种不同的渗透方式来探究饱和土体在渗流场和应力场耦合条件下的力学行为，克服了以往只能在渗透或剪切单一因素条件下，对岩土样的力学特性进行研究存在限制。

另外，本发明通过在上剪切盒1内壁靠近剪切面的位置设置孔隙压力传感器3，可以精确监控渗透和剪切共同作用下剪切带孔隙水压力动态发展情况。

采用本发明的设备进行渗透和环向剪切的试验方法，包括以下步骤：

步骤一、制样：将烘干的重塑土过2mm的筛，然后按天然含水量配制成土样，将配制的土样制作成外径100mm，内径70mm，高度20mm的环状土样；

步骤二、饱和：考虑到黄土中复杂的孔隙结构，饱和难度较大，因此，将步骤一中所述环状土样装入权利要求1所述设备的环剪仪中，对环状土样进行抽真空饱和，然后再进行水头饱和，检测孔隙压力系数B值，当B值大于0.95时饱和完成，得到饱和试样；

步骤三、固结：向环剪仪的下压轴杆上连接荷载，对步骤二中所述饱和试样施加法相应力，固结12h以上，待竖向位移速率小于0.01mm/min时固结完成；

步骤四、渗透：通过第一压力体积控制器8和第二压力体积控制器9分别向固结后的试样进行压力控制渗透和流速控制渗透两种不同的渗透模式，并且控制不同的渗透时间；

步骤五、剪切：待渗透完成后，通过控制不同的剪切速率对试样进行剪切。

利用本发明的设备和试验方法可以得出如下试验结果。

表1不同流速和渗透压力下的试验结果统计表

如表1、图2、图3和图4所示，经过不同流速和不同渗透压力渗透后，土体峰值强度和残余强度明显下降，且随着渗透速率和渗透压力的增加，土体峰值强度和残余强度下降的更加明显，当渗透压力增大时，剪切过程中的孔隙水压力也明显增大，孔隙水压力的增加，土体有效应力减小，这也解释了渗透造成土体抗剪强度弱化的机理，对防灾减灾具有指导意义。

进一步地，通过分析压力控制渗透和流速控制渗透这两种不同的渗透模式、不同渗透时间及不同剪切速率下，饱和土体的力学特性变化情况，可以更好研究由于不同降雨(或农业灌溉水)强度或持续不同时间下对土体渗透的影响，分析在不同的渗透方式下，坡体经过渗透侵蚀后，在渗流和坡体自重应力所产生的下滑力共同作用下，坡体内部力学行为及变形发生改变，并提出此类滑坡灾害的诱发机理。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。