一种旋转式堆石体三轴干湿循环试验装置及测试方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种旋转式堆石体三轴干湿循环试验装置及测试方法。

背景技术

堆石体被广泛用于堆石坝的建设中。随着水电能源开发的深入，我国堆石坝建设逐步从坝高200m级向300m级发展，越来越多的高堆石坝正在规划或建设中，如已建成的黄河小浪底粘土斜心墙堆石坝(160m)，天生桥一级混凝土面板堆石坝(178m)，大渡河瀑布沟砾石土心墙堆石坝(186m)，清江水布垭混凝土面板堆石坝(233m)，大渡河长河坝心墙堆石坝(240m)，糯扎渡砾石土心墙堆石坝(261.5m)；在建或拟建的有阿克苏河大石峡混凝土面板堆石坝(247m)，雅砻江两河口砾石土心墙堆石坝(295m)，大渡河双江口砾石土心墙堆石坝(312m)，澜沧江如美砾石土心墙堆石坝(315m)等。这些高坝工程对建设我国清洁能源基地、促进节能减排和低碳发展、推进西部大开发、实现社会经济的可持续发展具有重要的战略意义。

堆石坝建设和运行过程中堆石坝的变形稳定及控制是需要重点关注的问题之一。现阶段已建高堆石坝在取得成功及宝贵建设经验的同时，大坝变形的预测值与实测数据差别较大，一般会出现“高坝算小，低坝算大”的问题。有些高堆石坝工程在运行多年后，坝体变形仍继续发展，尚未稳定。当坝体填筑料出现过大变形，尤其是不均匀变形时，则有可能使坝体防渗结构(如面板、心墙)发生破坏，进而发生渗漏，对坝体的安全稳定造成威胁。在运行过程中一些堆石坝由于坝体变形的不协调发生了防渗结构的局部破坏，如CamposNovos坝、Barra Grande坝、天生桥一级和水布垭均发生了面板的局部破坏。

坝体填筑料发生不均匀变形的一个重要原因就是堆石料在坝体长期运行过程中，由于水库蓄水位波动、降雨和蒸发等外界环境的变化导致堆石料的物理力学性质发生了明显的劣化。例如，在堆石坝初始蓄水过程中，由于湿化变形，大坝变形增大。在运行期间，堆石坝上游由于水位的反复升降而经历反复的干湿交替，导致坝体进一步劣化，产生过度变形。近年来国内外众多学者对堆石料的劣化进行了深入试验和理论研究。

2010年Ham等进行了花岗岩在干湿两种状态下的单颗粒破碎及一维压缩试验，结果表明由于水的存在，单颗粒初始破碎强度降低，强度变异性增大。

2012年，张丙印等对一典型泥质粉砂岩堆石料进行了侧限条件下干湿和温度耦合变化的风化试验，试验结果表明：湿冷–干热循环可使堆石料试样发生显著的劣化变形，堆石料在自然环境中的劣化变形应是高堆石坝后期变形的重要组成部分。

2015年，张丙印等开展了泥质粉砂岩堆石料在应力、干湿和温度变化下的变形和抗剪强度特性的室内侧限试验研究。研究结果表明，应力变化、干湿和冷热风化作用的结合极大地加剧了材料的劣化，具体表现为润湿软化、干热开裂和应力调整下的局部结构破坏。

2013和2019年，丁艳辉等进行了堆石体在侧限条件下的非饱和湿化试验，结果表明颗粒小孔隙中的水对湿化变形起主要作用，而大孔隙中的水的影响不大，此后进一步进行了弱风化花岗岩的三轴湿化试验，认为堆石体的湿化变形是浸水导致的物态弱化变形，并将湿化变形分为湿化瞬态变形和湿态流变变形。

2019和2020年，贾宇峰等进行了等应力比路径下的湿化变形试验和复杂应力路径下的排水三轴剪切试验，并统计了颗粒破碎情况，结果表明应力路径、应力水平、应力强度和颗粒破碎率决定了等应力比路径下的湿化变形。

尽管现有的有关堆石体劣化的研究取得了一定的成果，但一般室内三轴试验只研究了湿化对于堆石体劣化的影响，并没有考虑干湿循环对于堆石体所造成的劣化；考虑干湿循环大多是侧限试验，并没有考虑三轴情况下堆石体的劣化情况；干湿循环实验中，在干燥的过程中一般试验是通过加热的方式来对堆石体进行干燥，这就不免加入了温度变化对于堆石体颗粒所造成的劣化；干湿循环实验中，堆石体颗粒会与水发生离子交换反应，一般试验装置无法监测水中离子变化的情况，从而无法推断堆石体颗粒与水发生了何种的离子交换反应。

发明内容

针对上述技术问题以及干湿循环实验中堆石体颗粒的运动与破碎和未经历干湿循环的堆石体颗粒特性差异较大导致测试结果不真实的问题，本发明的目的在于提供一种旋转式堆石体三轴干湿循环试验装置及测试方法。该装置能够对堆石体颗粒在三轴受力状态下进行干湿循环研究；能够通过高速气流对堆石体颗粒进行干燥，避免传统的加热方式引起的温度变化对于堆石体颗粒所造成的劣化；水循环系统的利用能够监测每次循环过后循环水中离子变化的情况，推断堆石体颗粒与水发生的离子交换反应；声发射系统可以实时记录三轴压缩过程中堆石体颗粒的声发射信息，可以更加精准的对声发射源进行定位。通过声发射系统CT装置的联动，和可旋转底座的设计，实现自动360℃T全方位扫描，记录堆石体颗粒的位置变化及破碎情况，并与声发射定位信息对比分析，使得到的位置变化及破碎情况信息更加准确和真实。同时，只有达到阈值时才进行扫描，可以减小后期数据分析量，同时自带旋转式的底座无需再将三轴装置转移到CT室中进行，给试验操作提供便捷。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明第一方面提供一种旋转式堆石体三轴干湿循环试验装置，包括旋转式三轴仪、空气循环系统、液体循环系统、声发射系统、CT装置和电脑控制系统；

所述旋转式三轴仪包括压力室和设置于压力室中的可旋转三轴容器；

三轴容器底部设置有管道并穿出三轴仪外壳底座，出口经分支后分别连通到空气循环系统和液体循环系统，经循环后分别连通到三轴仪容器顶部；

所述三轴容器外壁为橡皮膜；所述声发射系统包括声发射传感器和声发射控制系统；橡皮膜内嵌式设置有多个声发射传感器；所述声发射传感器与声发射控制系统连接；

所述三轴容器顶部设置有不随三轴容器旋转的加载帽和设置于加载帽上的容器顶盖，容器顶盖上连接有加载杆；

所述压力室设置有压力管并由压力控制系统控制；

所述加载杆、压力控制系统、CT装置、声发射系统均连接到电脑控制系统；

所述声发射系统设置有阈值，当达到阈值时，电脑控制系统启动CT装置对堆石体颗粒进行扫描，三轴装置底座旋转，配合CT装置，实现对堆石料颗粒的全方位扫描。

进一步，所述三轴容器的底座包括转盘装置，

所述转盘装置包括转盘和滚珠，转盘外周布有滚珠与底座形成滚动连接；

所述转盘通过电机驱动，转盘盘面设置有排水/排气孔、用于开闭排水/排气孔的盖板和用于连接三轴容器的固定孔；

电机连接到电脑控制系统。

更进一步，所述用于开闭排水/排气孔的盖板通过在转盘下设置滑轨和推进电机实现开闭。排水/排气时，盖板通过滑轨收回，以不遮挡排水/排气孔；不排水/排气时，盖板通过滑轨移到排水/排气孔正下方进行遮盖。推进电机连接到电脑控制系统中，以对盖板的开合进行自动控制。

进一步，所述声发射传感器布置于三轴容器壁、顶部和底部。优选的，设置8个声发射传感器，顶部2个，容器壁上部和下部各2个，底部2个。声发射传感器与堆石体颗粒相距较近，可以更加精准的对声发射源进行定位。

进一步，所述压力室外壳由聚醚酮材料制成。该材料具有良好的韧性和刚性，可良好适应高围压情况，同时，聚醚酮材料具有良好的穿透性，极大地减小了CT射线的衰减。

进一步，所述空气循环系统包括鼓风机、进气管和排气管；所述进气管连通到三轴容器上端；所述排气管连接到三轴容器底部管道出口分支；进、排气管连通到鼓风机。空气循环系统可实现利用加强流速的空气对堆石体颗粒进行快速干燥，避免传统的通过加热方式干燥所造成的温度变化对于堆石体颗粒的附加劣化效应。

进一步，所述压力控制系统为电子水泵。

进一步，所述液体循环系统包括水泵、离子分析仪、进水管和排水管；所述进水管上端连通到三轴容器上端；所述排水管连接到三轴容器底部管道出口分支；所述水泵与进水管和排水管相连接；所述离子分析仪设置在水泵下游。所述离子分析仪可在每次循环结束后收集少量液体循环系统中的水，检测其中离子浓度发生的变化以推测堆石料与水发生的化学反应，研究堆石体颗粒的经干湿循环后的化学方面的劣化原因。

进一步，所述容器顶盖和加载帽固定连接。

本发明第二方面提供利用第一方面所述的装置进行干湿循环试验的方法，包括以下步骤：

(1)将样品填装到三轴容器中，并完成装置安装；

(2)对三轴容器施加围压；

(3)开通液体循环通道，向三轴容器内加水，直到完全淹没堆石体试样，结束放水进程，对堆石体试样进行浸泡；

(4)浸泡完毕后，排完三轴容器中的水；

(5)关闭液体循环通道，开通气体循环通道，向三轴容器中通入高速气流，使得堆石体颗粒充分风干；每次循环结束后，离子分析仪采样检测离子的变化，声发射系统检测声场阈值，当达到阈值时，电脑控制系统自动启动CT装置对堆石体颗粒进行扫描；

(6)重复步骤(4)、(5)继续干湿循环；

(7)收集检测数据，整理并分析试验结构。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种旋转式堆石体三轴干湿循环试验装置及其使用方法，能够对堆石料颗粒在三轴受力状态下进行干湿循环研究，更加真实的对堆石坝实际运行和施工中的水位变化、风吹雨淋的情况进行模拟。

(2)能够通过高速气流对堆石体颗粒进行干燥，避免传统的加热方式引起的温度变化对于堆石体颗粒所造成的劣化，干燥时对堆石体进行旋转，可使堆石体颗粒干燥的更加充分、均匀；

(3)水循环系统的利用能够监测每次循环过后水中离子变化的情况，推断堆石体颗粒与水发生的离子交换反应从而判断推测堆石料与水发生的化学反应，研究堆石体颗粒的经干湿循环后的化学方面的劣化原因。

(4)声发射系统与8个传感器与相连接，可以实时记录三轴压缩过程中堆石体颗粒的声发射信息，同时8个传感器分别嵌入在特别设置的放置孔中和橡皮膜上，与堆石体颗粒相距较近，可以更加精准的对声发射源进行定位。

(5)电脑控制系统可以给声发射系统设定一定的阈值，当达到阈值时，电脑控制系统自动启动CT装置对堆石体颗粒进行扫描，三轴装置底座可以自由旋转，配合CT装置，可精确对堆石料颗粒进行360°全方位扫描，记录堆石体颗粒的位置变化及破碎情况，并与声发射定位信息对比分析，使得到的位置变化及破碎情况信息更加准确；同时，只有达到阈值时才进行扫描，可以减小后期数据分析量。

(6)本发明所提供的试验装置安装拆卸简单，成本低，便于维护。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明的空气循环系统示意图；

图3为本发明的液体循环系统装置示意图

图4为本发明容器底座及转盘系统示意图；

图5为本发明容器底座及转盘系统俯视图；

图6为本发明容器底座及转盘系统仰视图；

图7为本发明容器底座及转盘系统侧视图；

图8为本发明盖板及盖板孔工作示意图；

图9为本发明加载帽示意图；

图中：1-压力室外壳顶盖、2-容器顶盖、3-压力室、4-三轴容器、5-橡皮膜、6-透水板、7-容器底座、8-加压管、9-压力室外壳底座、10-排水排气管、11-阀门、12-排气管、13-空气循环系统、14-进气管、15-加载杆、16-进水管、17-液体循环系统、18-排水管、19-压力控制系统、20-压力室外壳、21-阀门、22-阀门、23-CT装置、24-电脑控制系统、25-鼓风机、26-水泵、27-阀门、28-离子分析仪、29-声发射控制系统、30-声发射传感器、31-放置孔、32-转盘装置、33-滚珠、34-排水/排气孔、35-盖板、36-固定孔、37-USB插口、38-盖板孔、39-滑轨、40-加载帽、41-进水孔、42-固定钉、43-进气孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的详细描述，本发明的内容完全不限于此。

实施例

图1示出了本发明装置的结构。一种旋转式堆石体三轴干湿循环试验装置，包括旋转式三轴仪、空气循环系统13、液体循环系统17、声发射系统、CT装置23和电脑控制系统24。

所述旋转式三轴仪包括压力室3和设置于压力室3中的可旋转三轴容器4。

三轴容器4底部设置有排水排气管10并穿出三轴仪外壳底座，出口经三通分支后分别连通到空气循环系统13和液体循环系统17，经循环后分别经进气管14、进水管16连通到三轴仪容器顶部。

所述三轴容器外壁为橡皮膜5。所述声发射系统包括声发射传感器30和声发射控制系统29；橡皮膜内嵌式设置有4个声发射传感器(图1所示)。所述声发射传感器30与声发射控制系统29连接。所述声发射系统29型号为PCI-2/Samos/Express8。压力室外壳20由聚醚酮材料制成。该材料具有良好的韧性和刚性，可良好适应高围压情况，同时，聚醚酮材料具有良好的穿透性，极大地减小了CT射线的衰减。橡皮膜5仅外包式样的柱面。

所述三轴容器4顶部设置有加载帽40和设置于加载帽40上的容器顶盖2。加载帽40和容器顶盖2固定连接，且两者不随三轴容器旋转。在容器顶盖2和加载帽40固定的情况下，三轴容器内部堆石料试样可以自由低速旋转，式样和橡皮膜同步旋转，式样上端与加载帽40之间形成滑动摩擦。

所述三轴容器4的底座包括转盘装置32，所述转盘装置32包括转盘和滚珠33，转盘外周布有滚珠33与底座形成滚动连接(图4、图5所示)。所述转盘通过电机驱动，转盘盘面设置有排水/排气孔34、用于开闭排水/排气孔的盖板35和用于连接三轴容器的固定孔36；电机连接到电脑控制系统24。盖板35通过在转盘下设置滑轨39和推进电机实现开闭。排水/排气时，盖板35通过滑轨收回，以不遮挡排水/排气孔34；不排水/排气时，盖板35通过滑轨移到排水/排气孔34正下方进行遮盖。推进电机连接到电脑控制系统24中，以对盖板35的开合进行自动控制(图6、8所示)。

所述压力室3设置有加压管8并由压力控制系统19控制。所述压力控制系统为电子水泵。

所述加载杆15、压力控制系统19、CT装置23、声发射系统29均连接到电脑控制系统24。

所述声发射系统29设置有阈值，当达到阈值50kHz时，电脑控制系统24启动CT装置23对堆石体颗粒进行扫描，三轴装置底座旋转，配合CT装置，实现对堆石料颗粒的360°全方位扫描。堆石料颗粒的相互运动以及颗粒破碎在大于50kHz是才能被声发射设备检测到，因此设定阈值为50kHz。

所述空气循环系统13包括鼓风机25、进气管14和排气管12。所述进气管14连通到三轴容器4上端；所述排气管12连接到排水排气管10出口的三通分支；进、排气管连通到鼓风机(图2所示)。空气循环系统可实现利用加强流速的空气对堆石体颗粒进行快速干燥，避免传统的通过加热方式干燥所造成的温度变化对于堆石体颗粒的附加劣化效应。

所述液体循环系统包括水泵26、离子分析仪28、进水管16和排水管18；所述进水管16上端连通到三轴容器4上端；所述排水管18连接到排水排气管10出口的三通分支。所述水泵26与进水管16和排水管18相连接；所述离子分析仪28设置在水泵26下游。所述离子分析仪28可在每次循环结束后收集少量液体循环系统中的水，检测其中离子浓度发生的变化以推测堆石料与水发生的化学反应，研究堆石体颗粒的经干湿循环后的化学方面的劣化原因。

利用所述装置进行干湿循环试验的方法，包括以下步骤：

(1)将样品填装到三轴容器中，并完成装置安装；

(2)对三轴容器施加围压；

(3)开通液体循环通道，向三轴容器内加水，直到完全淹没堆石体试样，结束放水进程，对堆石体试样进行浸泡；

(4)浸泡完毕后，排完三轴容器中的水；

(5)关闭液体循环通道，开通气体循环通道，向三轴容器中通入高速气流，使得堆石体颗粒充分风干；每次循环结束后，离子分析仪采样检测离子的变化，声发射系统检测声场阈值，当达到阈值时，电脑控制系统自动启动CT装置对堆石体颗粒进行扫描；

(6)重复步骤(4)、(5)继续干湿循环；

(7)收集检测数据，整理并分析试验结构。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。