一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，包括固定框架，固定框架顶部固定有顶部位移荷载单元，固定框架侧方固定有侧向位移荷载单元，底座上固定有底部位移荷载单元，顶部位移荷载单元下面设置有上部剪切盒，上部剪切盒顶面密封设置有上活动推板，上活动推板顶部通过安装上滑动导轨与顶部位移荷载单元相连，上部剪切盒下面设置有下部剪切盒，下部剪切盒底面密封设置有下活动推板，下活动推板与底部位移荷载单元相连，下部剪切盒侧壁上设置有进水口接头和出水口接头。本发明专利技术还公开分离式剪切渗流仪的使用方法。本发明专利技术提供的一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法，能够实现土石材料在剪切过程中保持通水渗流，能够通过施加双向竖向应力模拟不同埋深下岩土结构体的受力情况。

A separate shear percolator with vertical stress and its application

【技术实现步骤摘要】
一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法
本专利技术涉及一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法，属于剪切实验装置

技术介绍
第一次全国水利普查数据显示，我国已建成水库大坝近10万座，其中土石坝占比最高，数量最大。由于土石坝坝料用量极大，一般会在坝趾附近就地取材，不同料场土石料的变形模量等物理力学性质不尽相同，不协调沉降变形问题日益突出，这一问题在岩土工程安全性评价中尤为关键。大量学者研究发现，沉降差异极易诱发坝体与岸坡、坝趾与基岩等岩土体接触部位较大的剪切变形，这些剪切变形带在上游蓄水位的水头驱动下可能形成集中渗漏通道，继而引起坝体渗流量增大并最终发生冲蚀、流土等渗透破坏现象，严重威胁大坝的安全运行。因而针对大变形剪切前后岩土体接触部位的渗流特性研究迫在眉睫，同时该研究可起到保障水库大坝安全运行的关键作用。目前，可对上述关键问题提供试验支撑的技术手段仍相当有限，绝大部分渗流试验仪器尚不具备剪切土样能力，而小部分较为先进的三轴渗流仪、环剪渗流仪尽管可开展剪切渗流试验，但上述装置封闭式模型箱的设计特点决定了其在实现不同岩土层制样要求，例如多种土层填筑、饱和情况、压实度、土体缺陷等不同工况时困难重重；此类三轴剪切装置的剪切形式往往依赖于刚性面板对土样的往复剪切，而非岩土层在接触部位的直接剪切，这与坝体接触部位多发的大变形剪切工况不完全相符；同时，环剪渗流仪仅可实现垂直剪切方向的渗流，而三轴渗流仪一般也仅能开展单向渗流，上述装置难以在一种接触土层配置中考虑剪切变形对不同方向接触面渗流的影响；环剪渗流仪亦不易实现竖向应力的施加，从而使其研究对象局限于表层浅土，难以将剪切渗流规律扩展至不同埋深土样。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够真实地还原岩土工程中岩土结构体因大剪切变形而引起的接触部位渗流变化情况，同时能够通过施加双向竖向应力模拟不同埋深下岩土结构体的受力情况的施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，包括固定框架，所述固定框架顶部固定有顶部位移荷载单元，所述固定框架侧方固定有侧向位移荷载单元，所述固定框架底部设置有底座，所述底座上表面固定有支撑座，所述底座上固定有底部位移荷载单元，所述顶部位移荷载单元、侧向位移荷载单元和底部位移荷载单元的位移触头上均设置有压力传感器，所述顶部位移荷载单元下面设置有上部剪切盒，所述上部剪切盒为顶面和底面开口结构，所述上部剪切盒顶面密封设置有上活动推板，所述上活动推板顶部通过安装上滑动导轨与所述顶部位移荷载单元相连，所述固定框架两侧设置有可上下调节的限位支架，所述限位支架底部安装有下滑动导轨，所述下滑动导轨与所述上部剪切盒侧壁相连，所述上部剪切盒下面设置有下部剪切盒，所述下部剪切盒为顶面和底面开口结构，所述下部剪切盒固定在所述支撑座上，所述下部剪切盒底面密封设置有下活动推板，所述下活动推板与所述底部位移荷载单元相连，所述下部剪切盒侧壁上设置有进水口接头和出水口接头，所述进水口接头进水口设置有入流流量阀和入流流量计，所述出水口接头出水口设置有出流流量阀和出流流量计。所述上部剪切盒和下部剪切盒的材质包括透明树脂玻璃。所述上活动推板和下活动推板的滑动面设置有开槽并嵌入双层橡胶止水条。所述上部剪切盒底部边壁向外延伸构成上台面，所述下部剪切盒顶部边壁向外延伸构成下台面，所述下台面上开设有环形槽，所述环形槽内嵌入O形止水圈，所述环形槽与所述上部剪切盒内壁距离大于最大剪切行程。所述下部剪切盒底部边壁向外延伸构成固定部，所述固定部开设有与所述支撑座配合的圆孔。所述进水口接头和出水口接头外侧均装有出流流量控制阀和出流流量计。所述进水口接头和出水口接头对应内壁侧开设长条形槽，所述长条形槽内垫有透水石。一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪使用方法，包括以下步骤：S01：从固定框架和限位支架中拆卸出上部剪切盒、下部剪切盒，上部剪切盒、下部剪切盒的活动推板复位，上部剪切盒、下部剪切盒开口面朝上，关闭下部剪切盒的进水口接头和出水口接头；S02：确定接触试验上分界面岩土料类型，将相应岩土料装入上部剪切盒，装填过程中埋入试验所需传感器，依据试验要求制样；S03：确定接触试验下分界面岩土料类型，将相应岩土料装入下部剪切盒，装填过程中埋入试验所需传感器，依据试验要求制样；S04：用挡板压在上部剪切盒开口处，倒置上部剪切盒并置于下部剪切盒上方，抽出挡板；S05：将上部剪切盒、下部剪切盒整体安装至支撑座上，使底部荷载位移单元与下部剪切盒的下活动推板接触，调节限位支架高度使其紧密贴合上部剪切盒台面；S06：调节固定框架，使顶部荷载位移单元与上部剪切盒的上活动推板上方的上滑动导轨接触，使侧向荷载位移单元与上部剪切盒侧壁接触；S07：按照试验需要设定顶部荷载位移单元、底部荷载位移单元的荷载数值；S08：待上活动推板和下活动推板停止位移后，进水口、出水口处安装PVC水管接入外部水源，打开入流流量阀、出流流量阀，待入流流量计、出流流量计读数一致后记录流量数据；S09：启动侧向荷载位移单元，根据试验内容设定最大剪切位移、剪切速率，侧向荷载位移单元内控制系统记录位移、剪切力数值，剪切过程进行录像；S10：出流流量计内控制系统记录剪切过程中出流流量变化值；S11：达到最大剪切位移后关闭侧向荷载位移单元，关闭入流流量阀、出流流量阀；S12：整理剪切过程流量与位移、剪切力关系。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪及其使用方法，能够施加竖向应力的同时实现剪切渗流功能，能够较为真实地还原岩土工程中岩土结构体因大剪切变形而引起的接触部位渗流变化情况，以及岩土接触部位渗流侵蚀前后的力学剪切性质变化情况，能够施加竖向应力模拟不同埋深下的岩土接触工况；本专利技术装置具备多土层制样便捷可控的特点，能够实现平行、垂直剪切方向的多种渗流方向。附图说明图1为本专利技术一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪的结构示意图；图2为本专利技术一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪的正视图；图3为本专利技术一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪的侧视图。附图标记的含义为：1-顶部位移荷载单元，2-压力传感器，3-上滑动导轨，4-上部剪切盒，5-限位支架，6-O形止水圈，7-透水石，8-进水口接头，9-底部位移荷载单元，10-上活动推板，11-侧向位移荷载单元，12-下部剪切盒，13-支撑座，14-底座，15-固定框架，16-土样一，17-土样二，18-出水口接头，19-下活动推板，20-下滑动导轨。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1到图3所示，本专利技术公开一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，在便于实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，其特征在于：包括固定框架(15)，所述固定框架(15)顶部固定有顶部位移荷载单元(1)，所述固定框架(15)侧方固定有侧向位移荷载单元(11)，所述固定框架(15)底部设置有底座(14)，所述底座(14)上表面固定有支撑座(13)，所述底座(14)上固定有底部位移荷载单元(9)，所述顶部位移荷载单元(1)、侧向位移荷载单元(11)和底部位移荷载单元(9)的位移触头上均设置有压力传感器(2)，所述顶部位移荷载单元(1)下面设置有上部剪切盒(4)，所述上部剪切盒(4)为顶面和底面开口结构，所述上部剪切盒(4)顶面密封设置有上活动推板(10)，所述上活动推板(10)顶部通过安装上滑动导轨(3)与所述顶部位移荷载单元(1)相连，所述固定框架(15)两侧设置有可上下调节的限位支架(5)，所述限位支架(5)底部安装有下滑动导轨(20)，所述下滑动导轨(20)与所述上部剪切盒(4)侧壁相连，所述上部剪切盒(4)下面设置有下部剪切盒(12)，所述下部剪切盒(12)为顶面和底面开口结构，所述下部剪切盒(12)固定在所述支撑座(13)上，所述下部剪切盒(12)底面密封设置有下活动推板(19)，所述下活动推板(19)与所述底部位移荷载单元(9)相连，所述下部剪切盒(12)侧壁上设置有进水口接头(8)和出水口接头(18)，所述进水口接头(8)进水口设置有入流流量阀和入流流量计，所述出水口接头(18)出水口设置有出流流量阀和出流流量计。/n...

【技术特征摘要】
1.一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，其特征在于：包括固定框架(15)，所述固定框架(15)顶部固定有顶部位移荷载单元(1)，所述固定框架(15)侧方固定有侧向位移荷载单元(11)，所述固定框架(15)底部设置有底座(14)，所述底座(14)上表面固定有支撑座(13)，所述底座(14)上固定有底部位移荷载单元(9)，所述顶部位移荷载单元(1)、侧向位移荷载单元(11)和底部位移荷载单元(9)的位移触头上均设置有压力传感器(2)，所述顶部位移荷载单元(1)下面设置有上部剪切盒(4)，所述上部剪切盒(4)为顶面和底面开口结构，所述上部剪切盒(4)顶面密封设置有上活动推板(10)，所述上活动推板(10)顶部通过安装上滑动导轨(3)与所述顶部位移荷载单元(1)相连，所述固定框架(15)两侧设置有可上下调节的限位支架(5)，所述限位支架(5)底部安装有下滑动导轨(20)，所述下滑动导轨(20)与所述上部剪切盒(4)侧壁相连，所述上部剪切盒(4)下面设置有下部剪切盒(12)，所述下部剪切盒(12)为顶面和底面开口结构，所述下部剪切盒(12)固定在所述支撑座(13)上，所述下部剪切盒(12)底面密封设置有下活动推板(19)，所述下活动推板(19)与所述底部位移荷载单元(9)相连，所述下部剪切盒(12)侧壁上设置有进水口接头(8)和出水口接头(18)，所述进水口接头(8)进水口设置有入流流量阀和入流流量计，所述出水口接头(18)出水口设置有出流流量阀和出流流量计。


2.根据权利要求1所述的一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，其特征在于：所述上部剪切盒(4)和下部剪切盒(12)的材质包括透明树脂玻璃。


3.根据权利要求1所述的一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，其特征在于：所述上活动推板(10)和下活动推板(19)的滑动面设置有开槽并嵌入双层橡胶止水条。


4.根据权利要求1所述的一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，其特征在于：所述上部剪切盒(4)底部边壁向外延伸构成上台面，所述下部剪切盒(12)顶部边壁向外延伸构成下台面，所述下台面上开设有环形槽，所述环形槽内嵌入O形止水圈(6)，所述环形槽与所述上部剪切盒(10)内壁距离大于最大剪切行程。


5.根据权利要求1述的一种施加竖向应力的分离式剪切渗流仪，其特征在于：所述下部剪切盒(12)底部边壁向外延伸构成固定部，所述固定部开设有与所述支撑座(13)配合的圆孔。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈澄昊，陈生水，梅世昂，张贤，万程炜，傅中志，吉恩跃，邓曌，唐译，杨氾，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32