一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置及方法，包括仪器主体、循环饱水装置和数据采集装置；所述仪器主体包括试验盒、竖向加载装置、水平加载装置与加热装置；所述竖向加载装置设置于试验盒上方，对试验盒内的试样施加竖向荷载；所述水平加载装置设置于试验盒侧边，对试验盒内的试样施加水平荷载；所述加热装置设置于试样外部，对试样进行加热，模拟高温环境；所述循环饱水装置实现动态水流循环进出仪器主体的试样盒来冲刷试样，以模拟降雨冲蚀、淋滤及渗流过程；所述数据采集装置包括竖向位移测量装置、水平位移测量装置以及温度测量装置。考虑了湿胀异性的情况，从竖向和侧向两方向进行膨胀土边坡降雨入渗模拟和膨胀测量。

【技术实现步骤摘要】
一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置及方法
本专利技术属于路基边坡膨胀变形试验
，涉及一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置及方法。
技术介绍
路基边坡变形失稳是膨胀土地区公路、铁路建设中常见的一种最严重、最易发生且难以处治的地质灾害，往往带来严重的工程、经济损失和生态环境破坏。尤其是降雨作用下膨胀土边坡浅表层土体在竖向及侧向临空面出现不均匀膨胀变形即湿胀异性效应，极易造成局部剪切错动而出现坍滑面。通常依据现行《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)进行的膨胀变形试验均只考虑膨胀土竖向一维膨胀变形，仅能获得竖向变形或膨胀力的变化规律，这与实际膨胀土路基与边坡的各向湿胀异性状态不符合。为更加符合实际地测试膨胀土的膨胀特性，学者们研制并改进了胀缩试验仪器。张颖钧.三向胀缩特性仪的研制[J].路基工程，1990(05)：53～57于上世纪80年代首先研制了三向胀缩特性仪；秦冰，陈正汉，刘月妙，等.高庙子膨润土GMZ001三向膨胀力特性研究.岩土工程学报[J].2009，31(05)：756-762又对该仪器进行了改进，测试了竖向膨胀力和水平膨胀力之间的差异；IkizlerSB,VekliM,DoganE,etal.Predictionofswellingpressuresofexpansivesoilsusingsoftcomputingmethods[J].NeuralComputingandApplications,2014,24(02):473-485通过室内试验量测膨胀土吸湿过程中产生的侧向力，研究了三向膨胀受限条件下竖向和侧向力的关系；谭波,郑健龙,张锐.宁明膨胀土三向胀缩规律室内试验研究[J].公路交通科技,2014,31(04):1-6采用自制研发的膨胀土三向胀缩仪进行了三向胀缩试验研究，指出膨胀土的三向胀缩存在差异性，表现为吸水膨胀的三向差异及三向膨胀量的差异；杨和平,肖杰,李艳艳,等.土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪[P]以及公开号为CN102636427A的专利技术专利研制了土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪，该仪器可以量测径向的膨胀力和变形。但上述膨胀变形试验装置主要考虑土体三向受力及变形条件，此类装置更适用于填土路基的土体受力及变形状态。然而，实际边坡发生浅层坍滑时，边坡浅表层土体主要在竖向及侧向临空面出现不均匀膨胀变形，但以往研究膨胀土边坡稳定性问题，一般假设膨胀土的湿胀效应为各向同性，很少考虑湿胀异性的情况。但事实上膨胀土边坡浅表层土体侧向与竖向膨胀差异较大，这种特性对边坡稳定性的影响不可忽视。此外，当前研究成果主要探究降雨入渗下土体湿胀变形的物理作用引起的边坡浅层坍滑问题，尚未考虑降雨入渗过程中水土化学作用对边坡变形失稳的不利影响。同时，以往干湿循环环境模拟过程中，模拟干湿循环环境将烘干和饱和两个过程分开进行，烘干在烘箱中进行，饱和需另外在饱和桶中进行，这样将反复扰动试样，将损伤试样整体结构，造成试样表层松散，脱落。且现有研究手段多为采用静置饱和方式模拟降雨条件下土样饱和状态，此静态水环境中离子交换及水土相互作用均较弱，无法再现降雨入渗过程中雨水冲蚀与渗流作用对土体结构的影响，与降雨入渗边坡的真实过程不符。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，以解决现有膨胀变形试验装置不适用于边坡湿胀异性特征试验的问题。本专利技术实施例的目的在于提供一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验方法，以解决现有膨胀变形试验方法采用静态水饱和方法模拟降雨条件下土样饱和状态导致模拟的降雨入渗边坡与真实过程不符的问题。本专利技术实施例所采用的技术方案是，一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，包括仪器主体、循环饱水装置和数据采集装置；所述仪器主体包括试验盒、竖向加载装置、水平加载装置与加热装置；所述竖向加载装置设置于试验盒上方，对试验盒内的试样施加竖向荷载；所述水平加载装置设置于试验盒侧边，对试验盒内的试样施加水平荷载；所述加热装置设置于试样外部，对试样进行加热，模拟高温环境；所述循环饱水装置包括竖向多孔盖板，竖向多孔盖板设置于试验盒中试样上方，竖向多孔盖板模拟动态水流，循环饱水装置实现动态水流循环进出仪器主体的试样盒来冲刷试样，以模拟降雨冲蚀、淋滤及渗流过程；所述数据采集装置包括竖向位移测量装置、水平位移测量装置以及温度测量装置，竖向位移测量装置的测量端与竖向加载装置相接触，水平位移测量装置的测量端与水平加载装置相接触，温度测量装置的测量端与加热装置相接触。本专利技术实施例所采用的另一技术方案是，一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验方法，采用如上所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，具体步骤如下：步骤S1、检查仪器主体、循环饱水装置及数据采集装置各部分是否可用，然后将仪器主体、循环饱水装置及数据采集装置进行组合固定；同时按照试验内盒的形状、尺寸切取原状土样作为试验用试样；步骤S2、将制备的试样装入试验内盒，并将竖向多孔板与侧向多孔板调至与试样刚好接触位置；随后调节竖向电子千分表至其指针端部与圆柱形竖杆顶部接触，调节水平电子千分表至其指针端部与反力架上的水平加压杆左端端部接触，然后在试样的竖向与侧向分别施加2～3kPa压力进行预压，使仪器各部分接触，并记录竖向电子千分表的初始读数K0s与水平电子千分表的初始读数K0c；步骤S3、分别设置竖向加载装置与水平加载装置的加载量，以模拟边坡土层不同深度位置受力状态；通过调节溶液箱与试验盒的高度并结合蠕动泵来控制水流速度，以模拟不同降雨强度工况；打开出水循环管路上的止水阀，让溶液箱中的水随出水循环管路流入试验盒，随后开启蠕动泵，通过蠕动泵调节试验外盒与试验内盒间水的液面，保持降雨过程中试验外盒与试验内盒间水的液面高于试样上表面；步骤S4、实时观测竖向电子千分表与水平电子千分表的数据变化，数据采集仪每间隔一定时间记录一次竖向电子千分表与水平电子千分表的数据，当试样膨胀稳定时，结束吸湿试验，关闭出水循环管路上的止水阀，并通过蠕动泵将试样外盒中的溶液泵送至溶液箱，排干试样外盒中溶液；记录结束吸湿试验时竖向电子千分表的数据Kts与水平电子千分表的数据Ktc，Kts为试样分别在设置的竖向荷载P作用下达到膨胀稳定时的膨胀量，Ktc为试样在设置的侧向荷载N作用下达到膨胀稳定时的膨胀量；随后，通过计算机进行试样变形的时程曲线实时绘制与分析，并计算试样的竖向有荷膨胀率aPs与侧向有荷膨胀率aNc；步骤S5、开启加热装置，通过导热片将竖向多孔盖板加热至夏季高温环境下的地表温度，模拟夏季高温干旱环境，将试样进行脱湿处理，加热过程中，按原有设定读数频率持续记录竖向电子千分表与水平电子千分表的读数，并根据加热温度控制加热时间，试样含水率达到缩限含水率时结束加热，即完成一次湿干循环过程；步骤S6、重复步骤S3～S5，依次完成试验设计的湿干循环试验次数，完成湿干循环环境下的湿胀异性试验；步骤S7、将试验完成的试样取出，重复步骤S2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，包括仪器主体、循环饱水装置和数据采集装置；/n所述仪器主体包括试验盒、竖向加载装置、水平加载装置与加热装置；所述竖向加载装置设置于试验盒上方，对试验盒内的试样施加竖向荷载；所述水平加载装置设置于试验盒侧边，对试验盒内的试样施加水平荷载；所述加热装置设置于试样外部，对试样进行加热，模拟高温环境；/n所述循环饱水装置包括竖向多孔盖板(6)，竖向多孔盖板(6)设置于试验盒中试样上方，竖向多孔盖板(6)模拟动态水流，循环饱水装置实现动态水流循环进出仪器主体的试样盒来冲刷试样，以模拟降雨冲蚀、淋滤及渗流过程；/n所述数据采集装置包括竖向位移测量装置、水平位移测量装置以及温度测量装置，竖向位移测量装置的测量端与竖向加载装置相接触，水平位移测量装置的测量端与水平加载装置相接触，温度测量装置的测量端与加热装置相接触。/n

【技术特征摘要】
1.一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，包括仪器主体、循环饱水装置和数据采集装置；
所述仪器主体包括试验盒、竖向加载装置、水平加载装置与加热装置；所述竖向加载装置设置于试验盒上方，对试验盒内的试样施加竖向荷载；所述水平加载装置设置于试验盒侧边，对试验盒内的试样施加水平荷载；所述加热装置设置于试样外部，对试样进行加热，模拟高温环境；
所述循环饱水装置包括竖向多孔盖板(6)，竖向多孔盖板(6)设置于试验盒中试样上方，竖向多孔盖板(6)模拟动态水流，循环饱水装置实现动态水流循环进出仪器主体的试样盒来冲刷试样，以模拟降雨冲蚀、淋滤及渗流过程；
所述数据采集装置包括竖向位移测量装置、水平位移测量装置以及温度测量装置，竖向位移测量装置的测量端与竖向加载装置相接触，水平位移测量装置的测量端与水平加载装置相接触，温度测量装置的测量端与加热装置相接触。


2.根据权利要求1所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述试验盒由试验外盒(15)与试验内盒(23)组合形成，试验外盒(15)与试验内盒(23)均为立方体结构，试验内盒(23)固定于试验外盒(15)内，试样位于试验内盒(23)内，且试样底部通过底部多孔板(22)与试验外盒(15)底部相接触，试验外盒(15)与试验内盒(23)之间能够储存雨水；
所述试验内盒(23)的左侧与上侧均为无侧限设计，且试验内盒(23)中的试样的左侧放置有侧向多孔板(20)，所述侧向多孔板(20)底部固定有第一可移动滑轮(21)，第一可移动滑轮(21)在外力作用下可沿试验外盒(15)底部左右移动；所述试验内盒(23)中的试样的上方放置有竖向多孔板(24)，所述循环饱水装置的竖向多孔盖板(6)设置于竖向多孔板(24)上方；且竖向多孔板(24)上分布有竖向孔隙和侧向孔隙，竖向多孔盖板(6)中的水流一部分沿竖向多孔板(24)上的竖向孔隙进入试验内盒(23)内，竖向多孔盖板(6)中的水流一部分沿竖向多孔板(24)上的侧向孔隙进入试验内盒(23)与试验外盒(15)之间。


3.根据权利要求1所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述竖向加载装置包括竖向控制支架(2)、竖向荷载块(5)，竖向控制支架(2)中间设置有竖向控制支架中部横杆(31)，竖向控制支架中部横杆(31)的上方设置有圆形加载平台(29)，且圆形加载平台(29)底部穿过竖向控制支架中部横杆(31)与循环饱水装置的竖向多孔盖板(6)顶部固定连接，圆形加载平台(29)的顶部中央固定有圆柱形竖杆(28)，竖向荷载块(5)套设在圆柱形竖杆(28)上；
所述竖向位移测量装置采用竖向电子千分表(4)，竖向电子千分表(4)竖直设置于圆柱形竖杆(28)的上方，其指针端部与圆柱形竖杆(28)顶部相接触。


4.根据权利要求2所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述水平加载装置包括竖向吊盘(12)、传动滑轮(13)、水平传力装置(14)、反力架(16)、水平加压杆，反力架(16)设置在试验盒外围，反力架(16)的左侧固定有水平贯穿其的水平加压杆，且水平加压杆的右端贯穿试验外盒(15)左侧后通过端部的水平加压杆接触端部多孔圆板(26)与侧向多孔板(20)固定连接；水平传力装置(14)由固定设置的上部和活动设置的下部组成，水平传力装置(14)的下部固定在反力架(16)的右侧，水平传力装置(14)的上部在外力作用下可相对其下部左右移动，反力架(16)的右侧与水平传力装置(14)的上部左侧固定连接，竖向吊盘(12)通过由传动滑轮(13)传动的钢绳与水平传力装置(14)的上部右侧固定连接，且水平传力装置(14)的上部和传动滑轮(13)之间的钢绳水平设置，竖向吊盘(12)经钢绳作用竖直设置于传动滑轮(13)的右侧下方；
所述水平位移测量装置采用水平电子千分表(17)，水平电子千分表(17)的指针端部与水平加压杆左侧端部相接触。


5.根据权利要求4所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述水平传力装置(14)的下部上设置有从左向右延伸的滑轮槽(32)，所述水平传力装置(14)的上部固定有第二可移动滑轮，第二可移动滑轮位于滑轮槽(32)内且在外力作用下可沿滑轮槽(32)移动。


6.根据权利要求1所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述循环饱水装置包括竖向多孔盖板(6)、出水循环管路(7)、溶液箱(8)、回流循环管路(10)、蠕动泵(11)；竖向多孔盖板(6)的上缘设置有上部入水口(25)，溶液箱(8)通过出水循环管路(7)与竖向多孔盖板(6)上的上部入水口(25)连通，出水循环管路(7)上设置有止水阀(30)；试验外盒(15)底部设置有位于试验内盒(23)外侧的底部出水口(27)，底部出水口(27)通过回流循环管路(10)与溶液箱(8)内部连通，蠕动泵(11)设置于回流循环管路(...

【专利技术属性】
技术研发人员：常锦，肖杰，徐永福，陈冠一，蒋建清，雷鸣，张锐，匡希龙，唐仁华，沈炼，易驹，刘尧，刘防伟，
申请(专利权)人：长沙学院，长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43