一种各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法技术

本发明专利技术提供一种各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法，该方法先通过模型试验确定加载过程中土体的主应力状态，进而计算任意方向正应力σ

【技术实现步骤摘要】
一种各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法


[0001]本专利技术属于土体物理性质测试领域，特别涉及一种各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法。

技术介绍

[0002]土体是由土颗粒、水和气构成的散粒结构体，由于土颗粒并非均匀形状，在沉积与固结过程和复杂应力作用下土颗粒会沿某一方向定向排列，导致土颗粒之间的相互作用状态、土颗粒之间形成的孔隙形式、孔隙中水和气的分布形态等在不同方向存在差异，从而宏观上表现为土体参数的各向异性。测试原状土的渗透系数和抗剪强度，一般通过现场取样结合室内试验测定；若测试某一方向土体参数则需沿该方向取土，受操作面尺寸较小等问题限制，易产生取样偏差，导致测试结果产生较大的误差。常规室内试验测试土体的渗透系数和抗剪强度指标时，其试验操作只考虑单一方向的渗透系数和抗剪强度指标，若将常规室内试验测得的渗透系数和抗剪强度用于数值模拟以及实际工程预测，显然违背了土体参数的各向异性特性，这将导致模拟结果与实际工程存在较大差异，给工程建设和运行埋下隐患。考虑土体各向异性的渗透系数和抗剪强度也是发展土体本构理论的关键，突破现有传统理论中各向同性的假设所带来的实践和理论限制，建立能够反应各向异性的本构模型是土力学发展的趋势。
[0003]常规的常水头渗透试验、变水头渗透试验、热参数试验只能测试单一方向的渗透系数和导热系数，在制样方法和测试方法中并未考虑测试各向异性的渗透系数和导热系数(参考文献：林政,陈云敏,陈仁朋.球形空腔固结解析解及其在地基原位固结系数测试中的应用[J].岩石力学与工程学报,2005(S2):5862
‑
5867；专利201711092734.7)。相关的土体参数测试方法均未给出考虑土体各向异性的制样和测试方法，在实际测试过程若测试不同方向的土体参数又存在取样角度和位置的偏差。因此，为更准确的测定各向异性土体参数，有必要给出一种各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供的一种各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法，以至少解决上述技术问题；
[0005]为了解决上述问题，本专利技术的第一方面提供一种各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法，所述测试方法包括：模型试验：所述模型试验包括：现场取土10kg，测试现场土样的干密度ρ
d0
和含水率ω；烘干现场土样，制备含水率ω的土样，采用撒样法将土样分层装入500mm(W)
×
500mm(L)
×
1000mm(H0)的模型箱中，每层厚度取250mm，并在第二层和第三层的相邻界面为中心埋设三维应力传感器；土体均匀填满模型箱后，根据装入模型箱的土体总重量m计算模型箱中土样的干密度ρ
d
(ρ
d
＝m/[(ω+1)
·
W
·
L
·
H0])，将模型箱置于轴向加载装置的模型箱承台上，在模型箱的顶部放置传力板，固定位移传感器和力传感器；将轴向加载装置与模型箱顶部的传力板相连接，之后启动加载系统以amm/d的速度对对模
型箱中的土样加载，待土样高度达到H时停止加载，其中连续记录加载过程中轴向力p的变化；确定加载过程中任意方向正应力σ
j
与竖向力σ
z
的比值k
0j
：室内渗透试验的制样及测试：热参数试验的制样与测试，获得用于表示各向异性土的制样与渗透系数和导热系数。
[0006]在第一方面中，所述确定加载过程中任意方向正应力σ
j
与竖向力σ
z
的比值k
0j
包括：通过所述模型试验测得加载过程中土体的主应力状态{σ
i
}及主应力方向{l
i
,m
i
,n
i
}(i＝1,2,3)；根据公式(1)和公式(2)分别计算获取土体任意方向的正应力σ
j
和竖向应力σ
z
，公式(1)为：
[0007][0008]式(1)中σ
j
为j方向的正应力；σ1、σ2、σ3为大主应力、中主应力、小主应力值；{l1,m1,n1}、{l2,m2,n2}、{l3,m3,n3}分别为大主应力σ1、中主应力σ2、小主应力的方向；α、β、γ为j方向与坐标轴x、y、z的夹角。
[0009]σ
z
＝σ1(1
‑
l
12
)+σ2(1
‑
m
22
)+σ3n3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0010]根据确定任意方向正应力σ
j
与竖向力σ
z
的比值k
0j
。
[0011]在第一方面中，室内渗透试验的制样及测试包括：取烘干的现场土样，制备含水率为ω的土样；采用撒样法将土样分层装入净尺寸为61.8mm(直径)
×
40mm(高度)的环刀中；以计算获取的连续的k
0j
对环刀中的土样加载，加载完成后记录土样的压缩高度并记为Δh；依据(GB/T 50123
‑
2019)中变水头试验的操作方法，按公式(3)计算渗透系数，公式(3)为：
[0012][0013]式(3)中：a为变水头管截面积；L、Δh分别为环刀高度和土样的压缩高度；H
b1
、H
b2
分别为开始时水头和终止时水头；A为试样断面积。
[0014]在第一方面中，所述热参数试验的制样与测试包括：取烘干的现场土样，制备含水率为ω的土样；采用撒样法将土样分层装入净尺寸为60mm(直径)
×
120mm(高度)的有机玻璃筒中；以计算获取的连续的k
0j
对有机玻璃筒中的土样加载；将连接温度采集仪与直流稳压电源的热探针插入机玻璃筒中的土样中，记录直流稳压电源的功率Q，导出温度T随时间t的变化曲线，根据公式(4)计算机玻璃筒中的土样的导热系数，公式(4)为：
[0015][0016]式(4)中，λ
j
为j方向土样的导热系数；土样温升段的斜率；Q为直流稳压电源的功率。
[0017]有益效果：本专利技术提出了一种各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法的效果是：提供的解决了室内各向异性土样制样的不可实现问题，降低了原位取样的困难，为多场耦合问题中各向异性参数的选取提供参数，对于合理预测土工结构的变形、应力、稳定性等问题的分析提供重要保障。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本专利技术实施例一各向异性土的制样与渗透本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：模型试验；所述模型试验包括：现场取土10kg，测试现场土样的干密度ρ
d0
和含水率ω；烘干现场土样，制备含水率ω的土样，采用撒样法将土样分层装入500mm(W)
×
500mm(L)
×
1000mm(H0)的模型箱中，每层厚度取250mm，并在第二层和第三层的相邻界面为中心埋设三维应力传感器；土体均匀填满模型箱后，根据装入模型箱的土体总重量m计算模型箱中土样的干密度ρ
d
(ρ
d
＝m/[(ω+1)
·
W
·
L
·
H0])，将模型箱置于轴向加载装置的模型箱承台上，在模型箱的顶部放置传力板，固定位移传感器和力传感器；将轴向加载装置与模型箱顶部的传力板相连接，之后启动加载系统以amm/d的速度对对模型箱中的土样加载，待土样高度达到H时停止加载，其中连续记录加载过程中轴向力p的变化；确定加载过程中任意方向正应力σ
j
与竖向力σ
z
的比值k
0j
；室内渗透试验的制样及测试；热参数试验的制样与测试，获得用于表示各向异性土的制样与渗透系数和导热系数。2.根据权利要求1各向异性土的制样与渗透系数和导热系数测试方法，其特征在于，所述确定加载过程中任意方向正应力σ
j
与竖向力σ
z
的比值k
0j
包括：通过所述模型试验测得加载过程中土体的主应力状态{σ
i
}及主应力方向{l
i
,m
i
,n
i
}(i＝1,2,3)；根据公式(1)和公式(2)分别计算获取土体任意方向的正应力σ
j
和竖向应力σ
z
，公式(1)为：式(1)中σ
j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：万勇，于化月，陈之祥，薛强，刘磊，王平，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：