一种冻土多向基质吸力和导水系数测试方法技术

本发明专利技术提供一种冻土多向基质吸力和导水系数测试方法，通过模型试验量化加载过程中不同方向应力传递的差异，通过量化的应力路径差异采用等效加载方式实现不同方向试样的制备，进而测定不同方向试样的基质吸力并确定冻结特征曲线，结合状态含量组成的一致性条件给出了冻土土水特征曲线，以及基于土水特征曲线的冻土导水系数预测方法。本发明专利技术的效果是提供的方法实现了各向异性土样的异位制备，能够测定冻土的冻结特征曲线、冻土的土水特征曲线和导水系数。该方法克服了原位取样的易损性、数据离散性等不足，显著提升了冻土基质吸力和导水系数测试的准确性。系数测试的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种冻土多向基质吸力和导水系数测试方法


[0001]本专利技术属于环境岩土工程
，特别涉及一种冻土多向基质吸力和导水系数测试方法。

技术介绍

[0002]土体存在明显的各向异性特征，不同方向的土体在渗透系数、导热系数等方面均存在差异。测试土体各向的渗透系数等参数，对于提升水分场预测精度具有重要作用。一般情况下，各向异性特征的土体需要取原状样进行测试，由于原状土取样过程中易扰动从而改变其原始状态，同时，原状土样的试验结果也因取样点不同而存在较大差异。相较于常温土体的渗透系数测试，由于水分脱离颗粒或者原始位置后会冻结，从而无法通过施加水头或气压的方式直接测试冻土的导水系数。因而，现有文献中提供的冻土导水系数均是基于理论计算或者等效测试获取的。基质吸力是表征土中有效应力和土中水自由能态的重要参数，受冻土排水量难以观测且宏观上的水分封闭影响，负温状态下的基质吸力不能采用压力板仪等方式获取。冻结特征曲线和土水特征曲线是表征的冻土不同的水力性质，冻结特征曲线是土中颗粒一定状态下，土中水分逐渐变成冰体过程中的吸力变化；而冻土的土水特征曲线是冻土中固相(颗粒和冰体)一定条件下，未冻水排出过程中的吸力变化。
[0003]因此，现有冻土多向基质吸力和导水系数测试存在的不足主要是：(1)原状样取样困难且无法制备具有各向异性特征的试样；(2)现有的轴平移测试技术无法应用于负温土样；(3)无法区分冻结特征曲线和冻土的土水特征曲线。
[0004]可见，给出能够克服上述不足的技术方法，实现冻土中各向基质吸力和导水系数的测试，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供的一种冻土多向基质吸力和导水系数测试方法，以至少解决上述技术问题；
[0006]为了解决上述问题，本专利技术的第一方面提供一种冻土多向基质吸力和导水系数测试方法，所述测试方法包括：将预设密度以及预设含水率的土体填入圆柱形模型桶中；当所述土体达到所述圆柱形模型桶的内部的预设高度时，将三维土压力盒埋入模型桶中并继续填筑土体直至整个模型桶内全部填满土体；向圆柱形模型桶内施加竖向压力；监测所述圆柱形模型桶内的三维应力状态，并获取模型桶的竖向变形压力数值；依据所述竖向变形压力数值计算得到用于表示所述冻土多向基质吸力以及土体的导水系数。
[0007]在第一方面中，所述将预设密度以及预设含水率的土体填入圆柱形模型桶中包括：采用尺寸为D
×
H＝60cm
×
60cm的圆柱形模型桶，将模型桶的体积扣除三维土压力盒的体积后，将干密度ρ
d
含水率w的土体采用分层密实法填入所述圆柱形模型桶中；待填筑高度达到模型桶中间位置时，将三维土压力盒埋入模型桶中并继续填筑土体直至整个模型桶内全部填满土体；所述向圆柱形模型桶内施加竖向压力；监测所述圆柱形模型桶内的三维应
力状态，并获取模型桶的竖向变形压力数值，当所述土体达到所述圆柱形模型桶的内部的预设高度时，将三维土压力盒埋入模型桶中并继续填筑土体直至整个模型桶内全部填满土体包括：采用圆形加载板在模型桶的上部施加竖向力P
i
，并监测试验过程中模型桶中的三维应力状态[σ
i
]＝[σ
x
,σ
y
,σ
z
,τ
xy
,τ
yz
,τ
zx
]T
和模型桶的竖向变形L
i
，直至L
i
对应的干密度ρ
d
‑
i
＝(ρ
d
H)/(H
‑
L
i
)达到目标干密度ρ
d
‑
e
时用销钉固定圆形加载板以保持土体干密度维持在ρ
d
‑
e
。
[0008]1)采用尺寸为D
×
H＝60cm
×
60cm的圆柱形模型桶，将模型桶的体积扣除三维土压力盒的体积后，将干密度ρ
d
含水率w的土体采用分层密实法填入所述圆柱形模型桶中；待填筑高度达到模型桶中间位置时，将三维土压力盒埋入模型桶中并继续填筑土体直至整个模型桶内全部填满土体；
[0009]2)采用圆形加载板在模型桶的上部施加竖向力P
i
，并监测试验过程中模型桶中的三维应力状态[σ
i
]＝[σ
x
,σ
y
,σ
z
,τ
xy
,τ
yz
,τ
zx
]T
和模型桶的竖向变形L
i
，直至L
i
对应的干密度ρ
d
‑
i
＝(ρ
d
H)/(H
‑
L
i
)达到目标干密度ρ
d
‑
e
时用销钉固定圆形加载板以保持土体干密度维持在ρ
d
‑
e
；
[0010]3)依据公式(1)计算j方向的正应力σ
j
，公式(1)为：
[0011][0012]公式(1)中，σ
j
为j方向的正应力；σ
x
、σ
y
、σ
z
、τ
xy
、τ
yz
、τ
zx
分别为土的三个正应力和三个剪应力；l
j
、m
j
、n
j
为j方向的方向余弦；
[0013]4)依据公式(2)计算j方向与竖向应力σ
z
的比值K0‑
j
，公式(2)为：
[0014][0015]公式(2)中，K0‑
j
为j方向与竖向应力σ
z
的比值；σ
j
为j方向的正应力；σ
z
为竖向应力；
[0016]5)依据公式(3)计算附加应力折减系数α，公式(3)为：
[0017][0018]公式(3)中，α为附加应力折减系数；P
i
为上部施加竖向力；σ
z
为竖向应力；
[0019]6)依据步骤1)～5)设置不同方向j、不同干密度ρ
d
、不同含水率w的实验，每个方向同一干密度下应设置不少于5个含水率，其中最大含水率应取土样饱和时的含水率W
max
，W
max
的计算公式为：
[0020][0021]公式(4)中，W
max
为土样饱和时的含水率；ρ
w
为水的密度；ρ
d
为土的干密度；G
s
为土的颗粒比重；
[0022]7)依据步骤6)的实验设置，开展j方向同一干密度下5个含水率土样的实验，依本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冻土多向基质吸力和导水系数测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：将预设密度以及预设含水率的土体填入圆柱形模型桶中；当所述土体达到所述圆柱形模型桶的内部的预设高度时，将三维土压力盒埋入模型桶中并继续填筑土体直至整个模型桶内全部填满土体；向圆柱形模型桶内施加竖向压力；监测所述圆柱形模型桶内的三维应力状态，并获取模型桶的竖向变形压力数值；依据所述竖向变形压力数值计算得到用于表示所述冻土多向基质吸力以及土体的导水系数。2.根据权利要求1所述的冻土多向基质吸力和导水系数测试方法，其特征在于，所述将预设密度以及预设含水率的土体填入圆柱形模型桶中包括：采用尺寸为D
×
H＝60cm
×
60cm的圆柱形模型桶，将模型桶的体积扣除三维土压力盒的体积后，将干密度ρ
d
含水率w的土体采用分层密实法填入所述圆柱形模型桶中；待填筑高度达到模型桶中间位置时，将三维土压力盒埋入模型桶中并继续填筑土体直至整个模型桶内全部填满土体；所述向圆柱形模型桶内施加竖向压力；监测所述圆柱形模型桶内的三维应力状态，并获取模型桶的竖向变形压力数值，当所述土体达到所述圆柱形模型桶的内部的预设高度时，将三维土压力盒埋入模型桶中并继续填筑土体直至整个模型桶内全部填满土体包括：采用圆形加载板在模型桶的上部施加竖向力P
i
，并监测试验过程中模型桶中的三维应力状态[σ
i
]＝[σ
x
,σ
y
,σ
z
,τ
xy
,τ
yz
,τ
zx
]
T
和模型桶的竖向变形L
i
，直至L
i
对应的干密度ρ
d
‑
i
＝(ρ
d
H)/(H
‑
L
i
)达到目标干密度ρ
d
‑
e
时用销钉固定圆形加载板以保持土体干密度维持在ρ
d
‑
e
。3.根据权利要求1所述的冻土多向基质吸力和导水系数测试方法，其特征在于，所述依据所述竖向变形压力数值计算得到用于表示所述冻土多向基质吸力以及土体的导水系数包括：依据公式(1)计算j方向的正应力σ
j
，公式(1)为：公式(1)中，σ
j
为j方向的正应力；σ
x
、σ
y
、σ
z
、τ
xy
、τ
yz
、τ
zx
分别为土的三个正应力和三个剪应力；l
j
、m
j
、n
j
为j方向的方向余弦；依据公式(2)计算j方向与竖向应力σ
z
的比值K0‑
j
，公式(2)为：公式(2)中，K0‑
j
为j方向与竖向应力σ
z
的比值；σ
j
为j方向的正应力；σ
z
为竖向应力；依据公式(3)计算附加应力折减系数α，公式(3)为：公式(3)中，α为附加应力折减系数；P
i
为上部施加竖向力；σ
z
为竖向应力；设置不同方向j、不同干密度ρ
d
、不同含水率w的实验，每个方向同一干密度下应设置不少于5个含水率，其中最大含水率应取土样饱和时的含水率W
max
，W
max
的计算公式为：
公式(4)中，W
max
为土样饱和时的含水率；ρ
w
为水的密度；ρ
d
为土的干密度；G
s
为土的颗粒比重；开展j方向同一干密度下5个含水率土样的实验，依据含水率预先进行基质吸力传感器的湿度粗平衡；随后采用D
×<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈之祥，薛强，何星星，李江山，刘磊，陈亿军，
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：