一种斜向剪切作用下结合带渗透和剪切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斜向剪切作用下结合带渗透和剪切试验装置及方法，装置包括压力室，其内沿轴线设置柱形轴，柱形轴上端连接竖向位移驱动机构，柱形轴下端设置旋转驱动机构；柱形轴中部外裹混凝土圆棒，其外设短圆环柱形土样，土样外套乳胶膜，土样上端和下端分别接触与上盖连接的环形上帽、与底座连接的环形下垫；上盖内设置有与上帽孔洞连通的循环通道，循环通道与包含有循环泵的循环系统连接，循环系统与测量系统连接。方法包括步骤S1

【技术实现步骤摘要】
一种斜向剪切作用下结合带渗透和剪切试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及土体渗透特性和剪切特性测量
，具体涉及一种斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置及方法。

技术介绍

[0002]渗透破坏是土质防渗体土石坝除漫顶外最常见的破坏形式，从已有破坏案例看，这种渗透破坏主要发生在土体与岩质岸坡或岸坡上混凝土基座、土体与混凝土坝段、混凝土埋管等土体与刚性面的结合带上。在这种结合带上，渗透水力比降在平面上沿顺河流方向、在竖直平面上自上游倾向下游，而土体与刚性面间的剪切变形，一方面主要沿横河向的刚性面坡度方向，另一方面则存在一定量值顺河流方向的垂直于坡向变形。土体与刚性面结合带上的土体处于一定正应力，相互斜交的水力比降、剪切变形的联合作用下。坝体底部不同位置土体在剪切变形过程中渗透特性变化过程不同，导致坝体底部渗透特性分布差异，渗透系数相对较低而破坏比降相对较低的位置就成为渗透破坏的易发位置。
[0003]此外，随着各向剪切量值、各向剪切速率变化，以及渗流过程中的细颗粒迁移，由于土体固有的黏滞特性和状态相关性，土体与刚性面结合带上的剪切强度可能发生变化，上述变化也会导致坝体底部与岸坡间相互作用及其分布的变化。
[0004]掌握一定正应力，相互斜交的水力比降、剪切变形的联合作用下的土体与刚性面结合带渗透特性和剪切特性随剪切变形量值、剪切变形速率和细粒含量变化的演化情况，对于预测和保障土石坝防渗和结构安全意义重大。
[0005]既有试验装置不能提供上述渗透和剪切特性测试所需条件，能够控制结合带正应力的渗透特性测试，一般不能提供剪切变形；而仅有的能够提供剪切变形的试验方法中，剪切变形方向与渗流方向或只能平行、或只能正交。此外，既有能够提供剪切变形的试验方法，均只能测定剪切过程中渗透系数的变化过程，不能测定渗透破坏比降，也不能同时测定强度的变化。
[0006]亟需研发能够模拟土体与刚性面结合带在剪切变形与渗流方向任意斜交条件下渗透系数、渗透破坏比降和抗剪强度变化情况的试验装置。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的上述不足，本专利技术提供了一种斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置及方法。
[0008]为达到上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0009]提供一种斜向剪切作用下结合带渗透和剪切试验装置，其包括压力室，压力室的上端和下端分别通过上盖和底座封装，压力室内沿轴线设置有柱形轴；柱形轴的上端穿过上盖，下端插入穿过底座上设置的柱形套筒；柱形轴的上端通过连接器与驱动柱形轴竖向位移的竖向位移驱动机构相连，柱形套筒的下端设置有驱动柱形套筒和柱形轴旋转的旋转驱动机构，且柱形套筒和旋转驱动机构之间设置有扭矩传感器。
[0010]柱形轴中部外包裹有圆环柱形结构的混凝土棒，混凝土棒外设置有圆环柱形结构的土样，柱形轴长度大于混凝土棒长度，混凝土棒的长度大于土样的长度，土样外套有乳胶膜，乳胶膜上端和下端分别绑扎在环形的上帽和下垫外侧；环形的上帽和下垫分别与上盖、底座连接，上帽顶面、与土样之间设置有第一齿槽，下垫底面、与土样之间设置有第二齿槽；上帽和下垫嵌入土样表面，且上帽和土样、下垫和土样分别通过第一齿槽和第二齿槽配合；混凝土棒的上表面距离顶盖、下表面距离底座的距离大于柱形轴上、下移动的位移；混凝土棒上、下表面距离土样上、下表面的长度分别大于混凝土棒向下、向上的位移。
[0011]上帽和下垫及第一齿槽、第二齿槽内均设置有若干竖向的通道，通道与土样底面、顶面分别连通；底座内设置有渗流进水口，渗流进水口通过渗流通道与下垫连通；上盖上设置有与上帽连通的循环通道，循环通道与包含有循环泵的循环系统连接，循环系统与渗出土、水测量系统连接；上盖上设置有与压力室连通的压力室进水口。
[0012]进一步地，柱形轴的下端设置有第一六边形柱，柱形套筒的上端和下端分别设置有第一内六边形孔和第二内六边形孔，第一内六边形孔和第二内六边形孔均与柱形轴同轴，第一六边形柱插入第一内六边形孔内，且第一六边形柱与第一内六边形孔的底部之间设置有间隙，间隙的长度大于柱形轴位移的长度，第二内六边形孔内设置有第二六边形柱，第二六边形柱与扭矩传感器连接，再与旋转驱动机构传动连接。
[0013]进一步地，底座上开设有贯穿孔，柱形套筒穿过贯穿孔，且柱形套筒与底座之间设置有动密封圈。
[0014]进一步地，上帽和下垫均为环形结构，柱形轴穿过上帽、第一齿槽和下垫、第二齿槽的内孔，柱形轴中部外裹的长混凝土棒与柱形轴一起穿过上帽、第一齿槽和下垫、第二齿槽的内孔，混凝土棒与内孔之间设置有间隙；上帽、第一齿槽和下垫、第二齿槽直径均比混凝土棒直径大2mm；混凝土棒外表面紧贴外设圆环柱形土样的内表面。
[0015]进一步地，上盖上也设置有贯穿孔，柱形轴穿过上盖上的贯穿孔，且柱形轴与上盖上的贯穿孔之间也设置有动密封圈。
[0016]进一步地，竖向位移驱动机构包括直线电机，直线电机轴线与柱形轴同轴；直线电机下端通过连接器与柱形轴的上端连接；直线电机上端通过滚珠轴承与承载框架连接；承载框架固定在上盖或其他稳固位置。
[0017]进一步地，竖向位移驱动机构包括伺服电机、减速机和一端开口的螺纹套筒、螺杆；螺纹套筒的端部与减速机连接，螺纹套筒与减速机输出轴同轴；伺服电机输出旋转，经减速机减速、放大扭矩后输出旋转至螺纹套筒；螺纹套筒的内壁设置有内螺纹，螺杆的外螺纹与螺纹套筒的内螺纹配合；螺杆的下端通过连接器与力传感器连接，力传感器与柱形轴的上端连接；伺服电机和减速机与承载框架连接，承载框架固定在上盖或其他稳固位置。
[0018]进一步地，竖向位移驱动机构还可采用设定螺距的螺母和螺杆组合，螺杆与螺母螺纹配合，螺母通过承载框架安装在上盖上，螺杆下端通过连接器与力传感器相连，力传感器与柱形轴的上端连接。
[0019]对于采用的螺母和螺杆组合，螺杆旋转一周，即与连接器、柱形轴和混凝土棒一起竖向移动一个螺距。
[0020]进一步地，循环通道设置在上盖内，循环通道贯穿上盖的两端，循环通道的两端通过外部管道连接，循环泵设置在外部管道上；外部管道与上盖内循环通道形成环形；外部管
道设岔管，岔管与测量系统连接；外部管道与测量系统之间连接的岔管上设置有阀门。
[0021]测量系统包括紧邻的第一天平和第二天平，第一天平上设置有容纳不定量渗出水的水槽，第二天平上设置有测量容纳渗出土和固定体积渗出土水混合物的混合槽；混合槽内设置有第二进水管，第二进水管从混合槽一侧伸入混合槽的底部；第二进水管与外部管道的岔管连接；混合槽内设置有与倒L形的分隔板，分隔板底部连接于混合远离第二进水管一侧的底板上，分隔板罩在第二进水管的上方；混合槽靠近第二进水管一侧的内壁上也设置有带孔挡土板，第二进水管穿过带孔挡土板；混合槽远离第二进水管一侧的侧壁上端设置有排水口，排水口与排水管连接，排水管伸入水槽内。
[0022]上盖的上端设置有排气孔，压力室进水口和渗流进水口分别与第一压力体积控制器、第二压力体积控制器连接，压力室进水口的下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种斜向剪切作用下结合带渗透和剪切试验装置，其特征在于，包括压力室，所述压力室的上端和下端分别通过上盖和底座封装，所述压力室内沿轴线设置有柱形轴；所述柱形轴的上端穿过上盖，下端插入穿过底座上设置的柱形套筒；所述柱形轴的上端通过连接器与驱动柱形轴竖向位移的竖向位移驱动机构相连，所述柱形套筒的下端设置有驱动柱形套筒和柱形轴旋转的旋转驱动机构，且柱形套筒和旋转驱动机构之间设置有扭矩传感器。所述柱形轴中部外包裹有圆环柱形结构的混凝土棒，所述混凝土棒外设置有圆环柱形结构的土样，所述柱形轴长度大于混凝土棒长度，所述混凝土棒的长度大于土样的长度，所述土样外套有乳胶膜，所述乳胶膜上端和下端分别绑扎在环形的上帽和下垫外侧；所述环形的上帽和下垫分别与上盖、底座连接，所述上帽顶面、与土样之间设置有第一齿槽，所述下垫底面、与土样之间设置有第二齿槽；所述上帽和下垫嵌入土样表面，且上帽和土样、下垫和土样分别通过第一齿槽和第二齿槽配合；所述混凝土棒的上表面距离顶盖、下表面距离底座的距离大于柱形轴上、下移动的位移；所述混凝土棒上、下表面距离土样上、下表面的长度分别大于混凝土棒向下、向上的位移。所述上帽和下垫及第一齿槽、第二齿槽内均设置有若干竖向的通道，所述通道与土样底面、顶面分别连通；所述底座内设置有渗流进水口，所述渗流进水口通过渗流通道与下垫连通；所述上盖上设置有与上帽连通的循环通道，所述循环通道与包含有循环泵的循环系统连接，所述循环系统与渗出土、水测量系统连接；所述上盖上设置有与压力室连通的压力室进水口。2.根据权利要求1所述的斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置，其特征在于，所述柱形轴的下端设置有第一六边形柱，所述柱形套筒的上端和下端分别设置有第一内六边形孔和第二内六边形孔，所述第一内六边形孔和第二内六边形孔均与柱形轴同轴，所述第一六边形柱插入第一内六边形孔内，且第一六边形柱与第一内六边形孔的底部之间设置有间隙，所述间隙的长度大于柱形轴位移的长度，所述第二内六边形孔内设置有第二六边形柱，所述第二六边形柱与扭矩传感器连接，再与旋转驱动机构传动连接。3.根据权利要求2所述的斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置，其特征在于，所述底座上开设有贯穿孔，所述柱形套筒穿过贯穿孔，且柱形套筒与底座之间设置有动密封圈。4.根据权利要求1所述的斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置，其特征在于，所述上帽和下垫均为环形结构，所述柱形轴穿过上帽、第一齿槽和下垫、第二齿槽的内孔，所述柱形轴中部外裹的长混凝土棒与柱形轴一起穿过上帽、第一齿槽和下垫、第二齿槽的内孔，所述混凝土棒与内孔之间设置有间隙；所述上帽、第一齿槽和下垫、第二齿槽直径均比混凝土棒直径大2mm；所述混凝土棒外表面紧贴外设圆环柱形土样的内表面。5.根据权利要求1所述的斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置，其特征在于，所述上盖上也设置有贯穿孔，所述柱形轴穿过上盖上的贯穿孔，且柱形轴与上盖上的贯穿孔之间也设置有动密封圈。6.根据权利要求1所述的斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置，其特征在于，所述竖向位移驱动机构包括直线电机，所述直线电机轴线与柱形轴同轴；所述直线电机下端通过连接器与柱形轴的上端连接；所述直线电机上端通过滚珠轴承与承载框架连接；所述承载框架固定在上盖或其他稳固位置。7.根据权利要求1所述的斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置，其特征在于，所述
竖向位移驱动机构包括伺服电机、减速机和一端开口的螺纹套筒、螺杆；所述螺纹套筒的端部与减速机连接，所述螺纹套筒与减速机输出轴同轴；所述伺服电机输出旋转，经减速机减速、放大扭矩后输出旋转至螺纹套筒；所述螺纹套筒的内壁设置有内螺纹，所述螺杆的外螺纹与螺纹套筒的内螺纹配合；所述螺杆的下端通过连接器与力传感器连接，所述力传感器与柱形轴的上端连接；所述伺服电机和减速机与承载框架连接，所述承载框架固定在上盖或其他稳固位置。8.根据权利要求1所述的斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置，其特征在于，所述竖向位移驱动机构还可采用设定螺距的螺母和螺杆组合，所述螺母通过承载框架安装在上盖上，所述螺杆下端通过连接器与力传感器相连，所述力传感器与柱形轴的上端连接；所述螺杆与螺母螺纹配合，螺杆和螺母组合具有设定螺距，螺距为环向剪切变形一周对应的竖向剪切变形，通过螺距变化可提供与环向夹角不同的斜向剪切变形，实现不同的顺水力比降方向剪切变形和正交于水力比降方向剪切变形的比例组合。9.根据权利要求1所述的斜向剪切作用下土体渗透和剪切试验装置，其特征在于，所述循环通道设置在上盖内，所述循环通道贯穿上盖的两端，所述循环通道的两端通过外部管道连接，所述循环泵设置在外部管道上；所述外部管道与上盖内循环通道形成环形；所述外部管道设岔管，所述岔管与测量系统连接；所述外部管道与测量系统之间连接的岔管上设置有阀门。所述测量系统包括紧邻的第一天平和第二天平，所述第一天平上设置有容纳不定量渗出水的水槽，所述第二天平...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓刚，杜三林，王富强，杨剑，张茵琪，曹荣，张延亿，晏关鸿，姚虞，陈辉，陈含，王翔南，殷旗，田继雪，侯伟亚，裴东东，
申请(专利权)人：华能西藏雅鲁藏布江水电开发投资有限公司水电水利规划设计总院，
类型：发明
国别省市：