一种土体渗流剪切试验装置及具有其的测量系统

1.本实用新型属于剪切渗流试验技术领域，尤其涉及一种土体渗流剪切试验装置及具有其的测量系统。


背景技术：

2.在土石坝、堤防、路堤等边坡工程中，内部土体在施工过程中经过碾压往往达到相对较为密实的状态，但在汛期强降雨以及高水位持续作用下，土体中的水力梯度迅速增大，从而导致土体产生结构性损坏，进而造成土体工程失稳破坏，形成工程安全隐患。水力梯度导致的渗流对土体内部结构的影响一方面是细颗粒在渗透力的驱动下在孔隙管道中发生移动，进而可能会在通道中聚集堵塞孔隙通道；另一方面，细颗粒流失后，导致原土体结构产生局部破坏。这两种影响均会导致土体内部出现局部孔隙增大或减小，从而改变土体的渗透系数以及抗剪强度。
3.在实际工程中，考虑水力梯度对堤防渗流以及岸坡稳定性的影响至关重要，因此，需要研制一种既能测试土体渗透变形强度，同时又能测试其抗剪强度的新型试验装置。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种可以获取不同水力梯度作用下土体渗透系数、抗渗强度以及抗剪强度的土体渗流剪切试验装置及具有其的测量系统。
5.为实现上述目的，本实用新型的具体技术方案如下：
6.一种土体渗流剪切试验装置，所述试验盒包括底座、剪切盒、以及活塞，所述剪切盒设置在所述底座上端面，所述活塞设置在所述剪切盒内，所述活塞上设有排水孔，所述活塞在剪切盒内沿竖直方向活动，且所述活塞的外径与所述剪切盒的内径一致；
7.所述剪切盒分为上部的上剪切盒和下部的下剪切盒，所述上剪切盒与下剪切盒的内径一致且相互连通，所述下剪切盒的底部设有蓄水槽，所述蓄水槽与下剪切盒的内腔连通，所述蓄水槽的底部与底座的进水口连通；
8.所述底座在背离所述进水口的一侧设有传压板；
9.所述上剪切盒在背离传压板的一侧设有传压杆，所述上剪切盒在背离进水口的一端设有出水口。
10.由此，本实用新型的土体渗流剪切试验装置即能用于土体渗透试验又可以用于土体剪切试验。当将本实用新型的试验盒用于土体渗透试验时，卸下活塞，水从进水口进入剪切盒底部的蓄水槽，并最终从出水口排出。当将本实用新型的试验盒用于土体剪切试验时，安装上活塞，封堵进水口和出水口，传压板、活塞和传压杆与相应的土体剪切测量系统配合完成土体剪切试验。
11.进一步，所述进水口和出水口上均设有止水帽。
12.进一步，所述传压板通过压紧螺钉与底座连接。
13.再进一步，所述上剪切盒和下剪切盒的连接端开设有止水槽，所述止水槽内设有止水带。
14.更进一步，所述上剪切盒与下剪切盒通过竖向设置在上剪切盒上端面且向下剪切盒延伸的销钉连接。
15.基于同一个设计构思，本实用新型还提供了一种土体渗透测量系统，该土体渗透测量系统包括集水装置和供水系统，所述集水装置和供水系统之间设有如权上所述的土体渗流剪切试验装置，所述进水口与供水系统连通，所述出水口与集水装置连通。
16.进一步，所述供水系统包括设置在升降支架上的供水箱，所述供水箱的下端开设有阀门，所述阀门通过供水管将供水箱与进水口连通，所述供水箱的上部设有溢流孔，所述溢流孔连通溢流水箱，所述集水装置为集水箱。
17.基于同一个设计构思，本实用新型还提供了一种土体剪切测量系统，该土体剪切测量系统包括滑轨，所述滑轨的一端设有水平加压装置，所述滑轨的另一端设有量力环，所述滑轨的上方为竖向加压装置，所述滑轨上设有如上所述的土体渗流剪切试验装置，所述水平加压装置与传压板相配合，所述量力环与传压杆相配合，所述竖向加压装置与活塞相配合。
18.进一步，所述水平加压装置包括加压杆，所述加压杆由转轮驱动作水平轴向运动。
19.再进一步，所述量力环内设有量表。
20.本实用新型具有以下优点：
21.（1）、本实用新型的剪切盒底座设有进水口，上剪切盒设有出水口，有效实现了土体在不被扰动的前提下测试其渗透作用后的抗剪强度。
22.（2）、本实用新型的上、下剪切盒接缝处设有止水槽，用止水橡胶圈有效解决了渗透过程中水从上、下剪切盒接触面流出的问题，确保了渗透试验过程中较好的密封性能。
23.（3）、本实用新型的试验装置制造简单，测量精度高，满足不同水力梯度条件下的抗剪试验要求，可以量测土体在不同水力梯度条件下的直剪强度指标。
24.（4）、本实用新型的试验装置适用于土木水利工程中各种土石坝、堤防岸坡、路基表层等工程土体室内渗流特性、强度特性试验研究。
附图说明
25.图1为本实用新型的正面剖视图；
26.图2为本实用新型a-a的剖视图；
27.图3为本实用新型的侧视图；
28.图4为本实用新型的俯视图；
29.图5为本实用新型的轴右侧视图；
30.图6为本实用新型的轴左侧视图；
31.图7为本实用新型的渗透试验示意图；
32.图8为本实用新型的剪切试验示意图。
33.图中标记说明：1、底座；2、下剪切盒；3、传压板；4、压紧螺钉；5、试样；6、出水口；7、上剪切盒；8、活塞；9、销钉；10、上层透水石；11、传压杆；12、止水槽；13、下层透水石；14、进水口；15、平滑轨；16、蓄水槽；17、透水凹槽；18、定位滑轨；19、排水孔；20、进水口止水帽；
21、供水管螺帽；22、供水管；23、升降支架；24、溢流水箱；25、供水箱；26、阀门；27、止水带；28、排水管螺帽；29、排水管；30、集水箱；31、载物台；32、转轮；33、钢珠；34、滑轨；35、量力环；36、量表；37、竖向加压装置；38、出水口止水帽；39、加压杆；40、剪切盒。
具体实施方式
34.为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图，对本实用新型做进一步详细的描述。
35.如图1所示，本实施例的一种土体渗流剪切试验装置包括底座1、剪切盒40、以及活塞8，所述剪切盒40设置在所述底座1上端面，所述活塞8设置在所述剪切盒40内，所述活塞8上设有四个排水孔19，所述活塞8在剪切盒40内沿竖直方向活动，且所述活塞8的外径与所述剪切盒40的内径一致。具体地，所述剪切盒40内设置半径为31mm的圆柱形腔体。
36.如图1所示，所述剪切盒40分为上部的上剪切盒7和下部的下剪切盒2，所述上剪切盒7与下剪切盒2的内径一致且相互连通，具体地，所述上剪切盒7和下剪切盒2的连接端开设有止水槽12。具体地，上剪切盒7与下剪切盒2的接缝处设有10mm宽、2mm深止的水槽12。如图1和图7所示，所述止水槽12内设有止水带27。所述上剪切盒7与下剪切盒2通过竖向设置在上剪切盒7上端面且向下剪切盒2延伸的销钉9连接。
37.如图1和图2所示，所述下剪切盒2的底部设有蓄水槽16和透水凹槽17，所述蓄水槽16与下剪切盒2的内腔连通，所述蓄水槽16的底部与底座1的进水口14连通。
38.如图1、图3和图6所示，所述底座1在背离所述进水口14的一侧设有传压板3，所述传压板3通过压紧螺钉4与底座1连接。
39.如图1、图4和图5所示，所述上剪切盒7在背离传压板3的一侧设有传压杆11，所述上剪切盒7在背离进水口14的一端设有出水口6，所述进水口14和出水口6上均设有止水帽。
40.如图1和图7所示，本实施例还提供了一种土体渗透测量系统，该土体渗透测量系统包括集水装置和供水系统，所述集水装置和供水系统之间设有如上所述的土体渗流剪切试验装置，所述土体渗流剪切试验装置的出水口6与集水装置连通，所述土体渗流剪切试验装置的进水口14与供水系统连通。所述供水系统包括设置在升降支架23上的供水箱25，所述升降支架23升降范围达200mm。所述供水箱25的下端开设有阀门26，所述阀门26通过供水管22将供水箱25与进水口14连通，所述供水箱25的上部设有溢流孔，所述溢流孔连通溢流水箱24，所述溢流水箱24用于收集供水箱25多余水流。所述集水装置为集水箱30。
41.如图1和图8所示，本实施例还提供了一种土体剪切测量系统，所述土体剪切测量系统包括滑轨34，所述滑轨34上安装有若干钢珠33。所述滑轨34与设置在土体渗流剪切试验装置底部的平滑轨15和定位滑轨18配合，所述平滑轨15和定位滑轨18在所述土体渗流剪切试验装置底部相对设置。
42.所述滑轨34的一端设有水平加压装置，所述滑轨34的另一端设有量力环35，所述滑轨34的上方为竖向加压装置37，所述滑轨34上设有如上所述的土体渗流剪切试验装置，所述水平加压装置与所述土体渗流剪切试验装置的传压板3相配合，所述量力环35与所述土体渗流剪切试验装置的传压杆11相配合，所述竖向加压装置37与所述土体渗流剪切试验装置的活塞8相配合。所述水平加压装置包括加压杆39，所述加压杆39由转轮32驱动作水平轴向运动。所述量力环35内设有量表36。
43.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本实用新型实施例中的附图对水力梯度作用下土体渗透系数和抗剪强度测试方法进行清楚、完整地描述，具体测试方法如下所示。
44.步骤一、制样：称取相应质量的土体，按照含水率20%、初始密度1.90g/cm3的要求，制成均匀的四个环刀试样放入保湿缸备用，并控制误差在1.0%以内。
45.步骤二、试验准备：将土体渗流剪切试验装置放置于渗透试验载物台31上，将上剪切盒7与下剪切盒2对齐并用销钉9固定，摘下进水口止水帽20，用供水管22将进水口14与供水箱25相连并拧紧供水管螺帽21，再放入下层透水石13至土体渗流剪切试验装置中并在透水石上表面垫上滤纸，随后打开阀门26，待水流将土体渗流剪切试验装置底部蓄水槽16中空气排出，直至下层透水石13表面滤纸湿润说明空气完全排尽，立刻关闭阀门26，取出一个已制好的环刀试样5，将试样5从环刀中缓慢推入土体渗流剪切试验装置中，再取下出水口止水帽38，装上排水管29并拧紧排水管螺帽28，使排水管29管口对准集水箱30，随后在止水槽12中装上止水带27进行剪切面密封，最后待恒定水箱25蓄满再通过控制升降支架23高度设置目标水力梯度，设为i0。
46.步骤三、渗透试验：打开阀门26，待水流从出水口6流出开始计时，每间隔时间t0记录一次渗流收集水箱30中的渗流量，待连续三次时间段t0内渗流量偏差在2.0%以内则视为土样在水力梯度i0作用下渗流达到稳定状态，取三次渗流量平均值q0，随后关闭恒定水箱阀门26，松开供水管螺帽21断开供水管22，同时松开排水管螺帽28取下排水管29，装上出水口止水帽38，渗透试验结束。可求得该水力梯度作用下土体的渗透系数k=q0/ai0t0。式中，a为标准环刀试样截面积。
47.步骤四、调零：把土体渗流剪切试验装置转移至滑轨34上，将上层透水石10盖放试样5上层，随后盖上活塞8，通过转动转轮32使水平加压杆39和传压板3接触，直至量表36指针发生跳动立即停止转轮32转动，将量表36归零，拔出销钉9，取下橡胶止水带27，即调零完成。
48.步骤五、剪切试验：通过竖向加压装置37施加100kpa竖向荷载，按规定转速转动转轮32进行剪切，剪切过程中转轮32每转动一圈记录量力环35中量表36读数，当剪切位移在4mm内量表36读数出现峰值，应继续剪切至剪切位移为4mm结束，并记下破坏值。若4mm内量表36读数无峰值出现，则继续剪切至剪切位移到达6mm，取剪切位移等于4mm时对应的剪应力为抗剪强度。
49.步骤六、依次施加竖向荷载200kpa、300kpa、400kpa，每改变一次竖向荷载重复步骤一至五，绘制摩尔库伦线，即可获取土体在水力梯度i0作用下的抗剪强度指标。
50.可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。

技术特征：
1.一种土体渗流剪切试验装置，其特征在于，包括底座（1）、剪切盒（40）、以及活塞（8），所述剪切盒（40）设置在所述底座（1）上端面，所述活塞（8）设置在所述剪切盒（40）内，所述活塞（8）上设有排水孔（19），所述活塞（8）在剪切盒（40）内沿竖直方向活动，且所述活塞（8）的外径与所述剪切盒（40）的内径一致；所述剪切盒（40）分为上部的上剪切盒（7）和下部的下剪切盒（2），所述上剪切盒（7）与下剪切盒（2）的内径一致且相互连通，所述下剪切盒（2）的底部设有蓄水槽（16），所述蓄水槽（16）与下剪切盒（2）的内腔连通，所述蓄水槽（16）的底部与底座（1）的进水口（14）连通；所述底座（1）在背离所述进水口（14）的一侧设有传压板（3）；所述上剪切盒（7）在背离传压板（3）的一侧设有传压杆（11），所述上剪切盒（7）在背离进水口（14）的一端设有出水口（6）。2.根据权利要求1所述的土体渗流剪切试验装置，其特征在于，所述进水口（14）和出水口（6）上均设有止水帽。3.根据权利要求1所述的土体渗流剪切试验装置，其特征在于，所述传压板（3）通过压紧螺钉（4）与底座（1）连接。4.根据权利要求1所述的土体渗流剪切试验装置，其特征在于，所述上剪切盒（7）和下剪切盒（2）的连接端开设有止水槽（12），所述止水槽（12）内设有止水带（27）。5.根据权利要求1所述的土体渗流剪切试验装置，其特征在于，所述上剪切盒（7）与下剪切盒（2）通过竖向设置在上剪切盒（7）上端面且向下剪切盒（2）延伸的销钉（9）连接。6.一种土体渗透测量系统，其特征在于，包括集水装置和供水系统，所述集水装置和供水系统之间设有如权利要求1至5任意一项所述的土体渗流剪切试验装置，所述进水口（14）与供水系统连通，所述出水口（6）与集水装置连通。7.根据权利要求6所述的土体渗透测量系统，其特征在于，所述供水系统包括设置在升降支架（23）上的供水箱（25），所述供水箱（25）的下端开设有阀门（26），所述阀门（26）通过供水管（22）将供水箱（25）与进水口（14）连通，所述供水箱（25）的上部设有溢流孔，所述溢流孔连通溢流水箱（24），所述集水装置为集水箱（30）。8.一种土体剪切测量系统，其特征在于，包括滑轨（34），所述滑轨（34）的一端设有水平加压装置，所述滑轨（34）的另一端设有量力环（35），所述滑轨（34）的上方为竖向加压装置（37），所述滑轨（34）上设有如权利要求1至5任意一项所述的土体渗流剪切试验装置，所述水平加压装置与传压板（3）相配合，所述量力环（35）与传压杆（11）相配合，所述竖向加压装置（37）与活塞（8）相配合。9.根据权利要求8所述的土体剪切测量系统，其特征在于，所述水平加压装置包括加压杆（39），所述加压杆（39）由转轮（32）驱动作水平轴向运动。10.根据权利要求8所述的土体剪切测量系统，其特征在于，所述量力环（35）内设有量表（36）。

技术总结
本实用新型公开了一种土体渗流剪切试验装置及具有其的测量系统，所述土体渗流剪切试验装置包括底座、剪切盒、以及活塞，所述剪切盒设置在所述底座上端面，所述活塞设置在所述剪切盒内，所述活塞上设有排水孔，所述活塞在剪切盒内沿竖直方向活动，且所述活塞的外径与所述剪切盒的内径一致；所述剪切盒的底部设有蓄水槽，所述蓄水槽的上部与所述剪切盒的内腔连通，所述蓄水槽的底部与底座的进水口连通；所述底座在背离所述进水口的一侧设有传压板；所述剪切盒在背离传压板的一侧设有传压杆，所述剪切盒在背离进水口的一端设有出水口。本实用新型使用便捷，可以获取不同水力梯度作用下土体渗透系数、抗渗强度以及抗剪强度，测量精度高。高。高。


技术研发人员：黄湘宜 蒋中明 杨江寅 廖峻慧 张新敏
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2022.11.28
技术公布日：2023/7/19