[发明专利]一种浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置及方法

权利要求书

1.一种浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置，其特征是，包括依次连接的压力系统、供水系统、自动化围压系统以及砂水分离测量系统；其中，所述压力系统用于放置土样，形成复杂应力路径的力学特性测试环境；所述供水系统用于在浸水及潜蚀试验时提供水源，形成浸水作用和潜蚀作用环境；自动化围压系统用于提供不同应力路径下的围压，并测试土样的体积变化；砂水分离测量系统用于在潜蚀试验过程中搜集流失的颗粒并进行称重；所述压力系统包括透明压力室、底座、漏斗基座、多孔土样底盘、土样、轴压加载杆、压力传感器、位移传感器、带卡栓土样帽、排气孔、真空泵、循环管路、出流管路、循环控制阀以及潜蚀出流阀；其中，所述透明压力室设置于所述底座上，透明压力室外壁为透明有机玻璃；所述漏斗基座设置于透明压力室底部，所述多孔土样底盘设置于漏斗基座上，所述土样放置于所述多孔土样底盘上，土样外部应包裹橡皮膜；所述轴压加载杆设于所述透明压力室上方，所述轴压加载杆上方设置有压力传感器与位移传感器；所述带卡栓土样帽设置于土样与所述轴压加载杆之间；所述排气孔设置于透明压力室顶部，所述真空泵连接至排气孔口；漏斗基座下方出口端连接有所述循环管路与所述出流管路，其中所述循环管路设有循环控制阀，所述循环管路与供水系统相连接；所述出流管路设置有潜蚀出流阀，通过潜蚀出流阀与砂水分离测量系统相连接；

所述供水系统包括压力控制器、供水筒、空气压缩机、通气孔、水质取样孔、供水管路、供水阀、压力表以及蠕动泵；其中所述压力控制器通过管路连接至所述供水筒上方；所述空气压缩机通过管路连接至压力控制器；所述通气孔设置于供水筒顶部，所述水质取样孔设置于供水筒底部；所述供水筒的供水管路通过所述供水阀连接至透明压力室，供水管路的出口端连接至带卡栓土样帽顶端，所述压力表设置供水管路上；所述透明压力室的循环管路通过所述蠕动泵连接至供水筒；

土样在透明压力室内进行浸水处理时，采用蠕动泵使水在土样与供水筒之间以微小流速循环，使水中离子浓度保持在较低水平；土样在透明压力室内进行潜蚀处理时，通过供水系统中压力控制器控制土样中渗流梯度；通过控制循环控制阀与侵蚀出流阀切换浸水试验与潜蚀试验，并通过轴压加载杆对土样加载轴压，实现复杂应力的加载，直至完成土样完全破坏全过程。

2.根据权利要求1所述的浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置，其特征是，所述砂水分离测量系统包括砂水分离筒、储水筒、电子天平以及电子浊度计；所述砂水分离筒与透明压力室相连接，所述储水筒与砂水分离筒相连接，所述砂水分离筒与储水桶底部设置有电子天平；所述电子浊度计设置于砂水分离筒内。

3.根据权利要求1所述的浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置，其特征是，所述自动化围压系统通过管路连接至透明压力室顶部，由围压自动化控制模块、体积应变监测模块和外接的空气压缩机组成；其中，围压自动化控制模块以单片机实现各种应力路径下围压的自动控制；体积应变监测模块采用液面法监测压力室内液体体积变化，进而实现土体的体积应变监测；空气压缩机用于为施加围压提供动力。

4.根据权利要求1所述的浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性影响的试验装置对应的试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，将土样分为若干组，每组土样包括若干个原状土样，将原状土样放置在透明压力室内，并对土样进行抽气饱和，装样完毕后，对每组土样先采用自动化围压系统施加一定的围压，用于模拟自然界中土的应力环境，原状土样的现场取样过程中应尽量减少扰动，在试验前辅以剪切波速测试，使各土样的性质尽可能接近；

步骤二，对每组土样，先进行不同浸水时间的处理，具体的试验方法为，关闭侵蚀出流阀，打开循环控制阀，采用蠕动泵使水在土样与供水筒之间以微小流速循环，使水中离子浓度始终均匀保持在较低水平，由于流速微小，土样中不会发生细颗粒流失，因此可视为仅浸水作用对土样力学特性的影响；在浸水处理过程中，通过供水筒下方水质取样孔进行水质取样，定量分析浸水处理过程中土体胶结物的溶解过程，浸水处理时间可以取0，即不进行浸水处理；

步骤三，对每组土样，再进行不同潜蚀时间的处理；具体的试验方法为，通过供水系统中压力控制器控制土样中渗流梯度，关闭循环控制阀，打开侵蚀出流阀，潜蚀处理中渗流出水及潜蚀带出的细颗粒经多孔试样底盘排出；潜蚀处理时间可以取0，即不进行潜蚀处理；

步骤四，在潜蚀处理过程中，侵蚀流出带有细颗粒的渗流出水进入砂水分离测量系统；采用电子天平对细颗粒进行实时称量，并采用电子浊度计监测渗流出水的浊度；读取储水桶水量体积变化，并记录潜蚀处理时间，计算渗流流量；

步骤五，浸水及潜蚀模拟完成后，通过轴压加载杆进行加载，测试不同应力路径下土样的力学响应，直至完成土样完全破坏全过程；

步骤六，对比分析不同浸水处理时间和不同潜蚀处理时间下土的力学特性，研究单纯浸水作用、单纯潜蚀作用及浸水-潜蚀耦合作用对土体力学特性的影响。