CN102252952A

CN102252952A - 一种测定土层原位渗透系数的装置

Info

Publication number: CN102252952A
Application number: CN 201110202597
Authority: CN
Inventors: 童立元; 刘松玉; 李仁民; 王强
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明公开了一种测定土层原位渗透系数的装置，该装置包括位于装置下端的多功能探头（1）、位于地面的小型水泵（4）及压水控制器（5）、数据采集器（6）；其中所述多功能探头（1）分别与数据采集器（6）和压水控制器（5）相连；水泵（4）与压水控制器（5）相连；数据采集器（6）与压水控制器（5）相连；小型水泵（4）为孔下压水试验供水，压水控制器（5）控制水的流速及水压，数据采集器（6）对孔隙水压力、压水试验水压力及流速、消散试验进行实时数据采集与存储。本发明适应性强，能满足大规模不同深度剖面测试的要求，既方便快捷，又不受土类别的限制，使测试结果可靠准确。

Description

一种测定土层原位渗透系数的装置

技术领域

本发明涉及土木建筑、交通工程、环境工程领域，尤其涉及一种测定土层原位渗透系数的装置。

背景技术

在上海、南京等沿江沿海发达地区，近年来，高层建筑的建造、大型市政设施的施工、及地铁隧道等大量地下空间的开发促使基坑工程快速发展，基坑工程向 “大、深、紧、近”的方向发展。然而，在基坑深开挖过程中由于地下水控制不当而导致的工程事故屡屡出现，如流砂、管涌、地层沉降过大等, 对周边建筑物、地铁隧道、大型地下管线等造成的损伤或破坏性影响，不仅会引起重大的经济损失，更将造成严重的社会及政治影响，且其损失是不可挽回的,因此基坑工程降水设计与施工成为施工安全的重要环节，而如何准确确定地层渗透系数是合理进行降水设计的关键，也一直是工程设计中的难题之一。

人们对土层渗透系数的试验方法已进行了大量研究，开发了多种试验设备。通常情况下，土层渗透系数是通过现场取样运输到室内进行渗透试验（常水头或变水头）确定，然而由于取样、运输及试验过程中的扰动，试验结果可靠性较低，特别是无粘性土由于取样困难，试验结果更是与实际相差较大。鉴于室内试验的缺陷，过去也开发了孔压静力触探、旁压等原位试验的方法，然而这些试验方法主要适用于粘性土，对于砂土等无粘性土不适用。为提高渗透系数确定的可靠性，对于重要工程还经常进行现场的抽水试验或压水试验，虽然可靠性较高，然而这类试验缺陷也很明显，一是试验技术要求高，比如分段抽水时止水技术要求高，经验不够的单位往往试验失败；二是费时费力，需要大量经费，难以大面积开展试验；三是试验往往按土层分段进行，难以考虑到薄层的影响。鉴于上述原因，迫切需要研发一种能够对土层原位渗透系数进行快速、有效地进行测试的新手段，以提高基坑工程设计的水平，减小工程事故的发生概率。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种测定土层原位渗透系数的装置，能有效解决基坑工程降水设计时土层渗透系数难以准确确定的难题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出一种测定土层原位渗透系数的装置，该装置包括位于装置下端的多功能探头、位于地面的小型水泵及压水控制器、数据采集器；

其中所述多功能探头分别与数据采集器和压水控制器相连；水泵与压水控制器相连；数据采集器与压水控制器相连；

小型水泵为孔下压水试验供水，压水控制器控制水的流速及水压，数据采集器对孔隙水压力、压水试验水压力及流速、消散试验进行实时数据采集与存储。

优选的，所述多功能探头通过第一数据电缆和第二数据电缆与数据采集器相连；多功能探头通过水管与压水控制器相连。

优选的，所述的多功能探头包括：孔隙水压力测量模块，设置在孔隙水压力测量模块上方且与孔隙水压力测量模块连接的压水试验模块，压水试验模块通过连接器与贯入设备的空心钻杆相连接。

优选的，孔隙水压力测量模块包括：位于探头最下端的锥尖，位于锥尖上方与锥尖相连的透水孔压元件，穿过透水孔压元件与透水孔压元件相连的空心钢立柱，位于空心钢立柱上方且与空心钢立柱相连的孔压测试传感器，位于孔压测试传感器上方且与孔压传感器相连的电缆线，电缆线穿过空心的连接头，连接头与上端的压水试验模块相连，位于透水孔压元件上方的探头刚套筒及安装在刚套筒后端的密封圈。

优选的，压水试验模块包括：空心塑料圆柱体套筒，空心塑料圆柱体套筒中部一侧设有可拆卸的注水窗口；所述压水试验模块还包括与注水窗口相连的注水管；与注水管连接的水压计；与水压计及地表数据采集器相连的数据电缆；位于空心塑料圆柱体套筒内且与孔隙水压力测量模块相连的数据电缆；分别位于空心塑料圆柱体套筒上端部和下端部的连接头。

优选的，注水管为聚氨酯纤维增强软管。

有益效果：本发明对土层可实现原位渗透系数的测试，不仅具有孔压、水压、流速的综合功能，可靠性高，而且不受土类型的限制，特别是可对工程勘察单位普遍拥有的常规静探机进行适当改进即可进行现场试验，适应性强，能满足大规模不同深度剖面测试的要求，不需要事先埋入，操作方便快捷，特别适合于地铁、高速公路、机场等大规模工程场地土层渗透性能的试验研究。。

附图说明

图1为土层原位渗透系数测定装置组成示意图；

图2为孔隙水压力测量模块结构示意图；

图3为孔下压水试验模块结构示意图；

图4为真空饱和系统。

其中，1-多功能探头；2-孔隙水压力测量模块； 3-压水试验模块；4-水泵；5-压水控制器；6-数据采集器；7-连接器；8-数据电缆；9-数据电缆；10-水管；11-锥尖；12-透水孔压元件；13-空心钢立柱；14-孔压测试传感器；15-电缆线；16-刚套筒；17-密封圈；18-连接头；19-空心塑料圆柱体套筒；20-注水窗口；21-注水管；22-水压计；23-数据电缆；24-数据电缆；25-连接头；26-多功能探头；27-真空室；28-抽气阀；29-压力表；30-压力表；31-真空泵；32-进液阀；33-储液室。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

以下将结合附图对发明的构想、具体结构及测试方法、产生的技术效果做进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明提供的测定土层原位渗透系数的装置，所述的试验装置包括了孔隙水压力测量模块2、孔下压水试验模块3，可以同时实现对孔隙水压力、孔下压水试验水压力及流速、孔压（或水压）消散试验，所述的2个模块对土层渗透系数判断的原理不同，利用孔压测试及其消散试验可以对粘性土层渗透性进行很好的判别，利用孔下压水试验可以对无粘性土层渗透性进行很好判别，二者的有机结合，可实现对各种类型地层渗透性的综合判定。

所述的多功能探头1，可直接用在目前工程勘察单位现有的各种静力触探机上, 只要根据多功能探头1尺寸规格加工新的夹具和中空钻杆，用所发明多功能探头1替代现有探头接在中空钻杆上即可，采用液压将多功能探头1匀速压入土层之中，压入过程中，开启地面小型水泵4及压水控制器5，保持匀速压水，同步记录孔隙水压力、压水的压力、流速变化情况，在探头贯入过程中，根据需要可停止贯入，进行孔压消散试验和水压消散试验。

所述的孔隙水压力测量模块2，其主要技术特点在于当多功能探头1在粘性土层中贯入时，将产生超孔隙水压力，结合孔压消散试验，可对粘性土位置及其渗透性能进行判断；多功能探头1在砂土等无粘性土中贯入时，所测孔压接近于静水压力，虽然不能进行孔压消散试验进而计算渗透系数，但是仍然可以对无粘性土层的剖面深度进行判断；尤其是，当地层受沉积环境影响，在正常地层中含有较多薄层时，如低渗透性粘性土层中含有高透水性无粘性土层夹层，或高透水性性土层中含有低透水性粘性土夹层时，根据孔压的变化可以对薄层的位置、层厚进行精确的确定，进而为计算提供更为可靠的三维地层模型。

所述的孔下压水试验模块3，独立于孔隙水压力测量模块2后面，并为孔隙水压力测量模块2提供了数据线通道，其主要技术特点在于通过注水管21、地面小型水泵4及压水控制器5将水注入地层之中，根据注水压力及流速变化情况，对土层的渗透性能进行判断，在粘性土层中具有高水压、低流速的特点，而在无粘性土层中具有低水压、高流速的特点。鉴于粘性土层中注水相对困难，水压消散缓慢的情况，特别适于无粘性土渗透性能的测试，解决了无粘性土层原位渗透性能测试的难题。

所述的地面压水试验辅助装置，包括了小型水泵4和压水控制器5，其主要技术特点在于通过压水控制器5将水泵4与注水管21连接，通过压水控制器5可将流速控制在一定范围（一般200-300ml/min），并实时监测流速，当水压消散试验开始时，可关闭阀门进行断水控制。

如图1-图4所示，本发明包括：一种多功能探头1，集成了孔隙水气压力测试模块2、孔下压水试验模块3；附加的地面小型水泵4和压水控制器5、数据采集器6。整个测试系统中的各个装置进行了模块化设计，便于根据测试需要进行组合使用。

图2所示多功能探头1中孔隙水压力模块2包括锥尖11，透水孔压元件12，空心钢立柱13，孔压测试传感器14，电缆线15，钢套筒16，Ο型密封圈17。当探头贯入土层之中时，在不同渗透性能的土层之中，将有不同的孔隙水压力反映，结合孔压消散试验，实现对土层渗透性的判别。

图3所示多功能探头1中压水试验模块3包括注水窗口20、注水管21、水压计22及数据电缆23。根据探头贯入过程中，水压变化及流速变化，并结合水压消散试验，对土层渗透性进行判断。

具体的土层原位渗透性能试验实施方式如下：

1、对工程建设场地进行试验前的调查工作，根据前期钻孔等勘察资料、场地历史应用情况等，初判场地不同深度土层渗透性能，制定试验方案，特别是要确定进行消散试验的深度。

2、试验前设备调试工作，具体包括：孔隙水压力测量模块2的饱和及压力反映试验，可采用工程中常用的真空饱和系统（图4）进行该项工作；压水试验模块3的测试可同样采用图4的饱和系统（不需要抽真空），根据水压传感器对实际水压的反映，判断工作状态是否正常；试验数据需要保存以进行后续测试数据的修正。

3、将多功能探头1连接在静探机空心钻杆上，各种测试电缆和水管通过钻杆引出，采用液压将探头按2cm/s匀速贯入，贯入时，流量控制在200-300ml/min，每贯入1m，进行接杆，在贯入过程中，沿土层深度剖面连续记录孔隙水压力及水压数据、地面同时记录流速数据。

4、根据（1）中计划的消散试验深度，贯入过程中实测孔压及水压、流速变化情况，确定实际需进行消散试验的深度，停止贯入进行孔压消散试验或注水压力消散试验，注水压力消散试验时需关闭地表压水控制器的注水阀门，停止进水。

5、试验结束时，将探头逐步拔出地面，在此过程中，一直保持注水状态。探头取出后同样进行要试验设备的性能测试，按（2）同样的方法进行孔隙水压力测量模块2及压水试验模块3的测试，并记录试验数据。

6、试验数据的整理与分析。首先绘制孔压-深度曲线、注水压力-深度曲线、流速-深度曲线、静水压力曲线。根据各曲线沿剖面深度变化情况，综合判断各土层的渗透性能，所根据的基本理论如下：

（1）一般情况下，在正常砂土层中，孔隙水压力等于静水压力，注水压力较小，而流速较大；粘性土层中将产生超孔隙水压力，当土层中粘粒含量越大，超孔隙水压力越大，对应的注水压力较大，而流速较小。当停止贯入进行孔压消散时，粘性土层中超孔压消散到50%的水平往往需要几十分钟以上，甚至需要几个小时；砂土层中因不存在超孔压，无法进行孔压消散试验。当取得粘性土中孔压消散试验数据后，按下述方法计算粘性土层的渗透系数：

式中，k _h-水平渗透系数；C _h-水平固结系数；γ _w-重度；D^/-侧限模量。

式中，r为孔压探头半径（取17.85 mm）；T₅₀ ^*为消散水平为50%的时间因数；t₅₀为消散水平50%的消散时间；I_r为刚度指数（＝G/S_u），G为土的剪切模量，S_u为不排水抗剪强度。

（2）注水压力消散试验一般在无粘性土层中进行，进行试验时，首先关闭地面压水控制器进水阀门，在水压消散并稳定到该深度静水压力数值后停止试验，然后开启进水阀门。按下述方法计算无粘性土层渗透系数：

根据达西定律，土层渗透系数k、流量Q、水压P_inj三者之间呈一定比例，即

k=f(Q/P_inj) (3)

式中，注水压力P_inj按下式计算：

P_inj=P_total-(P_hydro+P_atm) （4）

其中，P_total-探头贯入时水压传感器测试压力；P_hydro-特定深度静水压力；P_atm-试验前后压水试验模块性能试验确定的大气压力影响值。

试验表明，（3）式一般具有下述函数型式：

（5）

对于特定的区域性土层，可根据适量的抽水（或压水）试验确定各土层渗透系数的参考值，确定公式（5）中的待定系数a和b, 并应于该地区今后类似的工程。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种测定土层原位渗透系数的装置，其特征在于：该装置包括多功能探头（1）、水泵（4）及压水控制器（5）、数据采集器（6）；

其中所述多功能探头（1）分别与数据采集器（6）和压水控制器（5）相连；水泵（4）与压水控制器（5）相连；数据采集器（6）与压水控制器（5）相连；

水泵（4）为孔下压水试验供水，压水控制器（5）控制水的流速及水压，数据采集器（6）对孔隙水压力、压水试验水压力及流速、消散试验进行实时数据采集与存储。

2.根据权利要求1所述的测定土层原位渗透系数的装置，其特征在于：所述多功能探头（1）通过第一数据电缆（8）和第二数据电缆（9）与数据采集器（6）相连；多功能探头（1）通过水管（10）与压水控制器（5）相连。

3.根据权利要求1所述的测定土层原位渗透系数的装置，其特征在于：所述的多功能探头（1）包括：孔隙水压力测量模块(2)，设置在孔隙水压力测量模块(2)上方且与孔隙水压力测量模块(2)连接的压水试验模块(3)，压水试验模块(3)通过连接器（7）与贯入设备的空心钻杆相连接。

4.根据权利要求1所述的测定土层原位渗透系数的装置，其特征在于，孔隙水压力测量模块（2）包括：位于探头最下端的锥尖（11），位于锥尖（11）上方与锥尖（11）相连的透水孔压元件（12），穿过透水孔压元件（12）与透水孔压元件（12）相连的空心钢立柱（13），位于空心钢立柱（13）上方且与空心钢立柱相连的孔压测试传感器（14），位于孔压测试传感器（14）上方且与孔压传感器(14)相连的电缆线（15），电缆线（15）穿过空心的连接头（18），连接头（18）与上端的压水试验模块（3）相连，位于透水孔压元件（12）上方的探头刚套筒（16）及安装在刚套筒（16）后端的密封圈（17）。

5.根据权利要求1所述的测定土层原位渗透系数的装置，其特征在于，压水试验模块（3）包括：空心塑料圆柱体套筒（19），空心塑料圆柱体套筒（19）中部一侧设有可拆卸的注水窗口（20）；所述压水试验模块（3）还包括与注水窗口（20）相连的注水管（21）；与注水管（21）连接的水压计（22）；与水压计（22）及地表数据采集器（6）相连的数据电缆（23）；位于空心塑料圆柱体套筒内且与孔隙水压力测量模块（2）相连的数据电缆（24）；分别位于空心塑料圆柱体套筒（19）上端部和下端部的连接头（25）。

6.根据权利要求1所述的测定土层原位渗透系数的装置，其特征在于，注水管（21）为聚氨酯纤维增强软管。