CN102866095B - 多功能渗透变形试验仪及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种多功能渗透变形试验仪，包括：机架，垂直加载与侧向加载控制系统置于有机玻璃特制的组合式渗流容器的上盖上，有机玻璃特制的组合式渗流容器和垂直加载与侧向加载控制系统组件固定在机架上，水头、流量及温度测量系统设置在机架侧边，带溢流管的水头升降装置的出水管和有机玻璃特制的组合式渗流容器的底座上的进水阀相连。其优点是：满足《土工试验仪器通用参数标准》要求，通过研制组合式试验容器筒体，实现测试工况的多功能性、操作的方便性与实用性。将盖重加载与侧压加载融于一体，既能测定无压下的渗流特性参数，又能模拟地下任一点的应力状态下的渗流特性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土及尾矿测量装置技术领域，具体的说是一种测定最粒径不大于5毫米土或尾矿在不同边界条件下的渗透系数及渗透变形参数试验仪。
背景技术
当前国内还没有通过技术鉴定的制式渗透变形试验仪。仅《土工试验规程》(SL237-1999)中给出了粗颗粒土的渗透及渗透变形试验方法与试验装置，各相关科研机构各自制作满足自己特定需求的试验测试模型。这些装置用来测定用细砂与尾矿土的渗透变形参数均存在明显的不足。如体型太大、操作繁琐、可控性差、功能单一不能模拟原位应力边界条等。
发明内容
本发明的目的是设计一种操作方便，可控性好，多功能的能直接测定细砂与尾矿土在一维和二维应力边界条件下的渗透系数与渗透变形参数试验仪。
本发明多功能渗透变形试验仪，包括：机架，垂直加载控制系统置于有机玻璃特制的组合式渗流容器的上盖上，侧向加载控制系统置机架内，有机玻璃特制的组合式渗流容器和垂直加载与侧向加载控制系统组件固定在机架上，流量及温度测量系统设置在机架侧边。
本发明多功能渗透变形试验仪，包括：机架，垂直加载控制系统置于有机玻璃特制的组合式渗流容器的上盖上，侧向加载控制系统置机架内，有机玻璃特制的组合式渗流容器和垂直加载与侧向加载控制系统组件固定在机架上，流量及温度测量系统设置在机架侧边，带溢流管的水头升降装置的出水管和有机玻璃特制的组合式渗流容器的底座上的进水阀相连。
所述的带溢流管的水头升降装置1包括水箱23、水箱23下部的支板两端的孔套在导向钢绳24上，导向钢绳24上下两端和支架26相连，拉伸线索一头和水箱相连，另头绕过定滑轮和定位涡轮15相连，水箱通过管道和渗流容器底座11相连。
所述的组合式有机玻璃特制的渗流容器包括：导向管6、渗透固结管19或用于原状样柔性密封K0渗透固结管22、底座11依次密封相连，并用螺杆紧固形成一个整体，上盖5，下固定板14分别置于上下两端，穿过螺杆用螺帽紧固。
所述的上盖5上设置有垂直加载控制系统。
所述的垂直加载控制系统包括：上盖5中心安有活塞套4，活塞套4上端是垂直加载装置3，通过两根螺杆固定在上盖5上，上盖5侧面布有出水的二通阀门，活塞套4的活塞杆上装有垂直位移传感器夹具，导向管6侧面布有二通阀门。
所述的渗透固结管19上按一定间距布有三个高精度度差压传感器8、9、10，通过三通接头、阀门及导水管与渗透固结管19或K0渗透固结管22和测压管2相连，差压传感器8、9、10信号线通过采集盒与微机相连。
所述的侧向加载控制系统是一台全自动精密液压控制器，
在加载的同时能记录体变，安装在机架内，通过高压尼龙管与K0渗透固结管22压力腔相连。
所述的用于K0渗透固结管22内壁呈向外凹的弧形，内壁套有带咀筒状乳胶，膜咀上套有尼龙管用O形圈与K0渗透固结管22密封连接，与膜咀呈90度角布有二个二通阀门，一个与液压控制器相连，一个与K0渗透固结管22压力腔容积调节管相连，其它组件与渗透固结管19一致。
所述的底座11包括直管和整体漏斗，整体漏斗上端放置不锈钢下透水板，整体漏斗的进口设有环形滤气透水网12，直管和整体漏斗间通过O形圈密封，底座11布有两二通阀门，一个进水，一个排气。
所述的流量及温度测量系统包括：流量测量管21进水口与渗流容器出水口用管道相连并应水平，下端布有温度传感器和流量传感器16，传感器信号线通过采集盒与微机相连。
上盖5、下固定板14可分别单独拆装，下固定板14上布有排水排砂的二通阀门。
测压管2、用有机玻璃特制的组合式渗流容器和垂直加载与侧向加载控制系统组件固定在机架上，流量及温度测量系统设置在机架侧边，水头传感器安装在渗透固结管19和K0渗透固结管22，工作台上设有渗流容器垂直支座与水平支撑架13，四脚设有调平螺丝。
以上结构之间用高压尼管连接，所有传感器与8通道采集盒相连，采集盒和计算机之间通过通信电缆相连。
本发明多功能渗透变形试验仪测试步骤如下：
(1)、多功能渗透变形试验仪检校
①按试验要求组装好多功能渗透变形试验仪全部组件，升高水箱，打开底座上的进水阀，让渗流容器内充满水，排除管路中的全部气体后关闭除底座上的进水阀以外的全部阀门，将水头升高到最大水头，系统不漏水即可；
②关闭阀底座上的进水阀，利用测压管标定差压传感器，差压传感器10标定为绝对水头高度，单位厘米水柱高度，下游的差压传感器8、9分别标定为相邻两点的水头差，单位毫米水柱高度，流量传感器标定为毫升，温度标定为摄氏度，测定垂直加载装置3气压活塞的气压与出力之间的关系。
(2)、垂直渗流方式渗透及渗透变形指标的测定
①打开渗流容器上盖，调整水箱高度，让水面与渗流容器下透水板平齐，在下透水板上放上一块5mm厚透水石，垂向从下往上渗流，或用透水网，从上往下渗流，透水板与透水网孔径一致3mm，在渗透固结管内壁涂层真空硅脂，按预定的密度称取砂样，加入1％的水拌匀在渗透固结管内分层击实制成，试样与渗透固结管上端面平齐；
②不需施加垂直荷载时，依次放入用透水石制作的内径比试样直径小2-3mm的环状透水板，内径与试样直径一致的导向环，十字形加载板，需施加垂直荷载时，放入第一个导向环，在导向环内放一层渗透系数比试样大10倍以上的中粗砂抹平，再放入第二个导向环，在导向环内放入上渗水传压板。
③盖上上盖锁紧，不需施加垂直荷载时，通过调压阀给十字形加载板施加100-200kpa压力后，封闭气缸，关闭气源，其目的防止试样沿渗透固结管滑动。需施加垂直荷载时，安装位移传感器，直接通过调压阀给试样施加设定的垂直荷载，记录垂直位移；
④关闭渗流容器三个测压咀处三通阀门，关闭底座上进水阀，将抽气机接在导向管二通阀上进行抽气，当渗流容器内接近负一个大气压时，将供水瓶与上盖溢水阀相连，对试样进行滴水饱和，当水面到达上透水传压板时停止抽气，卸除抽气管与供水管，保持上盖阀门接通大气，升高供水箱水位与上盖阀门平齐，打开进水阀，调节渗流容器三个测压咀处三通阀门排除测压管路中气体并与渗流容器相通，直到三根测压管水头与上盖阀门中心平齐；
⑤当垂直由下向上渗流时，将上盖阀门与流量管相连，加第一级水头1cm，然后按0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0…等坡降递增，在接近临界坡降时，渗透坡降递增值适当减小，自动采集记录程序设置成每20分钟记录一次测压管水头差、流量及温度值，当采用垂直由上向下渗流时，需在试样装入前将透固结管19旋转180度组装，进出水口互换，并调整流量管进水口与渗流容器出水口高度一致，其它与由下向上渗流时相同；
⑥当电脑记录的每级水头施加1小时后，连续3到4次之间流量差相近即可加下一级水头，在电脑自动记录的同时，也可人工测记测压管读数，并透过玻璃筒观察试验现象，水的浑浊程度、冒气泡、细颗粒跳动、移动或被水带出现象，并加以描述记录；
⑦当水头不能再增加时，即可结束试验；
⑧当需要进行二维加载或采用原状土试样进行试验时，用K0渗透固结管22替代透固结管19，利用侧压腔对试样进行柔性密封或者二维加载，其它测试过程与垂直由下向上渗流方式或垂直由上向下渗流相同。
(3)、水平渗流方式渗透变形指标的测定
①打开渗流容器上盖，调整水箱高度，让水面与渗流容器下透水板平齐，在下透水板上放上一块5mm厚透水石，在渗透固结管内壁涂层真空硅脂，按预定的密度称取砂样，加入1％的水拌匀在渗透固结管内分层击实制成，试样与渗透固结管上端面平齐；
②不需施加水荷载时，依次放入内径与试样直径一致的导向环，在导向环内放一层渗透系数比试样大10倍以上的中粗砂抹平，外径与导向管6内径一致的上透水传压板，需施加垂直荷载时，放入第一个导向环，在导向环内放一层渗透系数比试样大10倍以上的中粗砂抹平，再放入第二个导向环，在导向环内放入外径与试样一致的上透水传压板；
③盖上上盖锁紧，不需施加水荷载时，通过调压阀给传压板施加100-200kpa压力后，封闭气缸，关闭气源，其目的防止试样水平放置时脱落，需施加水平荷载时，安装位移传感器，直接通过调压阀给试样施加设定的水平荷载，记录位移值；
④关闭渗流容器三个测压咀处三通阀门，关闭底座上进水阀，将抽气机接在导向管二通阀上进行抽气，当渗流容器内接近负一个大气压时，将供水瓶与上盖溢水阀相连，对试样进行滴水饱和，当水面到达传压板时停止抽气，卸除抽气管与供水管，保持上盖阀门接通大气，升高供水箱水位与上盖阀门中心平齐，打开进水阀，调节渗流容器三个测压咀处的三通阀门排除测压管路中气体并与渗流容器相通，直到三根测压管水头与上盖阀门中心平齐，关闭进水阀；
⑤将渗流容嚣水平放置在水平支架13上；
⑥将上盖阀门与流量管相连，加第一级水头1cm，然后按0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0…等坡降递增，在接近临界坡降时，渗透坡降递增值适当减小。记录程序设置每20分钟记录一次测压管水头差；流量及温度值；
⑦当电脑记录的每级水头施加1小时后，连续3到4次之间流量差相近即可加下一级水头，在电脑自动记录的同，也可人工测记测压管读数，并透过玻璃筒观察试验现象，水的浑浊程度、冒气泡、细颗粒跳动、移动或被水带出现象，并加以描述记录；
⑧当水头不能再增加时，即可结束试验；
⑨当采用原状土或需二维加载进行试验时，用K0渗透固结管22替代透固结管19，利用侧压腔对试样进行柔性密封或者二维加载，其它测试过程相同。
(4)、资料整理
按《土工试验规程》SL237-014-1999、SL237-056-1999规定进行计算整理资料。
本发明多功能渗透变形试验仪及其测试方法的优点是：满足《土工试验仪器通用参数标准》要求，通过研制组合式试验容器筒体，实现测试工况的多功能性、操作的方便性与实用性。将盖重加载与侧压加载融于一体，既能测定无压下的渗流特性参数，又能模拟地下任一点的应力状态下的渗流特性。其功能包括测定水平向、垂直向及有无盖重等不同工况下的渗透变形特性参数。本试验仪适用于最大直径小于20mm尾矿和天然土，试样尺寸直径为101mm，高度为100-200mm，流量测量系统分辨率为0.1ml、相对误差不大于1％，侧压水头测量系统分辨率为1mm水柱、相对误差不大于1％，荷载系统分辨率为1kpa、相对误差不大于1％。研制异型乳胶膜实现了原状试样的柔性密封技术。整合了加载与测量系统，并与常用的土工测试数据采集与处理系统无缝对接，实现了渗流试验全过程自动记录。
附图说明
图1为多功能渗透变形试验仪的结构示意图。
图2为K0渗透固结管的结构示意图。
图3为2号样渗透坡降与流速关系曲线。
具体实施方式
根椐图1所示：一种多功能渗透变形试验仪，包括：机架，垂直加载控制系统置于有机玻璃特制的组合式渗流容器的上盖上，侧向加载控制系统置机架内，有机玻璃特制的组合式渗流容器和垂直加载与侧向加载控制系统组件固定在机架上，流量及温度测量系统设置在机架侧边。
一种多功能渗透变形试验仪，包括：机架，垂直加载控制系统置于有机玻璃特制的组合式渗流容器的上盖上，侧向加载控制系统置机架内，有机玻璃特制的组合式渗流容器和垂直加载与侧向加载控制系统组件固定在机架上，水头传感器布置在组合式渗流容器的渗透固结管19或K0渗透固结管22上，流量及温度测量系统设置在机架侧边，带溢流管的水头升降装置的出水管和有机玻璃特制的组合式渗流容器的底座上的进水阀相连。
所述的带溢流管的水头升降装置1包括水箱23、水箱23下部的支板两端的孔套在导向钢绳24上，导向钢绳24上下两端和支架26相连，拉伸线索一头和水箱相连，另头绕过定滑轮和定位涡轮15相连，水箱通过管道和底座的进水阀相连。
所述的组合式有机玻璃特制的渗流容器包括：导向管6、渗透固结管19或用于原状样柔性密封的K0渗透固结管22、底座11依次密封相连，并用螺杆紧固形成一个整体，上盖5，下固定板14分别置于上下两端，穿过螺杆用螺帽紧固。
所述的上盖5上设置有垂直加载。
所述的垂直加载控制系统包括：上盖5中心安有活塞套4，活塞套4上端是垂直加载装置3，通过两根螺杆固定在上盖5上，上盖5侧面布有出水的二通阀门，活塞套4的活塞杆上装有垂直位移传感器夹具，导向管6侧面布有二通阀门。
所述的渗透固结管19上按一定间距布有三个高度差压传感器8、9、10，通过三通接头、阀门及导水管与渗透固结管19和测压管2相连，差压传感器8、9、10信号线通过采集盒与微机相连。
所述的侧向加载控制系统是一台全自动精密液压控制器，在加载的同时能记录体变，安装在机架内，通过高压尼龙管与K0渗透固结管22压力腔相连。
所述的用于K0渗透固结管22内壁呈向外凹的弧形，内壁套有带咀筒状乳胶，膜咀上套有铜管用O形圈与K0渗透固结管22密封连接，与膜咀呈90度角布有二个二通阀门，一个与精密液压控制器相连，一个与K0渗透固结管22压力腔容积调节管相连，其它组件与渗透固结管19一致。
所述的底座11包括直管和整体漏斗，整体漏斗上端放置不锈钢下透水板，整体漏斗的进口设有环形滤气透水网12，直管和整体漏斗间通过O形圈密封，底座11布有两个二通阀门，一个进水，一个排气。
所述的流量及温度测量系统包括：流量测量管21进水口与渗流容器出水口用管道相连并应水平，下端布有温度传感器和流量传感器16，传感器信号线通过采集盒与微机相连。
上盖5、下固定板14可分别单独拆装，下固定板14上布有排水排砂的二通阀门。
测压管2、用有机玻璃特制的组合式渗流容器和垂直加载与侧向加载控制系统组件固定在机架上，水头传感器安装在渗透固结管19和K0渗透固结管22上，流量及温度测量系统设置在机架侧边，工作台上设有渗流容器垂直支座与水平支撑架13，四脚设有调平螺丝。
以上结构之间用高压尼管连接，所有传感器与8通道采集盒相连，采集盒和计算机之间通过通信电缆相连。
本发明多功能渗透变形试验仪测试步骤如下：
(1)、多功能渗透变形试验仪检校
①按试验要求组装好多功能渗透变形试验仪全部组件，升高水箱23，打开底座上的进水阀，让渗流容器内充满水，排除管路中的全部气体后关闭除底座11上的进水阀以外的全部阀门，将水头升高到最大水头，系统不漏水即可；
②关阀底座11上的进水阀，利用测压管2标定差压传感器8、9、10，差压传感器10标定为绝对水头高度，单位厘米水柱高度，下游的差压传感器8、9分别标定为相邻两点的水头差，单位毫米水柱高度，流量传感器16标定为毫升，温度标定为摄氏度，测定垂直加载装置3的气压与活塞出力之间的关系。
(2)、垂直渗流方式渗透及渗透变形指标的测定
①打开渗流容器上盖5，调整水箱高度23，让水面与渗流容器下透水板平齐，在下透水板上放上一块5mm厚透水石，垂向从下往上渗流，或用透水网，从上往下渗流，透水板与透水网孔径一致3mm，在渗透固结管19内壁涂层真空硅脂，按预定的密度称取砂样，加入1％的水拌匀，在渗透固结管19内分层击实制成，试样与渗透固结管19上端面平齐；
②不需施加垂直荷载时，依次放入用透水石制作内径比试样直径小2-3mm的环状透水板，内径与试样直径一致的导向环，十字形加载板，需施加垂直荷载时，放入第一个导向环，在导向环内放一层中粗砂抹平，渗透系数比试样大10倍以上，再放入第二个导向环，在导向环内放入上外径与试样直径一致的透水传压板；
③盖上上盖5锁紧，不需施加垂直荷载时，通过调压阀给十字形加载板施加100-200kpa压力后，封闭气缸3，关闭气源，其目的防止试样沿渗透固结管19内壁滑动，需施加垂直荷载时，安装位移传感器，直接通过调压阀给试样施加设定的垂直荷载，记录垂直位移；
④关闭渗流容器三个测压咀处三通阀门，关闭底座11上进水阀，将抽气机接在导向管6的二通阀上进行抽气，当渗流容器内接近负一个大气压时，将供水瓶与上盖5溢水阀相连，对试样进行滴水饱和，当水面到达上传压板时停止抽气，卸除抽气管与供水管，保持上盖5的阀门接通大气。升高供水箱水位23与上盖5的阀门平齐，打开进水阀，调节透固结管19的三个测压咀处三通阀门排除测压管路中气体并与渗流容器相通，直到三根测压管2水头与上盖5阀门中心平齐；
⑤当垂直由下向上渗流时，将上盖阀5门与流量管21相连，加第一级水头1cm，然后按水头坡降为0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0…等坡降递增，在接近临界坡降时，渗透坡降递增值适当减小，记录程序设置为每20分钟记录一次测压管2水头差、流量及温度值，当采用垂直由上向下渗流时，需在试样装入前将透固结管19旋转180度组装，进出水口互换，并调整流量管21进水口与渗流容器出水口高度一致，其它与由下向上渗流时相同；
⑥当电脑记录的每级水头施加1小时后，连续3到4次之间流量差相近即可加下一级水头，在电脑自动记录的同，也可人工测记测压管2读数，并透过玻璃筒观察试验现象，如水的浑浊程度、冒气泡、细颗粒跳动、移动或被水带出等现象，并加以描述记录；
⑦当水头不能再增加时，即可结束试验；
⑧当需要进行二维加载或采用原状土试样进行试验时，用K0渗透固结管22替代透固结管19，利用侧压腔对试样进行柔性密封或者二维加载，其它测试过程与垂直由下向上渗流方式或垂直由上向下渗流相同。
(3)、水平渗流方式渗透变形指标的测定
①打开渗流容器上盖5，调整水箱23高度，让水面与渗流容器下透水板平齐，在下透水板上放上一块5mm厚透水石，在渗透固结管19内壁涂层真空硅脂，按预定的密度称取砂样，加入1％的水拌匀在渗透固结管19内分层击实制成，试样与渗透固结管19上端面平齐；
②不需施加水荷载时，依次放入内径与试样直径一致的导向环，在导向环内放一层渗透系数比试样大10倍以上的中粗砂抹平，外径与导向管6内径一致的上透水传压板，需施加垂直荷载时，放入第一个导向环，在导向环内放一层渗透系数比试样大10倍以上的中粗砂抹平，再放入第二个导向环，在导向环内放入外径与试样一致的上透水传压板；
③盖上上盖5锁紧，不需施加水平荷载时，通过调压阀给传压板施加100-200kpa压力后，封闭气缸3，关闭气源，其目的防止试样水平放置时脱落，需施加水平荷载时，安装位移传感器，直接通过调压阀给试样施加设定的水平荷载，记录位移值；
④关闭渗流容器三个测压咀处三通阀门，关闭底座11上进水阀，将抽气机接在导向管6二通阀上进行抽气，当渗流容器内接近负一个大气压时，将供水瓶与上盖5溢水阀相连，对试样进行滴水饱和，当水面到达上传压板时停止抽气，卸除抽气管与供水管，保持上盖5阀门接通大气，升高供水箱23水位与上盖5阀门平齐，打开进水阀，调节渗流容器三个测压咀处三通阀门排除测压管路中气体并与渗流容器相通，直到三根测压管2水头与上盖5阀门中心平齐，关闭进水阀；
⑤将渗流容器水平放置在水平支架13上；
⑥将上盖5阀门与流量管21相连，加第一级水头1cm，然后按水头坡降为0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0…等坡降递增，在接近临界坡降时，渗透坡降递增值适当减小，记录程序设置每20分钟记录一次测压管2水头差；流量及温度值；
⑦当电脑记录的每级水头施加1小时后，连续3到4次之间流量差相近即可加下一级水头，在电脑自动记录的同，也可人工测记测压管读数，并透过玻璃筒观察试验现象，水的浑浊程度、冒气泡、细颗粒跳动、移动或被水带出现象，并加以描述记录；
⑧当水头不能再增加时，即可结束试验；
⑨当采用原状土或需二维加载进行试验时，用K0渗透固结管22替代透固结管19，利用侧压腔对试样进行密封或者二维加载，其它测试过程相同。
(4)、资料整理
按《土工试验规程》SL237-014-1999、SL237-056-1999规定进行计算整理资料。
下面为某尾矿土实测资料
Claims (2)
1.一种多功能渗透变形试验仪，包括：机架，其特征在于：还有垂直加载控制系统置于有机玻璃特制的组合式渗流容器的上盖上，侧向加载控制系统置于机架内，有机玻璃特制的组合式渗流容器和垂直加载与侧向加载控制系统组件固定在机架上，流量及温度测量系统设置在机架侧边，带溢流管的水头升降装置的出水管和有机玻璃特制的组合式渗流容器的底座上的进水阀相连；
所述的有机玻璃特制的组合式渗流容器包括：导向管(6)、渗透固结管(19)或K0渗透固结管(22)、底座(11)依次密封相连，并用螺杆紧固形成一个整体，上盖(5)，下固定板(14)分别置于上下两端，穿过螺杆用螺帽紧固；所述的渗透固结管(19)上按一定间距布有三个高度差压传感器(8)、(9)、(10)，通过三通接头、阀门及导水管与渗透固结管(19)和测压管(2)相连，差压传感器(8)、(9)、(10)信号线通过采集盒与微机相连；或用于原状试样柔性密封K0渗透固结管(22)内壁呈向外凹的弧形，内壁套有带咀筒状乳胶，膜咀上套有铜管用O形圈与K0渗透固结管(22)密封连接，与膜咀呈90度角布有二个二通阀门，一个与精密全自动液压控制器相连，一个与K0渗透固结管(22)压力腔容积调节管相连，其它组件与渗透固结管(19)一致；
所述的带溢流管的水头升降装置(1)包括水箱(23)、水箱(23)下部的支板两端的孔套在导向钢绳(24)上，导向钢绳(24)上下两端和支架(26)相连，拉伸线索一头和水箱相连，另头绕过定滑轮和定位涡轮(15)相连，水箱通过管道和底座的进水阀相连。
2.根椐权利要求1所述的一种多功能渗透变形试验仪，其特征在于：所述的底座(11)包括直管和整体漏斗，整体漏斗上端放置不锈钢下透水板，整体漏斗的进口设有环形滤气透水网(12)，直管和整体漏斗间通过O形圈密封，底座(11)布有两二通阀门，一个进水，一个排气。
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