CN103134745A - 高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体、装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体，该筒体包括本体和带有阀门的外连通管，本体的顶端和底端均为开口，且本体的内壁面上设有相互连通的环向凹槽和轴向凹槽，外连通管固定连接在本体的外壁面上，且外连通管与环向凹槽或者轴向凹槽连通。该筒体能有效地消除试验过程中，尤其是装样过程中试样的扰动。本发明还公开了含有上述高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体的装置，包括筒体、乳胶膜、压力室，以及从上向下依次布置在筒体中的试样帽、上透水石、上滤纸、试样、下滤纸、下透水石和底座。该装置可以提高测试结果的可靠度和精确度。本发明还提供了该装置的测试方法，可减少装样过程中对试样的扰动，提高测试精度。

Description

高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体、装置及测试方法

技术领域

本发明属于环境岩土工程中对土体的力学特性测试领域，具体来说，涉及一种高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体、装置及测试方法。

背景技术

随着我国城市化进程的不断加快，城市工业场地的污染程度也在加剧，由工业生产引发的环境污染问题越来越受到人们的关注。在防止地下污染范围扩大方面，土和膨润土系竖向隔离墙是一种被广泛应用于阻滞地下水及污染物水平向运移的构筑物。隔离墙的墙体材料是膨润土浆液、原位土和膨润土干粉的拌合物，具有含水量高、强度较低的特点。隔离墙的作用是阻滞地下水及污染物运移，所以要求墙体具有良好的不透水性，即较低的渗透系数（10^-10～10^-8m/s）。在工程实践中，渗透系数是隔离墙阻滞性能的一个主要评价指标。目前，渗透系数现场测定方法主要有抽水法和孔压静力触探法；室内主要有刚性壁和柔性壁渗透试验。对于隔离墙材料，室内主要采用三轴柔性壁渗透仪通过变水头试验测定进、出水量，根据达西定律计算渗透系数。对于类似隔离墙体材料的土体，一般含水量较大，强度较低，在试验过程中，即使试样能自立成型，但在安装、固结、饱和及渗透时，由于没有足够的支撑保护，试样也会受到较大的扰动，不能保持原来的直立状态，发生倾斜变形。这将在很大程度上影响试验结果的精确度。为了更精确地对隔离墙材料的防渗性能进行评价，需尽量避免试验过程中对试样造成扰动。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是，提供一种高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体，该筒体能有效地消除试验过程中，尤其是装样过程中试样的扰动，本发明还提供了包含该筒体的装置，利用该装置对高含水量土和膨润土材料进行渗透测试，可以提高测试结果的可靠度和精确度。本发明还提供了该装置的测试方法，利用该方法对高含水量土和膨润土材料进行渗透测试，减少装样过程中对试样的扰动，提高测试精度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体，该筒体包括本体和带有阀门的外连通管，本体的顶端和底端均为开口，且本体的内壁面上设有相互连通的环向凹槽和轴向凹槽，外连通管固定连接在本体的外壁面上，且外连通管与环向凹槽或者轴向凹槽连通。

进一步，所述的高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体，还包括上标示线和下标示线，上标示线和下标示线位于本体的壁面上，且上标示线位于环向凹槽的上方，下标示线位于环向凹槽的下方。

一种含有上述高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体的装置，该装置包括筒体、乳胶膜、压力室，以及从上向下依次布置在筒体中的试样帽、上透水石、上滤纸、试样、下滤纸、下透水石和底座；压力室的顶端设有排气控制阀，压力室的下部设有进水口；该筒体位于压力室中，筒体包括本体和外连通管，本体的顶端和底端均为开口，且本体的内壁面上设有相互连通的环向凹槽和轴向凹槽，外连通管固定连接在本体的外壁面上，且外连通管与环向凹槽或者轴向凹槽连通；乳胶膜位于本体的内腔中，且乳胶膜的两端穿出本体的顶端和底端；乳胶膜的上部覆盖在试样帽外表面，且本体的顶端和试样帽之间设有上密封圈；乳胶膜的底部覆盖在底座外表面，且本体的底端和底座之间设有下密封圈；底座上设有进水管和下控制阀管，该进水管的顶端与下透水石的底面接触，进水管的底端穿出压力室，与供压设备连接；下控制阀管的顶端与下透水石的底面接触，下控制阀管的底端穿出压力室；试样帽上设有出水管和上控制阀管，出水管的一端与上透水石的顶面接触，出水管的另一端穿出压力室；上控制阀管的一端与上透水石的顶面接触，上控制阀管的另一端穿出压力室。

一种上述的含有高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体的装置的测试方法，该测试方法包括以下步骤：

步骤10）．制作测试样品：首先将乳胶膜撑开在筒体的本体内腔中，然后打开外连通管的阀门，用真空泵从外连通管处抽气，使乳胶膜紧贴本体内壁，接着关闭外连通管的阀门，随后在本体内腔中从下到上依次装下透水石、下滤纸、试样、上滤纸和上透水石，最后打开外连通管的阀门，卸去真空，使乳胶膜贴附到试样的表面，制成测试样品；

步骤20）安装测试样品：首先将步骤10）制成的测试样品移入压力室中，并放置在基座和试样帽之间，然后将乳胶膜两端展开，包裹在基座的外表面和试样帽的外表面，在乳胶膜上套装上密封圈和下密封圈，上密封圈使试样帽和乳胶膜之间保持密封性，下密封圈使基座和乳胶膜之间保持密封性，然后通过进水口向压力室内注水，同时打开排气控制阀，使得压力室的气体通过排气控制阀排至压力室外，直至水注满压力室，关闭进水口和排气控制阀；

步骤30）饱和：将进水管、出水管和压力室的进水口分别与供压设备连接，供压设备通过进水口向压力室施加饱和围压，压力室内的围压通过由外连通管、环向凹槽和轴向凹槽组成的联通通道，均匀传递到试样周围，试样体积收缩，与本体内壁分离；在饱和围压下，供压设备同时分别向进水管和出水管施加相等的饱和压力，在饱和压力不变的条件下，饱和试样；

步骤40）固结：通过供压设备增大进水口处的压力，直至进水口的压力为试样的固结围压，然后打开上控制阀管和下控制阀管排水，固结时间为1天至2天，最后在固结完成后，关闭上控制阀管和下控制阀管；

步骤50）渗透：通过供压设备增大进水管处的压力，对试样施加渗透压，对试样进行渗透，在渗透过程中，定时记录进水管和出水管的水位变化；最后根据达西定律测算试样的渗透系数。

进一步，所述的步骤10）中，在填装试样时，试样分三层装入本体内腔中，且层间用切土刀刮糙，并震荡，除去试样中较大的空隙。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案可以有效地消除试验过程中，尤其是装样过程中试样的扰动，提高测试结果的可靠度和精确度。常规的三轴柔性壁渗透仪，在土体含水量大、强度低的情况下，试验过程，尤其是装样过程中，会对试样造成较大扰动，使试样不能保持直立状态，发生倾斜变形，从而直接影响渗透系数测定的精确度。本发明的筒体包括本体和外连通管。本体的内壁面上设有相互连通的环向凹槽和轴向凹槽。外连通管与环向凹槽或者轴向凹槽连通。外连通管、环向凹槽和轴向凹槽组成联通通道。该联通通道用于排气和进水。制样时，将乳胶膜撑开在本体内，用真空泵从外连通管抽气，使乳胶膜与本体内壁紧密贴牢。在本体中装入下透水石、下滤纸、试样、上滤纸和上透水石后，卸去真空，乳胶膜与试样紧贴。在装样过程中，筒体对试样起支撑保护作用，有效防止试样在移动及安装时因受到过大扰动而产生倾斜变形。固结、饱和及渗透过程中，筒体支撑保护试样不受扰动。压力室内施加围压时，围压通过联通通道均匀传递到试样周围。固结开始后，筒体内的试样发生体积收缩，本体内壁与试样间不再有接触，即本体不会影响固结、饱和及渗透过程。在固结压力作用下，试样受到筒体的支撑和保护，能有效避免试样因受水压作用，发生倾斜变形。同时，环向凹槽和轴向凹槽有利于水压力的均匀分布，为试样提供各向均匀的水压。本发明的筒体可以有效减少试验过程中试样受到扰动，进而提高土体力学指标室内测试结果的有效性和精确度。

附图说明

图1为本发明中筒体的结构示意图。

图2为本发明中装置的结构示意图。

图中有：本体1、外连通管2、乳胶膜3、环向凹槽4、轴向凹槽5、上标示线6、下标示线7、压力室8、排气控制阀801、进水口802、试样帽9、上透水石10、上滤纸11、试样12、下滤纸13、下透水石14、底座15、上密封圈16、下密封圈17、进水管18、下控制阀管19、上控制阀管20、供压设备21、出水管22。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案做进一步详细的描述。本发明中提及的高含水量土和膨润土材料是指土和膨润土混合后形成的含水量在0.8—1.3倍液限的材料。

如图1所示，本发明的一种高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体，包括本体1和带有阀门的外连通管2。本体1的顶端和底端均为开口，且本体1的内壁面上设有相互连通的环向凹槽4和轴向凹槽5。外连通管2固定连接在本体1的外壁面上，且外连通管2与环向凹槽4或者轴向凹槽5连通。

进一步，所述的环向凹槽4和轴向凹槽5分别至少为三条，且均匀分布在本体1的内壁面上。环向凹槽4和轴向凹槽5的条数多于三条。这样，在制样过程抽气时，保证乳胶膜3和本体1内壁紧贴；在固结压力施加时，使固结压力由环向凹槽4和轴向凹槽5均匀传递到试样12周围。

进一步，所述的本体1为圆形筒，且为透明有机玻璃材料制成。本体1呈圆形筒，便于制造。本体1为透明有机玻璃材料制成，便于标识上标示线6和下标示线7。上标示线6和下标示线7位于本体1的壁面上，且上标示线6位于环向凹槽4的上方，下标示线7位于环向凹槽4的下方。上标示线6用于安装上透水石10的标识线。下标示线7用于安装下透水石14的标识线。

如图2所示，本发明的高含水量土和膨润土材料渗透试验的装置，包括筒体、乳胶膜3、压力室8，以及从上向下依次布置在筒体中的试样帽9、上透水石10、上滤纸11、试样12、下滤纸13、下透水石14和底座15。压力室8的顶端设有排气控制阀801，压力室8的下部设有进水口802。进水口802与盛水容器或供压设备21连接。在向压力室8注水时，进水口802与盛水容器连接，压力室8中注水完毕后，进水口802与供压设备21连接。筒体位于压力室8中。筒体包括本体1和外连通管2。本体1的顶端和底端均为开口，且本体1的内壁面上设有相互连通的环向凹槽4和轴向凹槽5。外连通管2固定连接在本体1的外壁面上，且外连通管2与环向凹槽4或者轴向凹槽5连通。乳胶膜3位于本体1的内腔中，且乳胶膜3的两端穿出本体1的顶端和底端。乳胶膜3的上部覆盖在试样帽9外表面，且本体1的顶端和试样帽9之间设有上密封圈16。乳胶膜3的底部覆盖在底座15外表面，且本体1的底端和底座15之间设有下密封圈17。底座15上设有进水管18和下控制阀管19。进水管18的顶端与下透水石14的底面接触，进水管18的底端穿出压力室8，与供压设备21连接。下控制阀管19的顶端与下透水石14的底面接触，下控制阀管19的底端穿出压力室8。试样帽9上设有出水管22和上控制阀管20。出水管22的一端与上透水石10的顶面接触，出水管22的另一端穿出压力室8。出水管22的另一端与供压设备21连接。上控制阀管20的一端与上透水石10的顶面接触，上控制阀管20的另一端穿出压力室8。

进一步，所述的本体1的高为76.5mm，外径为61.8mm，内径为51.1mm。环向凹槽4和轴向凹槽5的横截面长均为0.5mm，宽均为0.5mm，相邻的环向凹槽4的距离为10mm，相邻的轴向凹槽5的距离为10mm。试样12为直径50mm、高度50mm的圆柱体。试样帽9、上透水石10、上滤纸11、下滤纸13、下透水石14和底座15的直径均为50mm。这是优选尺寸。实际尺寸可根据试验要求而定。

进一步，上述装置还包括上标示线6和下标示线7，上标示线6和下标示线7位于本体1的壁面上，且上标示线6位于环向凹槽4的上方，下标示线7位于环向凹槽4的下方，上标示线6到本体1顶端的距离为12.7mm，下标示线7到本体1底端的距离为12.7mm。

上述高含水量土和膨润土材料渗透试验的装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤10）制作测试样品：首先将乳胶膜3撑开在筒体的本体1内腔中，然后打开外连通管2的阀门，用真空泵从外连通管2处抽气，使乳胶膜3紧贴本体1内壁，接着关闭外连通管2的阀门，随后在本体1内腔中从下到上依次装下透水石14、下滤纸13、试样12、上滤纸11和上透水石10，最后打开外连通管2的阀门，卸去真空，使乳胶膜3贴附到试样12的表面，制成测试样品。

在步骤10）中，在填装试样12时，试样12分三层装入本体1内腔中，且层间用切土刀刮糙，并震荡，除去试样12中较大的空隙。制样过程中，本体1能控制试样12的尺寸。制作测试样品过程中，施加真空作用，乳胶膜3才贴覆在本体1上。制作测试样品完成后，卸去真空作用，乳胶膜3就不贴覆在本体1上，而是贴在试样12上。在后续的固结、饱和、渗透过程中，乳胶膜3是紧贴试样12的。

步骤20）安装测试样品：首先将步骤10）制成的测试样品移入压力室8中，并放置在基座15和试样帽9之间，然后将乳胶膜3两端展开，包裹在基座15的外表面和试样帽9的外表面，在乳胶膜3上套装上密封圈16和下密封圈17，上密封圈16使试样帽9和乳胶膜3之间保持密封性，下密封圈17使基座15和乳胶膜3之间保持密封性，然后通过进水口802与盛水容器连接，向压力室8内注水，同时打开排气控制阀801，使得压力室8的气体通过排气控制阀801排至压力室8外，直至水注满压力室8，关闭进水口802和排气控制阀801。

在步骤20）安装测试样品过程中，本体1对试样12起到支撑保护作用，防止试样12受到过大扰动，保证柔性壁渗透试验结果的可靠度。

步骤30）饱和：将进水管18、出水管22和压力室8的进水口802分别与供压设备21连接，供压设备21通过进水口802向压力室8施加饱和围压，压力室8内的围压通过由外连通管2、环向凹槽4和轴向凹槽5组成的联通通道，均匀传递到试样12周围，试样12体积收缩，与本体1内壁分离；在饱和围压下，供压设备21同时分别向进水管18和出水管22施加相等的饱和压力，在饱和压力不变的条件下，饱和试样12。

步骤40）固结：通过供压设备21增大进水口802处的压力，直至进水口802的压力为试样12的固结围压，然后打开上控制阀管20和下控制阀管19排水，固结时间为1天至2天，最后在固结完成后，关闭上控制阀管20和下控制阀管19。

在步骤30）和步骤40）中，向压力室8内施加围压，围压通过联通通道均匀传递到试样12周围，试样12体积收缩，与本体1内壁分离，即筒体的存在对固结过程不造成影响。通过进水口802施加反压，饱和试样12。然后增大围压，继续固结。饱和与固结过程中，筒体支撑保护试样12，防止试样12因受力产生过大倾斜变形，保证了柔性壁渗透试验结果的可靠度。

步骤50）渗透：通过供压设备21增大进水管18处的压力，对试样12施加渗透压，对试样12进行渗透，在渗透过程中，定时记录进水管18和出水管22的水位变化；最后根据达西定律测算试样12的渗透系数。

在步骤50）中，筒体给试样12提供支撑保护，防止试样12因渗透压影响而产生过大倾斜变形，保证了柔性壁渗透试验结果的可靠度。

本发明的结构中，外连通管2设置于本体1上。本体1内壁上的环向凹槽4和轴向凹槽5，以及外连通管2组成联通通道。该联通通道用于排气和进水。制样过程在筒体内进行，且在固结、饱和与渗透过程中，筒体始终放置于压力室8内。制样时，将乳胶膜3撑开在本体1内，用真空泵从外连通管2抽气，使乳胶膜3与本体1内壁紧密贴牢。乳胶膜3内从下至上依次装入下透水石14、下滤纸13、试样12、上滤纸11和上透水石10。卸去真空作用后，乳胶膜3与试样12紧贴。装样、固结、饱和及渗透过程中，筒体置于底座15与试样帽9的密封圈之间。整个过程中，筒体支撑保护试样12不受扰动。压力室8内施加围压时，围压通过联通通道均匀传递到试样12周围。固结开始后，筒体内的试样12发生体积收缩，本体1内壁与试样12间不再有接触。

Claims (10)

1.一种高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体，其特征在于，该筒体包括本体（1）和带有阀门的外连通管（2），本体（1）的顶端和底端均为开口，且本体（1）的内壁面上设有相互连通的环向凹槽（4）和轴向凹槽（5），外连通管（2）固定连接在本体（1）的外壁面上，且外连通管（2）与环向凹槽（4）或者轴向凹槽（5）连通。

2.按照权利要求1所述的高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体，其特征在于，所述的环向凹槽（4）和轴向凹槽（5）分别至少为三条，且均匀分布在本体（1）的内壁面上。

3.按照权利要求1所述的高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体，其特征在于，所述的本体（1）为圆形筒，且为透明有机玻璃材料制成。

4.按照权利要求3所述的高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体，其特征在于，还包括上标示线（6）和下标示线（7），上标示线（6）和下标示线（7）位于本体（1）的壁面上，且上标示线（6）位于环向凹槽（4）的上方，下标示线（7）位于环向凹槽（4）的下方。

5.一种含有权利要求1所述的高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体的装置，其特征在于，该装置包括筒体、乳胶膜（3）、压力室（8），以及从上向下依次布置在筒体中的试样帽（9）、上透水石（10）、上滤纸（11）、试样（12）、下滤纸（13）、下透水石（14）和底座（15）；压力室（8）的顶端设有排气控制阀（801），压力室（8）的下部设有进水口（802）；

该筒体位于压力室（8）中，筒体包括本体（1）和外连通管（2），本体（1）的顶端和底端均为开口，且本体（1）的内壁面上设有相互连通的环向凹槽（4）和轴向凹槽（5），外连通管（2）固定连接在本体（1）的外壁面上，且外连通管（2）与环向凹槽（4）或者轴向凹槽（5）连通；

乳胶膜（3）位于本体（1）的内腔中，且乳胶膜（3）的两端穿出本体（1）的顶端和底端；乳胶膜（3）的上部覆盖在试样帽（9）外表面，且本体（1）的顶端和试样帽（9）之间设有上密封圈（16）；乳胶膜（3）的底部覆盖在底座（15）外表面，且本体（1）的底端和底座（15）之间设有下密封圈（17）；

底座（15）上设有进水管（18）和下控制阀管（19），该进水管（18）的顶端与下透水石（14）的底面接触，进水管（18）的底端穿出压力室（8），与供压设备（21）连接；下控制阀管（19）的顶端与下透水石（14）的底面接触，下控制阀管（19）的底端穿出压力室（8）；

试样帽（9）上设有出水管（22）和上控制阀管（20），出水管（22）的一端与上透水石（10）的顶面接触，出水管（22）的另一端穿出压力室（8）；上控制阀管（20）的一端与上透水石（10）的顶面接触，上控制阀管（20）的另一端穿出压力室（8）。

6.按照权利要求5所述的含有高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体的装置，其特征在于，所述的本体（1）的高为76.5mm，外径为61.8mm，内径为51.1mm。

7.按照权利要求6所述的含有高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体的装置，其特征在于，还包括上标示线（6）和下标示线（7），上标示线（6）和下标示线（7）位于本体（1）的壁面上，且上标示线（6）位于环向凹槽（4）的上方，下标示线（7）位于环向凹槽（4）的下方，上标示线（6）到本体（1）顶端的距离为12.7mm，下标示线（7）到本体（1）底端的距离为12.7mm。

8.按照权利要求7所述的含有高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体的装置，其特征在于，所述的环向凹槽（4）和轴向凹槽（5）的横截面长均为0.5mm，宽均为0.5mm，相邻的环向凹槽（4）的距离为10mm，相邻的轴向凹槽（5）的距离为10mm。

9.一种权利要求5所述的含有高含水量土和膨润土材料渗透试验筒体的装置的测试方法，其特征在于，该测试方法包括以下步骤：

步骤10）．制作测试样品：首先将乳胶膜（3）撑开在筒体的本体（1）内腔中，然后打开外连通管（2）的阀门，用真空泵从外连通管（2）处抽气，使乳胶膜（3）紧贴本体（1）内壁，接着关闭外连通管（2）的阀门，随后在本体（1）内腔中从下到上依次装下透水石（14）、下滤纸（13）、试样（12）、上滤纸（11）和上透水石（10），最后打开外连通管（2）的阀门，卸去真空，使乳胶膜（3）贴附到试样（12）的表面，制成测试样品；

步骤20）安装测试样品：首先将步骤10）制成的测试样品移入压力室（8）中，并放置在基座（15）和试样帽（9）之间，然后将乳胶膜（3）两端展开，包裹在基座（15）的外表面和试样帽（9）的外表面，在乳胶膜（3）上套装上密封圈（16）和下密封圈（17），上密封圈（16）使试样帽（9）和乳胶膜（3）之间保持密封性，下密封圈（17）使基座（15）和乳胶膜（3）之间保持密封性，然后通过进水口（802）向压力室（8）内注水，同时打开排气控制阀（801），使得压力室（8）的气体通过排气控制阀（801）排至压力室（8）外，直至水注满压力室（8），关闭进水口（802）和排气控制阀（801）；

步骤30）饱和：将进水管（18）、出水管（22）和压力室（8）的进水口（802）分别与供压设备（21）连接，供压设备（21）通过进水口（802）向压力室（8）施加饱和围压，压力室（8）内的围压通过由外连通管（2）、环向凹槽（4）和轴向凹槽（5）组成的联通通道，均匀传递到试样（12）周围，试样（12）体积收缩，与本体（1）内壁分离；在饱和围压下，供压设备（21）同时分别向进水管（18）和出水管（22）施加相等的饱和压力，在饱和压力不变的条件下，饱和试样（12）；

步骤40）固结：通过供压设备（21）增大进水口（802）处的压力，直至进水口（802）的压力为试样（12）的固结围压，然后打开上控制阀管（20）和下控制阀管（19）排水，固结时间为1天至2天，最后在固结完成后，关闭上控制阀管（20）和下控制阀管（19）；

步骤50）渗透：通过供压设备（21）增大进水管（18）处的压力，对试样（12）施加渗透压，对试样（12）进行渗透，在渗透过程中，定时记录进水管（18）和出水管（22）的水位变化；最后根据达西定律测算试样（12）的渗透系数。

10.按照权利要求9所述的用于高含水量土和膨润土系材料渗透的试验装置的测试方法，其特征在于，所述的步骤10）中，在填装试样（12）时，试样（12）分三层装入本体（1）内腔中，且层间用切土刀刮糙，并震荡，除去试样（12）中较大的空隙。

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