CN103149143B - 超大粒径粗粒土渗透系数测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水利工程材料的参数测定装置及方法，特别涉及一种用于对超大粒径粗粒土料(粒径60mm≤d₈₅≤100mm)进行渗透特性测定的装置及方法，其IPC国际专利分类号为E02D1/04和E02D33/00。本发明的测定装置，包括测试筒、自动加压系统11和测压管12，测试筒筒壁设有多个测压孔，在进行土体排气饱和时，筒壁测压孔可作为排气孔，可与筒顶和筒底的排气孔共同加速排气，从而使试样迅速达到饱和状态。本发明的测定方法，经过大量试验验证，进行试样饱和时，用温度25-40摄氏度的热水，能够使超大粒径样品快速达到饱和，而且对样品的化学、物理稳定性影响最小。

Description

超大粒径粗粒土渗透系数测定装置

技术领域：

本发明涉及一种水利工程材料的参数测定装置及方法，特别涉及一种用于对工程中选用的超大粒径粗粒土料(粒径60mm≤d₈₅≤100mm)进行渗透特性测定的装置及方法，其IPC国际专利分类号为E02D1/04和E02D33/00。 

背景技术：

在水利、交通、铁路等工程建设中，粗粒土常常作为基础用料。粗粒土按照《土的分类标准》(GBJ145-90)规定，粗颗粒土指的是粒径大于0.075mm且小于60mm的颗粒。 

在水利工程中，粗粒土常作为坝基、堤基用料；在铁路、公路工程中，则常常作为路基用料。对于这些工程而言，渗透变形、破坏是一个常见的问题，粗粒土由于其构成的成份、级配不同，以及不同的工程情况，其渗透性能差距非常大，因此，在工程中采用合适的粗粒土料，需要进行其渗透性能的测试。近年来由于国家大力建设水利工程，南水北调等大型水利工程已经在建设中，在南水北调工程中，由于工程战线长，施工用土料需求巨大，特别是作为引水渠道的基础用料的粗颗粒土。为方便施工，就地取料是较为有效的措施之一。南水北调工程沿线区域的土料，粗颗粒土量较少，大多为粒径超过60mm但小于100mm的超大粒径粗粒土，即粒径60mm≤d₈₅≤100mm。通过试验验证，该类超大粒径的粗粒土经过正确的配比，可以达到工程用料的要求，但其的渗透性能需要经过严格的试验测定，才能运用在工程之中。 

在目前的工程应用中，有针对粗粒土进行渗透试验的装备，其设备内径大小为200mm和300mm，根据《土工试验规程》(SL237-1999)的规定，根据试 验土样粒径，按仪器内径大于试样粒径d85的5倍选择仪器。因此，现有的设备能够测试的粒径范围有限，d85不超过60mm。由于之前在水利工程中使用超大粒径粗粒土非常少，同时在水利工程中使用该类土料时，需配比较多的黏性土小颗粒，加之试样尺寸较大，试样非常难以进行排气饱和，因此没有对超大粒径粗粒土进行渗透性能测试的仪器和成熟的测试方法。随着南水北调等大型工程的建设，超大粒径粗粒土在工程中的应用会越来越广泛，研制一套能对超大粒径粗粒土渗透特性进行测试的仪器及其测试方法，是非常有必要的。 

发明内容：

发明人通过对以往设备的研究以及现有工程中选用的超大粒径的粗粒土特性的分析，设计了专用测试仪器，在测试筒壁外侧设计数量众多的测压排气孔，解决了试样直径大，难以排气饱和的测试难题，使得测试仪器可以对d85≥60mm的超大粒径的粗粒土进行渗透特性的测试。而且，发明人采用该测试仪器，对试样的厚度、试样排气饱和方法时的水温、渗透坡降递增值等参数进行了大量的实验和现场验证，发明了采用该测试仪器对超大粒径的粗粒土渗透性进行测试的方法。 

本发明的目的是提供一种快速、系统、简便、快速的适用于超大粒径粗粒土渗透系数及渗透变形测定的仪器，以及一种利用该仪器测定超大粒径粗粒土渗透系数的方法。 

一种超大粒径粗粒土渗透系数测定装置，包括测试筒、自动加压系统和测压管，所述测试筒由底座支架、缓冲料容器、筒身和上盖组成，其中，所述缓冲料容器支撑在所述底座支架上部，缓冲料容器的侧壁设置有下排气孔，下部设有下过水口；所述缓冲料容器上部与所述筒身通过密封螺栓连接，所述筒身 上设置多个筒壁测压排气孔，每个所述的筒壁测压排气孔设有阀门；所述筒身上部通过密封螺栓与所述上盖连接，所述上盖的上端设有上过水口和上排气孔；所述自动加压系统与所述下过水口连通，所述测压管与所述筒壁测压排气孔连通。 

一种超大粒径粗粒土渗透系数的测定方法，其步骤如下： 

1.准备好超大粒径粗粒土渗透系数测定装置： 

1.1所述测定装置包括测试筒、自动加压系统和测压管，所述测试筒由底座支架、缓冲料容器、筒身和上盖组成，其中，所述缓冲料容器支撑在所述底座支架上部，缓冲料容器的侧壁设置有下排气孔，下部设有下过水口；所述缓冲料容器上部与所述筒身通过密封螺栓连接，所述筒身上设置多个筒壁测压排气孔，每个所述的筒壁测压排气孔设有阀门；所述筒身上部通过密封螺栓与所述上盖连接，所述上盖的上端设有上过水口和上排气孔；所述自动加压系统与所述下过水口连通，所述测压管与所述筒壁测压排气孔连通； 

1.2在所述缓冲料容器内填充细砾石作为缓冲层，用以缓冲水流并将渗水压力平均分散； 

2.试样制备： 

2.1扰动样制备 

(1)选取试样，对试样进行颗粒分析，确定试样的级配曲线，并绘制颗粒级配曲线图； 

(2)根据需要控制的干密度及试样高度，按照式(1)计算试样质量； 

m_d＝ρ_dπr²h′     (1) 

式中：m_d——试样干质量，g； 

ρ_d——需控制的干密度，g/cm³； 

r——测定装置的筒身半径，cm； 

h′——试样高度，cm； 

(3)称取试样后，在试样中加相当于试样质量1％～2％的水分，伴和均匀后，将试样分层装入所述筒身内，每层的级配应相同，分层厚度：砂土为2～3cm，砂砾石及砂卵石为d₈₅的1.5～2.0倍； 

(4)对于风化石渣或易击碎的土料，采用振动加密法击实，其他土料用击实锤击实；击实后试样总厚度：沙土不小于10cm；细砾石不小于15cm；中粗砾石为20～25cm；卵石不小于d₈₅的3～5倍，以包括试样中最大颗粒为度； 

2.2原状样制备： 

(1)取样位置：应选择具有代表性地层和渗流流态条件的不同部位，如防渗墙底部、坝基墙底部、坝基内部段、水流出逸段、抗渗强度较低处等部位取样； 

(2)在取样地点，首先挖一尺寸大于试样尺寸的土柱，除去土样表面的扰动土，再用削土工具小心地慢慢地将土样削至要求尺寸与形状； 

(3)环绕土柱底四周的水平图面上铺垫一层砂，并使砂垫平整。 

(4)套上筒身，筒身与试样周围间隙大致相等，埋设中间测压管，间距10cm左右，然后在试样周围浇筑膨胀快凝水泥砂浆； 

(5)养护24h，待砂浆有一定强度后，小心的切断土柱，将试样削平； 

3.渗透系数测定： 

3.1将扰动样或原装样安装要求填放在筒身6内，测量试样的实际厚度； 

3.2对试样进行排气饱和：在自动加压系统11内储存热水或常温自来水， 所述热水温度为25-40摄氏度，所述常温自来水应当是贮存至少一天并曝气后的自来水，将自动加压系统11连通下过水口4，并使自动加压系统11的水位略高于试样底面位置，再逐渐增大自动加压系统11的水压，让水从试样的底部向上渗入，与此同时，随着水位上升，应使相应的测压管12处于排气状态，以完全排除试样中的空气，使试样缓慢饱和； 

3.3增大渗水压力，使得上过水口9开始有水流出，保持常水头差，形成初始渗透坡降； 

3.4对于管涌土，加第一级水头时，初始坡降为0.02～0.03；然后按0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0的坡降递增，在接近临界坡降时，渗透坡降递增值应酌量减小；对于非管涌土，初始渗透坡降比管涌土适当提高，渗透坡降递增值应适当放大； 

3.5每次升高水头30min至1h后，测记筒身侧壁上5个等距的筒壁测压排气孔7的水位ΔH₁、ΔH₂、ΔH₃、ΔH₄、ΔH₅，计算两相邻筒壁测压排气孔7水位差的平均值，作为计算使用的水头差ΔH，并用量筒测量上过水口9单位时间Δt的渗水量Q，每次测量间隔的单位时间Δt为10～20min；连续4次测得的水位及渗水量基本稳定，即可提升至下一级水头； 

3.6对于每级渗透坡降，均按照步骤3.5的做法重复进行，直至试样破坏，水头不能再继续增加时，即可结束试验； 

4.计算： 

4.1孔隙率： 

$n=(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ω}}{G}_s})\×100---\left(2\right)$

式中：ρ_d——干密度，g/cm3； 

ρ_ω——水的密度，g/cm3； 

n——孔隙率。％； 

G_s——土粒比重； 

土粒比重G_s应为粗细颗粒混合比重，即： 

$G_s=\frac{1}{\frac{P_1}{G_{S1}}+\frac{P_2}{G_{S2}}}---\left(3\right)$

式中：G_S1、G_S2——分别为粒径大于和小于5mm的土粒比重； 

P₁、P₂——分别为粒径大于和小于5mm的土粒含量。 

4.2渗透坡降： 

$i=\frac{\mathrm{\ΔH}}{L}---\left(4\right)$

式中i——渗透坡降； 

ΔH——测压管水头差平均值，cm； 

L——与水头差ΔH相应的渗径长度，cm。 

4.3渗流速度 

$v=\frac{Q}{A}---\left(5\right)$

式中Q——单位时间渗流流量，cm³/s； 

A——试样面积，cm²； 

v——渗流速度，cm/s。 

4.4渗透系数 

$k_T=\frac{v}{i}---\left(6\right)$

优选地，步骤3.2中的常温自来水的温度为20摄氏度。 

采用上述技术方案的有益效果在于： 

(1)可用于开展超大粒径粗粒土料渗透特性试验，本仪器适用粒径范围为：60mm≤d85≤100mm，可以测试粗粒土的粒径范围更大。 

(2)测试筒筒壁设有多个测压孔，在进行土体排气饱和时，筒壁测压孔可作为排气孔，可与筒顶和筒底的排气孔共同加速排气，从而使试样迅速达到饱和状态。加速排气法克服了由于试样尺寸较大，部分试验材料的渗透性较低，试样饱和困难的问题。 

(3)经过大量试验验证，进行试样饱和时，用温度25-40摄氏度的热水，能够使超大粒径样品快速达到饱和，而且对样品的化学、物理稳定性影响最小。 

(4)采用本发明的测试方法中设定的渗透坡降递增值进行测试，能够大大降低对样品的破坏，快速准确地测定超大粒径粗粒土的渗透系数。 

(5)该仪器结构简单，操作方便，而且采用循环用水，大大节约了试验用水，从而节能减排。 

附图说明

图1为本发明的测定装置的示意图。 

图中：1.底座支架，2.缓冲料容器，3.下排气孔，4.下过水口，5.密封螺栓，6.筒身，7.筒壁测压排气孔，8.上盖，9.上过水口，10.上排气孔，11.自动加压系统，12.测压管，13.量筒。 

具体实施方式

如图1所示，一种超大粒径粗粒土渗透测定装置，包括测试筒、自动加压系统11和测压管12，所述测试筒由底座支架1、缓冲料容器2、筒身6和上盖8组成，其中，所述缓冲料容器2支撑在所述底座支架1上部，缓冲料容器2的侧壁设置有下排气孔3，下部设有下过水口4；所述缓冲料容器2上部与所述筒 身6通过密封螺栓5连接，所述筒身6上设置多个筒壁测压排气孔7，每个所述的筒壁测压排气孔7设有阀门；所述筒身6上部通过密封螺栓5与所述上盖8连接，所述上盖8的上端设有上过水口9和上排气孔10；所述自动加压系统11通过软管与所述下过水口4连通，所述测压管与所述筒壁测压排气孔7连通。 

利用上述的测定装置，对超大粒径粗粒土(60mm≤d85≤100mm)渗透系数的测定方法，其步骤如下： 

1.准备好超大粒径粗粒土渗透系数测定装置： 

1.1所述测定装置包括测试筒、自动加压系统11和测压管12，所述测试筒由底座支架1、缓冲料容器2、筒身6和上盖8组成，其中，所述缓冲料容器2支撑在所述底座支架1上部，缓冲料容器2的侧壁设置有下排气孔3，下部设有下过水口4；所述缓冲料容器2上部与所述筒身6通过密封螺栓5连接，所述筒身6上设置多个筒壁测压排气孔7，每个所述的筒壁测压排气孔7设有阀门；所述筒身6上部通过密封螺栓5与所述上盖8连接，所述上盖8的上端设有上过水口9和上排气孔10；所述自动加压系统11通过软管与所述下过水口4连通，所述测压管12与所述筒壁测压排气孔7连通. 

1.2在所述缓冲料容器内填充细砾石作为缓冲层，用以缓冲水流并将渗水压力平均分散。 

2.试样制备： 

2.1扰动样制备 

(1)选取试样，对试样进行颗粒分析，确定试样的级配曲线，并绘制颗粒级配曲线图； 

(2)根据需要控制的干密度及试样高度，按照式(1)计算试样质量； 

m_d＝ρ_dπr²h′    (1) 

式中：m_d——试样干质量，g； 

ρ_d——需控制的干密度，g/cm³； 

r——测定装置的筒身半径，cm； 

h′——试样高度，cm； 

(3)称取试样后，在试样中加相当于试样质量1％～2％的水分，伴和均匀后，将试样分层装入所述筒身内，每层的级配应相同，分层厚度：砂土为2～3cm，砂砾石及砂卵石为d₈₅的1.5～2.0倍； 

(4)对于风化石渣或易击碎的土料，采用振动加密法击实，其他土料用击实锤击实；击实后试样总厚度：沙土不小于10cm；细砾石不小于15cm；中粗砾石为20～25cm；卵石不小于d₈₅的3～5倍，以包括试样中最大颗粒为度； 

2.2原状样制备： 

(1)取样位置：应选择具有代表性地层和渗流流态条件的不同部位，如防渗墙底部、坝基墙底部、坝基内部段、水流出逸段、抗渗强度较低处等部位取样； 

(2)在取样地点，首先挖一尺寸大于试样尺寸的土柱，除去土样表面的扰动土，再用削土工具小心地慢慢地将土样削至要求尺寸与形状； 

(3)环绕土柱底四周的水平图面上铺垫一层砂，并使砂垫平整。 

(4)套上筒身，筒身与试样周围间隙大致相等，埋设中间测压管，间距10cm左右，然后在试样周围浇筑膨胀快凝水泥砂浆； 

(5)养护24h，待砂浆有一定强度后，小心的切断土柱，将试样削平。 

3.渗透系数测定： 

3.1将扰动样或原装样安装要求填放在筒身6内，测量试样的实际厚度； 

3.2对试样进行排气饱和：在自动加压系统11内储存热水或常温自来水，所述热水温度为25-40摄氏度，所述常温自来水应当是贮存至少一天并曝气后的自来水，自来水的温度优选20摄氏度。将自动加压系统11连通下过水口4，并使自动加压系统11的水位略高于试样底面位置，再逐渐增大自动加压系统11的水压，让水从试样的底部向上渗入，与此同时，随着水位上升，应使相应的测压管12处于排气状态，以完全排除试样中的空气，使试样缓慢饱和； 

3.3增大渗水压力，使得上过水口9开始有水流出，保持常水头差，形成初始渗透坡降； 

3.4对于管涌土，加第一级水头时，初始坡降为0.02～0.03；然后按0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0的坡降递增，在接近临界坡降时，渗透坡降递增值应酌量减小；对于非管涌土，初始渗透坡降比管涌土适当提高，渗透坡降递增值应适当放大； 

3.5每次升高水头30min至1h后，测记筒身侧壁上5个等距的筒壁测压排气孔7的水位ΔH₁、ΔH₂、ΔH₃、ΔH₄、ΔH₅，计算两相邻筒壁测压排气孔7水位差的平均值，作为计算使用的水头差ΔH，并用量筒测量上过水口9单位时间Δt的渗水量Q，每次测量间隔的单位时间Δt为10～20min；连续4次测得的水位及渗水量基本稳定，即可提升至下一级水头； 

3.6对于每级渗透坡降，均按照步骤3.5的做法重复进行，直至试样破坏，水头不能再继续增加时，即可结束试验； 

如需观察粗粒土的渗透变形形式以及变形情况，可以开启上盖观察渗透变形的情况以及从上出水口排出的水中是否有砂土颗粒进行判断。 

4.计算： 

4.1孔隙率： 

$n=(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_d}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ω}}{G}_s})\×100---\left(2\right)$

式中：ρ_d——干密度，g/cm3； 

ρ_ω——水的密度，g/cm3； 

n——孔隙率。％； 

G_s——土粒比重； 

土粒比重G_s应为粗细颗粒混合比重，即： 

$G_s=\frac{1}{\frac{P_1}{G_{S1}}+\frac{P_2}{G_{S2}}}---\left(3\right)$

式中：G_S1、G_S2——分别为粒径大于和小于5mm的土粒比重； 

P₁、P₂——分别为粒径大于和小于5mm的土粒含量。 

4.2渗透坡降： 

$i=\frac{\mathrm{\ΔH}}{L}---\left(4\right)$

式中i——渗透坡降； 

ΔH——测压管水头差平均值，cm； 

L——与水头差ΔH相应的渗径长度，cm。 

4.3渗流速度 

$v=\frac{Q}{A}---\left(5\right)$

式中Q——单位时间渗流流量，cm³/s； 

A——试样面积，cm²； 

v——渗流速度，cm/s。 

4.4渗透系数 

$k_T=\frac{v}{i}---\left(6\right)$

利用本发明的测试装置，可以对坝基、堤基的反滤层原状样进行渗透及渗透变形试验。反滤层是由2-4层颗粒大小不同的砂、碎石、卵石等材料做成的，顺着水流的方向颗粒逐渐增大，任一层的颗粒都不允许穿过相邻较粗一层的孔隙。同一层的颗粒也不能发生相对移动。设置反滤层后渗透水流出时都带不走堤坝或地基中的土壤，从而可防止管涌和流土的发生，反滤层常设于土石等材料修筑的堤坝或透水地基上，也常用于防汛中处理管涌、流土等险情。 

反滤层渗透及渗透变形试验的试样可选择扰动样或原状样： 

扰动样制备： 

(1)根据反滤层的分层情况，选取同样的土样材料。按照不同的粒径进行筛分。 

(2)根据反滤层的每层的厚度，击实情况，称取合适质量的各类土，分层进行击实。达到与实际工程情况一致的厚度即可。 

原状样制备：原状样的制备与均匀分布的粗粒土的制备方法一致。 

试样过程：与均匀混合的粗粒土的试样方法一致。 

计算：与均匀混合的粗粒土的试样方法一致。 

Claims (1)

1.一种超大粒径粗粒土渗透系数测定装置，包括测试筒、自动加压系统(11)和测压管(12)，所述测试筒由底座支架(1)、缓冲料容器(2)、筒身(6)和上盖(8)组成，其中，所述缓冲料容器(2)支撑在所述底座支架(1)上部，缓冲料容器(2)的侧壁设置有下排气孔(3)，下部设有下过水口(4)；所述缓冲料容器(2)上部与所述筒身(6)通过密封螺栓(5)连接，所述筒身(6)上设置多个筒壁测压排气孔(7)，每个所述的筒壁测压排气孔(7)设有阀门；所述筒身(6)上部通过密封螺栓(5)与所述上盖(8)连接，所述上盖(8)的上端设有上过水口(9)和上排气孔(10)；所述自动加压系统(11)与所述下过水口(4)连通，所述测压管与所述筒壁测压排气孔(7)连通。