CN103276713A - 一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，包括气压室（1）、封水箱（2）以及自上而下依次连接的静力触探探杆（3）、耦合杆（4）、过滤槽（5）、侧壁摩擦筒（6）、孔压过滤环（7）、圆锥头（8）；所述气压室（1）上设有输气阀（9），所述封水箱（2）上设有输水阀（10）；所述气压室（1）和封水箱（2）通过输气管（11）连接，所述封水箱（2）和过滤槽（5）通过输水管（12）连接；所述侧壁摩擦筒（6）上设有测斜仪（13）、温度传感器（14）、孔隙水压力传感器（15），所述测斜仪（13）、温度传感器（14）、孔隙水压力传感器（15）与输出电缆连接。该探头结构简单、质量控制良好、使用方便、检测速度快、测量效率高、测量结果准确可靠、重复性好，该探头为土木工程勘探实践提供有力的测试工具。

Description

一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头

技术领域

本发明属于岩土工程测试领域，特别涉及一种饱和土渗透特征的测定装置，具体涉及一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头。

背景技术

静力触探技术至今已有80多年的历史，是指利用压力装置将有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的贯入阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。国际上现已广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测静力触探并应用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能够快速、准确地获得土层的孔隙水压力、电阻率、污染物性状、温度、甚至影像，国外已将之大量应用于环境岩土工程领域。

随着我国经济的发展，城市地下水资源污染问题日益严重。污染物侵入地下土体时，在地下水位线以下的饱和土中迅速扩散，从而引起大面积地下水体的污染，同时改变地下土体的工程特性，进而引发工程问题。而污染物运移规律的研究首先需要确定饱和土的渗流特征。饱和土中渗流特征通常采用渗透系数k来描述，通常采用现场试验和室内试验测得。传统的现场试验如抽水、注水试验适用范围局限在地表以上较浅的区域，且测试时间长，工作量大。室内试验方法依赖于取样技术，受到取样扰动和尺寸效应的影响，给出的渗透特征可靠性不强，且对污染土而言还需防止试验过程中的二次污染。此外，现有静力触探传感器及现有的单双桥静探技术不能评价地下饱和土渗流特征。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种测量效率高、结果准确的可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头。

技术方案：本发明提供的一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，包括气压室、封水箱以及自上而下依次连接的静力触探探杆、耦合杆、过滤槽、侧壁摩擦筒、孔压过滤环、圆锥头；所述气压室上设有输气阀，所述封水箱上设有输水阀；所述气压室和封水箱通过输气管连接，所述封水箱和过滤槽通过输水管连接；所述侧壁摩擦筒上设有测斜仪、温度传感器、孔隙水压力传感器，所述测斜仪、温度传感器、孔隙水压力传感器与输出电缆连接。

作为优选，所述气压室的容积为5-15L，优选地为10L；所述封水箱的容积为5-15L，优选地为10L。

作为另一种优选，所述耦合杆的形状为圆台形，其上底面直径为40-50mm；下底面直径为30-40mm；高为80-120mm；优选地，其上底面直径为43.7mm，下底面直径为35.7mm，高为100mm。

作为另一种优选，所述过滤槽的直径为30-40mm，高为30-70mm，过滤槽中部表面设有一组环形凹槽，相邻凹槽之间的间距为2-8mm，凹槽开口宽度为0.3-0.7mm；优选地，其直径为35.7mm，高为50mm，表面相邻凹槽之间的间距为5mm，凹槽开口宽度为0.5mm。

作为另一种优选，所述输气阀的数量为两个，所述输水阀的数量为两个。

作为另一种优选，所述输水管的长度为40-80m，优选地为60m。

作为另一种优选，还包括气压表，所述气压表设于气压室上。

有益效果：本发明提供的可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头结构简单、质量控制良好、使用方便、检测速度快、测量效率高、测量结果准确可靠、重复性好，该探头为土木工程勘探实践提供有力的测试工具。

附图说明

图1为本发明可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头的结构示意图。

图2为过滤槽的结构示意图。

图3为本发明测得的渗透量结果图。

图4为本发明以及现有室内原状试样渗透试验测得的渗透系数结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头作出进一步说明。

可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，见图1，包括气压室1、封水箱2以及自上而下依次连接的静力触探探杆3、耦合杆4、过滤槽5、侧壁摩擦筒6、孔压过滤环7、圆锥头8；气压室1上设有输气阀9和气压表16，输气阀9的数量为两个；封水箱2上设有输水阀10，输水阀10的数量为两个；气压室1和封水箱2通过输气管11连接，封水箱2和过滤槽5通过输水管12连接；侧壁摩擦筒6上设有测斜仪13、温度传感器14、孔隙水压力传感器15，测斜仪13、温度传感器14、孔隙水压力传感器15与输出电缆连接。

本发明中，气压室1和封水箱2的容积均为10L，可选地可根据实际需要合理设置其尺寸，优选的气压室1和封水箱2的容积均可以为5L至15L。

本发明中，耦合杆4的形状为圆台形，其上底面直径为43.7mm、下底面直径为35.7mm、高为100mm；可选地可根据实际需要合理设置其尺寸，优选的其上底面直径为40-50mm，下底面直径为30-40mm，高为80-120mm。

本发明中，过滤槽5的直径为35.7mm，高为50mm，过滤槽5中部表面设有一组环形凹槽17，表面相邻凹槽之间的间距为5mm，凹槽开口宽度为0.5mm；可选地可根据实际需要合理设置其尺寸，优选的其直径为30-40mm，高为30-70mm，表面相邻凹槽之间的间距为2-8mm，凹槽开口宽度为0.3-0.7mm。

本发明中，输水管10的长度为60m，可选地可根据实际需要合理设置其尺寸，优选地为40-80m。

使用时，将该探头贯入土层后，到达试验所需的测试点时停止贯入，通过输水阀10往封水箱2中注满水后关闭输水阀10，打开输气阀9往气压室1中输入氮气，受气压作用封水箱2中的水体通过输水管12流入过滤槽5内，并通过过滤槽5表面的凹槽流入探头周围的土体中；读取气压表16的读数，并由通过人工或微机伺服系统控制气压室内的气压保持恒定；记录一定时间段内封水箱2中水体的流出量，根据Darcy定律可求解探头周围饱和土的渗透系数。

Darcy定律描述了饱和土的渗流特征，其一维表达式为：Q=kAh/L。

式中Q为单位时间渗流量，m³；k为渗透系数，m/s；A为过水断面，m²；h为总水头损失，m；L为渗流路径，m。

设封水箱2底面与地下水位线的垂直距离为Δh，过滤槽5直径为d，高度为l。水流从过滤槽5中流出的数学模型可以按照球面流进行处理，假定所对应球面的半径为a_s，则球坐标下的渗透系数表达式为：

$k=\frac{Q}{4\mathrm{\π\Δ}{\mathrm{ha}}_s}$

根据连续介质理论，从球面流出的水量应当与从过滤槽5表面流出的水量相等，因此在流速相等的条件下存在如下关系：

$4\mathrm{\π}{a}_s^2=\mathrm{\πdl}\⇒a_s=\sqrt{\mathrm{dl}/4}$

则渗透系数如下计算得到：

$k=\frac{Q}{8\mathrm{\π\Δh}\sqrt{\mathrm{dl}}}$

本发明通过贯入过程中注水试验记录的流出水量，能廉价、方便、快捷、原位的评价饱和土的原位渗流特征，使得静力触探技术能更准确、全面地服务于岩土工程领域。

采用在连云港S226省道上进行了本发明的现场试验，并采用薄壁取土器钻孔获得无扰动的原状试样进行室内渗透试验。试验过程中，过滤槽5直径为d=35.7mm，高度为l=50mm，地下水位线与封水箱2的距离为Δh=3.8m，测得单位时间内从封水箱2中流出的水量、根据本发明现场反演计算以及根据室内试验测得的渗透系数如图3所示。

从图3中可以看出，本发明测得的渗透系数能与室内原状试样渗透试验测得的结果相近，误差位于一个数量级内，符合工程设计要求。然而获得无扰动试样的代价昂贵，采用钻孔取无扰动试样时，约每米需要花费240元至480元，而采用本发明进行现场试验时约每米仅花费30元至60元，对于我国日益发展的工程建设，采用本发明无疑可以极大程度的降低成本，造成显著地社会效益与经济效益。且本发明可以提供土层原位的渗透系数，能更真实地反映地下土层信息。

Claims (7)

1.一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，其特征在于：包括气压室（1）、封水箱（2）以及自上而下依次连接的静力触探探杆（3）、耦合杆（4）、过滤槽（5）、侧壁摩擦筒（6）、孔压过滤环（7）、圆锥头（8）；所述气压室（1）上设有输气阀（9），所述封水箱（2）上设有输水阀（10）；所述气压室（1）和封水箱（2）通过输气管（11）连接，所述封水箱（2）和过滤槽（5）通过输水管（12）连接；所述侧壁摩擦筒（6）上设有测斜仪（13）、温度传感器（14）、孔隙水压力传感器（15），所述测斜仪（13）、温度传感器（14）、孔隙水压力传感器（15）与输出电缆连接。

2.根据权利要求1所述的一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，其特征在于：所述气压室（1）的容积为5-15L；所述封水箱（2）的容积为5-15L。

3.根据权利要求1所述的一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，其特征在于：所述耦合杆（4）的形状为圆台形，其上底面直径为40-50mm、下底面直径为30-40mm、高为80-120mm。

4.根据权利要求1所述的一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，其特征在于：所述过滤槽（5）的直径为30-40mm、高为30-70mm，过滤槽（5）中部表面设有一组环形凹槽（17），凹槽开口宽度为0.3-0.7mm，相邻凹槽之间的间距为2-8mm。

5.根据权利要求1所述的一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，其特征在于：所述输气阀（9）的数量为两个，所述输水阀（10）的数量为两个。

6.根据权利要求1所述的一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，其特征在于：所述输水管（12）的长度为40-80m。

7.根据权利要求1所述的一种可原位评价饱和土渗透特征的环境孔压静力触探探头，其特征在于：还包括气压表（16），所述气压表（16）设于气压室（1）上。

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