CN104730225A - 一种地基饱和度现场测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地基饱和度现场测试装置和方法，该装置包括空心钻杆装置以及设置在钻杆装置内的地下水采集装置，所述空心钻杆装置包括空心钻杆以及设置在空心钻杆下方的钻头，空心钻杆底部周向均匀开设小孔；所述地下水采集装置包括地下水采集管，地下水采集管下方开设管状进水口，进水口内贴合设置透水石；地下水采集管内设置抽吸装置，地下水采集管上方设置稳定抽吸装置的保护装置；地下水采集管设置有透明观察窗；本发明利用地基饱和度与地下水体积模量的关系，可在现场直接测得地基的饱和度，可用于分析减饱和法进行地基液化处理时的效果评价，具有原理简单、操作性强、成本低廉、可靠性高等优点。

Description

一种地基饱和度现场测试装置和方法

技术领域

本发明属于土木建筑工程技术领域，特别涉及一种地基饱和度现场测试装置和方法。

背景技术

对于可液化的砂土地基来说，可以采用降低地基饱和度的方法来减轻地震作用下的液化震害，如充气法、电解法、微观气泡水置换法等。这类方法在应用中面临的最困难的问题在于，如何准确测量出地基不同位置的饱和度的大小，因为地基饱和度是进行减饱和法处理液化地基效果最直接的指标。

在本发明之前，对于地基（或土体试样）饱和度的测量仅停留在实验室阶段。在三轴实验中，通过施加围压测量土体试样的B值可以用于评价试样的饱和度，但该方法需要密封的压力室，无法应用到实际工程中地基饱和度的测量。实用新型《水体中微纳米气泡观测系统》（专利号：CN203231956U）公开了一种水体中微纳米气泡的观测系统，利用模型箱不同的材质和颜色，使得其中含有微纳米气泡的水体呈现不同的光学影像，通过图片采集分析水中微纳米气泡的含量。但这种方法也只能在实验室中操作，对于地基深部的土体，无法开展。实用新型《多孔介质中微纳米气泡观测系统》（专利号：CN203231958U）公开了一种多孔介质中微纳米气泡观测系统，也只适合于在实验室对多孔介质中微纳米气泡的含量进行观测，无法应用到现场工程中。文献中还提到，对于减饱和法处理的地基使用冻结法取出地基内部的砂样，并送至实验室进行研究，分析试样饱和度的方法，但是这种方法同样只能在实验室开展，且冻结法本身成本非常昂贵，不利于推广应用。

研究表明，对于减饱和法处理液化地基，当地基的饱和度降低到95%以下时，地基的抗液化强度会提高2~3倍，而此时地下水中由于含有一定量的气体，使得地下水的体积模量大幅降低。例如：当地基的饱和度为95%时，含气水的体积模量将由纯水的2.2 GPa降低为2.84 MPa，此时若对水进行一定压力的加载，通过水的体积变形即可换算出水的体积模量，进而换算出对应地基的饱和度。

发明内容

本发明的目的在于：克服了以往土体饱和度只能在实验室中进行测量的重大缺点，利用减饱和状态下水的体积模量大幅降低的特性，提出了一种地基饱和度现场测试装置和方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种地基饱和度现场测试装置，其特征在于：包括空心钻杆装置以及设置在钻杆装置内的地下水采集装置，所述空心钻杆装置包括空心钻杆以及设置在空心钻杆下方的钻头，空心钻杆底部周向均匀开设小孔；所述地下水采集装置包括地下水采集管，地下水采集管下方开设管状进水口，进水口内贴合设置透水石；地下水采集管内设置抽吸装置，地下水采集管上方设置稳定抽吸装置的保护装置；地下水采集管设置有透明观察窗。

所述地基饱和度现场测试装置，所述抽吸装置包括活塞、挡板以及固定在活塞上方的活塞连杆，活塞连杆上端设置钢丝绞线；挡板设置在进水口的上方。

所述地基饱和度现场测试装置，所述保护装置包括设置在地下水采集管上方的活塞连杆护筒，以及设置在活塞连杆护筒上方的钢丝绞线护管。

所述地基饱和度现场测试装置，所述地下水采集管由金属材料构成，内部直径为1~10 cm，长度为10~50 cm。

所述地基饱和度现场测试装置，所述地下水采集管的透明观察窗表面带有尺寸刻度，透明观察窗的长度为8~40 cm。

所述地基饱和度现场测试装置，所述挡板通过铰链与地下水采集管底部相连，挡板中心设置有对应进水口的密封塞和密封垫圈。

所述地基饱和度现场测试装置，所述活塞连杆的长度大于地下水采集管的长度2~5 cm。

所述地基饱和度现场测试装置，所述活塞连杆护筒的长度大于等于活塞连杆的长度，直径大于活塞连杆的直径0.1~0.5 cm。

一种包含地基饱和度现场测试装置的地基饱和度现场测试方法，包括以下技术步骤：

（1）  使用前将透水石煮沸超过30 min，装入地下水采集管进水口内壁；

（2）  将钢丝绞线一端固定在活塞连杆上端；

（3）  将活塞连杆护筒穿过钢丝绞线护管，固定在地下水采集管上端；

（4）  将钢丝绞线护管下端与活塞连杆护筒上端用铆钉固定；

（5）  将活塞投入地下水采集管底部，排出地下水采集管内的空气，挡板处于关闭状态；

（6）  利用钻机或静压的方式，将空心钻杆打入到地基以下一定深度，并静置30 min以上，使得空心钻杆内部的水不含有额外空气的扰动，记录此时钻杆的深度及当前地下水位；

（7）  将地下水采集管沿空心钻杆内壁放入到空心钻杆底部；

（8）  拉动钢丝绞线缓慢抽出，带动活塞连杆在地下水采集管内运动，挡板在地下水压力和地下水采集管内的真空压力作用下自动打开；

（9）  将地下水采集器从空心钻杆中取出，并放入装有水的容器中，将地下水采集管进水口浸没在水中；

（10）  卸除活塞连杆护筒，取下活塞连杆上端的钢丝绞线；

（11）  将地下水采集管竖直方向放置，在活塞连杆上端施加配重，压缩地下水采集管中的水体；

（12）  从透明观察窗中记录活塞运动的距离；

（13）  根据配重荷载大小和活塞运动的距离，按照下式计算水的体积模量：

                                                                     

式中，为水的体积模量，为配重的重量，为活塞的重量， 为活塞的表面积， 为采集管取样的深度， 为现场水位的深度，为地下水的密度， 为配重作用下活塞推进的距离， 为配重作用之前地下水采集管中水的长度；

根据水的体积模量，按照下式计算地基的饱和度：

                         

式中， 为地基的饱和度；为纯水的体积模量，可取2.2GPa，为空气的体积模量，可取为0.142 MPa；

（14）  排出地下水采集管中的水；

（15）  重复执行(2) ~ (14)的步骤进行多次测量和不同深度处的测量。

本发明的优点和效果在于：

(1) 本发明的设备和方法可以在现场测量地基的饱和度，所有设备均为机械式结构，稳定性高，可操作性强；

(2) 本发明中地下水采集管进水口内的透水石始终处于浸水状态，可进行多次测量，测量时间短，效率高；

(3) 本发明的测量精度高，通过计算，在地下水采集管内径2 cm，取样长度20 cm，配重20 kg的条件下，取样深度在地下水位以下0~20 m变化时，在饱和度99%的情况下，活塞压缩距离为0.3~0.5 cm；在饱和度95%的情况下，活塞压缩距离为3~5.5 cm，该范围可直接肉眼从透明观察窗上观测出来。

(4) 本发明成本低廉，设备简单，可用于实际工程中的推广应用。

附图说明

图1为本发明进行地基饱和度现场测试步骤示意图；

图2为本发明地下水采集管内部示意图；

图3 为本发明地下水采集管底部示意图；

图4 为本发明地下水采集管顶部示意图；

图5为本发明地下水采集管底部挡板构造示意图；

图6为本发明活塞压缩量与地基饱和度之间参考关系图。

图中，1为空心钻杆，2为钻头，3为小孔，4为地下水采集管，5为活塞连杆护筒，6为活塞连杆，7为钢丝绞线，8为绞线护管，9为拉环，10为配重，11为透明观察窗，12为活塞，13为进水口，14为透水石，15为挡板，16为密封塞，17为铰链，18为铆钉，19为密封垫圈，20为集水容器。

具体实施方式

现结合具体实施例对本发明的技术方案进一步进行解释。

见附图1所示，一种地基饱和度现场测试装置，包括带有透明观察窗11的地下水采集管4、活塞12、活塞连杆6、活塞连杆护筒5、透水石14、挡板15、进水口13、密封塞16、铰链17、铆钉18、密封垫圈19、绞线护管8、钢丝绞线7和拉环9，活塞的外径与地下水采集管的内径相同，活塞连杆的一端固定在活塞中心，活塞与活塞连杆放置在地下水采集管内壁，活塞连杆护筒一端与地下水采集管连接，另一端与绞线护管连接，绞线护管内部的钢丝绞线一侧与地表处的拉环连接，另一端穿过活塞连杆护筒连接在活塞连杆上，地下水采集进水口内壁安装有透水石；地下水采集管可沿空心钻管内部下放至钻杆底部采集地下水样本，并可从空心钻杆中取出移至地表；所述活塞连杆护筒可从地下水采集管上拆卸下来，露出活塞连杆。

工作原理：空心钻杆1打入地基深处，钻杆底部设置小孔3，地基的地下水可沿着小孔渗入空心钻杆内部；将地下水采集管从地表沿空心钻孔内部放入至钻孔深度位置，从地表拉动连接采集活塞的钢绞线，使采集管中吸入一定量地下水；将采集管从钻孔中取出至地表，卸除活塞护筒，在活塞连杆上部放置重物即配重10，通过采集管上的透明观察窗记录活塞的压缩距离，通过重物荷载与压缩距离的关系可计算出地下水的体积模量，进而得到该钻孔位置处地基的饱和度。

地基饱和度现场测试方法，包括以下技术步骤：

(1)  使用前将透水石煮沸超过30 min，以排出透水石中的空气，并将透水石装入地下水采集管进水口内壁固定；

(2)  将钢丝绞线一端固定在活塞连杆上端；

(3)  将活塞连杆护筒穿过钢丝绞线护管，固定在地下水采集管上端，确保活塞顶部一定范围在活塞连杆护筒的内部；

(4)  将钢丝绞线护管下端与活塞连杆护筒上端用铆钉固定；

(5)  将活塞投入地下水采集管最底部，排出地下水采集管内的空气；

(6)  利用钻机或静压的方式，将空心钻杆打入到地基以下一定深度，并静置30 min以上，使得空心钻杆内部的水不含有额外空气的扰动，记录此时钻杆的深度及当前地下水位；

(7)  将地下水采集管沿空心钻杆内壁放入到空心钻杆底部；

(8)  拉动拉环，将钢丝绞线缓慢抽出，带动活塞连杆在地下水采集管内运动，挡板在地下水压力和地下水采集管内的真空压力作用下自动打开，将地下水抽入地下水采集管中，采集到的样本在地下水采集管内的长度不小于地下水采集管本身长度的1/2；

(9)  将地下水采集器从空心钻杆中取出，并放入装有水的容器中，将地下水采集管进水口浸没在水中，防止透水石长时间暴露在空气中；

(10) 卸除活塞连杆护筒，取下活塞连杆上端的钢丝绞线；

(11) 将地下水采集管竖直方向放置，在活塞连杆上端施加配重，压缩地下水采集管中的水体；

(12) 从透明观察窗中记录活塞运动的距离；

(13) 根据配重荷载大小和活塞运动的距离，按照下式计算水的体积模量：

       

式中，为水的体积模量，为配重的重量，为活塞的重量， 为活塞的表面积， 为采集管取样的深度， 为现场水位的深度，为地下水的密度， 为配重作用下活塞推进的距离， 为配重作用之前地下水采集管中水的长度；

根据水的体积模量，按照下式计算地基的饱和度：

                         

式中， 为地基的饱和度；为纯水的体积模量，可取2.2GPa，为空气的体积模量，可取为0.142 MPa；

（14）  排出地下水采集管中的水；

（15）  重复执行(2) ~ (14)的步骤进行多次测量和不同深度处的测量。

Claims (9)

1.一种地基饱和度现场测试装置，其特征在于：包括空心钻杆装置以及设置在钻杆装置内的地下水采集装置，所述空心钻杆装置包括空心钻杆以及设置在空心钻杆下方的钻头，空心钻杆底部周向均匀开设小孔；所述地下水采集装置包括地下水采集管，地下水采集管下方开设管状进水口，进水口内贴合设置透水石；地下水采集管内设置抽吸装置，地下水采集管上方设置稳定抽吸装置的保护装置；地下水采集管设置有透明观察窗。

2.如权利要求1所述地基饱和度现场测试装置，其特征在于：所述抽吸装置包括活塞、挡板以及固定在活塞上方的活塞连杆，活塞连杆上端设置钢丝绞线；挡板设置在进水口的上方。

3.如权利要求1所述地基饱和度现场测试装置，其特征在于：所述保护装置包括设置在地下水采集管上方的活塞连杆护筒，以及设置在活塞连杆护筒上方的钢丝绞线护管。

4. 如权利要求1或2或3所述地基饱和度现场测试装置，其特征在于：所述地下水采集管由金属材料构成，内部直径为1~10 cm，长度为10~50 cm。

5.如权利要求4所述地基饱和度现场测试装置，其特征在于：所述地下水采集管的透明观察窗表面带有尺寸刻度，透明观察窗的长度为8~40 cm。

6.如权利要求5所述地基饱和度现场测试装置，其特征在于：所述挡板通过铰链与地下水采集管底部相连，挡板中心设置有对应进水口的密封塞和密封垫圈。

7.如权利要求6所述地基饱和度现场测试装置，其特征在于：所述活塞连杆的长度大于地下水采集管的长度2~5 cm。

8.如权利要求7所述地基饱和度现场测试装置，其特征在于：所述活塞连杆护筒的长度大于等于活塞连杆的长度，直径大于活塞连杆的直径0.1~0.5 cm。

9.一种包含权利要求3-8中任一地基饱和度现场测试装置的地基饱和度现场测试方法，包括以下技术步骤：

（1）使用前将透水石煮沸超过30 min，装入地下水采集管进水口内壁；

（2）将钢丝绞线一端固定在活塞连杆上端；

（3）将活塞连杆护筒穿过钢丝绞线护管，固定在地下水采集管上端；

（4）将钢丝绞线护管下端与活塞连杆护筒上端用铆钉固定；

（5）将活塞投入地下水采集管底部，排出地下水采集管内的空气，挡板处于关闭状态；

（6）利用钻机或静压的方式，将空心钻杆打入到地基以下一定深度，并静置30 min以上，使得空心钻杆内部的水不含有额外空气的扰动，记录此时钻杆的深度及当前地下水位；

（7）将地下水采集管沿空心钻杆内壁放入到空心钻杆底部；

（8）拉动钢丝绞线缓慢抽出，带动活塞连杆在地下水采集管内运动，挡板在地下水压力和地下水采集管内的真空压力作用下自动打开； 

（9）将地下水采集器从空心钻杆中取出，并放入装有水的容器中，将地下水采集管进水口浸没在水中；

（10）卸除活塞连杆护筒，取下活塞连杆上端的钢丝绞线；

（11）将地下水采集管竖直方向放置，在活塞连杆上端施加配重，压缩地下水采集管中的水体；

（12）从透明观察窗中记录活塞运动的距离；

根据配重荷载大小和活塞运动的距离，按照下式计算水的体积模量：

                                                                     

式中，为水的体积模量，为配重的重量，为活塞的重量， 为活塞的表面积， 为

采集管取样的深度， 为现场水位的深度，为地下水的密度， 为配重作用下活塞推进的距离， 为配重作用之前地下水采集管中水的长度；

（13）根据水的体积模量，按照下式计算地基的饱和度：

                         

式中， 为地基的饱和度；为纯水的体积模量，可取2.2GPa，为空气的体积模量，可取为0.142 MPa；

（14）排出地下水采集管中的水；

重复执行(2) ~ (14)的步骤进行多次测量和不同深度处的测量。