CN104749081B - 低渗土体水压传递规律测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低渗土体水压传递规律测试装置及其测试方法，该装置由渗流测试系统、固结压力施加系统和水压施加系统三部分组成。渗流测试系统包括工作平台、渗流筒、水压传感器、水压表、位移计、量水桶、称重传感器以及计算机数据采集系统；固结压力施加系统包括加载横梁、加载立柱、配重调节吊篮、顶杆和钢珠；水压施加系统包括气泵、压力罐、气压表、水管、气压管、水阀以及气阀。具体测试方法是将试验土样分层填入渗流筒中后，加水饱和，然后按试验要求施加固结压力和水压，待土样固结完成、变形稳定后，测试土样不同高度处的孔压和渗透系数，完成该级压力下的测试后还可变化固结压力和水压进行连续测试，从而得到低渗土体的水压传递规律。

Description

低渗土体水压传递规律测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种土工实验测试方法，具体是一种低渗土体水压传递规律测试装置及其测试方法，属于岩土工程领域。

背景技术

随着城市化的发展，地下空间的开发已引起人们的关注，大规模的地下建筑也越来越多，如地下商场、地下停车场、地铁及隧道等。上述地下结构的抗浮设计是目前的难点，尤其是埋置于低渗透土层中地下结构的浮力大小，由于低渗透土层孔隙吼道狭窄、连通性差、渗透性差，存在各相间的表面性质和作用(包括吸附作用、水化膜作用、盐组分渗吸作用、边界层作用、各种界面作用)，导致水压传递机理不明确。

现有计算方法不区分土层透水性的强弱，直接套用阿基米德定律，相关室内试验也仅包含渗透实验和固结实验两项，而这两项试验难以直接反映水压的传递情况。现有的渗透实验不仅不能给土体施加不同的固结压力，且试验所施加的水头也很小，不能体现试验土样所处的实际压力环境；所得试验结果是基于渗透满足达西定律基础上的，但低渗土体的渗流往往存在非达西现象。而现有的固结试验虽然可以施加不同的固结压力，但不能施加水压，得不到土样的渗透系数，更得不到土样中的孔压。

综上所述，为合理确定低渗透土层中的地下结构浮力大小，迫切需要一种能够直接测试得到低渗土体水压传递规律的方法和装置。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种低渗土体水压传递规律测试装置及其测试方法，能灵活改变固结压力和水压，直接测定低渗土体水压变化规律。

本发明的技术方案为：一种低渗土体水压传递规律测试装置，其特征是，包括渗流测试系统、固结压力施加系统和水压施加系统；所述的渗流测试系统包括工作平台和设置在工作平台上的渗流筒，所述渗流筒包括盛土筒和设于盛土筒上方的盖板、设于盛土筒下方的底座，在所述盛土筒的侧面不同高度位置处设有水压传感器；在所述盖板的中心孔内穿设有加压杆，所述加压杆一侧设有位移计，所述加压杆上方设有固结压力施加系统；所述盖板上还设有测压孔和进水口，所述测压孔内安装有水压表，所述进水口通过水管与水压施加系统相连接；所述底座的侧面设有泄水孔，所述泄水孔通过水管与量水桶相连接，所述量水桶上连接有称重传感器；所述水压传感器、水压表、位移计和称重传感器与计算机数据采集系统相连接。

进一步地，所述固结压力施加系统包括加载横梁和加载立柱，所述加载立柱锚固于地面，与加载横梁铰结形成杠杆，所述加载横梁的两端悬挂有配重调节吊篮；所述加载横梁的下方设有顶杆，所述顶杆通过钢珠与所述加压杆相连接，固结压力施加系统为试验提供所需的不同固结压力。

进一步地，所述顶杆与加载横梁接触面上留有螺栓孔，通过螺栓将顶杆固定在加载横梁上。

进一步地，所述顶杆端部为凹弧状，与所述钢珠相契合。

进一步地，所述水压施加系统包括气泵和压力罐，所述气泵和压力罐之间通过气压管相连接，所述压力罐通过水管与渗流筒相连接，所述气压管和水管上分别设有气阀和水阀，所述压力罐内设有水，所述压力罐上设有气压表。基于水压表的读数，通过调节水阀和气阀，将气泵内的气压注入盛水的压力罐中，并将压力罐中的水压入渗流筒中，实现试验水压的施加，为试验提供所需的不同水压。

进一步地，所述底座上方设有底部透水石，所述加压杆下方设有顶部透水石，所述底部透水石和顶部透水石之间为土样。

进一步地，所述加压杆的杆体设置环形凹槽，所述凹槽中嵌入密封圈；在所述加压杆上设置套箍形成一个平台，所述套箍上放置位移计。

进一步地，所述盖板底面与盛土筒连接处设置有盖板凹槽，所述盖板凹槽内嵌密封圏；盖板与盛土筒通过螺栓相连接，保证渗流筒在试验过程中的密闭性，防止水压的泄漏。

进一步地，所述底座顶面与盛土筒连接处设置有底座凹槽，所述底座凹槽内嵌密封圏，所述底座与盛土筒通过螺栓连接，保证渗流筒在试验过程中的密闭性，防止水压的泄漏。

本发明还公开了基于一种低渗土体水压传递规律测试装置的测试方法，其特征是，包括以下步骤：将试验土样分层填入渗流筒中后，加水饱和，然后按试验要求分别利用固结压力施加系统和水压施加系统施加固结压力和水压，待土样固结完成、变形稳定后，利用渗流测试系统测试土样不同高度处的孔压和渗透系数；完成该级压力下的测试后变化固结压力和水压进行连续测试，从而得到低渗土体的水压传递规律。

本发明所达到的有益效果：在盛土筒的侧面不同高度位置处设置水压传感器，通过测试分析土样顶部、水压传感器位置高度处和底部泄水孔处共4点的水压，得到水压在低渗土体中的传递、消散和水头损失情况；配备量水桶和称重传感器收集并秤取试验过程中从底部渗出的水，可获得低渗土体在不同压力下、任意时刻的渗透系数。本发明能灵活改变固结压力和水压，直接测定低渗土体水压变化规律，解决了现有土工试验的不足。

附图说明

图1是本发明低渗土体水压传递规律测试流程图；

图2是本发明低渗土体水压传递规律测试装置图；

图3是本发明渗流筒装配图；

图4是本发明加压杆的俯视图；

图5是本发明加压杆的剖面图；

图6是本发明盖板的俯视图；

图7是本发明盖板的剖面图；

图8是本发明盛土筒的俯视图；

图9是本发明盛土筒的剖面图；

图10是本发明底座的俯视图；

图11是本发明底座的正视图。

图中各主要附图标记的含义为：

1－加载横梁；2－配重调节吊篮；3－加载立柱；4－气泵；

5－压力罐；6－气压管；7－气阀；8－气压表；

9－水管；10－水阀；11－工作平台；12－渗流筒；

13－水压传感器；14－水压表；15－位移计；16－钢珠；

17－顶杆；18－计算机数据采集系统；19－量水桶；20－称重传感器；

21－盛土筒；22－底座；23－盖板；24－加压杆；

25－底部透水石；26－顶部透水石；27－螺栓；28－泄水孔；

29－进水口；30－密封圈；31－测压孔；32－沟槽；

33－凹坑；34－孔道；35－凹槽；36－套箍；

37－盖板凹槽；38－底座凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2至图7所示，一种低渗土体水压传递规律测试装置，包括渗流测试系统、固结压力施加系统和水压施加系统；所述的渗流测试系统包括工作平台11和设置在工作平台11上的渗流筒12，所述渗流筒12包括盛土筒21和设于盛土筒21上方的盖板23、设于盛土筒21下方的底座22，在所述盛土筒21的侧面不同高度位置处设有水压传感器13；在所述盖板23的中心孔内穿设有加压杆24，所述加压杆24一侧设有位移计15，所述加压杆24上方设有固结压力施加系统；所述盖板23上还设有测压孔31和进水口29，所述测压孔31内安装有水压表14，所述进水口29通过水管9与水压施加系统相连接；所述底座22的侧面设有泄水孔28，所述泄水孔28通过水管与量水桶19相连接，所述量水桶19上连接有称重传感器20；所述水压传感器13、水压表14、位移计15和称重传感器20与计算机数据采集系统18相连接。

所述固结压力施加系统包括加载横梁1和加载立柱3，所述加载立柱3锚固于地面，与加载横梁1铰结形成杠杆，所述加载横梁1的两端悬挂有配重调节吊篮2；所述加载横梁1的下方设有顶杆17，所述顶杆17通过钢珠16与所述加压杆24相连接。

所述顶杆17与加载横梁1接触面上留有螺栓孔，通过螺栓将顶杆17固定在加载横梁1上。

所述顶杆17端部为凹弧状，与所述钢珠16相契合。

所述水压施加系统包括气泵4和压力罐5，所述气泵4和压力罐5之间通过气压管6相连接，所述压力罐5通过水管9与渗流筒12相连接，所述气压管6和水管9上分别设有气阀7和水阀10，所述压力罐5内设有水，所述压力罐5上设有气压表8。

所述底座22上方设有底部透水石25，所述加压杆24下方设有顶部透水石26，所述底部透水石25和顶部透水石26之间为土样。

所述加压杆24的杆体设置环形凹槽35，所述凹槽35中嵌入密封圈30；在所述加压杆24上设置套箍36形成一个平台，所述套箍36上放置位移计15。

所述盖板23底面与盛土筒21连接处设置有盖板凹槽37，所述盖板凹槽37内嵌密封圏；盖板23与盛土筒21通过螺栓27相连接。

所述底座22顶面与盛土筒21连接处设置有底座凹槽38，所述底座凹槽38内嵌密封圏，所述底座22与盛土筒21通过螺栓27连接。

如图1所示，本发明还公开了基于一种低渗土体水压传递规律测试装置的测试方法，包括以下步骤：将试验土样分层填入渗流筒12中后，加水饱和，然后按试验要求分别利用固结压力施加系统和水压施加系统施加固结压力和水压，待土样固结完成、变形稳定后，利用渗流测试系统测试土样不同高度处的孔压和渗透系数；完成该级压力下的测试后变化固结压力和水压进行连续测试，从而得到低渗土体的水压传递规律。

低渗土体水压传递规律的整个测试流程如图1所示，试验装置如图2所示，现以某种土体为试验对象，进行固结压力为100kPa、水压以50kPa为增幅从50kPa递增至300kPa时土体的渗透系数变化情况和水压传递规律，具体操作步骤如下：

1、制定试验加载方案：固结压力为100kPa、水压以50kPa为增幅从50kPa递增至300kPa，准备好吊篮配重2备用。

2、将气压表8安装在压力罐5上后，往压力罐5中加半罐水，并用气压管6将气泵4与之连接，关好气阀7，启动气泵4，储存好气压备用。

3、将两个水压传感器13安装在盛土筒21侧面，在底座22上放置透水石25，并在在底座凹槽38中嵌入密封圈后，将底座22与盛土筒21用4个螺栓27连接。

4、将试验土样分层填入上述组装的盛土筒21中，分层高度依次为5cm、10cm、10cm、10cm，每填一层土都需压实，并在土样顶部加透水石26。

5、在加压杆24的凹槽35中嵌入密封圈30，然后穿过盖板23的中心孔，同时在盖板凹槽37中嵌入密封圈，然后将盖板23与盛土筒21用4个螺栓27连接。

6、将水压表14安装于盖板23的测压孔31中，并将水管9与盖板23的进水口29相连，关好水阀10待用。

7、将位移计15通过套箍36安装在加压杆24上，并在加压杆端部凹坑33中放上钢珠16，同时与顶杆17端部的凹坑接触。

8、用水管连接泄水孔28，以将渗水引入量水桶19中，同时将称重传感器20接在量水桶19上。

9、将水压传感器13、位移计15和称重传感器20连接到计算机上，并打开计算机数据采集系统18，各组件装配完成，开始试验。

10、先施加起始固结压力，然后打开水阀10和气阀7施加起始水压，完成土体的饱和。

11、土体饱和后，依据试验加载方案，施加100kPa的固结压力，然后施加50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa的水压，测试各项试验数据，计算得到渗透系数以及水压传递规律，如表1所示。

表1水压传递试验测试结果

施加的外部水压/kPa	50	100	150	200	250	300
							渗透系数/10-8cm.s-1	26.5	27.7	28.3	35.2	40.5	41.9
土样顶部水压/kPa	50	100	150	200	250	300
							土样中偏上部水压/kPa	12	13	22	42	69	110
土样中偏下部水压/kPa	8	9	18	33	53	84
							底部泄水孔处水压/kPa	0	0	0	0	0	0

由表1数据可知，土样的渗透系数是随水压增大而增加的，不同于现有认识中的与水压无关；同样，四点的水压值反映水压在土样中的传递是折线变化的，不同于现有认识中的线性变化，可见，上述试验数据揭示了低渗土体特有的水压传递规律。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低渗土体水压传递规律测试装置，其特征是，包括渗流测试系统、固结压力施加系统和水压施加系统；所述的渗流测试系统包括工作平台（11）和设置在工作平台（11）上的渗流筒（12），所述渗流筒（12）包括盛土筒（21）和设于盛土筒（21）上方的盖板（23）、设于盛土筒（21）下方的底座（22），在所述盛土筒（21）的侧面不同高度位置处设有水压传感器（13）；在所述盖板（23）的中心孔内穿设有加压杆（24），所述加压杆（24）一侧设有位移计（15），所述加压杆（24）上方设有固结压力施加系统；所述盖板（23）上还设有测压孔（31）和进水口（29），所述测压孔（31）内安装有水压表（14），所述进水口（29）通过水管（9）与水压施加系统相连接；所述底座（22）的侧面设有泄水孔（28），所述泄水孔（28）通过水管与量水桶（19）相连接，所述量水桶（19）上连接有称重传感器（20）；所述水压传感器（13）、水压表（14）、位移计（15）和称重传感器（20）与计算机数据采集系统（18）相连接；所述水压施加系统包括气泵（4）和压力罐（5），所述气泵（4）和压力罐（5）之间通过气压管（6）相连接，所述压力罐（5）通过水管（9）与渗流筒（12）相连接，所述气压管（6）和水管（9）上分别设有气阀（7）和水阀（10），所述压力罐（5）内设有水，所述压力罐（5）上设有气压表（8）。

2.根据权利要求1所述的一种低渗土体水压传递规律测试装置，其特征是，所述固结压力施加系统包括加载横梁（1）和加载立柱（3），所述加载立柱（3）锚固于地面，与加载横梁（1）铰结形成杠杆，所述加载横梁（1）的两端悬挂有配重调节吊篮（2）；所述加载横梁（1）的下方设有顶杆（17），所述顶杆（17）通过钢珠（16）与所述加压杆（24）相连接。

3.根据权利要求2所述的一种低渗土体水压传递规律测试装置，其特征是，所述顶杆（17）与加载横梁（1）接触面上留有螺栓孔，通过螺栓将顶杆（17）固定在加载横梁（1）上。

4.根据权利要求2所述的一种低渗土体水压传递规律测试装置，其特征是，所述顶杆（17）端部为凹弧状，与所述钢珠（16）相契合。

5.根据权利要求1所述的一种低渗土体水压传递规律测试装置，其特征是，所述底座（22）上方设有底部透水石（25），所述加压杆（24）下方设有顶部透水石（26），所述底部透水石（25）和顶部透水石（26）之间为土样。

6.根据权利要求1所述的一种低渗土体水压传递规律测试装置，其特征是，所述加压杆（24）的杆体设置环形凹槽（35），所述凹槽（35）中嵌入密封圈（30）；在所述加压杆（24）上设置套箍（36）形成一个平台，所述套箍（36）上放置位移计（15）。

7.根据权利要求1所述的一种低渗土体水压传递规律测试装置，其特征是，所述盖板（23）底面与盛土筒（21）连接处设置有盖板凹槽（37），所述盖板凹槽（37）内嵌密封圏；盖板（23）与盛土筒（21）通过螺栓（27）相连接。

8.根据权利要求1所述的一种低渗土体水压传递规律测试装置，其特征是，所述底座（22）顶面与盛土筒（21）连接处设置有底座凹槽（38），所述底座凹槽（38）内嵌密封圏，所述底座（22）与盛土筒（21）通过螺栓（27）连接。

9.基于权利要求1-8中任意一项所述的一种低渗土体水压传递规律测试装置的测试方法，其特征是，包括以下步骤：将试验土样分层填入渗流筒（12）中后，加水饱和，然后按试验要求分别利用固结压力施加系统和水压施加系统施加固结压力和水压，待土样固结完成、变形稳定后，利用渗流测试系统测试土样不同高度处的孔压和渗透系数；完成测试后变化固结压力和水压进行连续测试，从而得到低渗土体的水压传递规律。