CN105606507B - 粘性土临界水力梯度测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘性土临界水力梯度测试仪及测试方法，其特征是：设置圆柱形试样筒，在试样筒的下部放置透水石作为垫层，在透水石上放置圆柱形粘性土试样，在粘性土试样的顶面设置圆环形压环，圆环形压环利用螺丝紧固在试样筒的内侧壁上，在试样筒的侧壁上，处在圆环形压环的上方设置有溢水口，在试样筒的底部侧壁上设置进水口，透水石处在进水口的上方；在试样筒的上方、朝向粘性土试样的顶面设置有摄像头；设置密闭的气水交换箱，利用气压转换为水压向粘性土试样施加压力，通过数据采集和控制系统实施分级加压，进而测定粘性土的临界水力梯度，其方法简单可靠。本发明采用气水交换箱替代了传统的位置水头式实验方式，可减小实验所需空间。

Description

粘性土临界水力梯度测试仪及测试方法

技术领域

本发明涉及土工参数测试技术，更具体地说是一种粘性土临界水力梯度测试仪及测试方法，用于测定饱和粘性土的临界水力梯度。

背景技术

土体抵抗渗流破坏的能力是土体的一项重要性能指标。在一定水力梯度作用之下，土体内的细颗粒随渗流移动并被带出边界面，称为管涌，其边界面附近土体整体浮动的现象称为流土，二者均为土体渗透破坏的主要形式。

而粘性土渗透破坏的主要形式是边界面上的剥落和沿裂缝或洞穴的冲刷和侵蚀，其抵抗渗透破坏能力同它的矿物特性、物理化学特性以及结构特性等相关。具有稳固团粒结构的凝聚性土渗透稳定性好，具有不稳定胶结的分散性土渗透稳定性差。工程常以临界水力梯度作为土的渗透稳定性的判定指标。

粘性土的渗透变形特性是水利工程领域中的一项重要研究课题。一方面，国内已建成的绝大多数土石坝和堤防的防渗体是由粘性土建成，这些防渗体在渗流作用下能否稳定是土石坝和堤防能否安全运行的关键。如江西省荷树峡水库和福建省梁山水库的土坝，因分粘性土防渗体抗渗能力不足，在水库蓄水后，下游出现集中渗漏，不久水色变浑，造成了严重险情；另一方面，粘性土渗透破坏和无粘性土有着明显不同的机理，前者的破坏坡降基本不取决于土体颗粒级配，而是在极大程度上取决于它的粘土矿物成分、交换性阳离子数量和成分、孔隙流体的含盐浓度和成分等物理化学因素。

由于上述原因，对粘性土的渗透破坏特性的研究还远没有达到无粘性砂类土那样规范化的程度，对于粘性土的临界水力梯度的测定装置以及测定方法也没有规范化，实际工程中也难以进行实验，参数取值大多也只是根据经验确定，这可能存在较大误差、并使工程偏于危险或不经济。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种粘性土临界水力梯度测试仪及测试方法，以期能够便捷地进行粘性土临界水力梯度的测定，同时对渗透破坏现象进行分析，获得可靠的粘性土临界水力梯度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明粘性土临界水力梯度测定仪的结构特点是：

设置圆柱形试样筒，在所述试样筒的下部放置透水石作为垫层，在所述透水石上放置圆柱形粘性土试样，在所述粘性土试样的顶面设置圆环形压环，所述圆环形压环利用螺丝紧固在试样筒的内侧壁上，在所述试样筒的侧壁上，处在所述圆环形压环的上方设置有溢水口，在所述试样筒的底部侧壁上设置进水口，所述透水石处在进水口的上方；在所述试样筒的上方、朝向粘性土试样的顶面设置有摄像头；

设置密闭的气水交换箱，在所述气水交换箱的底部侧壁上分别设置一进水口和一出水口，所述进水口通过进水阀与外部水源管相连通；所述出水口通过输水管路与试样筒底部侧壁上的进水口相连通；在所述输水管路上设置排水阀以及压力传感器；在所述气水交换箱的顶部分别设置有排气阀和进气口；

设置气源罐，在所述气源罐的出气口上设置气压控制阀，并通过输气管路与气水交换箱上的进气口相连通。

本发明粘性土临界水力梯度测定仪的结构特点也在于：设置由控制器和数据采集器构成的控制单元，利用所述数据采集器采集获得压力传感器的监测数据，由控制器输出控制信号用于调节气压控制阀的开度，数据采集器同步采集摄像头的视频数据用于后期分析。

本发明利用测定仪实现粘性土临界水力梯度测试的方法的特点是按如下过程进行：

步骤1：将饱和的粘性土试样放置在透水石上，记录粘性土试样在试样筒中的高度为L，粘性土试样的顶面至溢水口的垂直距离记为h，将圆环形压环置于粘性土试样的顶面，并利用螺丝将圆环形压环与试样筒的侧壁进行固定，保持圆环形压环在试样筒侧壁上不发生移动；

步骤2：关闭排水阀、打开进水阀，通过进水阀向气水交换箱中注水，并通过排气阀排气；在气水交换箱中的液面高度达到设定值时关闭进水阀，打开排水阀；

步骤3：控制气压控制阀的开度，使压力传感器的读数达到并保持在设定的压力值P、维持气压控制阀对应的开度不变，在时长T内若压力传感器的监测数据未呈现明显的下降，则表明粘性土试样未发生渗透破坏，进入步骤4；若压力传感器中的监测数据呈一明显的下降，则表明粘性土试样已经被破坏，需适当减小初始的压力值P重新对另一试样进行实验，返回步骤1；

步骤4：在压力值P的基础上，按时长T逐级增加气压控制阀的开度，使压力传感器中的读数按设定的压力梯度值ΔP、并以设定的时长T为时间间隔，逐级增加为P+ΔP、P+2ΔP、…、P+nΔP，维持各级压力对应的气压控制阀开度不变；

步骤5：在压力值达到P+nΔP的时刻t时，压力传感器中的读数自P+nΔP呈一明显的下降，则预断t时刻为粘性土试样的临界破坏点，关闭气压控制阀；

步骤6：观察在时刻t下由摄像头获得的粘性土试样表面的图像变化情况，若粘性土试样为渗透破坏，则时刻t临界破坏点的水力梯度即为临界水力梯度，压力值P+nΔP对应水柱高度为H，临界水力梯度为：(H-h)/L；

所述时长T是指不小于水从粘性土试样的底部渗透到顶部所需时间，n为正整自然数。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用气水交换箱替代了传统的位置水头式实验方式，可减小实验所需空间。

2、本发明根据压力传感器的数值变化可以计算出粘性土的临界水力梯度，通过与摄像头记录的数据进行对比，可以验证所得的临界水力梯度是否正确，从而保证测试数据的准确性。

3、本发明通过数据采集和控制系统，可根据压力传感器等采集到的实时数据，控制气压控制阀的开度并使得压力传感器维持一个相对稳定的数值，再通过控制系统根据实验情况自动实施逐级加压，最终当达到渗透破坏判定条件时可自动终止实验，并进行数据处理，获得临界水力梯度。全过程均可自动化，缩短实验周期、节省成本。

附图说明

图1为本发明中粘性土临界水力梯度测试仪结构示意图；

图2为利用发明方法进行测试所获得的关于试样的压力和时间关系；

图中标号：1控制器、2数据采集器、3气源罐、4气水交换箱、5试样筒、6粘性土试样、7透水石、8溢水口、9摄像头、10排水阀、11压力传感器、12排气阀、13进水阀、14气压控制阀、15输水管路、16输气管路、17气压控制数据线、18压力数据采集数据线、19摄像头信息数据线、20压环、21螺丝。

具体实施方式

参见图1，本实施例中粘性土临界水力梯度测定仪的结构形式是：

设置圆柱形试样筒5，在所述试样筒5的下部放置透水石7作为垫层，在所述透水石7上放置圆柱形粘性土试样6，在所述粘性土试样6的顶面设置圆环形压环20，所述圆环形压环20利用螺丝21紧固在试样筒5的内侧壁上，在所述试样筒5的侧壁上，处在所述圆环形压环20的上方设置有溢水口8，在所述试样筒5的底部侧壁上设置进水口，所述透水石7处在进水口的上方；在所述试样筒5的上方、朝向粘性土试样6的顶面设置有摄像头9；

设置密闭的气水交换箱4，在所述气水交换箱4的底部侧壁上分别设置一进水口和一出水口，所述进水口通过进水阀13与外部水源管相连通；所述出水口通过输水管路15与试样筒5底部侧壁上的进水口相连通；在所述输水管路15上设置排水阀10以及压力传感器11；在所述气水交换箱4的顶部分别设置有排气阀12和进气口；

设置气源罐3，在所述气源罐3的出气口上设置气压控制阀14，并通过输气管路16与气水交换箱4上的进气口相连通。

具体实施中，设置由控制器1和数据采集器2构成的控制单元，利用数据采集器2通过压力数据采集数据线18采集获得压力传感器11的监测数据，利用摄像头信息数据线19采集获得摄像头9的监测信号，由控制器1通过气压控制数据线17输出控制信号用于调节气压控制阀14的开度，数据采集器2同步采集摄像头9的视频数据用于后期分析，实现测试过程的自动控制。

本实施例中利用测定仪实现粘性土临界水力梯度测试的方法是按如下过程进行：

步骤1：将饱和的粘性土试样6放置在透水石7上，记录粘性土试样6在试样筒5中的高度为L，粘性土试样6的顶面至溢水口8的垂直距离记为h，将圆环形压环20置于粘性土试样6的顶面，并利用螺丝21将圆环形压环20与试样筒5的侧壁进行固定，保持圆环形压环20在试样筒5侧壁上不发生移动。

步骤2：关闭排水阀10、打开进水阀13，通过进水阀13向气水交换箱4中注水，并通过排气阀12排气；在气水交换箱4中的液面高度达到设定值时关闭进水阀13，打开排水阀10。

步骤3：控制气压控制阀14的开度，使压力传感器11的读数达到并保持在设定的压力值P并维持气压控制阀14对应的开度不变，在时长T内若压力传感器11的监测数据未呈现明显的下降，则表明粘性土试样6未发生渗透破坏，进入步骤4；若压力传感器11中的监测数据呈一明显的下降，则表明粘性土试样6已经被破坏，需适当减小初始的压力值P重新对另一试样进行实验，返回步骤1。

步骤4：在压力值P的基础上，按时长T逐级增加气压控制阀14的开度，使压力传感器(11)中的读数按设定的压力梯度值ΔP、并以设定的时长T为时间间隔，逐级增加为P+ΔP、P+2ΔP、…、P+nΔP，维持各级压力对应的气压控制阀14开度不变。

步骤5：在压力值达到P+nΔP的时刻t时，压力传感器11中的读数自P+nΔP呈一明显的下降，则预断t时刻为粘性土试样6的临界破坏点，关闭气压控制阀14。

步骤6：观察在时刻t下由摄像头9获得的粘性土试样6表面的图像变化情况，若粘性土试样6为渗透破坏，则时刻t临界破坏点的水力梯度即为临界水力梯度，压力值P+nΔP对应水柱高度为H，临界水力梯度为：(H-h)/L。

所述时长T是指不小于水从粘性土试样6的底部渗透到顶部所需时间，n为正整自然数。

图2所示，是在压力值为P+2ΔP、时刻为t_m时，压力传感器中的读数自P+2ΔP呈一明显的下降，观察由摄像头获得的粘性土试样6表面的图像发生变化，若符合粘性土渗透破坏，则此时所对应的水力梯度即为临界水力梯度。

饱和的粘性土试样6是指以粘性土原状土制成的试样，或是重塑土制成的试样，制作方式依据土工试验规程，将制作完成的试样放入饱和器内进行饱和，在饱和完成后即完成粘性土试样的制备，试样安装时应排除气水交换箱4到透水石7顶部的气体以保证初始加压状态下试样饱和；气源罐3中的气体必须为难溶于水的气体，比如氮气，以避免气体溶于水，影响试验结果；气水交换箱4为密闭的有机玻璃圆柱筒，将气压转换为水压；试样筒5为圆柱形钢筒，压环20为钢环；透水石7选择为金刚砂透水石。

Claims (3)

1.一种粘性土临界水力梯度测定仪，其特征是：

设置圆柱形试样筒(5)，在所述试样筒(5)的下部放置透水石(7)作为垫层，在所述透水石(7)上放置圆柱形粘性土试样(6)，在所述粘性土试样(6)的顶面设置圆环形压环(20)，所述圆环形压环(20)利用螺丝(21)紧固在试样筒(5)的内侧壁上，在所述试样筒(5)的侧壁上，处在所述圆环形压环(20)的上方设置有溢水口(8)，在所述试样筒(5)的底部侧壁上设置进水口，所述透水石(7)处在进水口的上方；在所述试样筒(5)的上方、朝向粘性土试样(6)的顶面设置有摄像头(9)；

设置密闭的气水交换箱(4)，在所述气水交换箱(4)的底部侧壁上分别设置一进水口和一出水口，所述进水口通过进水阀(13)与外部水源管相连通；所述出水口通过输水管路(15)与试样筒(5)底部侧壁上的进水口相连通；在所述输水管路(15)上设置排水阀(10)以及压力传感器(11)；在所述气水交换箱(4)的顶部分别设置有排气阀(12)和进气口；

设置气源罐(3)，在所述气源罐(3)的出气口上设置气压控制阀(14)，并通过输气管路(16)与气水交换箱(4)上的进气口相连通。

2.根据权利要求1所述的粘性土临界水力梯度测定仪，其特征是：设置由控制器(1)和数据采集器(2)构成的控制单元，利用所述数据采集器(2)采集获得压力传感器(11)的监测数据，由控制器(1)输出控制信号用于调节气压控制阀(14)的开度，数据采集器(2)同步采集摄像头(9)的视频数据用于后期分析。

3.利用权利要求1所述测定仪实现粘性土临界水力梯度测试的方法，其特征是按如下过程进行：

步骤1：将饱和的粘性土试样(6)放置在透水石(7)上，记录粘性土试样(6)在试样筒(5)中的高度为L，粘性土试样(6)的顶面至溢水口(8)的垂直距离记为h，将圆环形压环(20)置于粘性土试样(6)的顶面，并利用螺丝(21)将圆环形压环(20)与试样筒(5)的侧壁进行固定，保持圆环形压环(20)在试样筒(5)侧壁上不发生移动；

步骤2：关闭排水阀(10)、打开进水阀(13)，通过进水阀(13)向气水交换箱(4)中注水，并通过排气阀(12)排气；在气水交换箱(4)中的液面高度达到设定值时关闭进水阀(13)，打开排水阀(10)；

步骤3：控制气压控制阀(14)的开度，使压力传感器(11)的读数达到并保持在设定的压力值P、维持气压控制阀(14)对应的开度不变，在时长T内若压力传感器(11)的监测数据未呈现明显的下降，则表明粘性土试样(6)未发生渗透破坏，进入步骤4；若压力传感器(11)中的监测数据呈一明显的下降，则表明粘性土试样(6)已经被破坏，需适当减小初始的压力值P重新对另一试样进行实验，返回步骤1；

步骤4：在压力值P的基础上，按时长T逐级增加气压控制阀(14)的开度，使压力传感器(11)中的读数按设定的压力梯度值ΔP、并以设定的时长T为时间间隔，逐级增加为P+ΔP、P+2ΔP、…、P+nΔP，维持各级压力对应的气压控制阀(14)开度不变；

步骤5：在压力值达到P+nΔP的时刻t时，压力传感器(11)中的读数自P+nΔP呈一明显的下降，则预断t时刻为粘性土试样(6)的临界破坏点，关闭气压控制阀(14)；

步骤6：观察在时刻t下由摄像头(9)获得的粘性土试样(6)表面的图像变化情况，若粘性土试样(6)为渗透破坏，则时刻t临界破坏点的水力梯度即为临界水力梯度；

所述时长T是指不小于水从粘性土试样(6)的底部渗透到顶部所需时间，n为正整自然数。