CN106018746B - 一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置 - Google Patents

一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置及其试验方法，该装置分为三个部分，第一部分为试验装置，包括矩形有机玻璃容器、有机玻璃水槽、矩形多孔有机玻璃体、透水石；第二部分为测量装置，包括张力计、土压力盒、孔隙水压力计、含水率测试仪、沉降杆、应力应变测试仪；第三部分为供水装置，包括水箱、增压泵、流量控制器，喷头。首先根据试验要求的角度以及尺寸安放矩形多孔有机玻璃体，然后在矩形有机玻璃容器内填筑所测试土体，在填土的过程中安装测试装置，最后打开供水装置，以此来模拟不同强度、不同角度、不同尺寸的裂隙渗流过程，利用埋设在不同土层的测量装置观测土体在裂隙渗流过程中土体内部孔隙水压力，含水率，土压力及其变形等一系列的变化，得到不同土体，在不同裂隙渗流条件下的湿陷变形过程规律。

Description

一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置
技术领域
本发明涉及一种可以监测土体在裂隙渗流条件下土体湿陷过程的试验装置。该装置可以模拟在不同角度、不同强度甚至不同范围的裂隙渗流过程中，土体含水率、孔隙水压力、基质吸力、土压力等变化与湿陷变形之间的关系。此发明还涉及该试验装置的使用方法。
背景技术
目前，土体的湿陷已经成为公路、铁路和房建等领域不可忽视的问题，由地表、边坡的不均匀沉降引起的各种事故时有发生。尤其是土体湿陷性比较明显的地区，边坡在降雨期间或降雨之后，发生严重的湿陷变形，可见水进入边坡土体是引起湿陷变形的主要原因。水进入边坡土体引起的湿陷同时伴随着土体孔隙水压力、含水率、土压力等一系列的改变，而不同类型土质、不同渗流强度都会对湿陷变形产生影响。本实验装置以及试验方法对土体在裂隙渗流条件下湿陷过程的研究具有重大的意义。
现有对土体进行的湿陷试验大部分针对黄土，试验方法大都是针对降雨条件下对土体进行湿陷试验，并没有对湿陷过程与土体含水率、土压力、基质吸力、孔隙水压力之间的关系进行研究，更没有对土体在裂隙渗流条件下的湿陷过程进行研究。因此设计一种能够模拟裂隙渗流条件下观察土体湿陷过程的装置，该装置也要实现对土体含水率、孔隙水压力、土压力、基质吸力等变化的持续观测，以便分析上述变化与湿陷过程的关系。
发明内容
本发明要解决的问题是设计一种观察土体在不同裂隙渗流条件下湿陷过程的试验装置，并且能够持续观察在湿陷过程中土体含水率、基质吸力、孔隙水压力、土压力等一系列的变化。
为了解决上述技术问题，本发明提供用于分析土体在裂隙渗流状况下的湿陷特征试验装置，该装置分为三个部分，第一部分为试验装置，包括矩形有机玻璃容器、有机玻璃水槽、矩形多孔有机玻璃体、透水石；第二部分为测量装置，包括张力计、土压力盒、孔隙水压力计、含水率测试仪、沉降杆、应力应变测试仪；第三部分为供水装置，包括水箱、增压泵、流量控制器、喷头。
所述土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置的整体布局是：在矩形有机玻璃容器的上部中间位置固定有机玻璃水槽，所述有机玻璃水槽底部连接矩形多孔有机玻璃体；所述在矩形有机玻璃容器的侧壁钻有48个钻孔，这48个钻孔用来安装张力计、含水率测试仪、土压力盒、孔隙水压力计；所述土压力盒、孔隙水压计与矩形有机玻璃容器外部的应力应变测试仪相连；所述矩形有机玻璃容器的外部设有水箱、流量控制器、增压泵、喷头用来模拟裂隙渗流的强度；所述矩形有机玻璃容器的上部设有滑动尺用来固定沉降杆；所述矩形有机玻璃容器底部设有进、泄水口以便于调节所测土体的初始水位；所述矩形有机玻璃容器底部设有透水石防止土颗粒堵塞容器的进、泄水口。
所述矩形有机玻璃容器由有机玻璃制成，该容器的长度为1040mm，宽度为540mm，高度为1520mm，内侧长度1000mm，内侧宽度为500mm，内侧高度为1500mm；将矩形有机玻璃容器其中一个长度方向所在的侧面钻孔24个，分为4列每列钻孔6个，每个钻孔的直径为28mm并且上下相邻两钻孔圆心之间的距离为200mm，最底层钻孔的圆心距离矩形有机玻璃容器内侧底部200mm；在这24个钻孔的对称位置另钻钻24个直径为10mm的钻孔；在这48个钻孔设置完毕后在矩形有机玻璃容器底部另钻直径为15mm的圆孔作为进、泄水口。
所述有机玻璃水槽的厚度为5mm内侧长为490mm上宽为40mm下宽为10mm高为20mm，该水槽上缘距离矩形有机玻璃容器的上缘100mm,该水槽的底部接厚为5mm内侧长为490mm宽为10mm高为1200mm(高可以根据试验要求设置成大于100mm以及小于1200mm之间的不同尺寸)矩形多孔有机玻璃体，其侧面均匀布满了直径为2mm的圆孔，该矩形多孔有机玻璃体与有机玻璃水槽通过玻璃胶连接，以便控制两者的连接角度。
所述孔隙水压力计测量范围0~50 kPa，精度0.04 kPa, 土压力盒测量范围0~50kP，精度0.04kPa, 含水率测试仪测量范围0~100%，精度为0.1%，试验时每填土200mm在直径为10mm的钻孔埋入上述三种装置并将导线在钻孔处引出，并用玻璃胶对钻孔进行封堵；张力计其测量范围为0~80kPa,精度为1 kPa，在每个直径为28mm钻孔处埋入张力计，该张力计的显示表盘在矩形有机玻璃容器的外部并用玻璃胶进行固定，确保张力计固定牢固，防止在试验时对土体产生扰动。
所述供水装置：水箱有厚度为10mm的有机玻璃制成，容量达到10L；增压泵的最大压力6kPa；流量控制器控制范围10~100ml/min,精度1ml/min；喷头的上宽10mm下宽40mm高为20mm,利用供水装置可以有效地的控制裂隙渗流的强度。
所述滑动尺长500mm,宽20mm，高10mm在滑动尺中心位置设有直径为16mm的圆孔，距离该圆孔圆心100mm的上下位置设置两个相同直径的圆孔，滑动尺上的这3个圆孔用来安装沉降杆，这样的滑动尺一共设置6个，两端的滑动尺距离矩形有机玻璃容器侧壁100mm中间每隔200mm设置一个。
所述沉降杆包括内杆以及护筒，其中护筒直径为15mm固定在滑动尺上，当矩形有机玻璃容器内的土体沉陷时内杆就会同步下沉，内杆上标有刻度，量程为0~300mm，精度为1mm。
本发明提供一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置及试验方法，试验步骤如下：
步骤一、检查试验装置各部分是否完整可用，事先调节好供水装置确保渗流的强度为设计所需要，准备好试验所需要的土体，在矩形有机玻璃容器的底层铺设厚度为30mm的透水石；
步骤二、按照试验要求的角度以及尺寸将多孔有机玻璃体固定好，再将土体按照试验所需要的压实度进行分层填筑；
步骤三、在填土过程中每当到达直径为28mm的钻孔时安装张力计，当到达直径为10mm的钻孔时安装含水率测试仪、土压力盒、孔隙水压计并将这三种装置导线在钻孔处引出，并且保证三者之间的水平距离为20mm，然后用玻璃胶将钻孔封堵；
步骤四、继续填土直到土体到达矩形多孔有机玻璃体的顶部，然后在矩形多孔有机玻璃体内填充砂砾；
步骤五、将轮滑尺以及沉降杆安装完毕，然后将含水率测试仪通电调试好，并将土压力盒和孔隙水压计分别与应力应变测试仪相连并调试好装置；
步骤六、将供水装置打开，按照试验设计的流量强度对土体进行供水；
步骤七、在供水过程中对土压力盒、含水率测试仪、张力计、孔隙水压计、沉降杆等装置进行观测并记录数据；
步骤八、将试验完成的土样取出，重新调整土体的类型或者调整矩形多孔有机玻璃体的角度以及尺寸，重复步骤二到步骤七。
采用上述技术方案的土体裂隙渗流条件下的湿陷特征试验装置及试验方法，本发明的创新之处在于：在试验装置矩形有机玻璃容器的侧壁不同位置进行了打孔设计，这样可以通过安装在不同土层的设备对土体的湿陷过程进行持续、全方位的观测，该试验装置真正实现对土体裂隙渗流影响下的湿陷研究。
本发明试验装置构造简单，成本低廉，拆装方便，可以重复利用。该试验装置可以研究不同土体类型，不同裂隙条件下的湿陷过程。此外模拟供水装置调节简便、易于控制，可以模拟不同强度的渗流过程。试验装置的主体矩形有机玻璃容器底部设置进、泄水口，以便调节所测试土体的初始水位，可以方便的实现对不同初始水位下土体湿陷过程的观测。
附图说明
图1是本发明整体侧视图
图2是本发明矩形有机玻璃容器的整体图
图3是本发明矩形有机玻璃容器的正视图
图4是本发明矩形有机玻璃容器的后视图
图5是本发明喷头的整体图
图6是本发明供水装置的整体图
图7是本发明水槽的整体图
图8是本发明矩形多孔有机玻璃体的整体图
图9是本发明矩形多孔有机玻璃体的正视图
图10是本发明矩形多孔有机玻璃体的左视图
图11是本发明滑动尺的整体图。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明一种土体渗流过程和变形特征试验装置的具体实施方式。
如图1该装置的整体布置在矩形有机玻璃容器（1）的上部中间位置固定有机玻璃水槽（3），有机玻璃水槽（3）底部连接矩形多孔有机玻璃体（4）；在矩形有机玻璃容器（1）的侧壁钻有48个钻孔，这48个钻孔用来安装张力计（5）、含水率测试仪（6）、土压力盒(7)、孔隙水压力计(8)；所述土压力盒（7）、孔隙水压计（8）与矩形有机玻璃容器（1）外部的应力应变测试仪（9）相连；矩形有机玻璃容器（1）的外部设有水箱(10)、流量控制器（11）、增压泵（12）、喷头（2）用来模拟裂隙渗流的强度；矩形有机玻璃容器（1）的上部设有滑动尺（13）用来固定沉降杆（14），矩形有机玻璃容器（1）底部设有进、泄水口以便于调节所测土体的初始水位；所述矩形有机玻璃容器（1）底部设有透水石防止土颗粒堵塞容器的进、泄水口。
如图2、3、4矩形有机玻璃容器由有机玻璃制成，该容器长度为1040mm，宽度为540mm，高度为1520mm，内侧长度1000mm，内侧宽度为500mm，内侧高度为1500mm；将矩形有机玻璃容器其中一个长度方向所在的侧面钻孔24个，分为4列每列钻孔6个，每个钻孔的直径为28mm并且相邻两钻孔圆心之间的距离为200mm，最底层钻孔的圆心距离矩形有机玻璃容器内侧底部200mm；在这24个钻孔的对称位置另钻24个直径为10mm的圆孔；在这48个钻孔设置完毕后在矩形有机玻璃容器底部另钻直径为15mm的圆孔作为进、泄水口。
如图5、6 喷头下宽为40mm，上宽为10mm,长为490mm，高为20mm的塑料特质喷头，喷水时能够覆盖整个水槽。供水装置其中水箱有厚度为10mm的有机玻璃制成，容量达到10L，增压泵的最大压力6kPa，流量控制器控制范围10~100ml/min,精度1ml/min，装置内部用直径为10mm的塑料管相连。
如图7有机玻璃水槽喷头上宽为40mm，下宽为10mm,长为490mm，高为20mm的有机玻璃制成，该水槽的有机玻璃厚度为5mm,水槽的上下都是贯通的，下方与矩形有机玻璃体相连。
如图8、9、10矩形多孔有机玻璃体长为490mm，宽为10mm高可以根据试验要求设置成大于100mm以及小于1200mm之间的不同尺寸，在此展示的是高度为600mm的矩形多孔有机玻璃体，它的厚度5mm，其中侧面均匀钻孔并且保证每个孔的直径为2mm。
如图11滑动尺长500mm、宽20mm、厚度为10mm,在滑动尺中心位置设有直径为16mm的圆孔，距离该圆孔圆心100mm的上下位置设置两个相同直径的圆孔。
本发明提供一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置及试验方法，试验步骤如下：
步骤一、检查试验装置各部分是否完整可用，事先调节好供水装置确保渗流的强度为设计所需要，准备好试验所需要的土体，在矩形有机玻璃容器的底层铺设厚度为30mm的透水石；
步骤二、按照试验要求的角度以及尺寸将多孔有机玻璃体固定好，再将土体按照试验所需要的压实度进行分层填筑；
步骤三、在填土过程中每当到达直径为28mm的钻孔时安装张力计，当到达直径为10mm的钻孔时安装含水率测试仪、土压力盒、孔隙水压计并将这三种装置导线在钻孔处引出，并且保证三者之间的水平距离为20mm，然后用玻璃胶将钻孔封堵；
步骤四、继续填土直到土体到达矩形多孔有机玻璃体的顶部，然后在矩形多孔有机玻璃体内填充砂砾；
步骤五、将轮滑尺以及沉降杆安装完毕，然后将含水率测试仪通电调试好，并将土压力盒和孔隙水压计分别与应力应变测试仪相连并调试好装置；
步骤六、将供水装置打开，按照试验设计的流量强度对土体进行供水；
步骤七、在供水过程中对土压力盒、含水率测试仪、张力计、孔隙水压计、沉降杆等装置进行观测并记录数据；
步骤八、将试验完成的土样取出，重新调整土体的类型或者调整矩形多孔有机玻璃体的角度以及尺寸，重复步骤二到步骤七。

Claims (7)

1.一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置，其特征在于：在矩形有机玻璃容器(1)的上方中间位置设置一个厚度为5mm内侧长为490mm上宽为40mm下宽为10mm高为20mm的有机玻璃水槽(3)，该水槽上缘距离矩形有机玻璃容器(1)的上缘100mm,该水槽的底部竖直连通厚为5mm内侧长为490mm宽为10mm高为1200mm矩形多孔有机玻璃体(4)，其长边侧面均匀布满了直径为2mm的圆孔，；在矩形有机玻璃容器(1)其中一个长度方向所在的侧面钻孔24个，分为4列每列钻孔6个，每个钻孔的直径为28mm并且上下相邻两钻孔圆心之间的距离为200mm，最底层钻孔的圆心距离矩形有机玻璃容器(1)内侧底部200mm；在这24个钻孔的对称位置另外钻24个直径为10mm的钻孔，在这48个钻孔设置完毕后在矩形有机玻璃容器(1)底部另钻直径为15mm的圆孔作为进、泄水口，这48个钻孔用来安装张力计(5)、含水率测试仪(6)、土压力盒(7)、孔隙水压力计(8)，在填土过程中每当到达直径为28mm的钻孔时安装张力计(5)，当到达直径为10mm的钻孔时安装含水率测试仪(6)、土压力盒(7)、孔隙水压计(8)并将这三种装置导线在钻孔处引出；所述土压力盒(7)、孔隙水压计(8)与矩形有机玻璃容器(1)外部的应力应变测试仪(9)相连；所述矩形有机玻璃容器(1)的外部设有水箱(10)、流量控制器(11)、增压泵(12)、喷头(2)用来模拟裂隙渗流的强度，其中喷头(2)设置在有机玻璃水槽(3)的正上方；所述矩形有机玻璃容器(1)的上部设有滑动尺(13)用来固定沉降杆(14)。
2.根据权利要求1所述一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置，其特征在于：矩形有机玻璃容器(1)由有机玻璃制成，该容器的长度为1040mm，宽度为540mm，高度为1520mm。
3.根据权利要求1所述一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置，其特征在于：该矩形多孔有机玻璃体(4)与有机玻璃水槽(3)通过玻璃胶连接。
4.根据权利要求1所述一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置，其特征在于：孔隙水压力计(8)测量范围0～50kPa，精度0.04kPa，土压力盒(7)测量范围0～50kP，精度0.04kP，含水率测试仪(6)测量范围0～100％，精度为0.1％，试验时每填土200mm在直径为10mm的钻孔处埋入孔隙水压计(8)、土压力盒(7)含水率测试仪(6)并将这三种装置的导线在钻孔处引出，并用玻璃胶对钻孔进行封堵；张力计(5)测量范围0～80kPa,精度为1kPa，在每个直径为28mm钻孔处埋入张力计(5)，该张力计(5)显示表盘在矩形有机玻璃容器(1)的外部并用玻璃胶进行固定，确保张力计(5)固定牢固。
5.根据权利要求1所述一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置，其特征在于：水箱(10)由厚度为10mm的有机玻璃制成，容量达到10L；增压泵(12)的最大压力6kPa，流量控制器(11)控制范围10～100ml/min,精度1ml/min；喷头(2)的长为490mm上宽10mm下宽40mm高为20mm。
6.根据权利要求1所述一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置，其特征在于：滑动尺(13)长500mm,宽20mm，高10mm在滑动尺(13)中心位置设有直径为16mm的圆孔，距离该圆孔圆心100mm的上下位置分别设置两个相同直径的圆孔，滑动尺上的这3个圆孔用来安装沉降杆，这样的滑动尺(13)一共设置6个，两端的滑动尺距离矩形有机玻璃容器(1)侧壁100mm中间每隔200mm设置一个。
7.根据权利要求1所述一种土体裂隙渗流下湿陷特征试验装置，其特征在于：沉降杆(14)包括内杆以及护筒，其中护筒直径为15mm固定在滑动尺(13)上，当矩形有机玻璃容器(1)内的土体沉陷时内杆就会同步下沉，内杆上标有刻度，量程为0～300mm，精度为1mm。
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