CN107014739B - 原状土渗透试验装置及测量渗透系数的方法 - Google Patents

原状土渗透试验装置及测量渗透系数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了原状土渗透试验装置及测量渗透系数的方法,其中原状土渗透试验装置包括顶盖和底座,顶盖和底座之间设置有至少一个试样筒,底座上设置的渗水板将其分隔成上腔室和下腔室,具有渗水孔的顶盖上方的侧壁上和底座下腔室的侧壁上均设置有与外部连通的过水孔;顶盖与底座及试样筒的上端和下端均至少开设有两个容纳槽,底座和试样筒上端的容纳槽两侧具有与容纳槽连通的安装腔;顶盖和试样筒下端的容纳槽内均设置有沿其滑动的插入部,底座和试样筒的安装腔内设置有与插入部配对、并卡紧插入部的承接部。

Description

原状土渗透试验装置及测量渗透系数的方法
技术领域
本发明涉及测量土壤渗透性能的装置,具体涉及一种原状土渗透试验装置及测量渗透系数的方法。
背景技术
在岩土工程测试及应用中,土体渗透试验装置普遍采用不可拆卸的结构,在实验室,难以移动,且主要是针对细粒土和扰动土样;目前市面上常见的渗透试验装置有渗透仪器,比如70型渗透仪、南55型渗透仪等仪器,主要针对细粒土,且均为重塑样,这使得试验结果与实际存在较大差别。
虽然,目前已有学者将原状土样取回实验室,再用原状样进行渗透试验,但将原状试样进行移动的过程显得冗余,并且对于胶结程度相对较弱的土体来说,轻微的扰动即可导致试样的损坏,试验失败率较高。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足,本发明提供的原状土渗透试验装置及测量渗透系数的方法能够采用试样筒直接从取样点采集原状土进行渗透试验。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
第一方面,提供一种原状土渗透试验装置,其包括顶盖和底座,顶盖和底座之间设置有至少一个试样筒,底座上设置的渗水板将其分隔成上腔室和下腔室,顶盖具有渗水孔的顶壁上方的顶盖侧壁上和底座下腔室的侧壁上均设置有与外部连通的过水孔;顶盖与底座及试样筒的上端和下端均至少开设有两个容纳槽,底座和试样筒上端的容纳槽两侧具有与容纳槽连通的安装腔;顶盖和试样筒下端的容纳槽内均设置有沿其滑动的插入部,底座和试样筒的安装腔内设置有与插入部配对、并卡紧插入部的承接部。
进一步地,插入部包括插销主体和若干开设于插销主体两侧的卡孔;底座和试样筒上设置有与安装腔连通的条形孔;承接部包括活动设置于同一个容纳槽两侧的安装腔内的移动板,移动板邻近容纳槽的侧壁上开设有若干与卡孔配合的卡齿,移动板的弧形面上具有延伸出条形孔的拉柱。
进一步地,移动板与卡齿所在侧壁相对的侧壁上设置有与安装腔侧壁连接的卡座弹簧。
进一步地,插入部还包括设置于插销主体正面的把手和设置于插销主体背面的卡板,卡板与容纳槽之间设置有插销弹簧。
进一步地,底座的上端面和/或试样筒的下端面及试样筒的上端面和/或顶盖的下端面开设有容纳密封圈的环形凹槽。
进一步地,试样筒不同高度的侧壁上开设有至少两个与试样筒内腔连通的测压孔。
进一步地,底座上还设置有至少三条支撑脚;支撑脚包括支撑外壳和设置于支撑外壳内部、且可相对支撑外壳向其外部移动以调节支撑脚长度的支撑柱。
进一步地,原状土渗透试验装置还包括两块用于试样筒取样完成后、固定于试样筒两端的圆形夹板。
第二方面,提供一种采用原状土渗透试验装置进行渗透试验的方法,其包括以下步骤:
采用挖样法在原状土样取样点处形成一直径小于试样筒内径的柱状体土样,并将试样筒套装于柱状体土样上;
向柱状体与试样筒内壁之间的间隙内灌注膨胀水泥,当膨胀水泥凝固后,将试样筒中的柱状体土样从原状土样的取样点处分离;
放置渗水板于底座内的台阶上,并向底座的上腔室内铺设若干砂砾石直至齐平底座顶面;
按压试样筒底部和顶盖四周的插入部,使试样筒的插入部与底座承接部及顶盖的插入部与试样筒的承接部卡合,将顶盖、试样筒与底座组成在一起;
连接水箱与底座上的过水孔,同时连接测压孔与测压管,并根据测压管获取的水头计算原状土的渗透系数。
进一步地,组装试样筒与底座前,在底座的渗水板上铺设上一层土工布,并在底座的上端面和/或试样筒的下端面的环形凹槽内安装上密封圈;组装试样筒与顶盖前,在试样筒的上端面和/或顶盖的下端面的环形凹槽内安装上密封圈。
本发明的有益效果为:本方案采用渗透试验装置的试样筒可以完成原状土(粒径<2cm)的取样,由于采集的土样是直接容纳于试样筒中,在转运过程可以避免外界震动对原状土的损坏,保证了土样的完整性和测试时得到的渗透系数的准确性。
由于本方案的每个部件为分体式,取样完成后,可以通过插入部和承接部相结合实现顶盖、试样筒和底座的快速组装,渗透系数测试完成后,可以通过插入部和承接部可以快速分离试样筒中的土样,以方便渗透试验装置的清理以及下次试验的进行。
试验时,水从底座的下腔室通过渗水板和砂砾石层后渗透至土样,渗透至土样顶端的水通过顶盖上的渗水孔和过水孔流出,砂砾石层的设置能有效的避免水对土样的直接冲刷,破坏土样的密实度,降低渗透系数的测量的准确度。
附图说明
图1为原状土渗透试验装置的立体示意图。
图2为顶盖的立体图。
图3为顶盖另一视角的立体图。
图4为试样筒的立体图。
图5为试样筒另一视角的立体图。
图6为底座的立体图。
图7为插入部的立体图。
图8为承接部的立体图。
图9为渗水板的立体图。
图10为圆形夹板的立体图。
图11为支撑外壳的立体图。
图12为支撑柱的立体图。
图13为试样筒与圆形夹板组装在一起的立体图。
其中,1、顶盖;11、插入部;111、插销弹簧;112、插销主体;113、把手;114、卡孔;115、卡板;12、渗水板;121、渗水孔;13、过水孔;14、环形凹槽;2、试样筒;21、试样筒主体;211、容纳槽;212、测压孔;213、条形孔;22、圆形夹板;221、环形槽;23、承接部;231、卡座弹簧;232、移动板;233、拉柱;234、卡齿;24、螺孔;3、底座;31、底座主体;311、台阶;32、支撑脚;321、支撑外壳;3211、顶螺孔;3212、外壳侧螺孔;322、支撑柱;3221、内柱侧螺孔;33、橡胶垫。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1,图1示出了原状土渗透试验装置的立体示意图;如图1所示,该原状土渗透试验装置包括顶盖1和底座3,顶盖1和底座3之间设置有至少一个试样筒2。
如图4和图5所示,试样筒2可以大体分成圆筒状的试样筒主体21、插入部11和承接部23三部分。如图6所示,底座3可以大体分成圆筒状的底座主体31和安装在底座主体31上的支撑脚32。
如图1、图6和图9所示,在底座3内部的圆周面上设置有一环形的台阶311,在该台阶311上设置的渗水板12将其所在底座3分隔成上腔室和下腔室。如图2所示,在顶盖1中部设置的顶壁上开设有若干渗水孔121,位于顶盖1上方的的顶盖1侧壁上和底座3下腔室的侧壁上均设置有与外部连通的过水孔13;在进行渗透试验时,底座3的下腔室用于容纳从底座3的过水孔13进入的水,底座3的上腔室用于放置砂砾石,以减少水流对原状土体的冲蚀,实现缓慢的渗流。
顶盖1与底座3及试样筒2的上端和下端均至少开设有两个容纳槽211,优选在底座3、试样筒2上下端和顶盖1的圆周面设置四个容纳槽,底座3和试样筒2上端的容纳槽211两侧具有与容纳槽211连通的安装腔;顶盖1和试样筒2下端的容纳槽211内均设置有沿其滑动的插入部11,底座3和试样筒2的安装腔内设置有与插入部11配对、并卡紧插入部11的承接部23。
渗透试验时,从底座3上的过水孔13进入的水首先进入底座3的下腔室,通过渗水板12上的渗水孔121进入砂砾石层,之后进入土样中,土样中的水再通过顶盖1的渗水孔121进入顶盖1,之后从顶盖1的过水孔13流出,在一定时间内通过获取顶盖过水孔13处的水流量进行渗透系数的计算。
如图7和图8所示,在本发明的一个实施例中,插入部11包括插销主体112和若干开设于插销主体112两侧的卡孔114;底座3和试样筒2上设置有与安装腔连通的条形孔213;承接部23包括活动设置于同一个容纳槽211两侧的安装腔内的移动板232,移动板232邻近容纳槽211的侧壁上开设有若干与卡孔114配合的卡齿234,移动板232的弧形面上具有延伸出条形孔213的拉柱233。
进行顶盖1、试样筒2和底座3的组装时,用力向下按动插销主体112,使插销主体112进入其下方的容纳槽211内,之后通过拉柱233滑动移动板232,使移动板232上的卡齿234进入插销主体112两侧的卡孔114内,以实现顶盖1、试样筒2和底座3三者的固定连接。
渗透试验完成后,进行顶盖1、试样筒2和底座3分离时,通过拉柱233滑动移动板232,使移动板232的卡齿234脱离插销主体112的卡孔114,用力向上移动插入部11,即可实现顶盖1、试样筒2和底座3的分离。
由于在进行顶盖1、试样筒2和底座3的组装和分离都需要手动移动插入部11和承接部23,使得三者的组装和分离比较费力,为了降低实验时的组装难度,实施时,对插入部11和承接部23做了进一步改进,具体如下:
如图7和图8所示,承接部23还包括在移动板232与卡齿234所在侧壁相对的侧壁上设置有与安装腔侧壁连接的卡座弹簧231;插入部11还包括设置于插销主体112正面的把手113和设置于插销主体112背面的卡板115,卡板115与容纳槽211之间设置有插销弹簧111。
采用上述结构后,在进行顶盖1、试样筒2和底座3组装时,通过把手113向下推动插入部11,插入部11进入其下方的容纳槽211时,对延伸至容纳槽211内的卡齿234一压力,使移动板232向着远离容纳槽211的方向运动,对卡座弹簧231进行压缩,当插入部11进入容纳槽211时卡座弹簧231恢复部分形变时将卡齿234送入卡孔114内,实现插入部11和承接部23之间的锁紧。
顶盖1、试样筒2和底座3分离时,通过拉柱233滑动移动板232,插销主体112在其上的插销弹簧111恢复形变时,带动插销主体112分离其下方的容纳槽211。
实施时,本方案卡齿234的上表面设置成向下倾斜的斜面,这样设置后,可以降低插销主体112进入其下方容纳槽211的阻力。另外,为了保证卡齿234进入卡孔114后,插入部11和承接部23之间的稳定性,将每颗卡齿234设计成上小下大的结构。
在本发明的一个实施例中,在底座3的上端面和/或试样筒2的下端面及试样筒2的上端面和/或顶盖1的下端面开设有容纳密封圈的环形凹槽14,具体参考图3、图4、图5和图6。
在进行渗透试验时,通过在环形凹槽14内设置的密封圈可以提高顶盖1、试样筒2和底座3组装在一起的密封性。另外,在环形凹槽14内设置密封圈后,卡齿234嵌入卡孔114后,插销弹簧111产生较大收缩力使底座3与试样筒2同时挤压密封圈,进一步提高了顶盖1、试样筒2和底座3的密封效果。其中的密封圈为“O”形橡胶密封圈。
如图4和图5所示,为了提高渗透系数的测量精度,本方案优选在试样筒2不同高度的侧壁上开设有至少两个与试样筒2内腔连通的测压孔212。试验时,通过与测压孔212连接的测压管,即可获得试样筒2不同高度处的水头,通过水头即可计算土壤的渗透系数:
其中,k为渗透系数;Q为从顶盖1上的过水孔13溢出来的总流量(ml);L为渗流路径(cm);A为试样筒2的圆截面积(cm2);△h为试样筒2上两个不同高度的测压管采集的水头之间的水头差(cm);t是时间(s)。
如图6、图11和图12所示,在本发明的一个实施例中,底座3上还设置有至少三条支撑脚32;支撑脚32包括支撑外壳321和设置于支撑外壳321内部、且可相对支撑外壳321向其外部移动以调节支撑脚32长度的支撑柱322。
具体地,在支撑外壳321的顶部开设有至少一个将支撑脚32安装在底座3底面上的顶螺孔3211,在外壳的至少一个侧面上开设有一排外壳侧螺孔3212;支撑柱322的侧面上开设有一排与外壳侧螺孔3212配合实现支撑脚32长度调节的内柱侧螺孔3221,再次参考图6、图11和图12。
支撑脚32采用上述可调节长度的结构后,操作人员可以根据方便其试验操作的高度对支撑脚32的长度进行调节,支撑脚32的人性化设计,保证了不同身高的操作人员试验时均具有较高舒适度。
实施时,为了增大支撑脚32与试验场地的摩擦力,以提高渗透试验装置试验时整个装置的稳定性,在每个支撑柱322的底面上设置有一层橡胶垫33。
由于试样筒2为上下端均具有开口的桶状体结构,采用其进行土样的采集时,为了避免土样采集完成后,在将土样转运至实验室时出现土样脱落,实施时,原状土渗透试验装置还可以包括两块用于试样筒2取样完成后、固定于试样筒2两端的圆形夹板22,在试样筒2的上下表面及圆形夹板22上均开设有能将试样筒2和圆形夹板22固定连接的螺孔24,具体参考图4、图5、图10和图13。
另外,为了保证转运土样时,保证土样的完整性,在圆形夹板22上设置有环形凹槽14,土样采集完成后,可以在试样筒2的环形凹槽14或圆形夹板22的环形凹槽14内放置上密封圈,之后再将圆形夹板22与试样筒2固定在一起,之后采用玻璃胶封堵试样筒2上的测压孔212。
至此,已完成原状土渗透试验装置的技术描述,下面对采用原状土渗透试验装置测量渗透系数的方法进行详细描述。
该原状土渗透试验装置测量渗透系数的方法包括以下步骤:
采用挖样法在原状土样取样点处形成一直径小于试样筒2内径0.5~1cm的柱状体土样,并将试样筒2套装于柱状体土样上;
向柱状体土样与试样筒2内壁之间的间隙内灌注膨胀水泥,当膨胀水泥凝固后,在试样筒2顶部和底部预留超出筒口约2~4cm长的土样,然后用刀将试样筒2下部土体削断,以将试样筒2中的柱状体土样从原状土样的取样点处分离;再在试样筒上下表面的环形凹槽14中安装“O”橡胶密封圈,盖上圆形夹板22,然后拧紧螺钉,用玻璃胶封堵测压孔212。
放置渗水板12于底座3内的台阶311上,并向底座3的上腔室内铺设若干砂砾石直至齐平底座3顶面;
取下圆形夹板22,将顶盖1、试验筒2及底座3对齐,按压试样筒2底部和顶盖1四周的插入部11,使试样筒2的插入部11与底座3的承接部23及顶盖1的插入部11与试样筒2的承接部23卡合,将顶盖1、试样筒2与底座3组成在一起;
连接水箱与底座3上的过水孔13,同时连接测压孔212与测压管,并根据测压管获取的水头计算原状土的渗透系数。
为了提高渗透系数测量的准确性,组装试样筒2与底座3前,在底座3的渗水板12上铺设上一层土工布,并在底座3的上端面和/或试样筒2的下端面的环形凹槽14内安装上密封圈;组装试样筒2与顶盖1前,在试样筒2的上端面和/或顶盖1的下端面的环形凹槽14内安装上密封圈。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述,但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内,本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.原状土渗透试验装置,其特征在于,包括顶盖和底座,所述顶盖和底座之间设置有至少一个试样筒,所述底座上设置的渗水板将其分隔成上腔室和下腔室,所述顶盖具有渗水孔的顶壁上方的顶盖侧壁上和底座下腔室的侧壁上均设置有与外部连通的过水孔;所述顶盖与底座及试样筒的上端和下端均至少开设有两个容纳槽,所述底座和试样筒上端的容纳槽两侧具有与所述容纳槽连通的安装腔;所述顶盖和试样筒下端的容纳槽内均设置有沿其滑动的插入部,所述底座和试样筒的安装腔内设置有与插入部配对、并卡紧所述插入部的承接部;
所述插入部包括插销主体和若干开设于插销主体两侧的卡孔;所述底座和试样筒上设置有与安装腔连通的条形孔;所述承接部包括活动设置于同一个容纳槽两侧的安装腔内的移动板,所述移动板邻近容纳槽的侧壁上开设有若干与所述卡孔配合的卡齿,移动板的弧形面上具有延伸出所述条形孔的拉柱;
所述插入部还包括设置于 所述插销主体正面的把手和设置于插销主体背面的卡板,所述卡板与容纳槽之间设置有插销弹簧;所述移动板与所述卡齿所在侧壁相对的侧壁上设置有与安装腔侧壁连接的卡座弹簧。
2.根据权利要求1所述的原状土渗透试验装置,其特征在于,所述底座的上端面和/或试样筒的下端面及试样筒的上端面和/或顶盖的下端面开设有容纳密封圈的环形凹槽。
3.根据权利要求1所述的原状土渗透试验装置,其特征在于,所述试样筒不同高度的侧壁上开设有至少两个与所述试样筒内腔连通的测压孔。
4.根据权利要求1所述的原状土渗透试验装置,其特征在于,所述底座上还设置有至少三条支撑脚;所述支撑脚包括支撑外壳和设置于所述支撑外壳内部、且可相对支撑外壳向其外部移动以调节支撑脚长度的支撑柱。
5.根据权利要求1所述的原状土渗透试验装置,其特征在于,还包括两块用于试样筒取样完成后、固定于试样筒两端的圆形夹板。
6.一种采用权利要求1-5任一所述的原状土渗透试验装置测量渗透系数的方法,其特征在于,包括以下步骤:
采用挖样法在原状土样取样点处形成一直径小于试样筒内径的柱状体土样,并将试样筒套装于柱状体土样上;
向柱状体与试样筒内壁之间的间隙内灌注膨胀水泥,当膨胀水泥凝固后,将试样筒中的柱状体土样从原状土样的取样点处分离;
放置渗水板于底座内的台阶上,并向底座的上腔室内铺设若干砂砾石直至齐平底座顶面;
按压试样筒底部和顶盖四周的插入部,使试样筒的插入部与底座承接部及顶盖的插入部与试样筒的承接部卡合,将顶盖、试样筒与底座组成在一起;
连接水箱与底座上的过水孔,同时连接测压孔与测压管,并根据测压管获取的水头计算原状土的渗透系数。
7.根据权利要求6所述的测量渗透系数的方法,其特征在于,组装试样筒与底座前,在底座的渗水板上铺设上一层土工布,并在底座的上端面和/或试样筒的下端面的环形凹槽内安装上密封圈;组装试样筒与顶盖前,在试样筒的上端面和/或顶盖的下端面的环形凹槽内安装上密封圈。
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