CN107063974B - 一种可压式粘性土渗透系数测定试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统及试验方法，包括供压装置、储液装置、可压式渗透装置、量测装置和管路系统，供压装置连接储液装置，为其提供压力气体，推动储液装置内的液体通过管路系统进入可压式渗透装置，量测装置测量流过可压式渗透装置中待测试样的水；可压式渗透装置承受并传递荷载，从而实现对土样进行压缩，该装置上标有精准刻度线，便于得到试样的实际轴向应变量，以及进行孔隙率的计算。本发明适用于测定渗透系数小，吸水膨胀，卸除压力后易回弹，对应力历史反应敏感的土体的渗透性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种可压式粘性土渗透系数测定试验系统及试验方法。
背景技术
土壤渗透仪可以测定粘性土的渗透性能。现如今，土工试验常采用的土壤渗透仪大致分为硬壁式渗透仪与软壁式渗透仪，其中硬壁式渗透仪要求试样体积固定，无法进行压缩；软壁式渗透仪多是采用高水压作用于试样使之产生压缩应变，无法控制土体内含水率，且对于具有一定固结条件的土样的渗透性束手无策。
在土体性质方面，由于受矿物成分、孔隙大小、颗粒凝聚状态、分子间作用力等因素的影响，粘土颗粒之间往往存在强水膜作用，粘性土的渗透性要比砂、砾等无粘性土小得多，因此对于粘性土渗透系数的测定必须在较高压力作用进行。并且，很多土体内赋存蒙脱石、高岭石等矿物质，吸水性较强，遇水膨胀，作用其上的压力卸除后易回弹，吸收部分空气，对于要求保证其体积或孔隙率的试验影响较大。
粘性土的应力历史对其物理力学性质产生一定的影响，将土在历史上曾受到过的最大有效应力称为前期固结压力，该值与现有有效应力的比值称为超固结比，该值反应粘性土的应力历史，研究表明，粘性土的应力历史对其物理力学性质产生影响。
现有的改进型专利发明装置多是以水压驱动试样压缩变形的变压式渗透仪，无法模拟应力历史的作用，无法实现土体压缩时所承受的压力与渗透试验时的所承受的水压分离，对于某些特定要求的土工试验无法满足要求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统及试验方法，尤其用于测定渗透系数小，吸水膨胀，卸除压力后易回弹，对应力历史反应敏感的土体的渗透性能。本发明可实现对压缩后粘性土样的渗透性能的测定，且引起该压缩的荷载是由机械压缩产生的而并非高水压引起的，在完成试样压缩后及时测定其渗透性能，尽可能地保证粘性土样不发生回弹变形，从而避免无关因素的干扰，相关试验装置为粘性土应变—渗透性关系及孔隙率—渗透性关系等的相关研究提供依据。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统，包括供压装置、储液装置、可压式渗透装置、量测装置和管路系统，所述供压装置连接储液装置，为其提供压力气体，推动储液装置内的液体通过管路系统进入可压式渗透装置，所述量测装置测量流经可压式渗透装置中待测试样的水。
所述供压装置包括氮气瓶、空压机和减压器，所述氮气瓶、空压机通过连通管路共同提供压力。所述氮气瓶端连通管路上设置有减压器调节输出压力。
所述储液装置内存有渗透液，作为渗透装置水源供给，储液装置顶部位设有高压气体阀门、加液排气阀门和压力表。
高压气体阀门控制高压气体的输入，阀门顶部设置活接连接的气压口以保证气密性，加液排气阀门向储液装置内注入渗透液，当压力过高时该阀门起到泄压以维持桶内气压稳定的作用。
储液装置壁上设置精准刻度线，以记录桶内的液面变化，储液装置底部两侧对称布设两个液体流出阀门，当储液装置内压力满足要求时打开该两处阀门即可。
所述可压式渗透装置上侧包括传压稳压盖，承受压力荷载，向压力室内的试样提供压力使其压缩，传压稳压盖包括组合压力杆和稳压架，组合压力杆顶部表面光滑，直接承受压力荷载，组合压力杆底部为旋转圆盘结构，表面对称开设两个通长的圆孔，作为水流通道的一部分，组合压力杆与稳压架通过中部传力杆套结，中部传力杆上布置精准刻度线，以指示试件被压缩后的实际高度，从而确定试样的实际轴向应变量，以及孔隙率的计算。
进一步的，所述稳压架盘面上留设螺杆孔，以便于与下部底座固定连接，其近压力杆部位同样布设两个通长的圆孔，作为水流通道的一部分，并于上部水流入口处布设对丝。
进一步的，所述压力组合杆与稳压架均可旋转，试件加压时应旋转上下两段过水通道使圆孔不连通，被压缩的土体无法透入到过水通道中，从而达到隔土的目的；当进行渗透试验时，应旋转组合杆时到预设位置处，使两段通道连通，从而使渗透水流得以顺利通过。
进一步的，所述可压式渗透装置下侧承重底座包括压力室、稳压台、储液室和出液口，压力室空间可压缩，底面布设透水石，放入试样后再在试样顶部放一块透水石，盖上承压稳压盖，使承压底座顶端达到压力杆侧壁标注的0刻度线处，储液室兼具承压与储水双重功能，顶部与压力室连通处开设圆孔，作为渗透水的出流口，储液室内液体注满时可从外侧开设的两个出液口流出。
进一步的，稳压台开设有若干个螺杆孔，与稳压架相连，以实现应力状态的保持，使试样压缩后不会产生显著回弹，可压式渗透装置整体结构所有开孔处均呈对称式，以减少由于应力分布不均造成的不均匀变形。
所述量测装置为量筒，设置于所述可压式渗透装置的储液室下端，收集流出的水。
基于上述系统的工作方法，包括以下几个步骤：
(1)将可压式渗透装置取出，将成型的标准黏土试件填入压力室，压力室为圆形槽，可算得截面积记为A。在试样的上下两面分别布铺设透水石，旋转渗透装置的组合压力杆使其上下圆孔不连通，将传压稳压盖盖于试样上，使承压底座顶端达到压力杆侧壁标注的0刻度线处；
(2)将可压式渗透装置设置于压力机或液压千斤顶上，据试验要求，在精准刻度线上标定需将试样压缩至的终点刻度线，采用压力机或液压千斤顶将试样压至该额定深度，试件初始高度减去该值即为试样压缩后的实际高度，记为L；
(3)用螺杆将渗透装置上侧传压稳压盖与下侧承重底座牢固连接，稳压架发挥作用，将可压式渗透装置从压力机上取下，向渗透装置底部的储液室内注满水，排干净室内的空气，关闭底座上阀门；
(4)连接供压装置与储液装置以及储液装置与可压式渗透装置，调节供压装置的压力，使之达到试验所需的压力值P，并保持稳定；
(5)打开压力桶底部两处阀门，使承压力水流入，此时渗透装置的上部承压稳压盖处于不连通状态，打开管路上两处阀门，排干净其内残存的空气，从而使管路完全充满水；
(6)关闭管路上的阀门，旋转渗透装置的承压稳压盖，使其上下通道连通，管内承压水进入压力室，观察从储液室流出的水滴速度，待流入量测装置内流速趋于稳定后，在某一时间段内记录液面变化高度Δh及经过的时间Δt；
(7)若等待10min后仍无水滴流出，应加大空压机压力输出，若空压机量程内均无渗流产生，则应关闭空压机，开启氮气瓶，通过减压阀与加液排气阀门的控制，逐步增大桶内压力至P′，重复步骤(6)；
(8)关闭供压装置阀门，打开储液桶上方填液排气阀门，待桶内压力降为0后，关闭底部两阀门，依次拆除装置，通过公式计算收集数据对应的渗透系数。
所述步骤(6)、(7)中，对同一试样计算多次采集数据的结果，取平均值记为最终渗透系数。
应当说明的是，本试验中供压装置输出压力引起液体的压力水头，远大于液体自身的重力水头，渗透试验过程中保持供压装置压力输出恒定，因此本试验系统应当认为是常水头渗透试验装置，故应采取常水头渗透系数公式计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明突破现有的各渗透试验装置的弊端，能够实现粘性土不同孔隙率及应变的渗透性的测定，并且对土体施加压力的过程是通过机械加压而非水压来实现的，应变可控，孔隙率可测。
2.土体压缩后能够有效地保持其应力状态，在完成试样压缩后及时测定其渗透性能，尽可能地使之不发生回弹应变，试验所测得数据较为准确。
3.对于初定压力不能引起粘性土渗透的现象，可通过调节供压装置实现高水压作用，使之能够渗透，因此也方便确定临界水力梯度。
4.试验装置简单，操作方便，试验效率较高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的可加压式渗透系数测定试验系统示意图；
图2为本发明的可加压式渗透装置平面图；
图3为本发明的可加压式渗透装置剖面详图；
图4为本发明的可加压式渗透装置承压底座底视图；
图5为本发明的可加压式渗透装置传压稳压盖俯视图；
图6为本发明的储液装置剖面图；
其中，1——供压装置，11——氮气瓶，12——减压器，13——空压机，2——储液装置，21——高压气体阀门，22——加液排气阀门，23——压力表，24——对丝，25——活接，26——高压气体接头，27——阀门，3——可压式渗透装置，31——传压稳压盖，32——组合压力杆，33——稳压架，34——承重底座，35——水流入口，36——阀门，37——螺杆，38——出液口，39——螺帽，310——透水石，311——压力室，312——储液室，313——稳压台，314——扇形深梁，315——精准刻度线，316——圆孔，4——量测装置，5——管路系统，51——高压塑胶软管，52——耐压不锈钢软管，53——管路阀门，54——塑胶软管。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术多是以水压驱动试样压缩变形的变压式渗透仪，无法模拟应力历史的作用，无法实现土体压缩时所承受的压力与渗透试验时的所承受的水压分离，对于某些特定要求的土工试验无法满足要求。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种可加压式粘性土渗透系数测定试验系统。如图1所示，一种测定粘性土渗透性的试验系统，包括供压装置(1)、储液装置(2)、可压式渗透装置(3)、量测装置(4)、管路系统(5)五部分构成。供压装置(1)与储液装置(2)由高压塑胶软管(51)连接，以作为压力气体运输管道。储液装置(2)与可压式渗透装置(3)通过耐压不锈钢软管(52)连接，高压气体推动储液桶中的水进入渗透装置。可压式渗透装置(3)通过塑胶软管(54)与量测装置(4)连接，以收集流经试样的水。
供压装置。供压装置(1)由氮气瓶(11)、减压器(12)、空压机(13)组成，为整个试验系统提供高压力源。当所需压力小于1MPa时使用空压机(13)供压，当所需压力大于1MPa时使用氮气瓶(11)供压。总压力输出可据试验所需通过减压器(12)及储液装置(2)上加液排气阀门(22)协同调节。
储液装置。储液装置(2)由高强厚壁钢化玻璃桶制成，桶内注入水，作为渗透装置水源供给。桶顶部位设有高压气体阀门(21)，加液排气阀门(22)，压力表(23)。高压气体阀门(21)控制由供压设备(1)产生的高压气体的输入，阀门顶部设置活接(25)连接的气压口(26)以保证气密性。加液排气阀门(21)用作向桶内注入水，当桶内压力过高时该阀门还可起到泄压以维持桶内气压稳定的作用。储液桶壁设置精确刻度线，以记录桶内的液面变化。桶底部两侧对称布设两个液体流出阀门(27)，当桶内压力满足要求时打开该两处阀门即可。
可压式渗透装置。可压式渗透装置(3)由钢制传压稳压盖(31)、钢制承重底座(34)与连接螺栓(37)构成。传压稳压盖由组合压力杆(32)和稳压架(33)两部分组合而成。组合压力杆(32)顶部表面光滑，可以直接承受压力荷载。组合压力杆底部为旋转圆盘结构，表面对称开设两个通长的圆孔，作为水流通道的一部分。组合压力杆(32)与稳压架(33)通过中部传力杆套结，杆上布置精准刻度线(315)，可以指示试件被压缩后的实际高度，从而确定试样的实际轴向应变量，以及孔隙率的计算。稳压架盘面上留设四个螺杆(37)孔，以便于与下部底座固定连接，其近组合杆部位同样布设两个通长的圆孔，作为水流通道的一部分，并于入口(35)处布设对丝(24)。压力组合杆(32)与稳压架(33)均可旋转，试件加压时应旋转上下两段过水通道使圆孔不连通，被压缩的土体无法透入到过水通道中，从而达到隔土的目的；当进行渗透试验时，由于稳压架(33)已被固定，应旋转组合杆时到预设位置处，使两段通道连通，从而使渗透水流得以顺利通过。
渗透装置下部的承重底座由压力室(311)、稳压台(313)、储液室(312)、出液口(38)组成。压力室(311)留设初始空间，压力室空间可压缩，底面布设透水石(310)，放入试样后再在试样顶部放一块透水石，盖上承压稳压盖(31)，使承压底座(34)顶端达到压力杆侧壁标注的0刻度线处。储液室(311)兼具承压与储水双重功能，其主承重结构由两个扇形深梁(314)组成，顶部与压力室连通处开设圆孔(316)，作为渗透水的出流口，储液室内液体注满时可从外侧开设的两个出液口(38)流出。稳压台(313)开设4个螺杆孔，与稳压架(33)相连，两稳压结构的相连实现应力状态的保持，使试样压缩后不会产生显著回弹。可压式渗透装置(3)整体结构所有开孔处均呈对称式，以减少由于应力分布不均造成的不均匀变形。
量测装置。量测装置(4)用于收集由渗透装置下部储液室流出的水，设置为量筒的形式。
一种使用可加压式粘性土渗透系数测定装置测定土样渗透性的试验方法，包括以下几个步骤：
S1.将可压式渗透装置(3)单独取出，将制作成标准件的黏土试件填入压力室(311)，并在试样的上下两面分别布铺设透水石(310)。
S2.旋转渗透装置(3)的组合压力杆(32)使其上下圆孔不连通，使4个连接螺杆(37)通过，将传压稳压盖(31)盖于试样上，使承压底座(34)顶端达到压力杆侧壁标注的0刻度线处。
S3.将可压式渗透装置(3)放于压力机或液压千斤顶上，据试验要求，采用加压装置将试样压至试验所需的额定深度处，并通过精准刻度线的(315)数值确定此时试样被压缩后的实际高度，记为L。试样的压缩工作结束。
S4.牢固旋紧四个螺母(39)，将渗透装置(3)从压力机上取下。算得被压缩试样实际截面积A及孔隙率。
S5.向渗透装置底部的储液室(312)内注满水，排干净室内的空气，关闭底座上阀门(27)。
S6.使用高压塑胶软管(51)连接供压装置(1)与储液装置(2)，使用耐压不锈钢软管(52)连接储液装置(2)与可压式渗透装置(3)，使用塑胶软管(54)连接可压式渗透装置(3)与量测装置(4)。此时整个渗透试验系统连接完成。
S7.打开储液装置(2)上进气阀门(21)，打开空压机(13)，通过空压机压力额定输出，以及控制储液桶上方的填液排气阀门(22)调节桶内压力，使之达到试验所需的压力值。
S8.桶内压力稳定至额定压力P后，打开压力桶底部两处阀门(27)，使承压力水流入耐压不锈钢压力管(52)，此时渗透装置的上部承压稳压盖(31)仍应处于不连通状态。打开管路上两处阀门(53)，排干净其内残存的空气，从而使管路完全充满水。
S9.关闭管路上的阀门(53)，旋转渗透装置的承压稳压盖，使其上下通道连通，管内承压水进入压力室(311)。
S10.观察从储液室(312)流出的液体流速，待流入量测装置(4)内流速趋于稳定后，在某一时间段内记录液面变化高度Δh及经过的时间Δt。
S11.若始终无液体流出，考虑到粘性土的渗透性较低，等待10min后仍无水流出，应加大空压机(13)压力输出；若空压机量程内均无渗流产生，则应关闭空压机(13)，开启氮气瓶(11)，通过减压阀(12)与填液排气阀门(22)的控制，逐步增大桶内压力至P′。
S12.重复试验步骤(S10-S11)，多次测量几组实验值。
S13.关闭供压装置(1)阀门，打开储液桶上方填液排气阀门(22)，待桶内压力降为0后，关闭底部两阀门(27)。
S14.依次拆除可压式渗透装置(3)，底部塑胶管(54)、上方耐压不锈钢软管(52)、供压装置(1)、储液装置(2)。
S15.旋开渗透装置的4根螺杆(38)，将试样取出，排干净储液室(312)内的水。整理实验仪器。
S16.通过公式测得每次收集数据对应的渗透系数。
S17.同一试样计算多次采集数据的结果，取平均值记为最终渗透系数。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统，其特征是：包括供压装置、储液装置、可压式渗透装置、量测装置和管路系统，所述供压装置连接储液装置，为其提供压力气体，推动储液装置内的液体通过管路系统进入可压式渗透装置，所述可压式渗透装置可机械压缩土体后进行渗透试验，所述量测装置测量流经可压式渗透装置中待测试样的水；
所述可压式渗透装置上侧包括传压稳压盖，承受压力荷载，向压力室内的试样提供压力使其压缩，传压稳压盖包括组合压力杆和稳压架，组合压力杆底部为旋转圆盘结构，表面对称开设两个通长的圆孔，作为水流通道的一部分；稳压架近压力杆部位同样布设两个通长的圆孔，作为水流通道的一部分,并于上部水流入口处布设对丝；组合压力杆与稳压架通过中部传力杆套结；所述压力组合杆与稳压架均可旋转。
2.如权利要求1所述的一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统，其特征是：所述供压装置包括氮气瓶、空压机和减压器，所述氮气瓶、空压机通过连通管路共同提供压力；所述氮气瓶端连通管路上设置有减压器调节输出压力。
3.如权利要求1所述的一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统，其特征是：所述储液装置内存有渗透液，作为渗透装置水源供给，储液装置顶部位设有高压气体阀门、加液排气阀门和压力表；高压气体阀门控制高压气体的输入，阀门顶部设置活接连接的气压口以保证气密性，加液排气阀门向储液装置内注入渗透液，当压力过高时该阀门起到泄压以维持桶内气压稳定的作用；储液装置壁上设置精确刻度线，以记录桶内的液面变化，储液装置底部两侧对称布设两个液体流出阀门，当储液装置内压力满足要求时打开上述两个液体流出阀门即可。
4.如权利要求1所述的一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统，其特征是：所述组合压力杆顶部表面光滑，直接承受压力荷载，所述中部传力杆上布置精准刻度线，以指示试件被压缩后的实际高度，从而确定试样的实际轴向应变量，方便进行孔隙率的计算。
5.如权利要求4所述的一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统，其特征是：所述稳压架盘面上留设螺杆孔，以便于与下部底座固定连接。
6.如权利要求4所述的一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统，其特征是：试件加压时应旋转上下两段过水通道使圆孔不连通，被压缩的土体无法透入到过水通道中，从而达到隔土的目的；当进行渗透试验时，应旋转组合杆时到预设位置处，使两段通道连通，从而使渗透水流得以顺利通过。
7.如权利要求4所述的一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统，其特征是：所述可压式渗透装置下侧承重底座包括压力室、稳压台、储液室和出液口，压力室空间可压缩，底面布设透水石，放入试样后再在试样顶部放一块透水石，盖上承压稳压盖，使承压底座顶端达到压力杆侧壁标注的0刻度线处，储液室兼具承压与储水双重功能，顶部与压力室连通处开设圆孔，作为渗透水的出流口，储液室内液体注满时可从外侧开设的两个出液口流出。
8.如权利要求4所述的一种适用于测定粘性土渗透性的试验系统，其特征是：稳压台开设有若干个螺杆孔，与稳压架相连，以实现应力状态的保持，使试样压缩后不会产生显著回弹，可压式渗透装置整体结构所有开孔处均呈对称式，以减少由于应力分布不均造成的不均匀变形。
9.基于权利要求1-8中任一项所述的系统的方法，其特征是：包括以下几个步骤：
(1)将可压式渗透装置取出，将成型的标准粘土试件填入压力室，算得截面积记为A，在试样的上下两面分别布铺设透水石，旋转渗透装置的组合压力杆使其上下圆孔不连通，将传压稳压盖盖于试样上，使承压底座顶端达到压力杆侧壁标注的0刻度线处；
(2)将可压式渗透装置设置于压力机或液压千斤顶上，据试验要求，在精准刻度线上标定需将试样压缩至的终点刻度线，采用压力机或液压千斤顶将试样压至额定深度，试件初始高度减去额定深度即为试样压缩后的实际高度，记为L；
(3)用螺杆将渗透装置上侧传压稳压盖与下侧承重底座牢固连接，稳压架发挥作用，将可压式渗透装置从压力机上取下，向渗透装置底部的储液室内注满水，排干净室内的空气，关闭底座上阀门；
(4)连接供压装置与储液装置以及储液装置与可压式渗透装置，设置两侧装置，调节供压装置的压力，使之达到试验所需的压力值P，并保持稳定；
(5)打开压力桶底部两处阀门，使承压力水流入，此时渗透装置的上部承压稳压盖处于不连通状态，打开管路上两处阀门，排干净其内残存的空气，从而使管路完全充满水；
(6)关闭管路上的阀门，旋转渗透装置的承压稳压盖，使其上下通道连通，管内承压水进入压力室，观察从储液室流出的水滴流速，待流入量测装置内流速趋于稳定后，在某一时间段内记录液面变化高度Δh及经过的时间Δt；
(7)若等待一段时间后仍无水滴流出，应加大空压机压力输出，若空压机量程内均无渗流产生，则应关闭空压机，开启氮气瓶，通过减压阀与加液排气阀门的控制，逐步增大桶内压力至P’，重复步骤(6)；
(8)关闭供压装置阀门，打开储液桶上方填液排气阀门，待桶内压力降为0后，关闭底部两阀门，依次拆除装置，通过收集的数据，计算渗透系数；
(9)对同一试样计算多次采集数据的结果，取平均值记为最终渗透系数。
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