CN108088982A - 模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法 - Google Patents

模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法 Download PDF

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CN108088982A CN201810056057.1A CN201810056057A CN108088982A CN 108088982 A CN108088982 A CN 108088982A CN 201810056057 A CN201810056057 A CN 201810056057A CN 108088982 A CN108088982 A CN 108088982A
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Abstract

本发明提供了一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法,包括:第一步、土体制备;第二步、土样铺设;第三步、设定初始水位;第四步、设定初始气压;第五步、设定初始荷载,土体饱和固结;第六步、水力梯度作用下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验;第七步、气压影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验;第八步、荷载影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验;第九步、不同细颗粒含量砂土渗流侵蚀试验。本发明模拟地层压力、水力梯度,以及土体内部细颗粒含量影响下深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程,从而确定深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀对含水层砂土变形的影响。

Description

模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法
技术领域
[0001]本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的试验方法,具体是一种模拟深部含水层 砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法。
背景技术
[0002]随着我国基础建设的不断发展,大范围地面沉降已经成为城市化进程中无法回避 的问题。根据传统土力学原理,水位降低引起弱透水层竖向有效应力增加而导致固结压缩 变形是地面沉降的主要原因,而含水层本身的变形较小。但是近年来上海地区的监测数据 表明,含水层砂土的变形量在总沉降量中占有较大比例,含水层砂土的变形对地面沉降的 影响不可忽略,即使水位恢复,含水层砂土仍然会发生持续变形增大与变形滞后的现象。上 海地区的含水层砂土中常夹有薄薄的粉质黏土类的细颗粒,开采地下水会在深部含水层中 形成较大的水力梯度,水力梯度作用下水的渗透将对土骨架产生拖曳力,使细颗粒在砂土 粗颗粒构成的孔隙中移动,发生渗流侵蚀造成细颗粒流失,由此引起深部含水层砂土变形 的增大与滞后。这种由于砂土内部渗流侵蚀对深部含水层砂土变形的影响可通过室内试验 进行观察分析。
[0003]经对现有的技术文献检索发现:中国专利21201110242127.0,申请日2011.08.23, 记载了一种“一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置”,该装置能够模拟渗流侵蚀应力状态下 土体的管涌发展过程。根据该专利自述,该专利能够模拟试样沉降与时间的关系,但是该装 置所用模型尺度较小,无法反应土体渗流侵蚀的空间状态及其对含水砂土变形的影响,也 无法模拟深部含水层的上覆压力。
[0004]中国专利ZL2〇 121 〇〇57729.3,申请日2〇 12 • 〇3. 〇7,记载了一种“可以模拟土体上覆 压力的大尺度管涌试验装置及测试方法”;根据该专利自述,该装置能模拟深部土层的上覆 压力,监测孔隙水压力分布及细颗粒流失量,但难以模拟深部含水层所受到的高水力梯度, 也不能反映土体渗流侵蚀的空间状态及渗流侵蚀后土层的变形情况。
发明内容
[0005]针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种模拟深部含水层砂土内部细颗 粒渗流侵蚀的室内试验方法,该方法可以用于确定深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的 动态过程及其对含水层砂土变形的影响。
[0006]本发明采用的技术方案具体如下:
[0007] —种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法,所述方法包括如 下步骤:
[0008] 第一步、土体制备
[0009]制备试验所需土体,所述土体包括含水层砂土和隔水层黏土,其中:含水层砂土为 含细颗粒的砂土,隔水层黏土为粉质黏土; ’、’
[0010]第二步、土样铺设
[0011] (1)分层铺设含水层砂土,即将第一步中制备好的含水层砂土分层铺入土贮存槽 内,且每铺完一层均夯实; ⑽12] (2)埋设测试监测系统:
[W)13]测试监测系统包括计算机自动监测设备、孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、 尚速摄像仪;在,土过程中,将孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降伩分层埋设于土贮存槽 内的土体中;将高速摄像仪安放于土贮存槽的外部,然后将孔隙水压力计、土压力盒、分层 沉降仪、高速摄像仪与计算机自动监测设备相连;
[0014] (3)铺设隔水层:
[0015] &将第一步中制备好的隔水层黏土分层铺设于(1)的土贮存槽内含水层砂土上方, 且每铺完一层均夯实;米用移动式钢制箱型盖板,在移动式钢制箱型盖板的侧板外侧加设 密封垫后放置在土贮存槽中隔水层黏土的上方;
[0016]第三步、设定初始水位
[0017]在土贮存槽的两侧布置上游水箱和下游水箱,并通过透水模块与土贮存槽相连, 分别向上游箱体、下游箱体中缓慢加水,并控制上游箱体、下游箱体的初始水位一致,使放 置在土贮存槽中的土体没入水中;
[0018] 第四步、设定初始气压
[0019]上游水箱、下游水箱连接气压控制系统,通过气压控制系统分别向上游箱体、下游 箱体加压,并控制上游箱体、下游箱体即上、下游的初始气压保持一致;
[0020]第五步、设定初始荷载,并使土体饱和固结 ’
[0021]动力加压系统布置在移动式钢制箱型盖板的上方,通过动力加压系统向土贮存槽 内的土体施加初始荷载,并保持初始水位、初始气压、初始荷载不变,使土体饱和固结;
[0022]第六步、水力梯度作用下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验
[0023] (1)保持初始气压和初始荷载不变,通过调节上游箱体、下游箱体水位分别控制 上、下游水位差,进行渗流侵蚀试验;
[0024] ⑵试验过程中,由孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪分别实时检测记录孔隙 水压力、土体应力、土层分层变形量,并绘制成与时间的曲线关系图;
[0025] (3)由高速摄像仪观测采集细颗粒颗粒渗流侵蚀的动态过程图像,并采用图片处 理软件对高速摄像仪采集到的图片处理分析渗流侵蚀的动态过程;
[0026] ⑷试验结束后,按土工试验规范从土贮存槽中取样对土体进行颗粒分析实验,得 到土样的颗粒组成;
[0027]第七步、气压影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验 [0028] (1)保持初始水位和荷载不变,通过气压控制系统调整上游箱体、下游箱体内气压 大小控制上、下游气压差,进行渗流侵蚀试验,通过调整气压大小模拟深部含水层砂土所承 受的高水力梯度作用;
[0029] (2)重复第六步中的(2)、(3)、⑷,确定含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过 程及其对含水层砂土变形的影响
[0030] 第八步、荷载影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验
[0031] 保持初始气压不变,通过调整动力加压系统的压力大小改变荷载,通过调整荷载 大小模拟深部含水层砂土所承受的土压力,然后重复第六步进行渗流侵蚀试验;
[0032]第九步、不同细颗粒含量砂土渗流侵蚀试验
[0033] (1)重复第一步制备试验用土体,改变含水层砂土中的细颗粒含量;
[0034] (2)重复第一步到第八步,确定砂土内部细颗粒含量影响下含水层砂土内部细颗 粒渗流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响。
[0035]优选地,所述上游水箱,用于贮存水并位于土贮存槽的一侧;上游水箱包括上游箱 体和上游钢制盖板,其中:上游钢制盖板位于上游箱体顶部并与上游箱体通过固定螺栓和 密封垫连接,从而使上游水箱形成一密闭空间;在上游箱体的底部放置与土体高度相同的 粗颗粒砂石土,铺设厚度与土贮存槽中的土体厚度相同,用于平衡土贮存槽中土体传递的 压力;在上游箱体的左侧壁沿中线从下至上依次设有上游排水口、上游溢水口、上游气压控 制口;在上游箱体的右侧壁沿中线从上至下依次设有上游进水口和上游矩形槽。
[0036]优选地,所述下游水箱,用于贮存水并位于土贮存槽的另一侧;下游水箱包括下游 箱体和下游钢制盖板,其中:下游钢制盖板位于下游箱体顶部并与下游箱体通过固定螺栓 和密封垫连接,从而使下游水箱形成一密闭空间;在下游箱体的底部放置粗颗粒砂石土,铺 设厚度与土贮存槽中的土体厚度相同,用于平衡土贮存槽中土体传递的压力;在下游箱体 的右侧壁沿中线从下至上依次设有下游排水口、下游溢水口、下游气压控制口,在下游箱体 的左侧壁沿中线从上至下依次设有下游进水口和下游矩形槽。
[0037]优选地,所述土体贮存系统:土贮存槽为包含一块底板和前后两块侧板的矩形有 机玻璃槽,用于盛放土体,其尺寸根据试验要求确定;移动式钢制箱型盖板包含一块底板和 四块侧板放置于土贮存槽中土体的顶部,用于试验时承受竖向荷载,其尺寸根据试验要求 确定。
[0038]优选地,所述透水模块,有两组且每组均由水平钢板、竖向开孔钢板和透水石组 成,两组透水模块分别安装于上游矩形槽、下游矩形槽处,用于分别连接土贮存槽与上游水 箱、土贮存槽与下游水箱。
[0039]优选地,所述气压控制系统,有两组且每组均由空气压缩机、加压气囊、控制阀、气 压表组成,其中:一组气压控制系统的空气压缩机放置在上游箱体外并通过高压软管先后 与控制阀和气压表相连后,再与上游箱体的上游气压控制口相连,加压气囊放置在上游箱 体内部并通过高压软管与上游气压控制口相连;另一组气压控制系统的空气压缩机放置在 下游箱体外并通过高压软管先后与控制阀和气压表相连后,再与下游箱体的下游气压控制 口相连,加压气囊放置在下游箱体内部并通过高压软管与下游气压控制口相连;试验过程 中,加压气囊中的压力根据试验要求确定,通过调节上游水箱、下游水箱中即上、下游的气 压差来模拟深部含水层砂土所承受的高水力梯度。
[0040]优选地,所述动力加压系统,由一个承压框架及若干液压千斤顶组成,其中:承压 框架通过固定螺栓锚固于地面上,若干液压千斤顶安装于承压框架上;试验过程中若干液 压千斤顶等距离布置在移动式钢制箱型盖板上对土贮存槽中的土体施加荷载,通过调节每 个液压千斤顶顶程对土贮存槽中的土体施加相同大小的均值荷载,所述均值荷载等于试验 要求的荷载值除以液压千斤顶的数量;液压千斤顶数量根据试验要求确定。
[0041]优选地,所述测试监测系统中:孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪在测定试验 过程中分别用于检测土体的孔隙水压力、土体应力及土层分层变形量,高速摄像仪用于在 测定试验过程中观测细颗粒渗流侵蚀的动态过程,计算机自动监测设备通过数据线分别与 孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪连接,用于在测定试验过程中实时监测 记录孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪检测到的实验数据。
[0042]更优选地,所述上游箱体为横截面为正方形的长方体有机玻璃箱,其尺寸根据试 验要求确定,该有机玻璃箱顶部四周挑出25mm,便于试验过程中与上游钢制盖板密封连接。 [0043]更优选地,所述上游钢制盖板为横截面为正方形的钢板,厚度为10mm,长度和宽度 均为上游箱体横截面长度加50mm。
[0044]更优选地,所述上游排水口用于试验结束将上游箱体中的水排出;上游排水口设 置于在上游箱体左侧壁最底部,上游排水口为一个,并安装有止水阀。
[0045]更优选地,所述上游溢水口用于控制上游水箱水位;上游溢水口安装有止水阀,其 数量和位置根据试验要求确定。
[0046]更优选地,所述上游气压控制口用于连接气压控制系统;上游气压控制口为一个, 其竖向位置根据试验要求确定。
[0047] 更优选地,所述上游进水口用于向上游箱体中注水;上游进水口为一个并安装有 止水阀,其竖向高度同距离上游箱体底部最高的上游溢水口。
[0048]更优选地,所述上游矩形槽用于安装透水模块;上游矩形槽为在上游箱体右侧壁 最下方开设的矩形槽,其尺寸根据土体贮存系统确定。
[0049]更优选地,所述的下游箱体为横截面为正方形的长方体有机玻璃箱,其尺寸根据 试验要求确定,该有机玻璃箱顶部四周挑出25mm,便于试验过程中与下游钢制盖板密封连 接。
[0050]更优选地,所述下游钢制盖板,为横截面为正方形的钢板,厚度为10mm,其长和宽 均为下游箱体截面长度加5〇mm。
[0051]更优选地,所述下游排水口用于试验结束将下游箱体中的水排出;下游排水口设 置于下游箱体右侧壁最底部,下游排水口为一个,并安装有止水阀。
[0052] 更优选地,所述下游溢水口用于控制下游水箱水位;下游溢水口安装有止水阀,其 数量和位置根据试验要求确定。
[0053] 更优选地,所述下游气压控制口用于连接气压控制系统;下游气压控制口为一个, 其竖向位置根据试验要求确定。
[0054] 更优选地,所述下游进水口用于向下游箱体中注水;下游进水口为一个并安装有 止水阀,其竖向高度同距离下游箱体底部最高的下游溢水口。
[0055] 更优选地,所述下游矩形槽用于安装透水模块;下游矩形槽为在下游箱体左侧壁 最下方开设的矩形槽,其具体尺寸根据土体贮存系统确定。
[0056] 优选地,两组所述的透水模块中:
[0057]所述水平钢板连接上游箱体与土贮存槽或下游箱体与土贮存槽;水平钢板的尺寸 根据上游箱体、下游箱体和土贮存槽的尺寸确定;
[0058] 所述竖直开孔钢板固定于水平钢板及上游箱体上或水平钢板及下游箱体上,用于 分别承受试验中土体贮存系统中土体的两侧侧向压力并保证水流的通过;竖直开孔钢板的 尺寸及开孔位置根据上游箱体、下游箱体及土贮存槽的尺寸确定;
[0059] 所述透水石通过密封垫固定安放于上游矩形槽或下游矩形槽中,且其一侧紧贴竖 直开孔钢板,用于保证水流通过但又防止土样细颗粒通过。
[0060] 更优选地,所述水平钢板连接上游箱体与土贮存槽或下游箱体与土贮存槽,是:将 水平钢板的一端通过固定螺栓、密封垫与上游箱体的底板或下游箱体的底板相连,水平钢 板的另一端通过固定螺栓、密封垫与土 存槽的两侧底板相连。
[0061] 更优选地,所述竖直开孔钢板分别固定于水平钢板及上游箱体上或水平钢板及下 游箱体上,是:将竖直开孔钢板的一端与水平钢板焊接相连,竖直开孔钢板的另一端通过固 定螺栓、密封垫与上游箱体右侧壁或下游箱体左侧壁相连。
[0062] 优选地,第一步中,所述含细颗粒的砂土,是:取粒径范围为0 • 075圓〜2mm的砂土 及粒径小于0.075mm粉质黏土混合后,按照土工试验规范及试验要求,制备成一定细颗粒含 量的含水层砂土。
[0063]更优选地,所述细颗粒含量,是指单位土体中粉质黏土体积含量的百分比,细颗粒 含量的大小按试验要求确定。
[0064]优选地,第二步的⑴中,所述含水层砂土的铺设厚度按试验要求确定。
[0065]优选地,第二步的(2)中,所述孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪的埋设位置和 数量按试验要求确定。
[0066]优选地,第二步的⑶中,所述隔水层黏土的铺设厚度按试验要求确定。
[0067] 优选地,第三步中:
[0068]打开上游箱体的上游进水口和下游箱体的下游进水口以分别向上游箱体、下游箱 体中缓慢加水,同时打开竖直高度相同的上游箱体的上游溢水口和下游箱体的下游溢水 口,以控制上游箱体、下游箱体的初始水位保持一致。
[0069]优选地,第四步中:打开控制阀分别向上游箱体、下游箱体内的加压气囊中加压, 并控制上游箱体、下游箱体的初始气压保持一致;所述初始气压的大小按试验要求确定。
[0070] 优选地,第五步中:
[0071] (1)将动力加压系统安装在移动式钢制箱型盖板上部;
[0072] (2)通过动力加压系统对土贮存槽中的土体施加初始荷载,初始荷载的大小根据 试验要求确定;
[0073] (3)保持初始水位、初始气压、初始荷载不变,使土贮存槽内的土体饱和固结一段 时间。
[0074] 优选地,第六步的(1)中:保持初始气压和初始荷载不变,分别调节上游箱体的上 游溢水口、下游箱体的下游溢水口以分别控制上、下游水位差进行渗流侵蚀试验,且每种不 同上、下游水位差的工况进行三组平行试验,每次试验持续渗流一段时间。
[0075]优选地,第六步的(4)中:不同上、下游水位差的工况中每组试验结束后,关闭上游 箱体的上游进水口、下游箱体的下游进水口,同时打开上游箱体的的上游排水口、下游箱体 的下游排水口,以分别将上游箱体、下游箱体中的水排出;打开移动式钢制箱型盖板,按土 工试验规范从土贮存槽中取出土体,每隔一段距离取一组土样,对土样进行颗粒分析试验。 [0076]更优选地,所述颗粒分析试验,是指:采用激光粒度仪对试验后的土样进行粒度分 析测试,得到土样的颗粒组成。
[0077]优选地,第七步的⑴中:
[0078]保持初始水位和初始荷载不变,调整上游箱体、下游箱体内加压气囊的气压大小 以分别控制上、下游气压差;每种不同上、下游气压差的工况进行三组平行试验,每次试验 付坎珍^爪—权口、J |HJ。
[0079]与现有技术相比较,本发明具有如下有益效果: 本补P了含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验方面的空白,采甜是出的 试验方^丨1楨以地层压力、水力梯度,以及土体内部细颗粒含量影响下深部含水 土 Sugg’S侵蚀的^态过程,从而确定深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀对含水层砂
附图说明
[0081]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显:
[0082]图la为本发明一优选实施例的整体结构主视图;
[0083]图lb是本发明一优选实施例的整体结构俯视图;
[0084]图2为本发明一优选实施例的上游水箱结构示意图,其中:(a)是主视图;(b)是左 视图;(C)是右视图;
[0085]图3为本发明一优选实施例的下游水箱结构示意图,其中:(a)是主视图;(b)是左 视图;(C)是右视图;
[0086]图4为本发明一优选实施例的土体贮存系统结构示意图,其中:(a)是俯视图;(b) 是左视图;
[0087]图5为本发明一优选实施例的透水模块结构示意图;
[0088]图6为本发明一优选实施例的气压控制系统结构示意图;
[0089]图7为本发明一优选实施例的动力加压系统和测试监测系统结构示意图;
[0090]图中:
[0091] 1为上游水箱,2为下游水箱,3为土体贮存系统,4为透水模块,5为气压控制系统,6 为动力加压系统,7为测试监测系统;
[0092] 1-1为上游箱体,1-1-1为上游排水口,1-1-2为上游溢水口,1-1-2-1为上游溢水口 1,1-1-2-2为上游溢水口 2,1-1-2-3为上游溢水口 3,1-1-2-4为上游溢水口 4,1-1-3为上游 气压控制口,1-1-4为上游进水口,1-1-5为上游矩形槽,1-2为上游钢制盖板;
[0093] 2-1为下游箱体,2-1-1为下游排水口,2-1-2为下游溢水口,2-1-2-1为下游溢水口 1,2-1_2-2为下游溢水口 2,2-1-3为下游气压控制口,2-1-4为下游进水口,2-1-5为下游矩 形槽,2-2为下游钢制盖板;
[0094] 3-1为土贮存槽,3-2为移动式钢制箱型盖板;
[0095] 4-1为水平钢板,4-2为竖向开孔钢板,4-3为透水石;
[0096] 5-1为空气压缩机,5-2为加压气囊,5-3为控制阀,5-4为气压表;
[0097] 6-1为承压框架,6-2为液压千斤顶;
[0098] 7-1为计算机自动监测设备,7-2为孔隙水压力计,7_3为土压力盒,7-4为分层沉降 仪,7-5为尚速摄像仪。
具体实施方式
[0099] 下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例以本发明技术方案为前提进行实 施,纟曰出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 [0100]为研宄深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及其对土体变形的影响, 以下结合如图la-图7所示的试验装置,提供一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流'侵蚀 的室内试验方法的具体应用实施例的详细说明。 /
[0101]所述方法按以下步骤进行:
[0102]第一步、土体制备
[0103]制备试验中所需土体:首先取粒径范围为0.075mm〜2mm的砂土及粒径小于 0. 075mm粉质黏土,按照土工试验规范要求制备成细颗粒含量为5 %的含水层砂土;然后取 粒径小于0 • 075mm粉质黏土作为隔水层黏土。
[0104]第二步、土样铺设
[0105] 1)分层铺设含水层砂土:将制备好的细颗粒含量为5%的含水层砂土按每层50mm 厚度铺入深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验装置的土贮存槽内,每铺完一层土均进 行夯实。
[0106]所述深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验装置如图la、bl所示,具体包括:上 游水箱1、下游水箱2、土体贮存系统3、透水模块4、气压控制系统5、动力加压系统6、测试监 测系统7,其中:
[0107] 所述上游水箱1和所述下游水箱2分别位于所述土体贮存系统3的左、右侧,并分别 通过一个所述透水模块4进行连接;所述气压控制系统5分别与所述上游水箱1、所述下游水 箱2相连,用于分别调节所述上游水箱1、所述下游水箱2中的气压即上、下游的气压;所述动 力加压系统6布置在所述土体贮存系统3的上方,用于对放置在所述土体贮存系统3内的土 体施加压力以模拟深部含水层砂土的上覆土压力;所述测试监测系统7用于实时监测记录 实验数据。
[0108] 如图2中(a)、⑹、(c)所示,所述的上游水箱1由上游箱体1-1和上游钢制盖板1 -2 组成,其中:
[0109]所述上游钢制盖板1-2通过固定螺栓和密封垫与所述上游箱体1-1的顶部连接,并 在所述上游箱体1-1的底部放置高380mm的粗颗粒砂石土,用于平衡试验中所述土体歡存系 统3中土体传来的压力。 ~
[0110]进一步的,所述上游箱体1-1为400mm X 400mm X 1 • 5m的有机玻璃箱,其壁厚为 20mm,并在所述上游箱体1-1的顶部四周挑出25mm,以便于试验过程中与上游钢制盖板1 一2 密封连接;在所述上游箱体1-1的左侧壁沿中线从下至上依次设有一个上游排水口卜1一 1、 四个上游溢水口 1-1-2和一个上游气压控制口 1-1-3,在所述上游箱体卜1的右侧壁沿中线 从上至下设有一个上游进水口 1-1-4和一个上游矩形槽1-1-5;其中: 上
[0川]所述上游排水口卜卜1安装止水阀,孔径为20mm,距离上游箱体丨^1底部0
[0112] 所述上游溢水口 1-1_2安装止水阀,其孔径为20圆,自距离上游箱体丨―1底部0.5m 向上每隔0.2m进行设置共4个,自下往上依次为上游溢水口 1-1-2-1、士游溢水口 1_1_2—2、 上游溢水口 1-1-2-3、上游溢水口 1-1-2-4,分别距离上游箱体1-1底部0.5111、0.7111、0.9111、 1. lm;
[0113] 所述上游气压控制口 1-1_3孔径为l〇mm,距离上游箱体卜1底部1.3m; +
[0114] 所述上游进水口 1-1-4安装止水阀,孔径为20mm,距离上游箱体卜1底部1 .lm;
[0115] 所述上游矩形槽1-1_5开设于上游箱体1-1右侧壁最下方,宽36〇mm、高38〇mm;
[0116] 所述上游钢制盖板1_2为横截面为正方形的钢板,具体尺寸为450mm X 45〇mm X 10mm〇
[0117] 如图3中(a)、(b)、(c)所示,所述的下游水箱2由下游箱体2-1和下游钢制盖板2-2 组成,其中:
[0118] 所述下游钢制盖板2-2通过固定螺栓和密封垫与所述下游箱体2-1的顶部连接,并 在所述下游箱体2-1的底部放置高38〇mm的粗颗粒砂石土,用于平衡试验中所述土体贮存系 统3中土体传来的压力。
[0119] 进一步的,所述下游箱体2-1为400mmX400mmX 1 • lm的有机玻璃箱,其壁厚为 20mm,并在所述下游箱体2-1的顶部四周挑出25mm,以便于试验过程中与下游钢制盖板2-2 密封连接;在所述下游箱体2-1的右侧壁沿中线从下至上依次设有一个下游排水口 2«、 两个下游溢水口 2-1-2和一个下游气压控制口 2_1_3,在所述下游箱体2_1的左侧壁沿中线 从上至下设有一个下游进水口 2-1-4和一个下游矩形槽2-1-5;其中:
[0120] 所述下游排水口 2-1-1安装止水阀,孔径为2〇mm,距离下游箱体2-1底部0• 04m;
[0121] 所述下游溢水口2-1-2安装止水阀,孔径为2〇mm,自距离下游箱体2-1底部〇.5m向 上每隔0.2m进行设置共2个,依次为下游溢水口 2-1-2-1、下游溢水口 2-2-2-2,分别距离下 游箱体2-1底部0.5m、0.7m;
[0122] 所述下游气压控制口 2-1-3孔径为lOmra,距离下游箱体2-1底部〇.9m;
[0123] 所述下游进水口 2-1-4安装止水阀,孔径为20mm,距离下游箱体2-1底部0.7m;
[0124] 所述下游矩形槽2-1-5开设于下游箱体2-1左侧壁最下方,宽360mm、高380mm;
[0125] 所述下游钢制盖板2-2为横截面为正方形的钢板,具体尺寸为450mm X450mmX 10mm〇
[0126] 如图4中(a)、⑹所示,所述的土体贮存系统3由土贮存槽3-1和移动式钢制箱型盖 板3-2组成;其中:
[0127] 所述土贮存槽3-1为2111\400臟/400111111、厚20臟,具有底板和前后两块侧板的矩形 有机玻璃槽;
[0128] 所述移动式钢制箱型盖板3-2为具有底板和四块侧板的钢制箱型盖板,其壁厚为 1 Omm、底板尺寸为2m X 360mm、侧板高为400mm。
[0129] 如图5所示,所述的透水模块4有两组,分别用于连接所述上游水箱1与所述土体贮 存系统3,以及所述下游水箱2与所述土体贮存系统3;每组透水模块4均由水平钢板4-1、竖 向开孔钢板4-2和透水石4-3组成,其中:
[0130] 所述水平钢板4-1为500mX360mmX 10mm的钢板,水平钢板4-1 一端通过固定螺栓 和密封垫与上游箱体1-1或下游箱体2-1的底板连接,水平钢板4-1另一端通过固定螺栓和 密封垫分别与土贮存槽3-1两侧的底板连接; _
[0131] 所述竖向开孔钢板4-2为36〇mmX650mmX10mm的开孔钢板,下部37〇mm高度范围内 每隔5mm间距设置小孔,小孔孔径为1mm;竖向开孔钢板4-2—端与水平钢板4-1焊接,竖向开 孔钢板4-2另一端通过固定螺栓和密封垫分别与上游箱体1-1右侧壁或下游箱体2-1左侧壁 相连;
[0132] 所述透水石4-3紧贴竖向开孔钢板4-2,透水石4-3通过密封垫分别固定于上游矩 形槽5或下游矩形槽2—1-5中;透水石4-3的尺寸为360mm X370mraX 20mm,
[0133] 如图6所示,所述的气压控制系统5有两组,两组气压控制系统5分别与上游气压控 制口 K-3、下游气压控制口 2-1-3连接;每组气压控制系统5都由空气压缩机5-1、加压气囊 5-2、控制阀5-3、气压表5-4组成,其中:
[0134] 所述空气压缩机5-1在上游箱体1-1或下游箱体2_1外侧通过高压软管连接控制阀 5-3和气压表5-4,再与上游气压控制口 1-1-3或下游气压控制口 2-1-3相连;所述加压气囊 5-2在上游箱体1-1或下游箱体2-1内部通过高压软管与上游气压控制口 3或下游气压 控制口 2-1-3相连。
[0135] 如图7所示,所述的动力加压系统6由承压框架6-1及液压千斤顶6-2组成,其中:
[0136] 所述承压框架6-1通过固定螺栓锚固于地面上;所述液压千斤顶6-2固定于承压框 架6-1上,试验过程中若干液压千斤顶6-2等距离布置在移动式钢制箱型盖板3-2上用于向 移动式钢制箱型盖板3-2施加荷载,进而对土贮存槽3-1中的土层施加压力。
[0137] 如图7所示,所述的测试监测系统7包括计算机自动监测设备7-1、孔隙水压力计7-2、土压力盒7-3、分层沉降仪7-4、高速摄像仪7-5。
[0138] 2)埋设测试监测系统:
[0139] 当含水层砂土铺设100mm后,按照如图7所示位置,将10个土压力盒7-3按间隔为 200mm的两行、水平方向间距为400mm的五列平放在土体上;随后在其上再铺设100mm含水层 砂土,按照如图7所示位置,同样将10组孔隙水压力计7-2按两行五列等间距平放在土体上; 随后在其上再铺设100mm含水层砂土,按照如图7所示位置,将5组分层沉降仪7-4按单行、水 平方向间距为400mm的五列平放在土体上;高速摄像仪7-5放置在土贮存槽3-1外;孔隙水压 力计7-2、土压力盒7-3、分层沉降仪7-4、高速摄像仪7-5通过数据线与计算机自动监测设备 7-1相连。
[0140] 3)铺设隔水层黏土:
[0141]将80mm厚的隔水层黏土按每层40mm分层铺设到含水层砂土上方,每铺完一层进行 夯实;然后将侧板外侧加设密封垫的移动式钢制箱型盖板3-2放置于隔水层黏土的顶部。
[0142] 第三步、设定初始水位
[0143] 打开上游进水口 1-1-4及下游进水口 2-1-4分别向上游箱体1-1和下游箱体2-1中 缓慢加水,同时打开距离底部〇 • 5m的上游溢水口 1-1-2和下游溢水口 2-1-2以分别控制上游 箱体1-1和下游箱体2_1中的初始水位均为0.5m,并使土贮存槽3-1中的土体没入水中。
[0144] 第四步、设定初始气压
[0145] 打开控制阀5-3分别向上、下游即上游箱体1-1、下游箱体2-1的加压气囊5-2中加 压,控制上、下游初始气压保持一致,初始气压大小为0 • 05MPa。
[0146] 第五步、设定初始荷载,土体饱和固结
[0147] 1)将四个相互间距离为5〇〇mm的液压千斤顶6_2布置在移动式钢制箱型盖板3-2上 施加荷载;
[0148] 2)通过四个液压千斤顶6_2施加的初始荷载为0_〇2MPa,即每个液压千斤顶6-2施 加的均值荷载为〇.〇〇5MPa;
[0149] 3)保持初始水位、初始气压、初始荷载不变,使土体饱和固结24小时。
[0150]第六步、水力梯度作用下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验
[0151] 1)保持气压和荷载不变,关闭距离上游箱体1-1底部0.5m的上游溢水口 1-1-2-1, 同时依次打开上游溢水口 1-1-2-2、上游溢水口 1-1-2-3、上游溢水口 1-1-2-4,控制上、下游 水位差为0 • 2m、0 • 4m、0 • 6m,进行渗流侵蚀试验;每种不同上、下游水位差工况进行三组平行 试验,每次试验持续渗流24小时;
[0152] 2)将孔隙水压力计7_2、土压力盒7_3、分层沉降仪7-4监测到的孔隙水压力、土体 应力、土层分层变形量绘制成与时间的曲线关系图;
[0153] 3)采用图片处理软件分析试验过程中高速摄像仪7-5拍摄到的图片分析渗流侵蚀 的动态过程;
[0154] 4)每组试验结束后,关闭上游进水口 1-1-4和下游进水口2-1-4,同时打开上游排 水口 1-1-1和下游排水口2-1-1分别将上游箱体1-1和下游箱体2-1中的水排出,打开移动式 钢制箱型盖板3_2,按土工试验规范从土贮存槽3_1中取出土体,每隔5〇mm取一组土样,对试 样进行颗粒分析试验。
[0155]第七步、气压影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验
[0156] 1)保持初始水位和初始荷载不变,下游箱体2-1内加压气囊5-2的气压保持为 0.051?&,调整上游箱体1-1内加压气囊5-2的气压分别为0_0751^、0.11?&、0.1251^,控制 上、下游气压差为0.025MPa、0 • 05MPa、0.075MPa,进行渗流侵蚀试验,通过调整气压大小模 拟深部含水层砂土所承受的大水力梯度作用;且每种不同上、下游气压差工况进行三组平 行试验,每次试验持续渗流24小时;
[0157] 2)重复第六步中的(2)、(3)、(4),确定含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过 程及其对含水层砂土变形的影响。
[0158]第八步、荷载影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验 [0159]保持初始气压不变,调整四个液压千斤顶6_2施加的荷载值分别为〇.〇4MPa、 0_〇8MPa、0. lMPa、0. l2MPa、0_ l6MPa,即每个液压千斤顶6-2施加的均值荷载分别为 0 • 0 IMPa、0 • 02MPa、0 • 025MPa、0 • 03MPa、0 • 04MPa,通过调整荷载大小模拟深部含水层砂土所 承受的土压力,然后重复第六步进行渗流侵蚀试验。
[0160] 第九步、不同细颗粒含量砂土渗流侵蚀试验
[0161] 1)重复第一步制备试验用土体,改变含水层砂土中的细颗粒含量分别为10%、 15%,20%,25%;
[0162] 2)重复第二步到第八步,确定砂土内部细颗粒含量影响下含水层砂土内部细颗粒 渗流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响。
[0163]通过本发明所述的试验方法,填补了深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验方 面的空白,采用提出的试验方法,模拟地层压力、水力梯度,以及土体内部细颗粒含量影响 下深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及其对含水层变形的影响。
[0164]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1. 一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法,其特征在于,所述 方法包括如下步骤: ’ 第一步、土体制备; 制备试验所需土体,所述土体包括含水层砂土和隔水层黏土,其中:含水层砂土为含细 颗粒的砂土,隔水层黏土为粉质黏土; < 第二步、土样铺设; (1)分层铺设含水层砂土,即将第一步中制备好的含水层砂土分层铺入土贮存槽内且 每铺完一层均夯实; 4 ⑵埋设测试监测系统: 测试Ji测系统包括计算机自动监测设备、孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速 摄像仪;在铺土过程中,将孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪分层埋设于土贮存槽内的 土体中;将高速摄像仪安放于土贮存槽的外部,然后将孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降 仪、尚速摄像仪与计算机自动监测设备相连; ⑶铺设隔水层: 将第一步中制备好的隔水层黏土分层铺设于(1)的土贮存槽内含水层砂土上方,且每 铺完一层均夯实;采用移动式钢制箱型盖板,在移动式钢制箱型盖板的侧板外侧加设密封 垫后放置在土贮存槽中隔水层黏土的上方; 第三步、设定初始水位; 在土贮存槽的两侧布置上游水箱和下游水箱,并通过透水模块与土贮存槽相连,分别 向上游箱体、下游箱体中缓慢加水,并控制上游箱体、下游箱体的初始水位一致,使放置在 土贮存槽中的土体没入水中; 第四步、设定初始气压; 上游水箱、下游水箱连接气压控制系统,通过气压控制系统分别向上游箱体、下游箱体 加压,并控制上游箱体、下游箱体即上、下游的初始气压保持一致; 第五步、设定初始荷载,并使土体饱和固结; ’ 动力加压系统布置在移动式钢制箱型盖板的上方,通过动力加压系统向土贮存槽内的 土体施加初始荷载,并保持初始水位、初始气压、初始荷载不变,使土体饱和固结; 第六步、水力梯度作用下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验; (1) 保持初始气压和初始荷载不变,通过调节上游箱体、下游箱体水位分别控制上、下 游水位差,进行渗流侵蚀试验; (2) 试验过程中,由孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪分别实时检测记录孔隙水压 力、土体应力、土层分层变形量,并绘制成与时间的曲线关系图; (3) 由高速摄像仪观测采集细颗粒颗粒渗流侵蚀的动态过程图像,并采用图片处理软 件对高速摄像仪采集到的图片处理分析渗流侵蚀的动态过程; ⑷试验结束后,按土工试验规范从土贮存槽中取样对土体进行颗粒分析实验,得到土 样的颗粒组成; 第七步、气压影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验; (1)保持初始水位和荷载不变,通过气压控制系统调整上游箱体、下游箱体内气压大小 控制上、下游气压差,进行渗流侵蚀试验,通过调整气压大小模拟深部含水层砂土所承受的 高水力梯度作用; (2)重复第六步中的(2)、(3)、⑷,确定含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及 其对含水层砂土变形的影响; 第八步、荷载影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验; 保持初始气压不变,通过调整动力加压系统的压力大小改变荷载,通过调整荷载大小 模拟深部含水层砂土所承受的土压力,然后重复第六步进行渗流侵蚀试验; 第九步、不同细颗粒含量砂土渗流侵蚀试验; (1) 重复第一步制备试验用土体,改变含水层砂土中的细颗粒含量; (2) 重复第二步到第八步,确定砂土内部细颗粒含量影响下含水层砂土内部细颗粒渗 流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响。
2.根据权利要求1所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方 法,其特征在于,进一步具有以下任一种或几种特征: -所述上游水箱,用于贮存水并位于土贮存槽的一侧;上游水箱包括上游箱体和上游钢 制盖板,其中:上游钢制盖板位于上游箱体顶部并与上游箱体通过固定螺栓和密封垫连接, 从而使上游水箱形成一密闭空间;在上游箱体的底部放置与土体高度相同的粗颗粒砂石 土,铺设厚度与土贮存槽中的土体厚度相同,用于平衡土贮存槽中土体传递的压力;在上游 箱体的左侧壁沿中线从下至上依次设有上游排水口、上游溢水口、上游气压控制口;在上游 箱体的右侧壁沿中线从上至下依次设有上游进水口和上游矩形槽; -所述下游水箱,用于贮存水并位于土贮存槽的另一侧;下游水箱包括下游箱体和下游 钢制盖板,其中:下游钢制盖板位于下游箱体顶部并与下游箱体通过固定螺栓和密封垫连 接,从而使下游水箱形成一密闭空间;在下游箱体的底部放置粗颗粒砂石土,铺设厚度与土 贮存槽中的土体厚度相同,用于平衡土贮存槽中土体传递的压力;在下游箱体的右侧壁沿 中线从下至上依次设有下游排水口、下游溢水口、下游气压控制口,在下游箱体的左侧壁沿 中线从上至下依次设有下游进水口和下游矩形槽。
3.根据权利要求2所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方 法,其特征在于,进一步具有以下任一种或几种特征: -所述土体贮存系统:土贮存槽为包含一块底板和前后两块侧板的矩形有机玻璃槽,用 于盛放土体;移动式钢制箱型盖板包含一块底板和四块侧板放置于土贮存槽中土体的顶 部,用于试验时承受竖向荷载; _所述透水模块,有两组且每组均由水平钢板、竖向开孔钢板和透水石组成,两组透水 模块分别安装于上游矩形槽、下游矩形槽处,用于分别连接土贮存槽与上游水箱、土贮存槽 与下游水箱; -所述气压控制系统,有两组且每组均由空气压缩机、加压气囊、控制阀、气压表组成, 其中:一组气压控制系统的空气压缩机放置在上游箱体外并通过高压软管先后与控制阀和 气压表相连后,再与上游箱体的上游气压控制口相连,加压气囊放置在上游箱体内部并通 过高压软管与上游气压控制口相连;另一组气压控制系统的空气压缩机放置在下游箱体外 并通过高压软管先后与控制阀和气压表相连后,再与下游箱体的下游气压控制口相连,力口 压气囊放置在下游箱体内部并通过高压软管与下游气压控制口相连;试验过程中,加压气 囊中的压力根据试验要求确定,通过调节上游水箱、下游水箱中即上、下游的气压差来模拟 深部含水层砂土所承受的高水力梯度; -所述动力加压系统,由一个承压框架及若干液压千斤顶组成,其中:承压框架通过固 定^栓锚固于地面上,若干液压千斤顶安装于承压框架上;试验过程中若千液压千斤顶等 距离布置在移动式钢制箱型盖板上对土贮存槽中的土体施加荷载,通过调节每个液压千斤 顶顶程对土贮存槽中的土体施加相同大小的均值荷载,均值荷载等于试验要求的荷载值除 以液压千斤顶的数量; -所述测试监测系统中:孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪在测定试验过程中分别 用于检测土体的孔隙水压力、土体应力及土层分层变形量,高速摄像仪用于在测定试验过 程中观测细颗粒渗流侵蚀的动态过程,计算机自动监测设备通过数据线分别与孔隙水压力 计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪连接,用于在测定试验过程中实时监测记录孔隙水 压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪检测到的实验数据。
4. 根据权利要求2所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方 法,其特征在于,进一步具有以下任一种或几种特征: -所述上游排水口用于试验结束将上游箱体中的水排出;上游排水口设置于在上游箱 体左侧壁最底部,上游排水口为一个并安装有止水阀; -所述上游溢水口用于控制上游水箱水位;上游溢水口安装有止水阀; -所述上游气压控制口用于连接气压控制系统; -所述上游进水口用于向上游箱体中注水;上游进水口为一个,并安装有止水阀,其竖 向高度同距离上游箱体底部最高的上游溢水口; -所述上游矩形槽用于安装透水模块;上游矩形槽为在上游箱体右侧壁最下方开设的 矩形槽; -所述下游排水口用于试验结束将下游箱体中的水排出;下游排水口设置于下游箱体 右侧壁最底部,下游排水口为一个并安装有止水阀; _所述下游溢水口用于控制下游水箱水位;下游溢水口安装有止水阀; -所述下游气压控制口用于连接气压控制系统; -所述下游进水口用于向下游箱体中注水;下游进水口为一个并安装有止水阀,其竖向 高度同距离下游箱体底部最高的下游溢水口; -所述下游矩形槽用于安装透水模块;下游矩形槽为在下游箱体左侧壁最下方开设的 矩形槽。
5. 根据权利要求2所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方 法,其特征在于,两组所述的透水模块中: -所述水平钢板连接上游箱体与土贮存槽或下游箱体与土贮存槽; -所述竖直开孔钢板固定于水平钢板及上游箱体上或水平钢板及下游箱体上,用于分 别承受试验中土体贮存系统中土体的两侧侧向压力并保证水流的通过; -所述透水石通过密封垫固定安放于上游矩形槽或下游矩形槽中,且其一侧紧贴竖直 开孔钢板,用于保证水流通过但又防止土样细颗粒通过。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室 内试验方法,其特征在于,第一步中: 所述含细颗粒的砂土,是:取粒径范围为0 • 〇75mm〜2mm的砂土及粒径小于0 • 075mm粉质 黏土混合后,按照土工试验规范及试验要求,制备成一定细颗粒含量的含水层砂土;其中: 所述细颗粒含量,是指单位土体中粉质黏土体积含量的百分比,细颗粒含量的大小按 试验要求确定。
7. 根据权利要求1-5任一项所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室 内试验方法,其特征在于,第四步中: 打开控制阀分别向上游箱体、下游箱体内的加压气囊中加压,并控制上游箱体、下游箱 体的初始气压保持一致;初始气压的大小按试验要求确定。
8. 根据权利要求1-5任一项所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室 内试验方法,其特征在于,第五步中: (1) 将动力加压系统安装在移动式钢制箱型盖板上部; (2) 通过动力加压系统对土贮存槽中的土体施加初始荷载,初始荷载的大小根据试验 要求确定; (3) 保持初始水位、初始气压、初始荷载不变,使土1C存槽内的土体饱和固结一段时间。
9. 根据权利要求I-5任一项所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室 内试验方法,其特征在于,第六步的(1)中:保持初始荷载和初始气压不变,分别调节上游箱 体的上游溢水口、下游箱体的下游溢水口以分别控制上、下游水位差进行渗流侵蚀试验,且 每种不同上、下游水位差的工况进行三组平行试验,每次试验持续渗流一段时间; 第六步的(4)中:不同上、下游水位差的工况中每组试验结束后,关闭上游箱体的上游 进水口、下游箱体的下游进水口,同时打开上游箱体的的上游排水口、下游箱体的下游排水 口,以分别将上游箱体、下游箱体中的水排出;打开移动式钢制箱型盖板,按土工试验规范 从土贮存槽中取出土体,每隔一段距离取一组土样,对土样进行颗粒分析试验。
10. 根据权利要求1-5任一项所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的 室内试验方法,其特征在于,第七步的(1)中: 保持初始水位和初始荷载不变,调整上游箱体、下游箱体内加压气囊的气压大小以分 别控制上、下游气压差;每种不同上、下游气压差下的工况进行三组平行试验,每次试验持 续渗流一段时间。
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