CN108088982B - 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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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
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
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。
经对现有的技术文献检索发现:中国专利ZL201110242127.0,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。
中国专利ZL201210057729.3,申请日2012.03.07,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
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。
本发明采用的技术方案具体如下:
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,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;
(2)埋设测试监测系统:
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、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、高速摄像仪与计算机自动监测设备相连;
(3)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;
(4)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)、(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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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50mm。
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。
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。
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。
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。
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。
优选地,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;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;
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;
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。
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、密封垫与土贮存槽的两侧底板相连。
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。
优选地,第一步中,所述含细颗粒的砂土,是:取粒径范围为0.075mm~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。
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。
优选地,第二步的(1)中,所述含水层砂土的铺设厚度按试验要求确定。
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。
优选地,第二步的(3)中,所述隔水层黏土的铺设厚度按试验要求确定。
优选地,第三步中:
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。
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。
优选地,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,使土贮存槽内的土体饱和固结一段时间。
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。
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。
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。
优选地,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、下游气压差的工况进行三组平行试验,每次试验持续渗流一段时间。
与现有技术相比较,本发明具有如下有益效果:
本发明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,可模拟地层压力、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。
附图说明
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:
图1a为本发明一优选实施例的整体结构主视图;
图1b是本发明一优选实施例的整体结构俯视图;
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;
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;
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;
图5为本发明一优选实施例的透水模块结构示意图;
图6为本发明一优选实施例的气压控制系统结构示意图;
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;
图中:
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;
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;
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;
3-1为土贮存槽,3-2为移动式钢制箱型盖板;
4-1为水平钢板,4-2为竖向开孔钢板,4-3为透水石;
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;
6-1为承压框架,6-2为液压千斤顶;
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为高速摄像仪。
具体实施方式
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,给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。
为研究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1a-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。
所述方法按以下步骤进行:
第一步、土体制备
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。
第二步、土样铺设
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。
所述深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验装置如图1a、b1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:
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。
如图2中(a)、(b)、(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:
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贮存系统3中土体传来的压力。
进一步的,所述上游箱体1-1为400mm×400mm×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1-2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1-1-1、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1-1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:
所述上游排水口1-1-1安装止水阀,孔径为20mm,距离上游箱体1-1底部0.04m;
所述上游溢水口1-1-2安装止水阀,其孔径为20mm,自距离上游箱体1-1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、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,分别距离上游箱体1-1底部0.5m、0.7m、0.9m、1.1m;
所述上游气压控制口1-1-3孔径为10mm,距离上游箱体1-1底部1.3m;
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1-1底部1.1m;
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360mm、高380mm;
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×450mm×10mm。
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:
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380mm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。
进一步的,所述下游箱体2-1为400mm×400mm×1.1m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2-1-1、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:
所述下游排水口2-1-1安装止水阀,孔径为20mm,距离下游箱体2-1底部0.04m;
所述下游溢水口2-1-2安装止水阀,孔径为20mm,自距离下游箱体2-1底部0.5m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;
所述下游气压控制口2-1-3孔径为10mm,距离下游箱体2-1底部0.9m;
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;
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;
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×450mm×10mm。
如图4中(a)、(b)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:
所述土贮存槽3-1为2m×400mm×400mm、厚20mm,具有底板和前后两块侧板的矩形有机玻璃槽;
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10mm、底板尺寸为2m×360mm、侧板高为400mm。
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:
所述水平钢板4-1为500m×360mm×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;
所述竖向开孔钢板4-2为360mm×650mm×10mm的开孔钢板,下部370mm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4-2一端与水平钢板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;
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1-1-5或下游矩形槽2-1-5中;透水石4-3的尺寸为360mm×370mm×20mm,
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1-1-3、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:
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1-1-3或下游气压控制口2-1-3相连。
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:
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。
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。
2)埋设测试监测系统:
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。
3)铺设隔水层黏土:
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。
第三步、设定初始水位
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0.5m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。
第四步、设定初始气压
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。
第五步、设定初始荷载,土体饱和固结
1)将四个相互间距离为500mm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;
2)通过四个液压千斤顶6-2施加的初始荷载为0.02MPa,即每个液压千斤顶6-2施加的均值荷载为0.005MPa;
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。
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;
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;
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;
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50mm取一组土样,对试样进行颗粒分析试验。
第七步、气压影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验
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0.05MPa,调整上游箱体1-1内加压气囊5-2的气压分别为0.075MPa、0.1MPa、0.125MPa,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;
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。
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,调整四个液压千斤顶6-2施加的荷载值分别为0.04MPa、0.08MPa、0.1MPa、0.12MPa、0.16MPa,即每个液压千斤顶6-2施加的均值荷载分别为0.01MPa、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。
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分别为10%、15%、20%、25%;
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。
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。
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;
(2)埋设测试监测系统:
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、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、高速摄像仪与计算机自动监测设备相连;
(3)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;
(4)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)、(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;
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,
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;和/或,
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,包括以下特征一~特征五任一种或几种:
特征一: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;
特征二: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;
特征三: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;
特征四: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,均值荷载等于试验要求的荷载值除以液压千斤顶的数量;
特征五: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,包括以下特征一~特征十任一种或几种:
特征一: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;
特征二: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;
特征三:所述上游气压控制口用于连接气压控制系统;
特征四: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;
特征五: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;
特征六: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;
特征七: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;
特征八:所述下游气压控制口用于连接气压控制系统;
特征九: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;
特征十: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3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;
-所述竖向 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,且其一侧紧贴竖向开孔钢板,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0.075mm~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3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,使土贮存槽内的土体饱和固结一段时间。
9.根据权利要求2-5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3、5、7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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