CN108845108B - 一种压实黄土渗流及工后沉降的模拟装置和测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟压实黄土渗流及工后沉降的装置，包括反力系统、试样筒(1)、供水系统和数据监测系统，通过顶部供水箱调节土样顶部的加水情况，可以模拟并观测实际灌溉或降雨条件下，土样内渗流场的变化及加水引起的湿陷变形；通过底部供水箱调节土样底部的水位，可以模拟并观测水位变动情况下，土样内渗流场的变化及不同载荷下的固结沉降和湿陷变形；通过组装调试试验装置，该装置可用于模拟压实土在不同压实度下，当应力和水补给边界发生变化时，土样内部渗流、固结和湿陷的规律。

Description

一种压实黄土渗流及工后沉降的模拟装置和测定方法

技术领域

本发明属于岩土工程学科土性测试技术领域，具体涉及一种压实黄土渗流及工后沉降的模拟装置和测定方法。

背景技术

黄土地区工程建设中存在大量高填方场地，填方所用压实黄土遇水前后性质差异较大，其土水特性直接影响工程性质。因而，对压实黄土中水的渗流、工后固结沉降和浸水湿陷变形的模拟及预测，具有重要的工程实用价值。

目前，实际工程中多使用饱和渗透系数、固结系数和湿陷系数进行工程设计。根据相关土工试验规程(SL237-1999、JTGE40-2007)，渗透、固结和湿陷试验是采用不同的装置单独进行。常规渗透试验是在常水头或变水头给水条件下测量单位时间流经饱和土样的水量，从而计算饱和渗透系数。工后沉降包括工后固结沉降和湿陷变形，分别用固结系数和饱和湿陷系数进行量化。固结试验和饱和湿陷试验均在固结仪上进行，分别测量土样在荷载和浸水加载条件下引起的变形，从而计算饱和土样的固结系数和湿陷系数。而实际地下水位以上部分土样处于非饱和状态，地下水位的浮动以及地表间接性补水对非饱和土样中的渗流和沉降具有较大影响。用饱和相关土性参数预测实际工后非饱和土样的渗流及沉降变形，与实际差异较大。

综上所述，目前测试装置的弊端：①无法考虑地表间歇性补给对压实黄土非饱和固结和渗流特性的影响；②无法考虑地下水位的浮动对压实黄土湿陷性质的影响土样。

因此，设计一种能够联合测定非饱和压实黄土渗透及工后沉降的装置，对压实黄土性质的研究及非饱和土力学在实际工程中的应用有着重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种压实黄土渗流及工后沉降的模拟装置和测定方法，解决了现有装置不能模拟地表间歇性补给和地下水位的浮动，不能测量土样内水分、水势、应力及变形的问题。

为达到上述目的，本发明一种模拟压实黄土渗流及工后沉降的装置包括反力系统、试样筒、供水系统和数据监测系统，其中，反力系统包括反力底梁和反力顶梁，反力底梁和反力顶梁之间竖直设置有多个反力柱，相邻的两个反力柱之间设置有用于盛放土样的试样筒，进行测量模拟试验时，试样筒中的土样上端设置有透水加压板，透水加压板上端面设置有伺服千斤顶，伺服千斤顶的上端面与反力顶梁的下端面相接；其中一个试样筒的底部与底部供水系统连通，其余试样筒的顶部与顶部供水系统连通，与不同试样筒连通的顶部供水系统相互独立；数据监测系统包括用于测量土样位移的位移传感器、测量土样含水量的水分计、用于测量土样水势的水势计和用于测量土样压力的土压力盒，位移传感器的针头下端面和透水加压板的上端面相接。

进步一的，试验时，土样内每隔0.5m-0.7m交替埋设水势计和土压力盒，每隔0.5m-0.7m间隔埋设水分计。

进步一的，试样筒内壁每隔0.m5-0.7m设置有荧光染色土。

进步一的，每个试样筒均由若干个透明有机玻璃样筒依次相接而成，样筒的筒壁两侧均匀设置有数据线引出孔。

进步一的，顶部供水系统包括顶部供水管，顶部供水管分流两个支管，透水加压板上两端设置有通孔，两个支管下端分别与透水加压板上的两个通孔连通。

进步一的，每个土柱顶部两端设置两个位移传感器。

进步一的，反力柱上每间隔0.5m～1m设置有一个固定孔。

一种联合测定非饱和压实黄土渗透及工后沉降的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，计算试验土柱所需散土：制样前，测量散土的天然含水率w，并计算试验设计干密度ρ下单次制备设计高度的土样所需的散土质量m；

步骤2，制备土样及埋置传感器：在反力柱之间分别安装N个底层样筒，N≥3，向每个样筒内加入质量为m的散土，通过伺服千斤顶施加反力静压，直至土样达到设计高度；当土样装满或即将装满底层有机玻璃样筒时，在其上部对接另一个样筒；调高反力顶梁及相应的加载系统，重复上述过程，直至土样达到设计高度；土样制备过程中，在土样中埋设水分计、水势计、土压力盒和荧光染色土19；

步骤3，加载固结：各个土样分别固结，每隔0.5h记录位移传感器的读数，并记录土压力盒的读数与荧光染色土的位置，通过测量荧光染色土向下的移动量，测得分层沉降量，当位移传感器读数变化小于0.05mm/h时固结完成；

步骤4，渗流及湿陷：保持伺服千斤顶所施加的载荷大小不变，使底部供水系统中的水从土柱底部向上渗流；顶部供水系统中的水从其余土柱顶部向下渗流，调节单位时间的加水量，在渗流过程中，每隔设定时间记录每个土柱上部位移传感器、水分计、水势计和土压力盒的读数，同时记录荧光染色土的位置，当位移传感器读数变化小于0.05mm/h湿陷完成；

步骤5，数据处理：根据瞬态剖面法，读取不同时刻所有水分计和水势计的数据，获得两组同一时刻含水率和基质吸力沿土柱高度的分布曲线，根据获得的含水率和基质吸力沿土柱高度的分布曲线同时求得土样的非饱和渗透性曲线和土水特征曲线；

根据步骤3中位移传感器的读数，求土样的固结系数；

根据步骤4中位移传感器的读数，求得土样浸水后的湿陷系数。

进步一的，按三种影响因素进行正交试验，模拟分析单因素对压实黄土渗流及工后沉降的影响，三种影响因素为不同压实度、不同给水条件和不同载荷大小。

进步一的，根据不同压力下土样固结压力和孔隙比变化可求得土的压缩系数，

式中，Δe为加载前后土体孔隙比的变化量，Δσ为所加荷载的大小，负值表示孔隙比e随压应力的增加而减小。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：通过顶部供水箱调节土样顶部的加水情况，可以模拟并观测实际灌溉或降雨条件下，土样内渗流场的变化及加水引起的湿陷变形；通过底部供水箱调节土样底部的水位，可以模拟并观测水位变动情况下，土样内渗流场的变化及不同载荷下的固结沉降和湿陷变形；通过组装调试试验装置，该装置可用于模拟压实土在不同压实度下，当应力和水补给边界发生变化时，土样内部渗流、固结和湿陷的规律。

通过水分传感器、水势计、土压力盒和荧光染色剂的测量，可以监测土样内水分、水势、应力及变形情况，通过瞬态剖面法可求得非饱和渗透曲线和土水特征曲线，为实际工程提供非饱和参数。

进一步的，每个试样筒均由若干个透明有机玻璃样筒依次相接而成，样筒的筒壁两侧均匀设置有数据线引出孔，便于制样。

进一步的，顶部供水系统包括顶部供水管，顶部供水管分流两个支管，透水加压板上两端设置有通孔，两个支管下端分别与透水加压板上的两个通孔连通，设置两个支管可以使渗水均匀一点，可通过控制顶部供水管上的阀门达到对土柱顶部进行控制性加水的目的，用于模拟地表间歇性补给的情况。

进一步的，每个土柱顶部两端分别设置一个位移传感器。避免不均匀沉降引起的读数偏差。

进一步的，反力柱上每间隔0.5m～1m设置有一个固定孔，固定孔用于和反力顶梁上的固定孔以及紧固件配合，将反力顶梁3固定于某一固定高度。

一种联合测定非饱和压实黄土渗透及工后沉降的方法，试验可按三种因素进行正交组合，即压实度、荷载大小及地表和地下水量补给条件。可获得三种因素任意组合情况下土柱内同一时刻水分和水势沿深度的分布曲线，据此可求得此情况下土样的非饱和渗透性曲线和土水特征曲线。同时也可获得不同情况下土样整体变形、土样内部变形和应力分布情况，可求得工后压实黄土的固结系数、自重和加载情况下的湿陷系数。测得的非饱和渗透性曲线、土水特征曲线、固结系数、自重和加载情况下的湿陷系数，可对非饱和压实黄土的性质进行定量化描述，为工程实践提供实用的设计参数。

附图说明

图1为试验装置总体结构示意图；

图2为模拟压实黄土渗流及工后沉降的正交试验设计图；

附图中：1-试样筒，2-反力底梁，3-反力顶梁，4-反力柱，5-固定孔，6-伺服千斤顶，7-透水加压板，8-底部供水箱，9-第一阀门，10-底部供水管，11-顶部供水箱，12-第二阀门，13-顶部供水管，14-位移传感器支架，15-位移传感器，16-水分计，17-水势计，18-土压力盒，19-荧光染色土，20-数据线，21-数据采集仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1，一种模拟压实黄土渗流及工后沉降的装置，包括土样装载系统、反力系统、供水系统和数据监测系统。

其中，土样装载系统包括4个相互独立的土柱(设计为4个是实验中控制单因素变化，4个并行同时试验方便对比观测)，土柱包括试样筒1和盛放在试样筒1中的样土，4个土柱分别位于各反力柱4之间，其中每个土柱直径0.6-1.0m，优选0.8m(直径太小会有尺寸效应)，高5m～6m(恒定供水时，上部2-3m黄土为饱和渗流，下部为非饱和渗流，研究非饱和渗流必须高于5m)，每个试样筒1均由5个圆形的样筒组成，样筒选用透明有机玻璃样筒上下对接而成，透明有机玻璃筒具有足够的强度承受试验压力，接缝处用o型橡胶垫进行密封，样筒1的筒壁两侧每隔0.5m高度处留有数据引出孔，用于穿过数据线，数据线另一端接引位移传感器15、水分计16、水势计17和土压力盒18，试验时数据引出孔用玻璃胶密封。

样筒上部和下部均设置有用于和紧固件配合的凸台，上下两个相邻的透明有机玻璃样筒之间通过紧固件固定连接，采用透明有机玻璃样筒便于观察土样变形。

反力系统包括反力底梁2、反力顶梁3和若干反力柱4组成的反力系统框架，以及位于土柱与反力顶梁3之间的伺服千斤顶6和透水加压板7，透水加压板7位于土柱上端面，伺服千斤顶6的上端面与反力顶梁3的下端面相接，伺服千斤顶6的下端面与透水加压板7的上端面相接，反力柱4位于反力底梁2和反力顶梁3之间，反力柱4上每间隔0.5m～1m设置有一个固定孔5，固定孔5用于和反力顶梁3上的固定孔以及紧固件配合，将反力顶梁3固定于某一固定高度。

反力系统框架采用钢结构，结构可承受最大垂直张拉荷载设计为200T，实际工作荷载不超过80T。反力系统既可用于制样，也可用于试验加载。依靠反力柱4上的固定孔5，反力顶梁3可固定在反力柱4的不同高度。制样采用静压法，先放置底层透明有机玻璃样筒，每铺垫20cm土样所需散土，通过伺服千斤顶6施加反力将其静压至20cm，，随着制样高度增加，逐级叠置透明有机玻璃样筒，并调高反力顶梁及相应加载系统。系统升降调节采用带有电葫芦的门字架来实施。制样通过控制20cm土样所需散土质量，可制备不同压实度的土样；试验加载也通过4个伺服千斤顶6同时向4个土柱施加载荷，顶部放置透水加压板7即保证了土样受载的均匀性，又保证了上部供水的良好渗透。

供水系统包括底部供水系统和顶部供水系统，底部供水系统与第一个土柱底部连通，包括底部水箱8、底部供水管10和位于底部供水管10上的第一阀门9。顶部供水系统有3个，每个顶部供水系统包括一个顶部水箱11、一个顶部供水管13和一个第二阀门12，顶部水箱11通过顶部供水管13与土柱连通，顶部供水管13上设置有第二阀门12。

其中，第一个土柱底部通过底部供水管10和底部供水箱8连通，通过底部供水管10上第一阀门9可调节底部供水箱8内的水位，从而调节土柱底部的水位，模拟地下水位浮动的情况。第2-4个土柱供水系统在顶梁上部，透水加压板7两端均设置有一个通孔，该通孔是可透水的，顶部供水管13分流两个支管，两个支管下端分别与两个通孔连通，设置两个支管可以使渗水均匀一点，可通过控制第二阀门12达到对土柱顶部进行控制性加水的目的，用于模拟地表间歇性补给的情况。底部供水模拟地下水位浮动，顶部供水模拟灌溉及降雨。底部供水通过阀门大小控制地下水浮动快慢，仅设置1个是为了与其他没有地下水的情况进行对比。3个顶部供水可同时模拟不同强度的灌溉或降雨，也为进行比较而设置。

数据监测系统包括用数据线20连接的传感器和数据采集仪21，传感器包括位移传感器15、水分计16、水势计17和土压力盒18，此外还包括土中埋置的用于观测土柱内部分层变形情况的荧光染色土19，数据采集仪21用于采集位移传感器15、水分计16、水势计17和土压力盒18测量到的数据，位移传感器15安装于位移传感器支架14上，位移传感器支架14下端固定于地面上，起到固定基准的作用。位移传感器15的针头下端面和透水加压板7的上端面相接，位移传感器15固定安装在支架14上，实验中透水加压板7下沉，位移传感器15的针头伸长的长度就是测量的位移，即测量透水加压板7相对于固定支架14的位移。

土内每隔0.5m埋设一组水分计16、水势计17和土压力盒18(传感器的埋设可根据实际需要进行改变，如水势沿深度要测的精确，则可加密水势计的埋设。此处综合考虑水分、水势和土压力，按如图埋设：土柱左侧间隔0.5m交替埋设水势计17和土压力盒18，右侧按0.5m间隔埋设水分计16)，并在相应筒壁内侧埋置荧光染色土19，肉眼可区别于其他土，作用是可以观测土样内部分层沉降量。。以上传感器可监测在不同给水及加载条件下土样内水分场、水势场、应力场及变形情况。

优选的，每个土柱顶部两端设置2个位移传感器15，避免不均匀沉降引起的读数偏差。

一种联合测定非饱和压实黄土渗透及工后沉降的方法，包括以下步骤：

步骤1，计算试验土柱所需散土：制样前，测量散土的天然含水率w，并计算试验设计干密度ρ下20cm高土柱所需的散土质量m，计算式如下：

m＝ρV(1+w)

式中，V为20cm高土柱的体积。

步骤2，制备土样及埋置传感器：制样采用静压法，本装置可制备控制干密度的土柱。在反力柱4之间分别安装底层有机玻璃样筒，根据试验设计的4个土柱的干密度ρ，分别称量20cm高的土柱所需散土m，对应加入4个有机玻璃样筒内，将反力顶梁3固定于反力柱4最下部位置，通过伺服千斤顶6施加反力静压，静压至20cm高时停止加压。为防止两次制样使土样分层，用削土刀刮毛土样顶部，重复上述制样步骤。当土样装满或即将装满底层有机玻璃样筒时，在其上部对接一个有机玻璃样筒，接缝处用o形橡胶垫密封。调高反力顶梁及相应的加载系统，重复上述过程，直至土样达到设计高度。

土样制备过程中，在相应位置埋设传感器，传感器类型可按实际需要进行调整，数据线一端穿过数据引出口与传感器相连，另一端与采集仪相连，传感器埋设完毕后数据引出口用玻璃胶密封。此外，制样过程中每隔0.5m于筒壁内侧土样处添加荧光染色剂，形成荧光染色土19。土样制备完成后，将位移传感器支架14固定于地面，在每个土柱顶部左右两端分别设置1个位移传感器15。

步骤3，加载固结：4个土样分别在各自的设计载荷下固结，载荷由顶部的伺服千斤顶6同时施加。每隔0.5h记录位移传感器15的读数，并记录土压力盒18的读数与荧光染色土19的位置，通过测量荧光染色土19向下的移动量，可以测量分层沉降量，当位移传感器15读数变化小于0.05mm/h认为固结完成。

步骤4，渗流及湿陷：保持伺服千斤顶6所施加的载荷大小不变，打开底部供水管10上的第一阀门9，使底部水箱8中的水从第1个土柱底部向上渗流；打开顶部供水管13上的第二阀门12，使顶部水箱11中的水从第2-4个土柱顶部向下渗流。通过控制阀门的大小，调节单位时间的加水量。在渗流过程中，每隔0.5h记录4个土柱上部位移传感器15、水分计16、水势计17和土压力盒18的读数，土压力盒18用于测量土样内部应力分布，上部施加载荷，上部载荷传至某一高度处载荷的大小通过土压力盒测量，同时记录荧光染色土19的位置，当位移传感器15读数变化小于0.05mm/h认为湿陷完成。

步骤5，数据处理：根据瞬态剖面法，读取不同时刻(每0.5h)所有水分计16和水势计17的数据，可获得不同时刻(每0.5h)含水率和基质吸力沿土柱高度的分布曲线，根据获得的两组曲线可同时求得土样的非饱和渗透性曲线和土水特征曲线。根据步骤3中位移传感器15的读数，可求得土样的固结系数。根据不同压力下土样固结压力和孔隙比变化可求得土的压缩系数，

式中，Δe为加载前后土体孔隙比的变化量，Δσ为所加荷载的大小，负值表示孔隙比e随压应力的增加而减小。

土样固结系数C_V的计算如下式：

式中，k为土样渗透系数；e₀为固结前土的孔隙比；a为土的压缩系数；γ_w为水的比重。

根据步骤4中位移传感器15的读数，可求得土样浸水后的湿陷系数。湿陷系数δ_Z的计算如下式：

式中，h₀为土样起始高度；h_z为在载荷作用下土样变形稳定后的高度；h’_z为土样浸水湿陷变形稳定后的高度。

试验过程可根据实际需要进行调整，可按三种影响因素(不同压实度、不同给水条件和不同载荷大小)进行正交试验，模拟分析单因素对压实黄土渗流及工后沉降的影响。模拟压实黄土渗流及工后沉降的试验设计建议如图2所示。图2中显示了不同的试验方案：左边是4种不同压实度，其他因素相同。右边是压实度相同，其他因素变化，变化的原则是控制单变量变化。若多个因素同时变化，无法分析结果是哪个因素影响的。控制单因素目的就是分析单因素对试验结果的影响。

通过上述的组装调试，该装置可用于模拟压实土在不同压实度下，当应力和水补给边界发生变化时，土样内部渗流、固结和湿陷的规律。因此试验可按三种因素进行正交组合，即压实度、荷载大小及地表和地下水量补给条件。该装置可获得三种因素任意组合情况下土柱内同一时刻水分和水势沿深度的分布曲线，据此可求得此情况下土样的非饱和渗透性曲线和土水特征曲线。同时也可获得不同情况下土样整体变形、土样内部分层变形和应力分布情况，可求得工后压实黄土的固结系数、自重和加载情况下的湿陷系数。测得的非饱和渗透性曲线、土水特征曲线、固结系数、自重和加载情况下的湿陷系数，可对非饱和压实黄土的性质进行定量化描述，为工程实践提供实用的设计参数。

Claims (3)

1.一种联合测定非饱和压实黄土渗透及工后沉降的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，计算试验土柱所需散土：制样前，测量散土的天然含水率w，并计算试验设计干密度ρ下单次制备设计高度的土样所需的散土质量m；

步骤2，制备土样及埋置传感器：在反力柱(4)之间分别安装N个底层样筒，N≥3，向每个样筒内加入质量为m的散土，通过伺服千斤顶(6)施加反力静压，直至土样达到设计高度；当土样装满或即将装满底层有机玻璃样筒时，在其上部对接另一个样筒；调高反力顶梁及相应的加载系统，重复上述过程，直至土样达到设计高度；土样制备过程中，在土样中埋设水分计(16)、水势计(17)、土压力盒(18)和荧光染色土(19)；

步骤3，加载固结：各个土样分别固结，每隔0.5h记录位移传感器(15)的读数，并记录土压力盒(18)的读数与荧光染色土(19)的位置，通过测量荧光染色土(19)向下的移动量，测得分层沉降量，当位移传感器(15)读数变化小于0.05mm/h时固结完成；

步骤4，渗流及湿陷：保持伺服千斤顶(6)所施加的载荷大小不变，使底部供水系统中的水从土柱底部向上渗流；顶部供水系统中的水从其余土柱顶部向下渗流，调节单位时间的加水量，在渗流过程中，每隔设定时间记录每个土柱上部位移传感器(15)、水分计(16)、水势计(17)和土压力盒(18)的读数，同时记录荧光染色土(19)的位置，当位移传感器(15)读数变化小于0.05mm/h湿陷完成；

步骤5，数据处理：根据瞬态剖面法，读取不同时刻所有水分计(16)和水势计(17)的数据，获得两组同一时刻含水率和基质吸力沿土柱高度的分布曲线，根据获得的含水率和基质吸力沿土柱高度的分布曲线同时求得土样的非饱和渗透性曲线和土水特征曲线；

根据步骤3中位移传感器(15)的读数，求土样的固结系数；

根据步骤4中位移传感器(15)的读数，求得土样浸水后的湿陷系数。

2.根据权利要求1所述的一种联合测定非饱和压实黄土渗透及工后沉降的方法，其特征在于，按三种影响因素进行正交试验，模拟分析单因素对压实黄土渗流及工后沉降的影响，三种影响因素为不同压实度、不同给水条件和不同载荷大小。

3.根据权利要求1所述的一种联合测定非饱和压实黄土渗透及工后沉降的方法，其特征在于，根据不同压力下土样固结压力和孔隙比变化可求得土的压缩系数，

式中，Δe为加载前后土体孔隙比的变化量，Δσ为所加荷载的大小，负值表示孔隙比e随压应力的增加而减小。

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