CN109696391B - 一种排水土工格栅排水性能试验装置和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种排水土工格栅排水性能试验装置和测试方法，这种试验装置由试验箱、竖向荷载加载系统和测试系统组成；试验箱由不锈钢框架、面板、侧板、底板和顶盖组成；竖向荷载加载系统由刚性加载板、橡胶气囊袋、导气管、气压泵和自动气压调节阀组成；测试系统由微型孔隙水压力传感器、数据采集仪和导线组成。本发明能够有效地测量各级固结压力下排水土工格栅周围土体的孔隙水压力的变化，获得相应的设计参数，为排水土工格栅的应用设计提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及路基和挡墙工程的排水领域，特别是一种排水土工格栅排水性能试验装置和测试方法。
技术背景
在加筋土工程中在使用粘性土作为填料时，当地表水或地下水渗入填料后，粘性土中的水无法及时排出，这会降低粘性土与加筋材料的约束作用，导致加筋体性能降低，进而降低加筋土结构的稳定性。为了解决这一问题，有研究人员提出一种具有排水性能的土工格栅，并且已经开发出多种相关产品。为了更好地将排水土工格栅应用于实际工程中，首先需要测试各种排水土工格栅在饱和粘性土中的排水性能，即通过在排水土工格栅周围布置孔隙水压力传感器来测量各级固结压力下排水土工格栅周围土体孔隙水压力的变化，然后根据试验所得的数据计算得到各级固结压力作用下排水土工格栅在饱和粘性土中的排水梯度和有效作用范围等设计参数，最后通过这些设计参数来指导排水土工格栅的应用设计，但目前的问题在于还没有人提出相应的试验装置和测试方法。因此，开发一种能够有效地测量各级固结压力下排水土工格栅周围土体的孔隙水压力变化的试验装置和测试方法是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效地测量各级固结压力下排水土工格栅周围土体的孔隙水压力变化的试验装置和测试方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种排水土工格栅排水性能试验装置由试验箱、竖向荷载加载系统以及测试系统组成，其中竖向荷载加载系统的加载元件布置在试验箱内填土层的上方，测试系统的传感器布置在试验箱内的填土层中；
所述试验箱由不锈钢框架、面板、侧板、底板和顶盖组成；底板放置在不锈钢框架底部的底板固定凹槽中，面板和侧板均沿不锈钢框架边角处的(侧、面)板固定槽插入其内侧，其中侧板的外侧与不锈钢框架侧面的侧板支撑架内侧相接触，顶盖盖在不锈钢框架顶部；
所述面板由外侧挡板、格栅固定件和插销组成；外侧挡板和格栅固定件的中部分别留有孔洞和排水口，其中格栅固定件贴附在外侧挡板内表面的孔洞位置处，其底面和排水口顶面分别与外侧挡板孔洞的底面和顶面齐平，并通过插销来固定两者的相对位置；
所述格栅固定件排水口的尺寸大小刚好容许排水土工格栅插入，其高度小于外侧挡板孔洞高度的1/2；
所述顶盖由顶板和顶板支撑架组成，顶板的边角位置处留有缺口，用于引出试验箱内传感器的导线和橡胶气囊袋的导气管，顶板支撑架使用胶黏剂粘接固定在顶板上表面，并且通过螺栓与不锈钢框架顶部的圈梁连接固定；
所述竖向荷载加载系统能提供0～1000kPa的固结压力，其由刚性加载板、橡胶气囊袋、导气管、气压泵和自动气压调节阀组成；刚性加载板水平放置在试验箱内填土层的表面，橡胶气囊袋布置在刚性加载板与顶盖之间，其通过导气管与试验箱外部的气压泵和自动气压调节阀连接；
所述自动气压调节阀能将橡胶气囊袋内的气压稳定在预先设定的气压值，由此来为填土层提供稳定的固结压力；
所述测试系统由微型孔隙水压力传感器、导线和数据采集仪组成，其分别在试验箱内填土层的底面上方10～20mm、1/4高度、土工格栅上方10～20mm、3/4高度及顶面下方10～20mm平面内布置有测试点，每个平面内的中心线(沿试验箱长度方向)上布置6个测试点，并且这6个测试点分别布置在距离面板0.1L、0.2L、0.3L、0.5L、0.7L和1L(L为试验箱长度)位置处；微型孔隙水压力传感器布置在各测试点所在位置处，并通过导线与试验箱外部的数据采集仪连接。
一种排水土工格栅排水性能测试方法，其按以下步骤进行：
(Ⅰ)安装试验箱
a)将底板放置在不锈钢框架底部的底板固定凹槽中，然后使用防水材料封堵两者之间的缝隙；
b)先在面板和侧板的内表面每隔30～50mm(每层填土的高度)标记一条等高线，然后将两者沿着不锈钢框架边角处的(侧、面)板固定槽插入不锈钢框架内侧，接着使用防水材料将试验箱内侧的所有缝隙封堵，最后在面板和侧板的内表面涂一层润滑剂；
(Ⅱ)土样的制备、填充和压实
a)首先将土样压实到93％以上的压实度，接着通过真空饱和法制备相应压实度下的饱和粘性土，并测定土样饱和后的含水量ω和密度ρ；
b)根据预制饱和粘性土密度ρ以及每层填土的体积V1来计算每层填土的质量M1，然后根据每层填土的质量M1将预先制备好的饱和粘性土分成多份，并使用蜡纸包好放入保湿器中；
c)将预先分好的土样依次装入试验箱中，每铺一层后均用击实锤将填土顶面压实到面板和侧板内表面预先标记的高度处，使各层填土的湿密度、含水量和压实度保持一致；
(Ⅲ)安装微型孔隙水压力传感器和土工格栅
a)当填充并压实完第一层填土后，在土层表面喷洒一层水，以减少已填土层内部的水分蒸发，然后使用传感器平面位置标记装置标记传感器的平面内位置，然后在预先标记的位置处进行反挖，并将微型孔隙水压力传感器布置在试验箱内填土层底面上方10～20mm的平面内，接着将挖出的土样回填并压实，最后将传感器的导线沿着试验箱的边角位置从箱顶引出；
b)按照上述方式在总填土高度1/4的平面内布置传感器；
c)当填土高度达到格栅固定件排水口的底面时，首先将面板的插销拔出，然后将排水土工格栅沿着格栅固定件的排水口插入试验箱中，并水平铺设在土层表面，其一端与侧板的内壁相接触，另一端则伸出排水口；
d)按照上述方式依次在排水土工格栅上方10～20mm、总填土高度3/4和填土层顶面下方10～20mm的平面内布置传感器；
(Ⅳ)安装竖向荷载加载系统
a)将填土层表面压实平整，然后在填土层表面水平放置刚性加载板；
b)在刚性加载板上表面水平放置橡胶气囊袋，并将其导气管沿着试验箱的边角位置从箱顶引出；
c)在橡胶气囊袋上方盖上顶盖，并将导线和导气管从顶板的缺口处引出，然后使用螺栓将顶盖的顶板支撑架与不锈钢框架顶部的圈梁连接固定，最后使用防水材料将顶板与不锈钢框架之间的缝隙封堵；
d)将所有传感器的导线与试验箱外部的数据采集仪连接；将橡胶气囊袋的导气管与试验箱外部的气压泵和自动气压调节阀连接；
(Ⅴ)测试过程
a)首先预加1kPa压力，使得顶盖、橡胶气囊袋、刚性加载板以及填土层之间紧密接触，然后将各传感器的读数调至零；
b)去掉预压荷载，立即加第一级荷载；根据土的软硬程度，第一级荷载取可取12.5kPa，25kPa或者50kPa；
c)按0min、0.25min、1min、4min、9min、16min、25min、36min、49min、64min、2h、4h…的时间记录孔隙水压力，直至孔隙水压力消散到90％的消散度为止(测读时间可根据实际情况加密或减少)；
d)当第一级荷载达到稳定后，立即施加第二级荷载，以此类推；该实验各级荷载可分别取为：25、50、100、200、300、400kPa；最后，通过该实验可以测得各级固结压力作用下，排水土工格栅周围土体孔隙水压力与加载时间的关系。
本发明具有如下技术优点：
1.试验箱外侧有不锈钢框架提供支撑，因此具有很大的侧向刚度，侧向变形很小；其内壁所有的缝隙均采用防水材料进行封堵，能够有效防止试验过程中水从试验箱的缝隙中流出，进而保证了试验箱中的水只能经由排水土工格栅排出。
2.试验箱面板由外侧挡板、格栅固定件和插销组成，其中外侧挡板中部的孔洞能使排水土工格栅在土体的排水固结过程中随着土体同步沉降，格栅固定件能保证在上部固结压力作用下土体不会从外侧挡板的孔洞处挤出。
3.竖向荷载加载系统由刚性加载板、橡胶气囊袋、导气管、气压泵和自动气压调节阀组成，它能够为填土层提供均匀且稳定的固结压力。
4.本发明能够有效地测量各级固结压力下排水土工格栅周围土体的孔隙水压力的变化，获得相应的设计参数，为排水土工格栅的应用设计提供依据。
附图说明
附图1本发明试验装置的整体结构示意图。
附图2不锈钢框架的结构示意图。
附图3面板的结构示意图。
附图4顶盖结构示意图。
附图5本发明试验箱组装过程图。
附图6本发明试验装置A-A剖面图。
附图7传感器平面位置标记装置的结构示意图。
图中主要标记的部件说明：1-试验箱，2-不锈钢框架,3-面板，3-1-外侧挡板，3-2-格栅固定件，3-3-插销，4-侧板，5-底板，6-顶盖，6-1-顶板，6-2-顶板支撑架，7-刚性加载板，8-橡胶气囊袋，9-导气管，10-气压泵，11-自动气压调节阀，12-微型孔隙水压力传感器，13-导线，14-数据采集仪，15-传感器平面位置标记装置。
具体实施方法：
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明：
一种排水土工格栅排水性能试验装置由试验箱1、竖向荷载加载系统以及测试系统组成，其中竖向荷载加载系统的加载元件布置在试验箱1内填土层的上方，测试系统的传感器布置在试验箱1内的填土层中；
所述试验箱1的长、宽和高可分别取为500mm、300mm和550mm，其由不锈钢框架2、面板3、侧板4、底板5和顶盖6组成；底板5放置在不锈钢框架2底部的底板固定凹槽中，面板3和侧板4均沿不锈钢框架2边角处的(侧、面)板固定槽插入其内侧，其中侧板4的外侧与不锈钢框架2侧面的侧板支撑架内侧相接触，顶盖6盖在不锈钢框架2顶部(参照图2和图5所示)；
所述试验箱1内填土层高度取为500mm；
所述面板3由外侧挡板3-1、格栅固定件3-2和插销3-3组成；外侧挡板3-1和格栅固定件3-2的中部分别留有孔洞和排水口，其中格栅固定件3-2贴附在外侧挡板3-1内表面的孔洞位置处，其底面和排水口顶面分别与外侧挡板3-1孔洞的底面和顶面齐平，并通过插销3-3来固定两者的相对位置；格栅固定件3-2排水口的尺寸大小刚好容许排水土工格栅插入，其高度为外侧挡板3-1孔洞高度的1/4(参照图3所示)；
所述顶盖6由顶板6-1和顶板支撑架6-2组成，顶板6-1的边角位置处留有缺口，顶板支撑架6-2使用胶黏剂粘接固定在顶板6-1上表面，并且通过螺栓与不锈钢框架2顶部的圈梁连接固定(参照图4所示)；
所述外侧挡板3-1、侧板4、底板5和顶板6-1可以采用15mm厚的钢化玻璃板、铝合金板等；
所述竖向荷载加载系统由刚性加载板7、橡胶气囊袋8、导气管9、气压泵10和自动气压调节阀11组成；刚性加载板7水平放置在试验箱1内填土层的表面，橡胶气囊袋8布置在刚性加载板7与顶盖6之间，其通过导气管9与试验箱1外部的气压泵10和自动气压调节阀11连接(参照图1和图6所示)；
所述刚性加载板7可以采用15mm厚的铝合金板；
所述测试系统由微型孔隙水压力传感器12、导线13和数据采集仪14组成，其分别在试验箱1内填土层的10mm、125mm、260mm、375mm和490mm高度平面内布置有测试点，每个平面内的中心线(沿试验箱长度方向)上布置6个测试点，并且这6个测试点离面板3的距离分别为50mm、100mm、150mm、250mm、350mm和500mm；微型孔隙水压力传感器12布置在各测试点所在位置处，并通过导线13与试验箱1外部的数据采集仪14连接(参照图6所示)。
一种排水土工格栅排水性能测试方法，其按以下步骤进行：
(Ⅰ)安装试验箱(参照图2和图5所示)
a)将底板5放置在不锈钢框架2底部的底板固定凹槽中，然后使用防水材料封堵两者之间的缝隙；
b)先在面板3和侧板4的内表面每隔30mm(每层填土的高度)标记一条等高线，然后将两者沿着不锈钢框架2边角处的(侧、面)板固定槽插入不锈钢框架2内侧，接着使用防水材料将试验箱1内侧的所有缝隙封堵，最后在面板3和侧板4的内表面涂一层凡士林；(Ⅱ)土样的制备、填充和压实
a)首先将土样压实到94％的压实度，接着通过真空饱和法制备相应压实度下的饱和粘性土，并测定土样饱和后的含水量ω和密度ρ；
b)根据预制饱和粘性土密度ρ以及每层填土的体积V1来计算每层填土的质量M1，然后根据每层填土的质量M1将预先制备好的饱和粘性土分成多份，并使用蜡纸包好放入保湿器中；
c)将预先分好的土样依次装入试验箱中，每铺一层后均用击实锤将填土顶面压实到面板3和侧板4内表面预先标记的高度处，使各层填土的湿密度、含水量和压实度保持一致；(Ⅲ)安装微型孔隙水压力传感器和土工格栅(参照图3、图6和图7所示)
a)当填充并压实完第一层填土后，在土层表面喷洒一层水，然后使用传感器平面位置标记装置15标记传感器的平面内位置，然后在预先标记的位置处进行反挖，并将微型孔隙水压力传感器12布置在试验箱1内填土层底面上方10mm的平面内，接着将挖出的土样回填并压实，最后将传感器的导线13沿着试验箱1的边角位置从箱顶引出；
b)按照上述方式在填土高度为125mm的平面内布置传感器；
c)当填土高度达到格栅固定件3-2排水口的底面时，首先将面板3的插销3-3拔出，然后将排水土工格栅沿着格栅固定件3-2的排水口插入试验箱1中，并水平铺设在土层表面，其一端与侧板4的内壁相接触，另一端则伸出排水口；
d)按照上述方式分别在填土高度为260mm、375mm以及490mm的平面内布置传感器；(Ⅳ)安装竖向荷载加载系统(参照图1、图4和图6所示)
a)将填土层表面压实平整，然后在填土层表面水平放置刚性加载板7；
b)在刚性加载板7上表面水平放置橡胶气囊袋8，并将其导气管9沿着试验箱1的边角位置从箱顶引出；
c)在橡胶气囊袋8上方盖上顶盖6，并将导线13和导气管9从顶板6-1的缺口处引出，然后使用螺栓将顶盖6的顶板支撑架6-2与不锈钢框架2顶部的圈梁连接固定，然后使用防水材料将顶板6-1与不锈钢框架2之间的缝隙封堵；
d)将所有传感器的导线13与试验箱1外部的数据采集仪14连接；将橡胶气囊袋8的导气管9与试验箱1外部的气压泵10和自动气压调节阀11连接；
(Ⅴ)测试过程
a)首先预加1kPa压力，使得顶盖6、橡胶气囊袋8、刚性加载板7以及填土层之间紧密接触，然后将各传感器的读数调至零；
b)去掉预压荷载，立即加第一级荷载25kPa；
c)按0min、0.25min、1min、4min、9min、16min、25min、36min、49min、64min、2h、4h…的时间记录孔隙水压力，直至孔隙水压力消散到90％的消散度为止(测读时间可根据实际情况加密或减少)；
d)当第一级荷载达到稳定后，立即施加第二级荷载，以此类推；该实验各级荷载可分别取为：25、50、100、200kPa；最后，通过该实验可以测得各级固结压力作用下，排水土工格栅周围土体孔隙水压力与加载时间的关系。
Claims (2)
1.一种排水土工格栅排水性能试验装置，其特征在于，这种装置由试验箱(1)、竖向荷载加载系统以及测试系统组成，其中竖向荷载加载系统的加载元件布置在试验箱(1)内填土层的上方，测试系统的传感器布置在试验箱(1)内的填土层中；
所述试验箱(1)由不锈钢框架(2)、面板(3)、侧板(4)、底板(5)和顶盖(6)组成；底板(5)放置在不锈钢框架(2)底部的底板固定凹槽中，面板(3)和侧板(4)均沿不锈钢框架(2)边角处的侧、面板固定槽插入其内侧，其中侧板(4)的外侧与不锈钢框架(2)侧面的侧板支撑架内侧相接触，顶盖(6)盖在不锈钢框架(2)顶部；
所述竖向荷载加载系统由刚性加载板(7)、橡胶气囊袋(8)、导气管(9)、气压泵(10)和自动气压调节阀(11)组成；刚性加载板(7)水平放置在试验箱(1)内填土层的表面，橡胶气囊袋(8)布置在刚性加载板(7)与顶盖(6)之间，其通过导气管(9)与试验箱(1)外部的气压泵(10)和自动气压调节阀(11)连接；
所述测试系统由微型孔隙水压力传感器(12)、导线(13)和数据采集仪(14)组成，其分别在试验箱(1)内填土层的底面上方10～20mm、1/4高度、土工格栅上方10～20mm、3/4高度及顶面下方10～20mm平面内布置有测试点，每个平面内沿试验箱长度方向的中心线上布置6个测试点，并且这6个测试点分别布置在距离面板(3)0.1L、0.2L、0.3L、0.5L、0.7L和1L位置处，L为试验箱长度；微型孔隙水压力传感器(12)布置在各测试点所在位置处，并通过导线(13)与试验箱(1)外部的数据采集仪(14)连接；
所述面板(3)由外侧挡板(3-1)、格栅固定件(3-2)和插销(3-3)组成；外侧挡板(3-1)和格栅固定件(3-2)的中部分别留有孔洞和排水口，其中格栅固定件(3-2)贴附在外侧挡板(3-1)内表面的孔洞位置处，其底面和排水口顶面分别与外侧挡板(3-1)孔洞的底面和顶面齐平，并通过插销(3-3)来固定两者的相对位置；格栅固定件(3-2)排水口的尺寸大小刚好容许排水土工格栅插入，其高度小于外侧挡板(3-1)孔洞高度的1/2；
所述顶盖(6)由顶板(6-1)和顶板支撑架(6-2)组成，顶板(6-1)的边角位置处留有缺口，顶板支撑架(6-2)使用胶黏剂粘接固定在顶板(6-1)上表面，并且通过螺栓与不锈钢框架(2)顶部的圈梁连接固定。
2.一种排水土工格栅排水性能测试方法，其特征在于其按以下步骤进行：
(I) 安装试验箱
a)将底板(5)放置在不锈钢框架(2)底部的底板固定凹槽中，然后使用防水材料封堵两者之间的缝隙；
b)每层填土的高度为30~50mm，在面板(3)和侧板(4)的内表面按每层填土的高度标记一条等高线，然后将两者沿着不锈钢框架(2)边角处的侧、面板固定槽插入不锈钢框架(2)内侧，接着使用防水材料将试验箱(1)内侧的所有缝隙封堵，最后在面板(3)和侧板(4)的内表面涂一层润滑剂；
(Ⅱ)土样的制备、填充和压实
a) 首先将土样压实到93%以上的压实度，接着通过真空饱和法制备相应压实度下的饱和粘性土，并测定土样饱和后的含水量ω 和密度ρ；
b)根据预制饱和粘性土密度ρ以及每层填土的体积V1来计算每层填土的质量M1，然后根据每层填土的质量M1将预先制备好的饱和粘性土分成多份，并使用蜡纸包好放入保湿器中；c) 将预先分好的土样依次装入试验箱中，每铺一层后均用击实锤将填土顶面压实到面板(3)和侧板(4)内表面预先标记的高度处，使各层填土的湿密度、含水量和压实度保持一致；
(Ⅲ)安装微型孔隙水压力传感器和土工格栅
a) 当填充并压实完第一层填土后，在土层表面喷洒一层水，然后使用传感器平面位置标记装置(15)标记传感器的平面内位置，然后在预先标记的位置处进行反挖，并将微型孔隙水压力传感器(12)布置在试验箱(1)内填土层底面上方10～20mm的平面内，接着将挖出的土样回填并压实，最后将传感器的导线(13)沿着试验箱(1)的边角位置从箱顶引出；
b) 按照上述方式在总填土高度1/4的平面内布置传感器；
c) 当填土高度达到格栅固定件(3-2)排水口的底面时，首先将面板(3)的插销(3-3)拔出，然后将排水土工格栅沿着格栅固定件(3-2)的排水口插入试验箱(1)中，并水平铺设在土层表面，其一端与侧板(4)的内壁相接触，另一端则伸出排水口；
d) 按照上述方式依次在排水土工格栅上方10～20mm、总填土高度3/4和填土层顶面下方10～20mm的平面内布置传感器；
(IV)安装竖向荷载加载系统并进行测试
a) 将填土层表面压实平整，然后在填土层表面水平放置刚性加载板(7)；
b)在刚性加载板(7)上表面水平放置橡胶气囊袋(8),并将其导气管(9)沿着试验箱(1)的边角位置从箱顶引出；
c) 在橡胶气囊袋(8)上方盖上顶盖(6),并将导线(13)和导气管(9)从顶板(6-1)的缺口处引出，然后使用螺栓将顶盖(6)的顶板支撑架(6-2)与不锈钢框架(2)顶部的圈梁连接固定，最后使用防水材料将顶板(6-1)与不锈钢框架(2)之间的缝隙封堵；
d)将所有传感器的导线(13)与试验箱(1)外部的数据采集仪(14)连接；将橡胶气囊袋(8)的导气管(9)与试验箱(1)外部的气压泵(10)和自动气压调节阀(11)连接；
e)在填土层表面分级施加固结压力，并记录孔隙水压力随时间的变化，通过该实验可以测得各级固结压力作用下，排水土工格栅周围土体孔隙水压力与加载时间的关系。
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