CN110082274A - 大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪,支架上设置有试验单元，支架与试验单元之间设置有支撑块，过渡槽、试验槽、集水槽连接构成试验单元，过渡槽左端依次设置有第一透水板、蓄水槽，过渡槽右端依次设置有第二透水板、试验槽、第三透水板、集水槽、侧板，试验槽上间隔设置有至少2组测压管，侧板上设置有排水管、排气管，排水管与量筒相连通，蓄水槽左端设置有进水管，进水管上设置有进水阀和压力传感器，进水管与压力罐相连通，压力罐通过管道与变频调节泵组、水槽相连通，压力传感器和变频调节泵组与PID调节器电连接；本装置及试验方法适用于测定粗粒土(粒径＞600mm的爆破石料和砂砾石料)垂直渗透变形试验。

Description

大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪及试验方法

技术领域

本发明属于水利水电工程施工技术领域，具体涉及到一种大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪及试验方法。

背景技术

目前，室内测定粗粒类土水平渗透试验所用仪器为水平管涌仪，仪器规格尺寸也较小，其最大允许试样粒径尺寸较小，致使试样缩尺后室内测定渗透系数与实际情况存在较大差异，亦不能满足工程实践需求。本专利依托大型水利工程坝体填筑料大型现场试验方案，针对坝体填筑料之爆破堆石料水平渗透试验研究，根据工程技术要求，研制出一种适用于测定粗粒类土原级配水平渗透变形试验仪，其规格尺寸符合爆破堆石料最大粒径允许限制要求，试样采用原型级配，试验条件与工程实际状态相接近。该大型水平渗透试验尚属于国内首次，是国内创新的试验项目，没有定型的试验仪器，规程上亦无明确的试验方法论述。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种设计合理、结构简单、拆装灵活方便、试样粒径容许尺度大、试验条件与工程实际状态接近的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪及试验方法。

解决上述技术问题采用的技术方案是：支架上设置有试验单元，支架与试验单元之间设置有支撑块，过渡槽、试验槽、集水槽连接构成试验单元，过渡槽左端设置有第一透水板，第一透水板和充水槽相连接，过渡槽右端设置有第二透水板，第二透水板与试验槽左端相连接，试验槽上间隔设置有至少2组测压管，试验槽右端设置有第三透水板，第三透水板与集水槽左端相连接，集水槽右端设置有侧板，侧板上侧连通设置有排水管、下侧连通设置有排气管，排气管上设置有排气阀，排水管上设置有排水阀，排水管与量筒相连通，充水槽左端设置有进水管，进水管上设置有进水阀和压力传感器，进水管与压力罐相连通，压力罐通过管道与变频调节泵组相连通，变频调节泵组通过管道与供水箱相连通，压力传感器和变频调节泵组与PID调节器电连接。

本发明的试验槽由至少两段槽体连接构成。

本发明的试验槽的截面形状为U形槽结构，试验槽两端开口，开口处设置有突出的边沿，边沿上加工有安装孔，试验槽顶部设置有边沿，边沿上加工有安装孔。

本发明的集水槽和过渡槽的结构与试验槽相同。

本发明的试验槽侧壁上前后对称设置有至少2组测压管。

本发明的第一透水板为：透水板本体外沿上加工有安装孔，透水板本体上均布加工有透水孔，相邻两行透水孔错位排列，且相邻两列透水孔错位排列；第一透水板和第二透水板以及第三透水板的结构相同。

本发明的蓄水槽为：蓄水槽本体为中空的正四棱锥形收敛的结构，充水槽本体呈四边形的一端与第一透水板相连接，蓄水槽本体收敛端设置有进水连接管。

本发明的支架为：四根槽钢两两相互垂直连接构成支架本体，支架本体底部设置有立柱，支架本体中部设置有加固筋，支架本体顶部垂直设置有至少两排门型支撑，门型支撑的开口方向沿着试验单元的长度方向。

本发明所述的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪的试验方法，由以下步骤组成：

S1、设备调试：组装完成渗透试验仪，同时打开进水阀、排水阀，从进水管向试验槽充水，直至水从排水管溢出，观察是否渗漏，关闭排水阀，再模拟试验要求的高压水检查密封系统在试验压力下是否完好；

S2、试样制备与装样：从所取风干、松散的土样中选取具有代表性试样，进行颗粒分析试验，确定并绘制试样级配曲线，按照设计干密度和试验容器有效尺寸计算所需试样总质量，分层装填试样，振动夯板人工分层夯压密实，达到要求的高度后，清理试样表面，安装顶板，通水进行试验，试验方法采用渗透水流从左向右施加压力水；

试样干密度ρ_d和孔隙率n计算公式如下：

其中：ρ_d-干密度，g/cm3；m_d-试样干质量g，A-试样面积，cm2；h-试样实际高度，cm；n-孔隙率，％；ρ_ω-水的密度，g/cm3；Gs-土粒比重；

试样干质量m_d计算公式如下：

m_d＝ρ_d*Ah

其中：ρ_d干密度，g/cm3；m_d-试样干质量g，A-试样面积，cm2；h-试样实际高度，cm；

S3、试样饱和：打开进水阀和排水阀，增加水压力，使水缓慢渗透通过试样，直至排气口和排水管有水流溢出为止，以完全排出试样中气泡；

S4、渗透试验测量：

a、据试样中的细粒含量，初步判断试样渗透变形的破坏形式，选择初始渗透坡降及渗透坡降递增值，渗透初始坡降为0.02～0.03，递增值应根据土样性质控制在0.05～0.08范围内；

b、按步骤a规定逐级升高压力，每次升高压力后，记录渗流时间t，稳压时间不少于30min，开始测记压力管读数和量筒的读数确定渗流水量Q，每级压力下测读3次，每次测读时间隔不少于30min，同时测读水温、气温，计算各级压力下的渗透坡降i及渗透流速v

其中：i-渗透坡降，v-渗透流速，cm/s；△H-待测两测压管水头差，cm；L-待测两测压管相对应的渗径长度，cm；Q-在t时间内的渗流水量，cm³；t-渗流时间，s；

计算渗透系数k_T

其中：k_T-水温为T℃时的渗透系数，cm/s，k₂₀-水温为20℃时的渗透系数，cm/s；

c、绘制渗透坡降i与渗流速度v关系曲线，以渗透坡降i为纵坐标，以渗流速度v为横坐标，绘制在双对数坐标上，同时绘制渗流速度v与时间关系t曲线，根据渗透坡降i与渗流速度v关系曲线的斜率开始变化，并观察到细颗粒开始跳动或被水流带出时，认为该试样达到了临界坡降,按下式计算临界坡降：

式中：i_k-临界坡降；i₂-开始出现管涌时的坡降；i₁-开始出现管涌前一级的坡降；

根据渗透坡降i与渗流速度v关系曲线，随着水头逐步加大，细粒不断被冲走，渗透流量Q变大，当水头增加到试样失去抗渗强度，该坡降称为试样的破坏坡降,按下式计算破坏坡降：

式中：i_F-破坏坡降；i′₂-破坏时的渗透坡降；i′₁-破坏前一级的渗透坡降；

当发生流土破坏，坡坏时的渗透坡降不易测得时，取破坏前一级的渗透坡降作为粗粒土的渗透破坏坡降；

S5、试验结束后关闭进水阀，抽取试样内剩余水，观察试样变化，根据需要量测试样试验后高度，如有加荷载的试样应及时卸荷并观测回弹情况，卸下顶盖，吸取试样上余水，放尽仪器余水，拆除试样，试验结束后取出试样，对试样进行颗粒分析和密度试验。

本发明相比于现有技术具有以下优点：

1、本发明试样粒径容许尺度大，试样粒径按依托工程项目坝体壳料技术要求最大粒径Dmax≤600mm控制，试样为原型级配，试验不存在缩尺效应，试验条件与工程实际状态接近。

2、本发明结构简单，试验槽截面为U形槽，可根据试验要求试验段长度，沿长度方向分为多段，拆装灵活方便，槽体由有机玻璃和钢板制成，更加牢固。

3、本发明根据试验槽的尺寸设置多组测压管，测量不同水头时的压力，得出各级水头下渗透坡降i、渗透流速v、渗透系数k_T，试验结果精度和准确度较有很大的提高。

4、本发明常水头压力供给是通过自动供水装置系统来实现，可实现自动供压、恒压、增压等功能，大大提高了试验准确度，使得操作更为简便。

本发明适用于测定粗粒土(粒径＞600mm的爆破石料和砂砾石料)垂直渗透变形试验。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1的右视图。

图3是图1中试验单元的结构示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是图1中透水板的结构示意图。

图6是图1中支架18的结构示意图。

图7是图1中充水槽7的结构示意图。

图中：1、供水箱；2、变频调节泵组；3、PID调节器；4、压力罐；5、压力传感器；6、进水阀；7、充水槽；8、第一透水板；9、过渡槽；10、第二透水板；11、测压管；12、试验槽；13、第三透水板；14、侧板；15、排水阀；16、排水管；17、量筒；18、集水槽；19、支架；20、顶板；21、支撑块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1～7中，本发明一种大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪,在支架19上放置有试验单元，支架19与试验单元之间放置有支撑块21，支撑块21防止试验单元移动或倾斜，本实施例的支架19为：四根槽钢两两相互垂直连接构成支架本体，支架本体底部设置有立柱，支架本体中部设置有加固筋，支架本体顶部垂直设置有至少两排门型支撑，门型支撑的开口方向沿着试验单元的长度方向，过渡槽9、试验槽12、集水槽18连接构成试验单元，进一步地，本实施例的试验槽12的截面形状为U形槽结构，试验槽12两端开口，开口处设置有突出的边沿，边沿上加工有安装孔，试验槽12顶部加工有边沿，边沿上加工有安装孔，集水槽18和过渡槽9的结构与试验槽12相同。

过渡槽9左端用螺纹连接紧固件固定连接安装有第一透水板8，第一透水板8和充水槽7相连接，第一透水板8和充水槽7可以为螺纹连接也可以焊接，过渡槽右端用螺纹连接紧固件固定连接安装第二透水板10，第二透水板10与试验槽12左端通过螺纹连接紧固件固定连接安装，试验槽12上间隔安装有至少2组测压管11，测压管11的安装数量和距离根据试验槽12的长度具体确定，进一步地，本实施例的试验槽12由至少两段槽体连接构成，试验槽12侧壁上前后对称安装有至少2组测压管。

试验槽12右端用螺纹连接紧固件固定连接安装第三透水板13，第三透水板13与集水槽18左端通过螺纹连接紧固件固定连接安装，本实施例的第一透水板8为：透水板本体外沿上加工有安装孔，透水板本体上均布加工有透水孔，相邻两行透水孔错位排列，且相邻两列透水孔错位排列；第一透水板8和第二透水板10以及第三透水板13的结构相同。集水槽18右端用螺纹连接紧固件固定连接安装侧板14，侧板14上侧连通安装有排水管16、下侧连通安装有排气管，排气管上安装有排气阀，排水管16上安装有排水阀15，试验时，量筒17用来测定渗流稳定时渗水量。本发明的充水槽7、过渡段9、试验槽12、集水槽18、第一透水板8、第二透水板10、第三透水板13、侧板14安装时均设置止水密封圈，保证整个装置的密封性，防止漏水。

本实施例的充水槽7为：充水槽本体为中空的正四棱锥形收敛的结构，蓄水槽本体呈四边形的一端与第一透水板8通过螺纹紧固连接件固定连接安装，蓄水槽本体收敛端加工有进水连接管，进水连接管与进水管相连接，进水管上安装有进水阀6和压力传感器5，进水管与压力罐4相连通，压力罐4通过管道与变频调节泵组5相连通，变频调节泵组2通过管道与供水箱1相连通，供水箱1为本试验提供水源，压力传感器5通过压力变送器与PID调节器3电连接，变频调节泵组2与PID调节器3电连接，利用压力传感器5测量水压力，通过压力变送器将信号反馈给PID调节器3，PID调节器3对比系统设定试验控制压力进行相比较运算，然后给出相应的变频指令，改变离心泵的运行转速，使得管网的水压与控制压力保持一致，本实施例的PID控制器3为市场销售产品。

本发明大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪的试验方法，由以下步骤组成：

S1、设备调试：组装完成渗透试验仪，同时打开进水阀、排水阀，从进水管向试验槽中充水，直至水从排水管和排气管中溢出，观察是否渗漏，关闭排水阀和排气阀，再模拟试验状态下检查密封系统在试验压力下是否完好；

S2、试样制备与装样：从所取风干、松散的土样中选取具有代表性试样，进行颗粒分析试验，确定并绘制试样级配曲线，按照设计干密度和试验容器有效尺寸计算所需试样总质量，分层装填试样，振动夯板人工分层夯压密实，达到要求的高度后，清理试样表面，安装顶板，通水进行试验，试验方法采用渗透水流从左向右施加压力水；为保证试样均匀性和减少粗细颗粒的分离，每层装填试样颗粒级配应保持一致，还可酌加约为试样质量3％的水分，拌和均匀后再往试验容器内装料，采用大尺寸表面振动器进行逐层压实，使试样装填干密度符合设计干密度要求；

试样干密度ρ_d和孔隙率n计算公式如下：

其中：ρ_d-干密度，g/cm3；m_d-试样干质量g，A-试样面积，cm2；h-试样实际高度，cm；n-孔隙率，％；ρ_ω-水的密度，g/cm3；Gs-土粒比重；

试样干质量m_d计算公式如下：

m_d＝ρ_d*Ah

其中：ρ_d干密度，g/cm3；m_d-试样干质量g，A-试样面积，cm2；h-试样实际高度，cm；

S3、试样饱和：打开进水阀和排水阀，增加水压力，使水缓慢渗透通过试样，直至排气口和排水管有水流溢出为止，以完全排出试样中气泡；为减少试验过程中由于试验用水分离出的气泡堵塞试样孔隙，影响试验准确度，应使试验用水的温度不低于室温；

S4、渗透试验测量：

a、据试样中的细粒含量，初步判断试样渗透变形的破坏形式，选择初始渗透坡降及渗透坡降递增值，渗透初始坡降为0.02～0.03，递增值应根据土样性质控制在0.05～0.08范围内；

b、按步骤a规定逐级升高压力，每次升高压力后，记录渗流时间t，稳压时间不少于30min，开始测记压力管读数和量筒的读数确定渗流水量Q，每级压力下测读3次，每次测读时间隔不少于30min，同时测读水温、气温，计算各级压力下的渗透坡降i及渗透流速v

其中：i-渗透坡降，v-渗透流速，cm/s；△H-待测两测压管水头差，cm；L-待测两测压管相对应的渗径长度，cm；Q-在t时间内的渗流水量，cm³；t-渗流时间，s；

计算渗透系数k_T

其中：k_T-水温为T℃时的渗透系数，cm/s，k₂₀-水温为20℃时的渗透系数，cm/s；

c、绘制渗透坡降i与渗流速度v关系曲线，以渗透坡降i为纵坐标，以渗流速度v为横坐标，绘制在双对数坐标上，同时绘制渗流速度v与时间关系t曲线，根据渗透坡降i与渗流速度v关系曲线的斜率开始变化，并观察到细颗粒开始跳动或被水流带出时，认为该试样达到了临界坡降,按下式计算临界坡降：

式中：i_k-临界坡降；i₂-开始出现管涌时的坡降；i₁-开始出现管涌前一级的坡降；

根据渗透坡降i与渗流速度v关系曲线，随着水头逐步加大，细粒不断被冲走，渗透流量Q变大，当水头增加到试样失去抗渗强度，该坡降称为试样的破坏坡降,按下式计算破坏坡降：

式中：i_F-破坏坡降；i′₂-破坏时的渗透坡降；i′₁-破坏前一级的渗透坡降；

当发生流土破坏，坡坏时的渗透坡降不易测得时，取破坏前一级的渗透坡降作为粗粒土的渗透破坏坡降；

S5、试验结束后关闭进水阀，抽取试样内剩余水，观察试样变化，根据需要量测试样试验后高度，如有加荷载的试样应及时卸荷并观测回弹情况，卸下顶盖，吸取试样上余水，放尽仪器余水，拆除试样，试验结束后取出试样，对试样进行颗粒分析和密度试验。

Claims (9)

1.一种大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪,其特征在于：支架上设置有试验单元，支架与试验单元之间设置有支撑块，过渡槽、试验槽、集水槽连接构成试验单元，过渡槽左端设置有第一透水板，第一透水板和充水槽相连接，过渡槽右端设置有第二透水板，第二透水板与试验槽左端相连接，试验槽上间隔设置有至少2组测压管，试验槽右端设置有第三透水板，第三透水板与集水槽左端相连接，集水槽右端设置有侧板，侧板上侧连通设置有排水管、下侧连通设置有排气管，排气管上设置有排气阀，排水管上设置有排水阀，排水管与量筒相连通，充水槽左端设置有进水管，进水管上设置有进水阀和压力传感器，进水管与压力罐相连通，压力罐通过管道与变频调节泵组相连通，变频调节泵组通过管道与供水箱相连通，压力传感器和变频调节泵组与PID调节器电连接。

2.根据权利要求1所述的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪，其特征在于：所述的试验槽由至少两段槽体连接构成。

3.根据权利要求1所述的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪，其特征在于：所述的试验槽的截面形状为U形槽结构，试验槽两端开口，开口处设置有突出的边沿，边沿上加工有安装孔，试验槽顶部设置有边沿，边沿上加工有安装孔。

4.根据权利要求3所述的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪，其特征在于：所述的集水槽和过渡槽的结构与试验槽相同。

5.根据权利要求1所述的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪，其特征在于：所述的试验槽侧壁上前后对称设置有至少2组测压管。

6.根据权利要求1所述的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪，其特征在于所述的第一透水板为：透水板本体外沿上加工有安装孔，透水板本体上均布加工有透水孔，相邻两行透水孔错位排列，且相邻两列透水孔错位排列；第一透水板和第二透水板以及第三透水板的结构相同。

7.根据权利要求1所述的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪，其特征在于所述的蓄水槽为：蓄水槽本体为中空的正四棱锥形收敛的结构，充水槽本体呈四边形的一端与第一透水板相连接，蓄水槽本体收敛端设置有进水连接管。

8.根据权利要求1所述的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪，其特征在于所述的支架为：四根槽钢两两相互垂直连接构成支架本体，支架本体底部设置有立柱，支架本体中部设置有加固筋，支架本体顶部垂直设置有至少两排门型支撑，门型支撑的开口方向沿着试验单元的长度方向。

9.根据权利要求1～8任意一项所述的大型原级配粗颗粒土水平渗透变形试验仪的试验方法，由以下步骤组成：

S1、设备调试：组装完成渗透试验仪，同时打开进水阀、排水阀，从进水管向试验槽充水，直至水从排水管溢出，观察是否渗漏，关闭排水阀，再模拟试验要求的高压水检查密封系统在试验压力下是否完好；

S2、试样制备与装样：从所取风干、松散的土样中选取具有代表性试样，进行颗粒分析试验，确定并绘制试样级配曲线，按照设计干密度和试验容器有效尺寸计算所需试样总质量，分层装填试样，振动夯板人工分层夯压密实，达到要求的高度后，清理试样表面，安装顶板，通水进行试验，试验方法采用渗透水流从左向右施加压力水；

试样干密度ρ_d和孔隙率n计算公式如下：

其中：ρ_d-干密度，g/cm3；m_d-试样干质量g，A-试样面积，cm2；h-试样实际高度，cm；n-孔隙率，％；ρ_ω-水的密度，g/cm3；Gs-土粒比重；

试样干质量m_d计算公式如下：

m_d＝ρ_d*Ah

其中：ρ_d干密度，g/cm3；m_d-试样干质量g，A-试样面积，cm2；h-试样实际高度，cm；

S3、试样饱和：打开进水阀和排水阀，增加水压力，使水缓慢渗透通过试样，直至排气口和排水管有水流溢出为止，以完全排出试样中气泡；

S4、渗透试验测量：

a、据试样中的细粒含量，初步判断试样渗透变形的破坏形式，选择初始渗透坡降及渗透坡降递增值，渗透初始坡降为0.02～0.03，递增值应根据土样性质控制在0.05～0.08范围内；

b、按步骤a规定逐级升高压力，每次升高压力后，记录渗流时间t，稳压时间不少于30min，开始测记压力管读数和量筒的读数确定渗流水量Q，每级压力下测读3次，每次测读时间隔不少于30min，同时测读水温、气温，计算各级压力下的渗透坡降i及渗透流速v

其中：i-渗透坡降，v-渗透流速，cm/s；△H-待测两测压管水头差，cm；L-待测两测压管相对应的渗径长度，cm；Q-在t时间内的渗流水量，cm³；t-渗流时间，s；

计算渗透系数k_T

其中：k_T-水温为T℃时的渗透系数，cm/s，k₂₀-水温为20℃时的渗透系数，cm/s；

c、绘制渗透坡降i与渗流速度v关系曲线，以渗透坡降i为纵坐标，以渗流速度v为横坐标，绘制在双对数坐标上，同时绘制渗流速度v与时间关系t曲线，根据渗透坡降i与渗流速度v关系曲线的斜率开始变化，并观察到细颗粒开始跳动或被水流带出时，认为该试样达到了临界坡降,按下式计算临界坡降：

式中：i_k-临界坡降；i₂-开始出现管涌时的坡降；i₁-开始出现管涌前一级的坡降；

根据渗透坡降i与渗流速度v关系曲线，随着水头逐步加大，细粒不断被冲走，渗透流量Q变大，当水头增加到试样失去抗渗强度，该坡降称为试样的破坏坡降,按下式计算破坏坡降：

式中：i_F-破坏坡降；i₂′-破坏时的渗透坡降；i₁′-破坏前一级的渗透坡降；

当发生流土破坏，坡坏时的渗透坡降不易测得时，取破坏前一级的渗透坡降作为粗粒土的渗透破坏坡降；

S5、试验结束后关闭进水阀，抽取试样内剩余水，观察试样变化，根据需要量测试样试验后高度，如有加荷载的试样应及时卸荷并观测回弹情况，卸下顶盖，吸取试样上余水，放尽仪器余水，拆除试样，试验结束后取出试样，对试样进行颗粒分析和密度试验。