CN110174338A - 现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料抗渗性能测试技术领域，具体涉及现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备及其方法，该装置包括中心立杆，中心立杆的不同高度处分别设置有吊盘并安装有多个试验套筒，试验套筒包括竖向堆垒设置的样品固定套筒和渗水收集套筒，样品固定套筒中放置有胶凝砂砾石材料的样品柱，样品柱的上端面裸露于样品固定套筒上端口处，渗水收集套筒的侧壁上安装有单向阀，在渗水收集套筒内设锥面竖直向下的锥形集水腔，锥形集水腔底部安装有排水阀，将该装置投入现场环境水域，定时抽取试验套筒并通过积水体积得到胶凝砂砾石材料的渗透性，反应不同现场环境下胶凝砂砾石的渗水性能，通过该方法测试得到的胶凝砂砾石材料的抗渗系数结果更加精确具有针对性。

Description

现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备及其方法

技术领域

本发明涉及材料抗渗性能测试技术领域，具体涉及现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备及其方法。

背景技术

胶凝砂砾石材料是一种新筑坝材料，是在天然级配的河床砂砾石料或开挖废弃料等工程建材中掺入少量的胶凝材料(水泥和粉煤灰)，通过设备拌合将砂砾石料胶结或者部分胶结后得到的一种新型材料。该种材料筑坝优势明显。

在对胶凝砂砾石材料进行抗渗试验中有采用实验室模拟环境的方法，由于胶凝砂砾石的抗渗性能与环境条件、龄期发展、水化程度等因素密切相关，特别是环境条件的影响，使混凝土的抗渗性能不断发生着变化，所以这种试验结果不够客观。而在专利申请号为2019103156283的“胶凝砂砾石材料抗渗性试验现场测定装置及其方法”专利中，提出了在现场环境下对胶凝砂砾石材料进行抗渗试验，该专利根据两次渗水收集腔内的气压差值，通过相应的公式得到胶凝砂砾石材料的渗透系数，但是存在缺陷：在渗水收集腔中逐渐渗进水之后，渗水收集腔内的气压逐渐增大，渗水收集腔内部气压增大会阻碍水的下渗速度，水下渗速度变慢进一步影响气压的上升，因此通过此方法测试获得的胶凝砂砾石材料的抗渗性能存在不可避免的误差，导致所测试件的渗水性能与真实渗水性能相比偏差。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和问题，本发明提供一种现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备及其方法，该装置能够在现场环境下测定胶凝砂砾石材料的渗透性，在保持气压恒定的基础上，通过测试集水体积得到胶凝砂砾石材料的抗渗系数，避免了试验条件本身对试件渗水速度的影响，试验结果更加精确具有针对性。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备，包括中心立杆，在所述中心立杆的不同高度处分别安装有吊盘，所述吊盘的中心孔套装于中心立杆上，所述吊盘上围绕中心孔的位置均匀开有上下贯通的吊孔，并且在吊孔背离中心孔的外侧竖直开有豁口，每个吊孔处均安装有试验套筒；每一个试验套筒分别独立连接有牵引吊绳，牵引吊绳活动穿设于吊孔中并且能够从豁口中穿出，牵引吊绳上套固有柱塞，柱塞包括下塞体和上堵头，上堵头的直径大于下塞体的直径，所述下塞体能够塞进吊孔内，上堵头被阻挡在吊孔上端；

所述试验套筒包括竖向堆垒设置的样品固定套筒和渗水收集套筒，所述样品固定套筒位于渗水收集套筒的上部且上端敞口，样品固定套筒、渗水收集套筒在堆叠处分别向外垂直设置有水平对接边沿，两个水平对接边沿密封连接，所述样品固定套筒包括两个对称扣接的半筒体，两个半筒体在连接处分别向外延伸设置有竖直对接边沿，两个竖直对接边沿密封连接；在渗水收集套筒靠近上端的内壁上安装有套环，在套环上部放置有胶凝砂砾石材料的样品柱，样品柱的侧壁包覆有橡胶密封层，并且橡胶密封层与样品固定套筒的内壁贴合，样品柱的上端面裸露于样品固定套筒的上端口处；在套环下部的渗水收集套筒中竖直设置有一个锥面竖直向下的锥形集水腔，在渗水收集套筒侧壁上靠近套环的位置安装有能够保持锥形集水腔内气压恒定的单向阀，在锥形集水腔的底部密封安装有排水阀，在锥形集水腔与渗水收集套筒之间均匀预装有配重体。

进一步的，所述水平对接边沿上、竖直对接边沿上均匀开有螺丝孔，渗水收集套筒与样品固定套筒的水平对接边沿之间夹设一层橡胶密封垫并通过螺丝固定连接，两个半筒体的竖直对接边沿之间夹设一层橡胶密封垫并通过螺丝固定连接。

进一步的，所述牵引吊绳的末端设置有区别标签。

进一步的，所述渗水收集筒体的下端密封，所述配重体与锥形集水腔周围的渗水收集套筒一体成型。

进一步的，包括以下步骤：

步骤1：首先，由胶凝砂砾石材料制成的样品柱试件在拆模后，6-12个试件为一组，先送入养护室养护，试件到达龄期之后将试件、试验套筒及牵引吊绳进行组装，并在样品固定套筒的侧壁上安装单向阀，在样品固定套筒底部的锥形排水阀的下端密封安装排水阀；保持中心立杆竖直放置，在中心立杆上部标记一条水平面线，从水平面线往下每隔5m安装一个吊盘，把组装好的试验套筒的牵引吊绳分别移至各个吊盘的吊孔中，按压牵引吊绳上的柱塞使柱塞向下插入吊孔内，使各个试验套筒分别悬吊于中心立杆在水面下不同深度位置的各个吊孔的下方；在每根牵引吊绳末端的区别标签上分别标注出对应的试验套筒所处的深度位置H；

步骤2：检验密封性，确认密封性良好后，将中心立杆缓慢下移至现场环境的水池中，下移过程始终保持中心立杆竖直，使试验套筒缓慢潜入水面下方，直到中心立杆上标记的水平面线与水面达到平齐后停止下移，将中心立杆进行固定；并且牵引吊绳末端的区别标签始终保留在水面上方以保证能够被提拉；设定同一个吊盘上的试验套筒为一组，每隔1-3天，从每组试验套筒中分别取出一个试验套筒，打开样品固定套筒底部的的排水阀，将锥形集水腔内的积水流出并收集至量取容器中，分别记录积水的体积V；

步骤3：将所得试验数据汇入表格中，计算出每个试件的渗透系数并记录在表格中。

进一步的，每个试件的渗透系数通过达西公式计算得到，具体方法为：

式中，K——渗透系数；

V——积水体积；

L——试件高度；

H——投入水深；

A——试件截面面积。

本发明的有益效果：本发明的现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备，部件组合性强，拆卸、组装及移动方便，同时试件与测试装置之间可实现快速装模、脱模，方便操作，减少试验人员的工作量，提高效率。同时该方法用真实现场环境替代实验室模拟环境，持续性地对试件进行试验，现场环境真实反应在不同天气状态和水域环境下，胶凝砂砾石试件在呈阶梯分布的水面深度下 (不同水压)的渗水程度，以及在同一深度、不同浸泡时间下的渗水程度，在保持气压恒定的基础上，通过测试集水体积得到胶凝砂砾石材料的抗渗系数，避免了试验条件本身对试件渗水速度的影响。

本发明的测定装置方便移动，十分适用于户外真实环境下对试件渗水性测试。试验套筒与试件可实现快速装卸，在试验套筒上腔容纳试件，下腔容纳渗过试件的积水，试件的四周被密封层密封，只留上下端面进行渗水，通过测定渗水前后的压差反映出试件的渗水性，试验数据精确。将试验套筒通过牵引吊绳潜入水面以下，为套筒内的胶凝砂砾石试件提供真实的水压环境，并且每个试验套筒都有独立的牵引吊绳，可供实验人员向上提拉，保证同一组实验组内的不同套筒能够在不同时间点被取出，从而能够获取较多组试验数据。

通过本方法对胶凝砂砾石进行渗水性能测试，不需要再模拟出一个实验室环境，直接将试验器材组装后放入现场水池中即可，自由度高，一套试验器材即可同时实现多组对照试验，整理各组试验数据分别计算得出各自的渗透系数，获得试验数据更细致，操作简单效率高。本方法允许对试件进行长期的现场检测，胶凝砂砾石材料的渗透性数据更加真实，以保障胶凝砂砾石抗渗性能符合建筑物的使用要求，最后通过读取收集腔内的积水的体积值计算出真实现场环境下胶凝砂砾石的渗透系数。

附图说明

图1为本发明在使用状态的整体结构示意图。

图2为本发明的试验套筒的结构示意图。

图3为半套筒的结构示意图。

图4为吊盘的俯视图。

图5为柱塞的结构示意图。

图6为柱塞和区别标签吊装结构示意图。

图中：1-中心立杆，2-试验套筒，3-吊盘，31-中心孔，32-吊孔，33-豁口， 4-样品固定套筒，41-半筒体，42-竖直对接边沿，43-螺丝孔，5-渗水收集套筒， 51-水平对接边沿，52-套环，6-锥形集水腔，7-单向阀，8-牵引吊绳，9-柱塞， 91-下塞体,92-上堵头，10-区别标签，11-排水阀，12-配重体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：一种现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备，如图1-3所示，包括中心立杆1，在中心立杆1的不同高度处分别安装一个吊盘3，相邻两个吊盘之间距离3-8m，吊盘3上有开有中心孔31，围绕中心孔31分布有3-5个吊孔32，其中吊盘的中心孔31套固于中心立杆1上，并且在吊孔32背离中心孔31的外侧竖直开有豁口33。本实施例中吊孔32的数量为3个，对应每个吊孔32下方悬挂有一个试验套筒4，在试验套筒4的侧壁设计有吊耳，吊耳连接有牵引吊绳8，并且牵引吊绳8上套固有柱塞9，柱塞包括下塞体91和上堵头 92，上堵头92的直径大于下塞体91的直径，牵引吊绳8下端与试验套筒4连接好之后，牵引吊绳8从豁口33中穿进吊孔32内，此时向下按压柱塞9，使下塞体91被按压塞进吊孔32内，上堵头92被阻挡在吊孔32上端，进而将吊绳8通过柱塞固定在吊盘3上。

当试件处于试验状态时，牵引吊绳8从吊孔32内穿过，通过下塞体91与吊孔32内壁的摩擦力以及试验套筒2本身的重力，能够防止柱塞9从吊孔32 中挣脱，从而将试验套筒2悬挂在吊盘3上。当试验结束需将试验套筒2从水中提出时，向上提拉牵引吊绳8，使下塞体91从吊孔32中向上挣脱出来，接着将牵引吊绳8从豁口33中拉出，再把试验套筒2提上水面从而结束该试验套筒2内试件渗水性的测定。为了便于辨别水面下方的试验套筒2，每个试验套筒2上连接的牵引吊绳8的末端均设有区别标签10，区别标签10上注明该套筒所处的位置和高度。

其中，每个试验套筒2包括包括竖向堆垒设置的样品固定套筒4和渗水收集套筒5，样品固定套筒4位于渗水收集套筒5的上部且上端敞口，样品固定套筒4、渗水收集套筒5在堆叠处分别向外垂直设置有水平对接边沿51，两个水平对接边沿51上均匀开有螺丝孔，渗水收集套筒5与样品固定套筒4的水平对接边沿51之间夹设一层橡胶密封垫并通过螺丝固定密封连接，保证样品固定套筒4与渗水收集套筒5连接处的密封性。样品固定套筒4包括两个对称扣接的半筒体41，两个半筒体41组装好成一个完整的样品固定套筒4，胶凝砂砾石材料的样品柱放置在样品固定套筒4中，并且两个半筒体41在连接处分别向外延伸设置有竖直对接边沿42，两个竖直对接边沿42上均匀开有螺丝孔，两个半筒体41的竖直对接边沿42之间夹设一层橡胶密封垫并通过螺丝固定密封连接，保证样品固定套筒4侧壁的密封性。在渗水收集套筒5的内壁上还安装有套环52，在渗水收集套筒5的侧壁上位于套环52下端垂直安装有锁丝，锁丝将套环44水平固定在渗水收集套筒5内壁上靠近上端的位置。胶凝砂砾石材料的样品柱的下端部正好放置在套环52上，样品柱的上端面裸露于样品固定套筒4的上端口处，并且在样品柱的侧壁包覆有橡胶密封层，橡胶密封层与样品固定套筒4的内壁贴合，保证样品柱与样品固定套筒4之间无缝隙防止水从缝隙中下渗，保证锥形集水腔6为全密封状态，减少试验误差。为了保持整个试验套筒在水在试验过程中始终处于竖直状态，将渗水收集套筒5的下端安装有配重体12，其中，配重体12与锥形集水腔周围的渗水收集套筒5 为一体成型，旨在降低整个试验套筒2的重心，防止试验套筒2翻倒，以使得锥形集水腔6始终保持竖直，防止锥形集水腔6内的集水堵塞单向阀。

由于样品柱上端面的水压较大，锥形集水腔6内压强较小，样品柱上端面会持续向下渗水，渗水透过整个样品柱之后被收集至锥形集水腔6中。在套环 52下部的锥形集水腔6的侧壁上安装有单向阀7，单向阀7位于锥形集水腔6 侧壁上部的靠近套环52的位置，随着锥形集水腔6内的集水逐渐增多，锥形集水腔6的压强逐渐增大，单向阀7始终维持锥形集水腔内的气压恒定，试验结束后，将试验套筒2提出水面，将锥形集水腔6底部的排水阀11打开，锥形集水腔6的积水收集入计量容器中，得到积水的体积，然后通过渗水的总体积能够计算出对应试件的渗透系数。

实施例2：

一种现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的方法，基于实施例1中的现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备，该方法包括以下步骤：

首先，由胶凝砂砾石材料制成的样品柱试件在拆模后，6-12个试件为一组，先送入养护室养护直至试件到达龄期。在试验之前，在样品固定套筒4的侧壁上安装单向阀7，在样品固定套筒4底部的锥形集水腔6的下端密封安装排水阀 11。将样品固定套筒4与渗水收集套筒5上的水平对接边沿51上下叠放，并在两个水平对接边沿51之间夹设一层橡胶密封垫，使样品固定套筒4与渗水收集套筒5的水平对接边沿平行压紧橡胶密封垫，螺丝穿过水平对接边沿上的螺丝孔43，拧紧螺丝使两个水平对接边沿51密封连接，保证样品固定套筒4与渗水收集套筒5连接处良好的密封性。再将圆柱形的试件放入该半筒体41的一端(位于套环44上侧的敞口端)，然后将另一个没有侧孔的半筒体41扣放在试件上，并在对接边沿42缝隙中夹设一层橡胶密封垫，使两个半筒体41的竖直对接边沿42平行压紧橡胶密封垫，螺丝穿过竖直对接边沿42上的螺丝孔43，拧紧螺丝使两个半筒体41的竖直对接边沿42密封连接，保证样品固定套筒4侧壁良好的密封性。然后保持中心立杆1竖直放置，在中心立杆1上部标记一条水平面线，该水平面线的深度位置记为H₀，从水平面线往下每隔5m安装一个吊盘3，把组装好的试验套筒的牵引吊绳8分别从豁口33处移至各个吊盘的吊孔32中，按压牵引吊绳8上的柱塞9使柱塞向下插入吊孔32内，使各个试验套筒4分别悬吊于中心立杆1在水面下不同深度位置的各个吊孔的下方，并在每根牵引吊绳8末端的区别标签10上分别标注出对应的试验套筒2所处的深度位置，分别记为H₁、H₂、H₃、…、H_n。

组装完成后，检验密封性，确认密封性良好后。然后，将中心立杆1缓慢下移至现场环境的水池中，下移过程始终保持中心立杆1竖直，使试验套筒4 缓慢潜入水面下方，直到中心立杆1上标记的水平面线与水面达到平齐后停止下移，将中心立杆1固定在水岸上的固定桩上。并且牵引吊绳8末端的区别标签10也绑在水岸上的固定桩，以保证牵引吊绳8能够被提拉。根据实验需要，确定中心立杆的使用数量。设定同一个吊盘3上的3个试验套筒为一组，根据试验要求，每隔一段时间，比如2天，从每组试验套筒中分别取出一个试验套筒4，打开渗水收集腔的底部的排水阀，收集并精确称量积水的体积，分别记录 V₁、V₂、V₃、…、V_n。

试验设计：

将试件投入水库后，分别投入不同的深度，本实验中，分别在水面下5m、 10m、15m、20m、25m处分别投放一组试件，分别在2天后、4天后、6天后从每组试件中抽取一个试件，作为一类对照组，该类对照组的试件承受水压相等，但渗水时间不同。

而位于同一深度的一组试件则组成二类对照组，该类对照组的的试件渗水时间相同，但承受水压不等。

随着试验的进行，陆续记录各试验套筒的锥形集水腔中的积水的体积，并通过达西公式计算出每个试验套筒中的所测试件在不同深度、不同时间下的渗透系数，其中，通过达西公式计算出每个试件的渗透系数的具体方法如下：

式中，K——渗透系数；

V——积水体积；

L——试件高度；

H——投入水深；

A——试件截面面积。

本试验不仅可以获取试件的渗透系数，还可以在试件潜入水下之前对试件先进行强度、耐久性等性能的测试，记录试验数据，然后再进行本发明中的渗水性能测试，待渗水性能测试完成之后，再次对经过水渗透试验后的试件进行强度、耐久性的性能测定，记录实验数据，与原试件的实验数据做对比分析，从而得出试件的渗透性能对试件的强度、耐久性等性能的影响，更加精确的得出试件的渗透性能与强度、耐久性等性能之间的关系。

Claims (6)

1.一种现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备，其特征在于：包括中心立杆，在所述中心立杆的不同高度处分别安装有吊盘，所述吊盘的中心孔套装于中心立杆上，所述吊盘上围绕中心孔的位置均匀开有上下贯通的吊孔，并且在吊孔背离中心孔的外侧竖直开有豁口，每个吊孔处均安装有试验套筒；每一个试验套筒分别独立连接有牵引吊绳，牵引吊绳活动穿设于吊孔中并且能够从豁口中穿出，牵引吊绳上套固有柱塞，柱塞包括下塞体和上堵头，上堵头的直径大于下塞体的直径，所述下塞体能够塞进吊孔内，上堵头被阻挡在吊孔上端；

所述试验套筒包括竖向堆垒设置的样品固定套筒和渗水收集套筒，所述样品固定套筒位于渗水收集套筒的上部且上端敞口，样品固定套筒、渗水收集套筒在堆叠处分别向外垂直设置有水平对接边沿，两个水平对接边沿密封连接，所述样品固定套筒包括两个对称扣接的半筒体，两个半筒体在连接处分别向外延伸设置有竖直对接边沿，两个竖直对接边沿密封连接；在渗水收集套筒靠近上端的内壁上安装有套环，在套环上部放置有胶凝砂砾石材料的样品柱，样品柱的侧壁包覆有橡胶密封层，并且橡胶密封层与样品固定套筒的内壁贴合，样品柱的上端面裸露于样品固定套筒的上端口处；在套环下部的渗水收集套筒中竖直设置有一个锥面竖直向下的锥形集水腔，在渗水收集套筒侧壁上靠近套环的位置安装有能够保持锥形集水腔内气压恒定的单向阀，在锥形集水腔的底部密封安装有排水阀，在锥形集水腔与渗水收集套筒之间均匀预装有配重体。

2.根据权利要求1所述的现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备，其特征在于：所述水平对接边沿上、竖直对接边沿上均匀开有螺丝孔，渗水收集套筒与样品固定套筒的水平对接边沿之间夹设一层橡胶密封垫并通过螺丝固定连接，两个半筒体的竖直对接边沿之间夹设一层橡胶密封垫并通过螺丝固定连接。

3.根据权利要求1所述的现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备，其特征在于：所述牵引吊绳的末端设置有区别标签。

4.根据权利要求1所述的现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的设备，其特征在于：所述渗水收集筒体的下端密封，所述配重体与锥形集水腔周围的渗水收集套筒一体成型。

5.一种现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的方法，基于权利要求1的装置，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：首先，由胶凝砂砾石材料制成的样品柱试件在拆模后，6-12个试件为一组，先送入养护室养护，试件到达龄期之后将试件、试验套筒及牵引吊绳进行组装，并在样品固定套筒的侧壁上安装单向阀，在样品固定套筒底部的锥形排水阀的下端密封安装排水阀；保持中心立杆竖直放置，在中心立杆上部标记一条水平面线，从水平面线往下每隔5m安装一个吊盘，把组装好的试验套筒的牵引吊绳分别移至各个吊盘的吊孔中，按压牵引吊绳上的柱塞使柱塞向下插入吊孔内，使各个试验套筒分别悬吊于中心立杆在水面下不同深度位置的各个吊孔的下方；在每根牵引吊绳末端的区别标签上分别标注出对应的试验套筒所处的深度位置H；

步骤2：检验密封性，确认密封性良好后，将中心立杆缓慢下移至现场环境的水池中，下移过程始终保持中心立杆竖直，使试验套筒缓慢潜入水面下方，直到中心立杆上标记的水平面线与水面达到平齐后停止下移，将中心立杆进行固定；并且牵引吊绳末端的区别标签始终保留在水面上方以保证能够被提拉；设定同一个吊盘上的试验套筒为一组，每隔1-3天，从每组试验套筒中分别取出一个试验套筒，打开样品固定套筒底部的的排水阀，将锥形集水腔内的积水流出并收集至量取容器中，分别记录积水的体积V；

步骤3：将所得试验数据汇入表格中，计算出每个试件的渗透系数并记录在表格中。

6.根据权利要求5所述的现场测试胶凝砂砾石材料抗渗性能的方法，其特征在于：每个试件的渗透系数通过达西公式计算得到，具体方法为：

式中，K——渗透系数；

V——积水体积；

L——试件高度；

H——投入水深；

A——试件截面面积。