CN110208489B - 一种路基土中毛细水上升高度的模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种路基土中毛细水上升高度的模拟试验装置及试验方法，所述装置包括：蓄水池，用于承装试验用水，其中的试验用水位于设定的水位；透水石，其被放置在所述蓄水池内，且高度与所述蓄水池中设定的水位一致；模具，其形状为中空的筒形，横截面为正方形以便于击实，所述中空部分在竖直方向上的投影位于所述透水石的上表面内，用于容纳土壤样品以形成土柱；所述模具的材质具有不透水性，且所述模具在土柱的四周具有开孔以在所述土柱中埋设土壤湿度计，采用蜡封堵开孔以防止水分蒸发。本发明结构简单，操作方便，能够更准确地测量施工现场路基土中毛细水上升高度。

Description

一种路基土中毛细水上升高度的模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于市政工程领域，特别地涉及一种路基土中毛细水上升高度的模拟试验装置及试验方法。

背景技术

岩石中毛细水上升高度对于研究包气带水运动、大气降水入渗补给地下水、农田灌溉、盐碱地改良、地下水污染及工程建筑地基处理设计与稳定性评价等，都具有重要意义。

松散岩石的毛细水上升高度测定方法有直接观察法和卡明斯基仪法。前者适用于粗砂和中砂，后者则适用于粉砂和粘土。

直接观察法是将试样装入有刻度的玻璃管中，管的底部缚有滤网，并放置于盛蓄水池中，直接观测毛细水的上升高度。该试验取代表性风干土样，用漏斗分数次装入玻璃管，并用捣棒轻轻捣实。管的底部缚上滤网，放置于盛蓄水池中，保持盛蓄水池中水位不变，且高出玻璃管底部0.5-1.0cm。根据砂土颜色深浅变化，每隔10min观察一次毛细水上升高度(以盛蓄水池中水面为基点)，直至水面高度稳定。

卡明斯基仪法是根据被动毛细力支持下降水柱的作用和应用连通管测定等压面的原理进行。仪器的基本部分是高约20厘米，直径4-6cm的玻璃管，管底装有金属网，并附有双孔橡皮塞。在塞子的小孔中插入附有橡皮管和夹子的细管，塞子的另一个孔则插入直径为0.5-1.0cm的玻璃管，管子的下端用橡皮管与另一玻璃管连成U字型的压力计，压力计下端连接一个三通管，其自由端与另外一个三通相联，三通管的自由端用橡皮管与给蓄水池连接，管上装一个夹子。三通的另一端则连一附有夹子且长约10-12cm 的橡皮管。压力计和橡皮管装在木板上悬挂在墙壁上，在木板上沿压力计右方管有厘米刻度标尺，标尺零点上端与金属网在同一水平面上。实验步骤如下：将试样装入玻璃管中至8cm高。装样时分次数进行并分层捣实。四周孔隙用蜡密封，使之不漏气。筒的下端用有孔橡皮塞塞紧，防止漏气；打开管夹使土样逐渐被水饱和至表面出现水膜为止；土壤饱和后松开管夹 C，使测压管右边水面逐渐下降，至管内水面停止下降，接着水面突然上升时，记下此时测压管的读数，即为毛细水上升的高度H；重复做第二次试验，取算术平均值。如果两次试验相差较大，应该重复试验。

决定土中毛细水上升高度的主要因素包括土的颗粒成分、土体结构、水的温度、水的矿化度及土的电化学性质等等。砂土的孔隙越大，水沿孔隙形成的毛细管上升的速度就越快，但其上升的高度(亦即最大毛细上升高度)并不大。而细粒岩石及粘土中，水的毛细上升高度很大，但速度缓慢，到达最大毛细上升高度的时间很长。当水的矿化度增高或温度降低时毛细管水上升高度增加。毛细管水上升速度随着水的矿化程度的增加而递减，同时速度也取决于盐的成分，如K2SO3溶液上升高度大于NaCl,更大于Na2CO3。

在实际的道路路基土体中，地下水的矿化度随工程地理位置不同而不同，土壤成份、压实度、各结构层厚度、土壤中温度皆不同，而这些都是影响毛细水上升高度的关键因素。特别需要指出的是，道路结构中路面需要承受行车动荷载，行驶车辆对路基土产生的振动影响着毛细水在土壤中的存在形式。

但是，不管采用直接观察法还是卡明斯基毛细仪法，试验条件与真实土体都存在较大差异。直接观察法中，土样的压实度与现场土壤的压实度不同，表明毛细水的渗透环境完全不同；试验用水采用试验室内水，与工程现场地下水的水质差异较大；玻璃管体积相对于半无限弹性体的工程土体而言，太过微小，水力路径与真实情况差别较大。卡明斯基毛细仪法实际上是一种理论方法，有研究证实试验结果与直接观察法相差很大，毛细水很难上升到理论高度。因此，使用现有的测试装置和方法无法准确地确定路基土中毛细水上升高度，进而影响了工程的施工质量。

发明内容

为解决上述问题，根据本发明的第一方面，提出了一种路基土中毛细水上升高度模拟试验装置，包括：

蓄水池，用于承装试验用水，其中的试验用水位于设定的水位；

透水石，其被放置在所述蓄水池内，且高度与所述蓄水池中设定的水位一致；

模具，其形状为中空的筒形，所述中空部分在竖直方向上的投影位于所述透水石的上表面内，用于容纳土壤样品以形成土柱；所述模具的材质具有不透水性，且所述模具在土柱的四周具有开孔以在所述土柱中埋设土壤湿度计。

进一步地，所述蓄水池在与所述设定的水位相对应的位置处具有出水口。

进一步地，所述设定的水位为施工现场的常水位。

进一步地，所述模具的形状为立方体。

进一步地，所述模具的横截面为边长50cm的正方形，模具高度为10cm，便于击实模具内土柱。

进一步地，还包括：

水循环单元，用于保持试验用水位于设定的水位；

所述水循环单元包括用于承接从所述出水口流出的水的水槽，用于将所述水槽中的水送至所述蓄水池的水泵，从所述水槽至所述水泵的管路以及从所述水泵至所述蓄水池的管路。

根据本发明的第二方面，提出了一种基于如上所述模拟试验装置的测试路基土中毛细水上升高度的试验方法，包括：

将透水石放置在蓄水池内，所述透水石的高度与所述蓄水池中设定的水位一致；

根据施工现场的地下水位线以上的土壤组成情况，挖取施工现场的土壤放入模具内，夯实形成多个土柱，并依次层叠地放置在所述透水石上；

通过所述模具的开孔在每个土柱中埋设土壤湿度计；

向所述蓄水池注入施工现场取出的地下水作为试验用水，并保持位于设定的水位；

定期测量每个土柱内的土壤湿度，直至到达最高水位作用时间，得到毛细水上升高度。

进一步地，在埋设土壤湿度计之后，采用蜡封堵所述开孔以防止水分蒸发；

所述模具为多个，每个模具形成一层土柱，土柱成型后不拆模具，上层的土柱和模具整体放置于下层土柱和模具上，依次层叠；用塑料薄膜密封所述层叠的模具间接缝以及最顶端土柱的土体表面，使土柱中毛细水上升状况与真实路基土中情况更相似；

接近最高地下水位作用时间时，加大监测频率，如果最上层湿度计读数开始增长，证明毛细水已上升到此高度，则继续堆叠土柱，直至最上层土柱中埋设的湿度计读数不发生变化时，停止堆叠土柱，根据土柱层数得到毛细水上升高度。进一步地，在用塑料薄膜密封之前，还包括在最上层的土柱上方放置金属盖板，锤击土柱顶部，以模拟行车动荷载作用；

在定期测量每个土柱内的土壤湿度过程中，按预定频率锤击土柱顶面，以模拟行车动荷载作用。

进一步地，应用该试验方法，根据如下公式研究路基土中毛细水上升高度的影响因素：

H＝A* X₁+B* X₂+C* X₃+D* X₄+E* X₅；

其中，

H为毛细水上升高度；

A为水位对H的影响因子；

X₁为地下最高水位；

B为最高水位作用时间对H的影响因子；

X₂为最高水位作用时间；

C为土壤类型对H的影响因子；

X₃为土壤类型；

D为土壤压实度的影响因子；

X₄为土壤压实度；

E为行车动荷载对H的影响因子；

X₅为行车动荷载。

本发明公开的路基土中毛细水上升高度的模拟试验装置与方法通过模拟施工现场的土壤状态，测试结果更加贴近实际场景中毛细水在土壤中的上升高度，从而极大提升了测试数据的准确性，基于该准确的高度数据指导施工，可以防范毛细水上升到煤矸石填料层引起煤矸石压实层的风化崩解，保障了施工质量；此外，本发明结构简单，操作方便，稳定可靠，便于普及推广。

附图说明

图1为根据本发明的路基土中毛细水上升高度模拟测试装置的示意图。

图2为根据本发明的路基土中毛细水上升高度模拟测试装置的平面视图。

1蓄水池、11出水口、2透水石、3模具、4开孔、5水槽、6水泵、7a 进水管路、7b注水管路、8金属块、9锤子。

具体实施方式

毛细水在土壤中主要有两种存在状态：毛细水柱与地下水位连通和毛细水悬挂在土体中。当夏季雨水充沛时，地下水位较高，毛细水上升到路堤中的高度也随之升高；雨季过后，随着渗透、蒸发、农作物用水等外部作用，地下水位逐渐降低，而有些毛细水便停留在上层土体的毛细孔隙中，形成悬挂毛细水。而无论是与地下水位连通的毛细水柱，还是悬挂在土体中的毛细水柱，在振动作用下，都会顺孔隙随重力下落。本发明为了探明道路路基土中毛细水的真正上升高度，提供了一种试验装置及其使用方法。

实施例1：

图1-图2示出了根据本发明提出的路基土中毛细水上升高度模拟试验装置，装置包括蓄水池1、透水石2和模具3，其中：

蓄水池1用于承装试验用水，其中的试验用水位于设定的水位。优选地，所述设定的水位为施工现场的常水位。

透水石2被放置在所述蓄水池1内，其高度与所述蓄水池1中设定的水位一致。

模具3的形状为中空的筒形，所述中空部分在竖直方向上的投影位于所述透水石2的上表面内，用于容纳土壤样品以形成土柱，以使得土柱下表面全部与所述透水石2的上表面接触。可选地，中空部分在竖直方向上的投影与透水石2的上表面形状相同，也即形成的土柱在平面上的尺寸与透水石2的上表面尺寸相同。所述模具3的材质具有不透水性，例如为塑料，优选地为透明的以便于观察土壤情况。所述模具3在土柱的四周具有开孔4以在所述土柱中埋设土壤湿度计。所述开孔配套有鞘子，在形成土柱的过程中，使用鞘子堵塞所述开孔4，在土柱成形后再取出鞘子，采用蜡封堵开孔，以防水份蒸发。所述模具3可以为一个或多个。优选地，所述模具3的形状为立方体，横截面为边长50cm的正方形，高度为10cm，以便于土柱的击实，这样每个模具3可形成高度为10cm的正方形土柱，采用多个模具3可形成多层土柱以模拟施工现场的真实土壤状态。

进一步地，所述蓄水池1在与所述设定的水位相对应的位置处具有出水口11。装置还包括水循环单元，用于保持试验用水位于设定的水位。所述水循环单元包括用于承接从所述出水口11流出的水的水槽5，将所述水槽5中的水送至所述蓄水池1的水泵6，和从所水槽5至所述水泵6的进水管路7a以及从所述水泵6至所述蓄水池1的注水管路7b。

进一步地，该装置还配有金属块8，其尺寸与土柱上表面相同。在土柱层叠在所述透水石2上后，在土柱最上端放置所述金属块8，使用锤子9 锤击金属块8以模拟行车荷载对下部路基填土的振动作用。

实施例2：

基于本发明的模拟试验装置，测试路基土中毛细水上升高度的试验方法如下：

S1、将透水石放置在蓄水池内，所述透水石的高度与所述蓄水池中设定的水位一致。

S2、根据施工现场的地下水位线以上的土壤组成情况，挖取施工现场的土壤放入模具内，夯实形成多个土柱，并依次层叠地放置在所述透水石上。

其中，所述模具可以为一个，通过采集不同深度的土壤样品，依照土壤组成情况的顺序填入所述模具并夯实，在模具内形成多个层叠的土柱。优选地，所述模具为N个(N为大于1的整数)，则将从地下水位线以上至地面的土壤组成情况按高度划分为N层，将每层的土壤样品填入一个模具并夯实，从而在每个模具中形成一层土柱。土柱成型后不拆模具，按照土壤组成情况的分层顺序，上层的土柱和模具整体放置于下层土柱和模具上，并依次层叠地放置在所述透水石上，从而模拟出较为真实的土壤环境。

S3、通过所述模具的开孔在每个土柱中埋设土壤湿度计。

优选地，在埋设完毕后，采用蜡封堵开孔，以防水份蒸发。

优选地，用塑料薄膜密封所述层叠的模具间接缝以及最顶端土柱的土体表面，使土柱中毛细水上升状况与真实路基土中情况更相似。

S4、向所述蓄水池注入施工现场取出的地下水作为试验用水，并保持位于设定的水位。

S5、定期测量每个土柱内的土壤湿度，直至到达最高水位作用时间，得到毛细水上升高度。

优选地，接近最高地下水位作用时间时，加大监测频率，如果最上层湿度计读数开始增长，证明毛细水已上升到此高度，则继续堆叠土柱，直至最上层土柱中埋设的湿度计读数不发生变化时，停止堆叠土柱，根据土柱层数得到毛细水上升高度。进一步地，为了使得试验中土柱构成的土壤更加接近施工现场真实的土壤情况，该方法优选地还对行车动荷载的模拟，包括：

在用塑料薄膜密封之前，在最上层的土柱上方放置金属盖板，锤击土柱顶部，以模拟行车动荷载对下部路基填土的振动作用；

在定期测量每个土柱内的土壤湿度过程中，按预定频率锤击土柱顶面，以模拟行车动荷载作用。

根据该方法，对于确定的一处施工地点，可以准确地测量得到毛细水上升高度，从而指导施工以保障施工质量。进一步地，通过应用该试验方法能够根据如下公式研究路基土中毛细水上升高度的影响因素：

H＝A* X₁+B* X₂+C* X₃+D* X₄+E* X₅；

其中，

H为毛细水上升高度；

A为水位对H的影响因子；

X₁为地下最高水位；

B为最高水位作用时间对H的影响因子；

X₂为最高水位作用时间；

C为土壤类型对H的影响因子；

X₃为土壤类型；

D为土壤压实度的影响因子；

X₄为土壤压实度；

E为行车动荷载对H的影响因子；

X₅为行车动荷载。

在研究过程中，可以通过人为控制，选择一种因素作为变量进行研究。

实施例3：

下面给出根据本发明一个实施例的方法在实际施工场景中应用的过程，如下：

1)布置好测试装置的蓄水池，在蓄水池的中间布置平面尺寸与待成形的土柱平面尺寸相同的透水石。

2)按照施工现场地下水位线以上土壤组成的实际情况，在现场取挖土，然后在50×50×10cm的透明塑料模具中成型高度为10cm的土柱，横截面为正方形的模具便于击实模具内的土柱。每层土柱成型后不拆模具，后面的土柱和模具整体放置于下层土柱和模具上，依次类推，放置10层。

3)每个模具为由4块边板围成的中空立方体，每块边板中央各设置有一个活动孔，在装填土壤样品时该活动孔被鞘子堵塞，当土体夯实成型后，抽出每个活动孔中的鞘子，放置一个土壤湿度计，采用蜡封堵开孔，以防水份蒸发。

4)在第10层土柱上部放置一平面边长为50×50cm的金属块，用一重锤锤击土柱顶部，模拟行车荷载对下部路基填土的振动作用。

5)用塑料薄膜将各层模具间接缝包住，将放置湿度计的预留孔包住，最上层土柱的上表面整体封住，防止水分从这些缝隙中蒸发。

6)将在施工现场中抽取的地下水放置在蓄水池中，打开电机，使其保持常水位。

7)采用电动装置带动击实锤以4次/分钟的频率击打土柱顶面，模拟行车动荷载作用。

8)按照工程施工当地的雨季最高地下水位维持的最长时间作为测试观察的时间，先按照每隔1小时观察记录各湿度计的数值；

接近最高地下水位作用时间时，加大监测频率，每隔10分钟观察记录湿度计的数值，如果最上层湿度计读数开始增长，证明毛细水已上升到此高度，则继续堆叠土柱，直至最上层土柱中埋设的湿度计读数不发生变化时，停止堆叠土柱，根据土柱层数得到毛细水上升高度。本试验装置和方法采用工程现场地下抽上的水，矿化度与现场情况一致；土壤采用现场取挖的土并按照土壤情况分层叠加，土壤条件与现场一致；通过锤击过程模拟行车动荷载对土体的振动，与实际道路下面的路基受力状况类似；地下最高水位持续时间按照工程当地情况，即夏季多雨引起的高水位存续期来考虑，从而使得试验环境与真实施工环境高度一致，能够得到更为准确的测试结果，对工程施工更具有指导意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种路基土中毛细水上升高度模拟试验装置，其特征在于，包括：

蓄水池，用于承装试验用水，其中的试验用水位于设定的水位；

透水石，其被放置在所述蓄水池内，且高度与所述蓄水池中设定的水位一致；

模具，其形状为中空的筒形，所述中空部分在竖直方向上的投影位于所述透水石的上表面内，用于容纳土壤样品以形成扁状的土柱模块；所述模具的材质为具有不透水性的塑料，且所述模具在土柱的四周具有开孔以在所述土柱中埋设土壤湿度计，在将多层被夯实的土柱层叠在所述透水石上后，在最上层的土柱上方放置金属块，用于通过锤击金属块以模拟行车动荷载。

2.如权利要求1所述的模拟试验装置，其特征在于，所述蓄水池在与所述设定的水位相对应的位置处具有出水口。

3.如权利要求1所述的模拟试验装置，其特征在于，所述设定的水位为施工现场的常水位。

4.如权利要求1所述的模拟试验装置，其特征在于，所述模具的形状为立方体。

5.如权利要求4所述的模拟试验装置，其特征在于，所述模具的横截面为边长50cm的正方形，模具高度为10cm。

6.如权利要求2所述的模拟试验装置，其特征在于，还包括：

水循环单元，用于保持试验用水位于设定的水位；

所述水循环单元包括用于承接从所述出水口流出的水的水槽，用于将所述水槽中的水送至所述蓄水池的水泵，从所述水槽至所述水泵的管路以及从所述水泵至所述蓄水池的管路。

7.一种基于如权利要求6所述模拟试验装置的测试路基土中毛细水上升高度的试验方法，其特征在于，包括：

将透水石放置在蓄水池内，所述透水石的高度与所述蓄水池中设定的水位一致；

根据施工现场的地下水位线以上的土壤组成情况，挖取施工现场的土壤放入模具内，夯实形成多个土柱，并依次层叠地放置在所述透水石上；

通过所述模具的开孔在每个土柱中埋设土壤湿度计；

向所述蓄水池注入施工现场取出的地下水作为试验用水，并保持位于设定的水位；

定期测量每个土柱内的土壤湿度，直至到达最高水位作用时间，得到毛细水上升高度。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，在埋设土壤湿度计之后，采用蜡封堵所述开孔以防止水分蒸发；

所述模具为多个，每个模具形成一层土柱，土柱成型后不拆模具，上层的土柱和模具整体放置于下层土柱和模具上，依次层叠；用塑料薄膜密封所述层叠的模具间接缝以及最顶端土柱的土体表面；

接近最高地下水位作用时间时，加大监测频率，如果最上层湿度计读数开始增长，证明毛细水已上升到此高度，则继续堆叠土柱，直至最上层土柱中埋设的湿度计读数不发生变化时，停止堆叠土柱，根据土柱层数得到毛细水上升高度。

9.如权利要求8所述的试验方法，其特征在于，在用塑料薄膜密封之前，还包括在最上层的土柱上方放置金属盖板，锤击土柱顶部，以模拟行车动荷载作用；

在定期测量每个土柱内的土壤湿度过程中，按预定频率锤击土柱顶面，以模拟行车动荷载作用。

10.一种如权利要求9所述的试验方法，其特征在于，应用该试验方法，根据如下公式研究路基土中毛细水上升高度的影响因素：

H=A*X₁+ B*X₂+C*X₃+D*X₄+ E*X₅；

其中，

H为毛细水上升高度；

A为水位对H的影响因子；

X₁为地下最高水位；

B为最高水位作用时间对H的影响因子；

X₂为最高水位作用时间；

C为土壤类型对H的影响因子；

X₃为土壤类型；

D为土壤压实度的影响因子；

X₄为土壤压实度；

E为行车动荷载对H的影响因子；

X₅为行车动荷载。

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