CN110658120B - 一种高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法及测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渗透系数测试装置，包括压力容器，具有用于放置待测试样的测试腔；供水装置，通过进水管与压力容器顶部连接，为测试腔提供常压水源；出水管，一端与压力容器底部连接，另一端从上到下依次间隔设有至少三个带有流量计和控制阀门的出水口；压力容器顶部设有排放压力容器内部气体的排气阀，压力容器上还设有用于测量测试腔进水端和出水端水压差的压力检测装置，压力容器的侧壁上设有用于测量测试腔内待测试样高度的刻度尺。本发明还公开了一种高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法。本发明可以准确测试泡沫改良渣土在不同水压下渗透系数的衰变规律，对盾构在富水高压砂性地层盾构渣土改良参数的选取具有重要指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及渣土改良技术领域，具体涉及高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法及测试装置。
背景技术
土压平衡盾构广泛用于城市地铁的建设中，随着土压平衡盾构的应用范围不断增大，盾构穿越富水砂性地层不可避免。盾构在穿越高水压高透水性地层时，地层中的水极易从螺旋输送机的出口喷出，发生喷涌事故。现场常需要向渣土中注入改良剂以提高渣土的抗渗性，使其改良后渗透系数小于10-5m/s且保持在90min以上。泡沫作为一种环保且经济的改良剂被现场广泛使用。泡沫作为渣土改良剂时，其填充于土颗粒的孔隙间形成堵水结构以达到降低渣土渗透系数的作用，但是这种填充作用是极不稳定的，泡沫会随着渗流的进行而破灭或是被水流带出导致渣土的抗渗性随着时间增大而不断变化。同时，渣土中泡沫的填充作用也随着水压力的变化而变化，即不同水压力下渣土呈现出不同的渗流特征。目前改良后渣土的抗渗性检测试验常采用传统的常水头试验，没有考虑到水压力对泡沫改良后渣土渗透性的影响，且渗流试验初期，渣土的渗透系数小，渣土的渗透系数和流速间的关系服从达西定律，可直接用达西公式计算，但当泡沫填充率逐渐降低，渣土渗透系数过大，渣土的渗透系数和流速间不服从达西定律，需要变化水压力差来得到不同的渗流速度拟合公式计算出渣土的渗透系数。
有些学者提出了一些新型的渗透系数测定装置或方法。例如，中国实用新型专利(申请号：201620364888.1，专利名称：模拟常水头渗透装置)提供了一种新型且体型小，操作简便并可以实现多余水量循环利用的常水头渗透装置。中国实用新专利(申请号：201520188885.2，专利名称：一种自动补水型常水头饱和渗透仪)涉及一种通过马氏瓶原理、水力学原理以及压力感应装置，达到自动补给水源的功能，有效解决了现有常水头渗透仪人工观察水位，人工补给水源易产生的较大误差。中国实用新专利(申请号：201510108411.7，专利名称：常、变水头复合渗透测试装置)涉及一种在样品桶和注水装置上分别设有排气阀，通过调整注水装置中的空气压力和排气阀实现水压力可调，兼容常水头和变水头渗透试验的装置。基于上述专利测定泡沫渣土渗透系数，无法实现渗流过程中水力梯度的动态变化，无法测定非达西流状态下渣土渗透系数。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种可以准确测试泡沫改良渣土在不同水压下渗透系数衰变规律的高水压下泡沫改良砂性渣土渗透性测试装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种渗透系数测试装置，包括：
压力容器，具有用于放置待测试样的测试腔；
供水装置，通过进水管与压力容器顶部连接，为测试腔提供常压水源；以及，
出水管，一端与压力容器底部连接，另一端从上到下依次间隔设有至少三个带有流量计和控制阀门的出水口；
所述压力容器顶部设有排放压力容器内部气体的排气阀，所述压力容器上还设有用于测量测试腔进水端和出水端水压差的压力检测装置，所述压力容器的侧壁上设有用于测量测试腔内待测试样高度的刻度尺。
进一步的，所述供水装置为带有溢流管的溢流堰，所述溢流堰的出水口和进水口分别与所述进水管和外部水源连通。
进一步的，位于最顶端出水口下方的相邻两出水口间的出水管上设有阀门。
进一步的，所述压力容器内腔的底部固定设有第一多孔透水板，所述压力容器内腔的顶部滑动设有第二多孔透水板，位于所述第一多孔透水板和第二多孔透水板之间的压力容器内腔成为所述测试腔。
进一步的，所述第一多孔透水板的上端面上和第二多孔透水板的下端面上均设有滤纸。
进一步的，所述出水口的数量为三个且最顶端的出水口的高度小于压力容器顶部高度。
进一步的，所述压力检测装置为分别设置在测试腔上端和下端的两压力表。
进一步的，所述压力容器为透明且内腔呈圆柱状的筒状结构。
一种高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，使用上述渗透系数测试装置，包括如下步骤：
第一步：临界渗流量计算
根据测试渣土的级配曲线找出土壤有效粒径d10(渣土烘干后过筛，小于该粒径的土颗粒的质量占土颗粒总质量的10％)，根据公式(1)计算出临界流速，根据公式(2)计算出临界渗流量；
Qcv＝υ·A (2)
式中υ为临界流速；ν为水的运动粘度；d10为土样的有效粒径，指渣土烘干后过筛，小于该粒径的土颗粒质量占土颗粒总质量的10％；Qcv为临界渗流量；A为测试腔横截面面积；
第二步：渗流试验
将测试渣土填入测试腔内，利用供水装置提供稳压水源并将压力容器内的空气排出，记录单独从最底端出水口出水的出水时间t、该时刻的渗流量Qt和试样高度Lt和压力差值△ht，其中：
每次记录渗流量时需检查该时刻单独从最底端出水口出水时的渗流量Qt是否大于临界渗流量Qcv；当渗流量大于Qcv时，测量该时刻渗透水单独从其余出水口出水时的渗流量和压力差值，下一个时刻的渗流量记录重复上述步骤即可，直至渗透系数增大至原状土的渗透系数后结束试验；
第三步：试验数据处理
对于某时刻单独从最底端出水口出水的渗流量Qt小于临界渗流量Qcv的数据，直接按照达西渗流计算渗透系数；
对于某时刻单独从最底端出水口出水的渗流量Qt大于临界渗流量Qcv的数据，测试腔内渗流为非达西流，不能直接采用达西公式计算出渗透系数kt，渗透系数和流速间符合υ＝kim关系，将该时刻单独从不同出水口(不同压力梯度下)内流出的渗透水的渗流量进行拟合后即可求得该时刻渗透系数kt。
进一步的，渣土填入测试腔内的高度应为测试腔直径的2倍以上。
与现有技术相比，本发明可以准确测试泡沫改良渣土在不同水压下渗透系数的衰变规律，对盾构在富水高压砂性地层盾构渣土改良参数的选取具有重要指导作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参见图1，在一实施例中，一种渗透系数测试装置，包括压力容器8、供水装置和出水管，在压力容器8内部形成有圆柱状的用于放置待测试样的测试腔，压力容器采用透明材质制作且在侧壁上设有刻度侧，可以方便于在试验中观察泡沫在渣土中的存在状态和渣土的高度变化。具体的，压力容器8由顶部开口的试样筒和密封盖合在顶部开口端上的压力室上盖组成。供水装置通过进水管4与压力容器8顶部连接，常压水源经过进水管4从测试腔顶部进入测试腔内，进水管4上设有进水管阀门5。具体的，供水装置为带有溢流管3的溢流堰2，溢流堰2的出水口和进水口分别与进水管4和外部水龙头1连通。出水管一端与压力容器8底部连接，另一端从上到下依次间隔设有至少三个带有流量计(图中未示出)和控制阀门的出水口。本实施例中出水口的数量为三个且最顶端的出水口13的高度小于压力容器8顶部高度，位于最顶端出水口13下方的相邻两出水口间的出水管上设有阀门17。渗透水经过测试渣土后从测试腔底部进入出水管，从出水口排出，流量计用于测试从出水口排出的渗透水的渗流量。优选的，测试腔高度为其直径的3倍，可用于测量压力室直径大于5倍d85(渣土烘干后过筛，小于该粒径的土颗粒质量占土颗粒总质量的85％)的土样。
在压力容器8顶部设有排放压力容器内部气体的排气孔，排气孔通过排气管6与排气阀7连接。压力容器8上还设有用于测量测试腔进水端和出水端水压差的压力检测装置。具体的，压力检测装置为分别设置在测试腔上端的上压力表11和下端的下压力表12，通过测量测试渣土上端和下端的水压，从而可以测量渗透水通过测试渣土时的水压损失。
参见图1，在另一实施例中，在压力容器8密闭内腔的底部固定设有第一多孔透水板10，压力容器内腔的顶部滑动设有第二多孔透水板9，位于第一多孔透水板10和第二多孔透水板9之间的压力容器内腔成为测试腔。优选的，第一多孔透水板10的上端面上和第二多孔透水板9的下端面上均设有滤纸，防止测试试样将多孔透水板堵塞，保持透水效果。
本实施中使用的各中阀门均可以采用球阀。
一种高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，包括如下步骤：
第一步：将试验渣土(砂性)烘干后进行筛分试验，画出其级配曲线图，从级配曲线图中找出该类渣土对应的特征粒径d10(渣土烘干后过筛，小于该粒径的土颗粒的质量占土颗粒总质量的10％)，然后测量供水源水温，查表得到相对应粘滞系数，当雷诺系数大于10后为非线性渗流，不能用达西公式计算渗透系数，根据公式(1)计算出临界流速，根据公式(2)计算出临界渗流量；
Qcv＝υ·A (2)
式中υ为临界流速；ν为水的运动粘度；d10为土样的有效粒径，指渣土烘干后过筛，小于该粒径的土颗粒质量占土颗粒总质量的10％；Qcv为临界渗流量；A为测试腔横截面面积；
第二步：准备足够的试验渣土，渣土填入测试腔内的高度应为测试腔直径的2倍以上，将渣土和改良剂倒入搅拌桶或其他搅拌容器中使之充分混合；
第三步：在第一多孔透水板10上方垫上一层滤纸，缓慢将改良后渣土分层倒入到压力容器8内并适当捣实，若渣土流塑性好以致其能够自密实，则不用捣实；当倒入渣土达到指定高度后，将试样上方的渣土抹平，盖上滤纸、第二多孔透水板9和压力室上盖(排气管6和进水管4均安装在其上)并密封；
第四步：关闭进水管阀门5，打开水龙头1，给溢流堰2蓄水，当水位高过溢流堰的溢流水位后，打开进水管阀门5和排气阀7，并开始计时，当有水从排气阀7流出时，将排气阀7关闭；
第五步：关闭第二控制阀门17、第三控制阀门18和第四控制阀门19，打开第二控制阀门16，渗透水从最低端的出水口15流出，记录出水时间t、该时刻的渗流量Qt、试样高度Lt和该时刻上下压力表的差值△ht。每次记录渗流量时需检查该时刻渗流量Qt是否大于临界渗流量Qcv，当渗流量大于Qcv，立刻关闭第二控制阀门16，打开第二控制阀门17、第三控制阀门18，渗透水从中间的出水口14流出，记录下该出水口的渗流量Qt2′和水压差值△ht′，然后立刻关闭第三控制阀门18和打开第四控制阀门19，渗透水从最顶端的出水口13流出，记录下该出水口的渗流量Qt2″和水压差值△ht″。对于下一时刻的渗流量记录只需要重复该步骤即可，直至渗透系数增大至原状土的渗透系数后结束试验。
第六步：对于渗流量Qt小于临界渗流量Qcv的数据，直接采用达西公式(3)计算出渗透系数kt，
渗透系数kt计算公式如下:
对于渗流量Qt大于临界渗流量Qcv的数据，压力室内渗流为非达西流，不能直接采用达西公式计算出渗透系数kt，渗透系数和流速间符合υ＝kim(υ为流速、k为渗透系数、i为压力梯降、m为拟合系数)关系，需要将不同压力梯度下的渗流量进行拟合后求得该时刻渗透系数，将该公式求对数化得lgυ＝lgk+mlgi，可知lgυ、lgk和lgi间为线性关系，将试验数据Qt、△ht、△ht′、Qt2′、△ht″和Qt2″公式(4)中：
将数据在坐标轴上拟合，x轴为
y轴为
得到直线的斜率即为m，截距为lgk，即可求得该时刻的渗透系数kt。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，利用渗透系数测试装置进行测试，该渗透系数测试装置包括：
压力容器，具有用于放置待测试样的测试腔；
供水装置，通过进水管与压力容器顶部连接，为测试腔提供常压水源；以及，
出水管，一端与压力容器底部连接，另一端从上到下依次间隔设有至少三个带有流量计和控制阀门的出水口；
所述压力容器顶部设有排放压力容器内部气体的排气阀，所述压力容器上还设有用于测量测试腔进水端和出水端水压差的压力检测装置，所述压力容器的侧壁上设有用于测量测试腔内待测试样高度的刻度尺；
该测试方法包括如下步骤：
第一步：临界渗流量计算
根据测试渣土的级配找出土壤有效粒径d10算出临界流速，根据公式(2)计算出临界渗流量；
Qcv＝υ·A (2)
式中υ为临界流速；ν为水的运动粘度；d10为土样的有效粒径，指渣土烘干后过筛，小于该粒径的土颗粒质量占土颗粒总质量的10％；Qcv为临界渗流量；A为测试腔横截面面积；
第二步：渗流试验
将测试渣土填入测试腔内，利用供水装置提供稳压水源并将压力容器内的空气排出，记录最底端出水口的出水时间、该时刻的渗流量和试样高度和压力差值，其中：
每次记录最底端出水口的渗流量时需检查该时刻渗流量是否大于临界渗流量；当渗流量大于时，则需要测量该时刻渗透水单独从其余出水口出水时的渗流量和压力差值，下一个时刻的渗流量记录重复上述步骤即可，直至渗透系数增大至原状土的渗透系数后结束试验；
第三步：试验数据处理
对于某时刻最底端出水口的渗流量小于临界渗流量的数据，直接按照达西渗流计算渗透系数；
对于某时刻最底端出水口的渗流量大于临界渗流量的数据，测试腔内渗流为非达西流，不能直接采用达西公式计算出渗透系数，渗透系数和流速间符合υ＝kim关系，其中，υ为流速，k为渗透系数，i为压力梯降，m为拟合系数，将该时刻单独从不同出水口内流出的渗透水的渗流量进行拟合后即可求得该时刻渗透系数kt。
2.根据权利要求1所述的高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，其特征在于：渣土填入测试腔内的高度应为测试腔直径的2倍以上。
3.根据权利要求1所述的高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，其特征在于：所述供水装置为带有溢流管的溢流堰，所述溢流堰的出水口和进水口分别与所述进水管和外部水源连通。
4.根据权利要求1所述的高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，其特征在于：位于最顶端出水口下方的任意相邻两出水口间的出水管上设有阀门。
5.根据权利要求1所述的高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，其特征在于：所述压力容器内腔的底部固定设有第一多孔透水板，所述压力容器内腔的顶部滑动设有第二多孔透水板，位于所述第一多孔透水板和第二多孔透水板之间的压力容器内腔部分成为所述测试腔。
6.根据权利要求5所述的高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，其特征在于：所述第一多孔透水板的上端面上和第二多孔透水板的下端面上均设有滤纸。
7.根据权利要求1所述的高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，其特征在于：所述出水口的数量为三个且最顶端的出水口的高度小于压力容器顶部高度。
8.根据权利要求1所述的高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，其特征在于：所述压力检测装置为分别设置在测试腔上端和下端的两压力表。
9.根据权利要求1所述的高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法，其特征在于：所述压力容器为透明且内腔呈圆柱状的筒状结构。
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