CN111208050A - 一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法及比对观测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法及比对观测装置，属岩土工程技术领域。本发明以同等气压驱动不同液体在平行布置的多组风化花岗岩试样中连续渗流。通过空气泵控制压力，可模拟工程实际中的各种渗流工况，可进行一种流体渗流下多组试样对比观测，或多组试样下的多种流体对比观测。通过透明样品盒上的刻度值，可对比花岗岩样品的初始膨胀率。通过各级滤网筛分比例对比试样的渗流崩解、质量损失率等特性。通过观测试样上下端孔隙水压力、出水口的流量关系，根据达西定律可动态对比试样渗透系数的变化，从而有助于教学演示及科学研究，并为工程勘察、设计、施工提供准确的理论依据。
Description
技术领域
本发明涉一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法及比对观测装置，属岩土工程技术领域。
背景技术
水在岩体孔隙中的流动过程称为渗透，岩体具有渗透的性质称为岩体的渗透性，岩体的渗透性是一个复杂的问题，在工程实践中，风化花岗岩因其特殊的物质组成及水理化特性，在地下水渗流作用下出现的遇水膨胀、崩解、质量损失等效应引发的渗透特性的改变，经常导致各种工程事故，诸如基坑塌陷、隧洞塌方、突涌等事故；不仅危及施工人员的安全，同时造成工程投资增大，工期延长等问题。在工程实践中，通常都对岩体的渗透性进行试验判定，但由于现有试验装置原因，以及试验方法主观因素影响大、影响判定结果的变量较多，难以客观、全面、准确地判别风化花岗岩的渗透特性影响，因此有必要进行改进。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种在工程实践中，可对风化花岗岩的渗透特性影响进行客观、全面、准确地判定；以确保工程的安全与稳定，且有助于教学演示及科学研究的等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响的比对方法
及比对观测装置。
本发明的技术方案是：
一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1）、首先将采集回来的花岗岩样品，依据比对观测装置的样品盒大小尺寸进行裁切；然后将裁切的花岗岩样品装入至比对观测装置的各样品盒内；其中，花岗岩样品高度小于样品盒高度，以使花岗岩样品与样品盒顶壁之间保留一定的间隙；
2）、裁切的花岗岩样品装入样品盒时，在花岗岩样品与样品盒内壁接触面上涂抹黄油，以确保花岗岩样品与样品盒内壁之间的密封性；
3）、花岗岩样品装入样品盒后，在样品盒底部通过紧固螺栓加装过滤器，以对花岗岩样品形成支撑，防止花岗岩样品由样品盒内脱落；
4）、上述准备完成后，关闭过滤器下端的出水口，然后通过储液稳定罐上的液体加注阀依次向各样品盒加注不同的液体，直至样品盒、过滤器内都充满液体为止，其中要求充入储液稳定罐内的液面与储液稳定罐顶壁之间保留一定的间距；
5）、待储液稳压罐内液面依次稳定后，关闭液体加注阀，然后依次测量各个样品盒内的花岗岩样品膨胀高度L，通过与初始高度L关系，计算自由膨胀率；
6）、自由膨胀率计算完成后，打开空气泵，同时打开各过滤器下端的出水口，让压缩空气分别进入各储液稳定罐，记录花岗岩样品等压渗流作用下的渗流量；
7）、不断记录各样品盒上的孔隙水压力计读数，并换算得出水头差ΔH，通过达西定律求得渗透系数；
8）、观测渗流过程中花岗岩样品的变化，对比不同样品盒内的花岗岩样品崩解、掉落速率；液面下降过快时，应及时通过液体加注阀补充液体；
9）、当各个样品盒渗流变化趋于稳定时，终止加压，结束对比观测试验。将液体放出，卸下过滤器，取出花岗岩样品；再依次取出过滤器上面的岩土碎屑，将岩土碎屑称重后，对比各个花岗岩样品的崩解程度；
10）、通过对上述各个样品盒内的样品自由膨胀率、渗流量、渗透系数、崩解速率、崩解程度的综合对比，定性及定量的分析不同流体对于风化花岗岩样品渗透特性的影响效应；据此指导教学、科研，以及工程勘察、设计、施工。
步骤1）所述的比对观测装置由底座、支撑杆、压力管、储液稳定罐A、储液稳定罐B、储液稳定罐C、样品盒和过滤器构成；对称设置的底座上固装有支撑杆，支撑杆顶部固装有压力管，压力管一端设置有空气泵，空气泵经输气管与压力管连通；支撑杆之间的压力管下方并列安装有储液稳定罐A、储液稳定罐B和储液稳定罐C；各储液稳定罐下方对应安装有样品盒，各储液稳定罐分别通过连通管与压力管和样品盒连通；各样品盒底部通过固定螺栓安装有过滤器。
所述的样品盒底部为敞口状，样品盒的圆周上通过空心螺栓呈上下状安装有孔隙水压力计。
所述的储液稳定罐A、储液稳定罐B和储液稳定罐C上分别安装有液体加注阀。
所述的过滤器由滤网盒、滤网A、滤网B、滤网C和滤网D构成，滤网盒为变径空腔体，滤网盒内通过变径台阶呈上下间隔状依次安装有滤网A、滤网B、滤网C和滤网D；滤网盒的底部呈封口状，滤网D下方的滤网盒上设置有出水口。
所述的滤网A孔径为10mm，滤网B孔径为2mm，滤网C孔径为0.25mm，滤网D孔径为0.075mm。
所述的样品盒采用透明材质制作，样品盒上设置有刻度值。
本发明的有益效果在于：
本发明采用空气泵及储液稳定罐多联通稳压结构控制气压，以同等气压驱动不同液体在平行布置的多组风化花岗岩试样中连续渗流。通过空气泵控制压力，可模拟工程实际中的各种渗流工况，可进行一种流体渗流下多组试样对比观测，或多组试样下的多种流体对比观测，通过透明样品盒上的刻度值，可对比花岗岩样品的初始膨胀率。在过滤器构成的渗出端铺设多级滤网，通过各级滤网筛分比例对比试样的渗流崩解、质量损失率等特性。通过观测试样上下端孔隙水压力、出水口的流量关系，根据达西定律可动态对比试样渗透系数的变化，从而有助于教学演示及科学研究，并为工程勘察、设计、施工提供了准确的理论依据。
附图说明
图1为本发明的比对观测装置的结构示意图；
图2为图1中的A处放大结构示意图；
图中：1、底座，2、支撑杆，3、压力管，4、储液稳定罐A，5、储液稳定罐B，6、储液稳定罐C，7、样品盒，8、花岗岩样品，9、空气泵，10、输气管，11、空心螺栓，12、孔隙水压力计，13、连通管，14、液体加注阀，15、滤网盒，16、滤网A，17、滤网B，18、滤网C，19、滤网D，20、出水口。
具体实施方式
该等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，它包括以下步骤：
首先将采集回来的花岗岩样品8，依据比对观测装置的样品盒7大小尺寸进行裁切；比对观测装置由底座1、支撑杆2、压力管3、储液稳定罐A4、储液稳定罐B5、储液稳定罐C6、样品盒7和过滤器构成；对称设置的底座1上固装有支撑杆2，支撑杆2顶部固装有压力管3，压力管3一端设置有空气泵9，空气泵9经输气管10与压力管3连通。
支撑杆2之间的压力管3下方并列安装有储液稳定罐A4、储液稳定罐B5和储液稳定罐C6；储液稳定罐A4、储液稳定罐B5和储液稳定罐C6上分别安装有液体加注阀14。各储液稳定罐下方对应安装有样品盒7，样品盒7底部为敞口状，样品盒7的圆周上通过空心螺栓11呈上下状安装有孔隙水压力计12。样品盒7采用透明材质制作，样品盒7上设置有刻度值。孔隙水压力计12通过空心螺栓11安装时应采用密封胶密封。将压力换算为水头时，应统一选取底座1处为统一水头基准面，孔隙水压力计12读数换算出的水头为压力水头，加上基准面以上的位置水头为总水头，水头差ΔH为总水头差值。
各储液稳定罐分别通过连通管13与压力管3和样品盒7连通；各样品盒7底部通过固定螺栓安装有过滤器。过滤器由滤网盒15、滤网A16、滤网B17、滤网C18和滤网D19构成，滤网盒15为透明材质的变径空腔体，滤网盒15内通过变径台阶呈上下间隔状依次安装有滤网A16、滤网B17、滤网C18和滤网D19；滤网A16孔径为10mm，使得一般颗粒可以通过，滤网B17孔径为2mm，对应砾石；滤网C18孔径为0.25mm，对应中砂，滤网D19孔径为0.075mm，对应粉黏粒。滤网盒15的底部呈封口状，各滤网可分级留置由粗到细不同尺寸的砾石、砂粒、粉黏粒颗粒等，通过各级筛分比例可对比花岗岩样品在渗流作用下的崩解、质量损失等特性；滤网D19下方的滤网盒15上设置有出水口20。出水口20上设置有控制阀和流量计，流量计为机械流量计或电子流量计，亦可采用量杯计量。
花岗岩样品8的裁切，要求将花岗岩样品8裁切成等尺寸的9块，按照3块一组进行试验；裁切完成后，将其中的3块花岗岩样品8装入至比对观测装置的各样品盒7内；其中，花岗岩样品8高度小于样品盒7高度，以使花岗岩样品7与样品盒7顶壁之间保留一定的间隙，避免样品膨胀之后充满样品盒，堵塞上部液体通道。花岗岩样品7高度亦可由上下空心螺栓11及滤网A16的间距决定，但需事先测量得出。
裁切的花岗岩样品8装入样品盒7时，在花岗岩样品8与样品盒7内壁的接触面上涂抹黄油，以确保花岗岩样品8与样品盒7内壁之间的密封性；花岗岩样品8装入样品盒7后，在样品盒7底部通过紧固螺栓加装过滤器，以对花岗岩样品8形成支撑，防止花岗岩样品8由样品盒7内脱落。
上述准备完成后，关闭过滤器下端的出水口20，然后通过储液稳定罐上的液体加注阀14依次向各样品盒7内加注液体（本实施例为水；液体常见为水、柴油、酒精的任一种，但不限于此三种，任何工程中可能出现的液体，均可应用于本发明。且为了教学及科学研究探索，所述的不同的液体不限于工程中可能出现的，可以是任何含有各种天然化学成分，或人为添加各种化学成分的液体；风化花岗岩样品也可以是其他岩土样品），若液体下渗过慢，可以打开空气泵9，施加一点压力，直至样品盒7、过滤器内都充满液体为止，其中，要求充入储液稳定罐内的液面与储液稳定罐顶壁之间保留一定的间距。待储液稳压罐内液面依次稳定后，关闭液体加注阀14，静置5小时后开始测量各个样品盒7内的花岗岩样品8膨胀高度L，并每隔5小时观测一次，通过测出的高度L与样品盒7内部尺寸，可以求出样品不同时间的体积，当前后两次体积差值小于0.2ml时，可以认为样品已经稳定，此时将稳定后的体积与初始体积对比，计算自由膨胀率。自由膨胀率取同一种液体浸泡条件下的样品盒7内的花岗岩样品8的平均值；花岗岩样品8初始高度及膨胀后高度，可采用透明样品盒7上的刻度值来观测，也可以采用尺子直接量测。全部试验完成后，取三组试验结果的平均值做为最终的自由膨胀率。
自由膨胀率计算完成后，打开空气泵9，同时打开各过滤器下端的出水口20，让压缩空气分别进入各储液稳定罐，此时记录各花岗岩样品8等压渗流作用下的渗流量；依据不断记录的各样品盒7上、下端两个孔隙水压力计12读数换算得出每个样品中的水头差ΔH，通过达西定律求得渗透系数；同时，观测渗流过程中花岗岩样品8的变化，对比不同样品盒7内的花岗岩样品8崩解、掉落速率；即，通过出水口20上设置的流量计，测试单位时间流量q，通过达西定理q=kAi，可求得渗透系数k=q/Ai,其中A为花岗岩样品8截面积，i为水力梯度，i=ΔH/L’，由此可观察花岗岩样品8在不断渗流崩解、质量损失条件下渗透系数的全程变化。如若液面下降过快时，应及时通过液体加注阀14补充液体；过程中应记录各个样品盒7渗流变化趋于稳定的总时间，以对比崩解速率；当各个样品盒7渗流变化趋于稳定时，终止加压，结束对比观测试验。将液体放出，卸下过滤器，取出花岗岩样品8；再依次取出过滤器各个滤网上面的岩土碎屑，将剩余的花岗岩样品8、不同滤网上留置的岩土碎屑分别称重后，即可对比、判断不同花岗岩样品8剩余质量与初始质量的关系，以及不同滤网上留置岩土碎屑质量与初始质量的比例关系，从而了解花岗岩样品的崩解与不同成分的质量损失程度。
通过对上述各个样品盒7内的样品自由膨胀率、渗流量、渗透系数、崩解速率、崩解程度的综合对比，可定性及定量的分析不同流体对于风化花岗岩样品8渗透特性的影响效应；为保证结果的准确性，上述比对完成后，更换样品盒7内的花岗岩样品8和加注的液体，再进行同条件下另外两组对比试验，以三组试验结果的平均值做为最终结果使用；然后将液体为水、柴油、酒精的条件下进行的对比数据进行横向对比，由此为指导教学、科研，以及工程勘察、设计、施工等提供准确的科学依据。
Claims (8)
1.一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1）、首先将采集回来的花岗岩样品（8），依据比对观测装置的样品盒（7）大小尺寸进行裁切；然后将裁切的花岗岩样品（8）装入至比对观测装置的各样品盒（7）内；其中，花岗岩样品（8）高度小于样品盒（7）高度，以使花岗岩样品（8）与样品盒（7）顶壁之间保留一定的间隙；
2）、裁切的花岗岩样品（8）装入样品盒（7）时，在花岗岩样品（8）与样品盒（7）内壁接触面上涂抹黄油，以确保花岗岩样品（8）与样品盒（7）内壁之间的密封性；
3）、花岗岩样品装入样品盒（7）后，为避免过滤器中空气不易排出，需先关闭过滤器下端的出水口（20），然后向过滤器中预先注满所需液体，然后在样品盒（7）底部通过紧固螺栓加装过滤器，以对花岗岩样品（8）形成支撑，防止花岗岩样品（8）由样品盒（7）内脱落；
4）、上述准备完成后，继续关闭过滤器下端的出水口（20），然后通过储液稳定罐上的液体加注阀（14）依次向各样品盒（7）加注不同的液体，直至样品盒（7）、过滤器内都充满液体为止，其中要求充入储液稳定罐内的液面与储液稳定罐顶壁之间保留一定的间距；
5）、待储液稳压罐内液面依次稳定后，关闭液体加注阀（14），按规定测量各个样品盒7内的花岗岩样品8膨胀高度L，通过样品盒7内部尺寸，可以求出样品膨胀后体积，与初始体积对比，计算自由膨胀率;
6）、自由膨胀率计算完成后，打开空气泵（9），同时打开各过滤器下端的出水口（20），让压缩空气分别进入各储液稳定罐，记录花岗岩样品（8）等压渗流作用下的渗流量；
7）、不断记录各样品盒（7）上、下端两个孔隙水压力计（12）读数，并换算得出水头差ΔH，通过达西定律求得渗透系数；
8）、观测渗流过程中花岗岩样品（8）的变化，对比不同样品盒内的花岗岩样品（8）崩解、掉落速率；液面下降过快时，应及时通过液体加注阀（14）补充液体；
9）、记录各个样品盒（7）渗流变化趋于稳定时的总时间，当各个样品盒（7）渗流变化趋于稳定时，终止加压，结束对比观测试验；将液体放出，卸下过滤器，取出花岗岩样品（8）；再依次取出过滤器上面的岩土碎屑，将岩土碎屑称重后，对比各个花岗岩样品（8）的崩解速率、崩解程度；
10）、通过对上述各个样品盒内的样品自由膨胀率、渗流量、渗透系数、崩解速率、崩解程度的综合对比，定性及定量的分析不同流体对于风化花岗岩样品（8）渗透特性的影响效应；据此指导教学、科研，以及工程勘察、设计、施工。
2.根据权利要求1所述的一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，其特征在于：步骤1）所述的比对观测装置由底座（1）、支撑杆（2）、压力管（3）、储液稳定罐A（4）、储液稳定罐B（5）、储液稳定罐C（6）、样品盒（7）和过滤器构成；对称设置的底座（1）上固装有支撑杆（2），支撑杆（2）顶部固装有压力管（3），压力管（3）一端设置有空气泵（9），空气泵（9）经输气管（10）与压力管（3）连通；支撑杆（2）之间的压力管（3）下方并列安装有储液稳定罐A（4）、储液稳定罐B（5）和储液稳定罐C（6），各储液稳定罐下方对应安装有样品盒（7），各储液稳定罐分别通过连通管（13）与压力管（3）和样品盒（7）连通；各样品盒（7）底部通过固定螺栓安装有过滤器。
3.根据权利要求2所述的一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，其特征在于：所述的样品盒（7）底部为敞口状，样品盒（7）的圆周上通过空心螺栓（11）呈上下状安装有孔隙水压力计（12）。
4.根据权利要求2所述的一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，其特征在于：所述的储液稳定罐A（4）、储液稳定罐B（5）和储液稳定罐C（6）上分别安装有液体加注阀（14）。
5.根据权利要求2所述的一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，其特征在于：所述的过滤器由滤网盒（15）、滤网A（16）、滤网B（17）、滤网C（18）和滤网D（19）构成，滤网盒（15）为变径空腔体，滤网盒（15）内通过变径台阶呈上下间隔状依次安装有网A（16）、滤网B（17）、滤网C（18）和滤网D（19）；滤网盒（15）的底部呈封口状，滤网D（19）下方的滤网盒（15）上设置有出水口（20）。
6.根据权利要求5所述的一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，其特征在于：所述的滤网A（16）孔径为10mm，滤网B（17）孔径为2mm，滤网C（18）孔径为0.25mm，滤网D（19）孔径为0.075mm。
7.根据权利要求2所述的一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，其特征在于：所述的样品盒（7）采用透明材质制作，样品盒（7）上设置有刻度值。
8.根据权利要求1所述的一种等压渗流作用下不同流体对风化花岗岩渗透特性影响效应的比对方法，其特征在于：自由膨胀率测定时，待储液稳压罐内液面依次稳定后，关闭液体加注阀（14），静置5小时后开始测量各个样品盒7内的花岗岩样品8膨胀高度L，并每隔5小时观测一次,通过测出的高度L与样品盒7内部尺寸，求出样品不同时间的体积，当前后两次体积差值小于0.2ml时认为样品已经稳定，此时将稳定后的体积与初始体积对比，计算自由膨胀率;全部试验完成后，取三组试验结果的平均值做为最终的自由膨胀率。
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