CN111307688A - 一种测定水泥土渗透变形的试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测定水泥土渗透变形的试验系统及方法，其包括底座，底座通过固定件与透明盖固定连接，底座与透明盖之间可拆卸的连接有外罩，底座、透明盖及外罩构成压力室，底座上表面固定有试样座，试样座上表面能够放置第一透水板，第一透水板上表面能够放置试样，压力室内还能够放入环状的第二透水板，第二透水板能够放置在试样的上表面，透明盖下表面固定有集水筒，集水筒底端面能够与第二透水板的上表面接触，透明盖设置有与集水筒内部空间连通的出水管，出水管连接有流量计，试样座设置有进水管，进水管与供水机构连接，底座还设置有充气管路，充气管路与供气机构连接，本发明的试验系统允许试样渗透变形，功能完善。

Description

一种测定水泥土渗透变形的试验系统及方法

技术领域

本发明涉及岩土试验设备技术领域，具体涉及一种测定水泥土渗透变形的试验系统及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

水泥土是由土颗粒、水泥和水按比例拌合形成的一种水硬性复合建筑材料，随着防渗技术的不断进步，近30年来，水泥土已开始运用于基坑支护、地基加固、路基垫层、垃圾填埋场防渗、深基坑帷幕及江河堤防等防渗工程中。水泥土作为一种柔性防渗体材料，它具有较小的渗透系数和较高的渗透坡降，实验室测试水泥土渗透变形，需要有较高的渗透水压力，并且试验装置能够允许试样在渗流作用下发生渗透变形破坏。发明人发现，常规的渗透变形仪不能满足上述试验要求，并且装置在构造上影响过流面积,密封止水效果差。目前，尚未有完善的适用于测试水泥土渗透变形特性的试验装置。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种测定水泥土渗透变形的试验系统，能够提供渗透水压力，且试样能够在渗流作用下发生渗透变形破坏。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种测定水泥土渗透变形的试验系统，包括底座，底座通过固定件与透明盖固定连接，底座与透明盖之间可拆卸的连接有外罩，底座、透明盖及外罩构成压力室，底座上表面固定有试样座，试样座上表面能够放置第一透水板，第一透水板上表面能够放置试样，压力室内还能够放入环状的第二透水板，第二透水板能够放置在试样的上表面，透明盖下表面固定有集水筒，集水筒底端面能够与第二透水板的上表面接触，透明盖设置有与集水筒内部空间连通的出水管，出水管连接有流量计，试样座设置有进水管，进水管与供水机构连接，用于向试样通入渗透水，底座还设置有充气管路，充气管路与供气机构连接，用于向试样外围空间充入气体，对外裹乳胶膜的试样施加围压。

第二方面，本发明的实施例提供了一种测定水泥土渗透变形的试验系统的方法，包括以下步骤：

步骤1：对试样进行预处理；

步骤2：将乳胶膜一端套入试样座，绑扎固定，第一透水板放置到试样座上，将试样放置到第一透水板的上表面，在试样与集水筒之间放入第二透水板，将乳胶膜另一端与集水筒绑扎固定，在透明盖与底座之间装入外罩；

步骤3：排出试样与乳胶膜之间的气体及水；

步骤4：供气机构通过充气管路向试样外围空间注入第一设定压力气体，对外周面设置有乳胶膜的试样施加围压，供水机构通过进水管注入第二设定压力的渗透水，所述第一设定压力大于第二设定压力，第二设定压力根据渗透坡降进行计算，通过流量计检测渗透水的流量，根据每级的渗透坡降，逐级增加渗透水压力，直至试样发生渗透变形破坏或达到设定的抗渗坡降，得到渗透坡降和渗透流速的关系曲线，从关系曲线中获取临界坡降和破坏坡降。

本发明的有益效果：

1.本发明的测定水泥土渗透变形的试验系统，第二透水板采用环状结构，透明盖下表面、集水筒的内侧面、第二透水板的内侧面能够形成一个空间，进而允许了试样外凸的渗透变形破坏，使得试验装置在能够提供较高渗透水压力的同时，能够满足试样渗透变形破坏的需求，试验功能完善。

2.本发明的测定水泥土渗透变形的试验系统，底座设置有充气管路，能够通过充气管路向试样外围空间充气，从而对外裹乳胶膜的试样施加围压，且能够使围压始终大于渗透压力，避免了试样出现绕渗的现象，而且相对于传统的蜡封法，密封止水效果好。

3.本发明的测定水泥土渗透变形的试验系统，具有透明盖，方便观察试样表面是否有隆起、是否出现小裂纹等渗透变形破坏现象。

4.本发明的测定水泥土渗透变形的试验系统，能在检测渗透变形的同时，准确测出试样的渗透系数。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1压力室内部结构示意图；

其中，1.底座，2.外罩，3.把手，4.第二密封圈，5.透明盖，6.第一密封圈，7.试样座，7-1.第一凹槽，8.渗透水槽，9.第一透水板，10.试样，11.第二透水板，12.集水筒，12-1.第二凹槽，13.立柱，13-1.承台，14.压紧螺母，15.连接环，15-1.第二凸台，16.集水空间，17.出水管，18.流量计，19.第一阀门，20.进水管，21.水箱，22.第一调压阀，23.第二阀门，24.第一压力表，25.第三阀门，26.排气管，27.第四阀门，28.充气管路，29.第二调压阀，30.第二压力表，31.第五阀门，32.排水管，33.第六阀门，34.支座。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的实验室测试水泥土渗透变形，需要有较高的渗透水压力，并且试验装置能够允许试样在渗流作用下发生渗透变形破坏，现有的渗透变形仪不能满足上述要求，针对上述问题，本申请提出了一种测定水泥土渗透变形的试验系统。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-2所示，一种测定水泥土渗透变形的试验装置，包括底座1，所述底座通过固定件连接有透明盖5，底座与透明盖之间可拆卸的连接有外罩2，底座、外罩及透明盖共同构成压力室，形成一个封闭空间。

所述透明盖为圆形盖，其外侧面与外罩顶部的内侧面接触，且透明盖外侧面和外罩顶部内侧面之间设置有第一密封圈6，用于对透明盖与外罩之间的空隙进行密封。

所述外罩的底端沿圆周均匀设置有多个第一凸台2-1，所述底座的外周面螺纹连接有连接环15，所述连接环的内侧面设置有多个第二凸台15-1，所述第二凸台位于第一凸台上方，旋转连接环，连接环能够利用第二凸台压紧第一凸台，进而将外罩压紧在底座上表面。所述外罩底端与底座上表面之间设置有第二密封圈4，用于密封底座与外罩之间的空隙。

所述连接环的外周面固定有多个把手3，方便实验人员对连接环进行转动。

本实施例中，所述外罩自上向下套入，使其上端内侧面与第一密封圈接触，底端与第二密封圈接触，转动连接环，利用第二凸台和第一凸台将外罩压紧在底座上。

所述底座上表面固定有试样座7，试样座的上表面设置有渗透水槽8，且试样座的上表面能够放置第一透水板9，所述第一透水板为圆形板。

第一透水板下表面及渗透水槽形成用于容纳渗透水的空间，能够实现向试样均匀渗水。

所述第一透水板的上表面用于放置试样10，本实施例中，所述试样为圆柱型试样，第一透水板的外径等于试样的外径,且试样座的外径等于试样的外径。

所述透明盖的下表面一体式固定有集水筒12，透明盖、底座及外罩形成的密闭空间内还能够置入第二透水板11，所述第二透水板采用环状结构，其外径等于试样的外径，内径等于集水筒的内径，第二透水板能够放置在试样的上表面，所述集水筒为圆柱筒结构，集水筒的外径等于第二透水板的外径，内径等于第二透水板的内径，第二透水板能够放置在试样上表面于集水筒下表面之间，且集水筒下表面能够与第二透水板上表面接触。

圆形第一透水板、环形第二透水板、集水筒和试样座的外径一致，保证了试样渗透过流面积是一定的，在允许试样产生渗透变形的同时，又能确保渗透系数的测试精度。

所述第二透水板、集水筒的内侧面与透明盖的下表面及试样的上表面共同构成一个集水空间16，所述集水空间能够允许试样的渗透水进入，且允许试样产生渗透变形破坏。而且通过透明盖，能够观察试样产生的隆起、小裂纹等渗透变形破坏现象。

所述透明盖的中心部位设置有出水管17，所述出水管与集水空间相连通，所述出水管连接有流量计18，出水管与流量计之间设置有第一阀门19，用于控制出水管的导通和关闭，试样的渗透水能够通过出水管流出，所述流量计用于测量渗透水的流量。

所述固定件包括三根立柱13，所述立柱两端具有螺纹柱段，立柱底端的螺纹柱段与底座螺纹固定连接，立柱顶端的螺纹柱段穿过透明盖，并旋紧有压紧螺母14，转动压紧螺母，压紧螺母能够将透明盖压紧在立柱外周面设置的承台13-1上，实现底座与透明盖的固定连接。

所述试样座的外周面设置有多个第一凹槽7-1，所述集水筒的外周面设置有多个第二凹槽12-1，试样座和集水筒能够分别通过第一凹槽和第二凹槽与乳胶膜的上下两端利用皮筋绑扎固定，使得试样的外周面覆盖乳胶膜。

所述试样座设置有进水管20，所述进水管顶端与渗透水槽连通，进水管底端穿过试样座、底座后与供水机构连接，供水机构能够向渗透水槽内提供设定压力的水。

所述供水机构包括用于盛放水的水箱21，所述水箱与水源连接，水源能够向水箱进行补水，所述水箱底部与进水管连接，水箱内的水能够通过进水管进入渗透水槽，所述水箱与还通过第一调压阀22与气压源连接，气压源能够利用气压将水箱内的水压入进水管，进而带动水箱内的水通过进水管进入渗透水槽，所述第一调节阀用于调节输出水压的压力，所述进水管上设置有第二阀门23，用于控制进水管的导通和关闭，所述第一调压阀与水箱的连接管路上设置有第一压力表24，用于检测水箱的输出水压，第一调压阀与气压源之间的气路管道上设置有第三阀门25，用于控制气压源对水箱内水压力输出的导通和关闭。

在其他一些实施例中，所述水箱通过电动水泵与进水管连接，电动水泵能够驱动水箱内的水进入渗透水槽。

所述水箱顶部还设置有排气管26，所述排气管上设置有第四阀门27，排气管用于排出水箱内的空气，方便对水箱进行补水。

所述底座还设置有充气管路28，充气管路一端与外罩、透明盖及底座形成的密闭空间连通，充气管路另一端与供气机构连接，用于向试样外围空间的压力室空间充入气体，对外裹有乳胶膜的试样施加围压，对外裹有乳胶膜的试样施加围压，相比于传统的试样蜡封法，其密封止水效果更好。

所述供气机构包括第二调压阀29，所述第二调压阀与气压源及充气管路连接，所述气压源可采用空气压缩机，能够提供设定压力的气体，第二调压阀能够调节输入充气管路的气压，所述充气管路上设置有第二压力表30，用于检测充气气压，所述气压源与第二调节阀之间设置有第五阀门31，用于控制气压源气压输出的导通和关闭。

供气机构能够通过充气管向压力室内充入设定压力的气体，对外裹乳胶膜的试样产生围压，且围压始终大于渗透水压，使得渗透水能够通过试样向集水空间渗透而不会产生绕渗。

所述试样座还设置有排水管32，所述排水管顶端与渗透水槽连通，排水管底端穿过试样座及底座与底座、外罩及透明盖形成的压力室的外部空间相连通，所述排水管上设置有第六阀门33，用于控制排水管的导通和关闭，所述排水管用于试验结束后排出集水空间和渗透水槽内的水。

本实施例中，所述底座底部固定有支座34，支座对压力室进行支撑，保持试验过程中压力室的稳定性。

实施例2：

本实施例公开了一种实施例1所述的测定水泥渗透变形的试验系统的方法：包括以下步骤：

步骤1：对试样进行预处理；具体方法为：在所述试样侧表面均匀涂抹密封胶，并将涂抹密封胶的试样在清水中浸泡至少24小时或利用饱和罐进行真空饱和。

步骤2：将乳胶膜一端套入试样座，并通过第一凹槽与试样座绑扎固定，在试样座上依次放置第一透水板、试样、第二透水板，将乳胶膜的另一端通过第二凹槽与集水筒绑扎固定，此时试样外周面覆盖乳胶膜，将外罩自上向下放置，其底面放置在底座上，通过把手旋转连接环，利用第二凸台和第一凸台将外罩压紧在底座上，连接好压力室后检查压力室是否有漏气现象。

步骤3：打开第一阀门、第二阀门和第三阀门，调节第一调压阀，进水管向渗透水槽内施加20kPa的渗透水压，使渗透水槽内充满水，乳胶膜及试样之间的空气经过出水管排出，关闭第二阀门和第三阀门，撤去渗透水槽内的渗透水压，打开第五阀门，调节第二调压阀，气压源向压力室内充入20kPa压力的气体，对试样施加围压，将乳胶膜与试样之间的水排出，关闭第五阀门，撤去围压，关闭第一阀门，将出水管与流量计连接，开始渗透变形试验。

步骤4：试验时，根据试样的渗透变形特性，选择初始渗透坡降及渗透坡降递增值，其原则是既要测得试样临发生变形前的坡降，又能准确地测得临界坡降。试验开始后，打开第一阀门、第五阀门向压力室内注入第一设定压力的气体，对试样施加围压，然后打开第二阀门、第三阀门，向渗透水槽内注入第二设定压力的渗透水，第二设定压力预先根据渗透坡降进行计算得到，所述第一设定压力比第二设定压力大20kPa，防止渗透水的绕渗，渗透水压力达到第二设定压力30min后，通过流量计测读渗水流量3次，每次测读间隔10min，观察渗透水流量及渗透系数的变化，同时由透明盖观察试验过程中出现的各种现象，如渗出水的浑浊程度、试样表面是否有隆起、是否出现细小裂纹等，并描述于记录中。

当连续3次测得的渗透水流量稳定，又无异常现象时，将渗透水压力提升至下一级渗透坡降对应的渗透水压力，采用相同的方法重复进行实验。

采用相同的方法逐级增加渗透水压力，直至试样发生渗透变形破坏或达到设定的抗渗坡降，即可结束实验。

关闭第二阀门、第三阀门、第五阀门，撤去渗透水压和围压，打开第六阀门，通过排水管将集水空间、渗透水槽及管路内的剩余水排出，取下外罩，拆下乳胶膜，拿下试样，渗透变形试验完成。

根据采集的数据整理渗透坡降和渗透流速的关系曲线，从关系曲线中能够获取临界坡降和破坏坡降。

其中：渗透水压力与渗透坡降的关系为：

式中，J-渗透坡降，

H-作用水头，cm；(1MPa相当于100m水头)

L-试件高度，cm。

渗透流量和流速的关系为：

Q-t时间内渗透过试样的水量，cm³；

A-试件截面积，cm²；

v-渗透流速，cm/s

t-时间，s

渗透系数与流速和渗透坡降的关系为：

k-渗透系数，cm/s；

v-渗透流速，cm/s

J-渗透坡降。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种测定水泥土渗透变形的试验系统，其特征在于，包括底座，底座通过固定件与透明盖固定连接，底座与透明盖之间可拆卸的连接有外罩，底座、透明盖及外罩构成压力室，底座上表面固定有试样座，试样座上表面能够放置第一透水板，第一透水板上表面能够放置试样，压力室内还能够放入环状的第二透水板，第二透水板能够放置在试样的上表面，透明盖下表面固定有集水筒，集水筒底端面能够与第二透水板的上表面接触，透明盖设置有与集水筒内部空间连通的出水管，出水管连接有流量计，试样座设置有进水管，进水管与供水机构连接，用于向试样通入渗透水，底座还设置有充气管路，充气管路与供气机构连接，用于向试样外围空间充入气体，对外裹乳胶膜的试样施加围压。

2.如权利要求1所述的一种测定水泥土渗透变形的试验系统，其特征在于，所述外罩顶端内侧面与透明盖的外侧面密封接触，外罩底端设置有多个第一凸台，所述底座外周面螺纹连接有连接环，所述连接环内侧面设置有多个第二凸台，连接环通过第二凸台和第一凸台将外罩压紧在底座上表面。

3.如权利要求2所述的一种测定水泥土渗透变形的试验系统，其特征在于，所述固定件包括多个立柱，所述立柱两端具有螺纹柱段，底端的螺纹柱段与压力室底座螺纹连接，顶端的螺纹柱段穿过透明盖并旋紧压紧螺母，所述压紧螺母将透明盖压紧在立柱设置的承台上。

4.如权利要求2所述的一种测定水泥土渗透变形的试验系统，其特征在于，所述透明盖与外罩内侧面顶部之间设置有密封圈，外罩底端与底座上表面之间设置有密封圈。

5.如权利要求1所述的一种测定水泥土渗透变形的试验系统，其特征在于，所述试样座的外周面上设置有多个第一凹槽，集水筒的外周面上设置有第二凹槽，试样座与集水筒能够分别通过第一凹槽和第二凹槽与乳胶膜的两端绑扎固定。

6.如权利要求1所述的一种测定水泥土渗透变形的试验系统，其特征在于，所述试样座的上表面开设有渗透水槽，所述进水管一端与渗透水槽连通，另一端与供水机构连接，渗透水槽与第一透水板的底面共同构成用于容纳渗透水的空间。

7.如权利要求6所述的一种测定水泥土渗透变形的试验系统，其特征在于，所述渗透水槽还与排水管的一端连通，排水管的另一端与压力室的外部空间连通，排水管用于试验结束后排出集水空间、渗透水槽内的剩余水。

8.如权利要求1所述的一种测定水泥土渗透变形的试验系统，其特征在于，所述供水机构包括水箱，所述水箱分别与进水管和水源连接，水源用于向水箱内补水，所述水箱顶部通过第一调压阀与气压源连接，气压源能够通过第一调压阀向水箱内充入设定压力气体，将水箱内的水压入进水管。

9.如权利要求1所述的一种测定水泥土渗透变形的试验系统，其特征在于，所述供气机构包括第二调压阀，所述第二调压阀分别与气压源及充气管路连接，气压源能够通过第二调压阀向充气管路内充入设定压力气体。

10.一种权利要求1-9任一项所述的测定水泥土渗透变形的试验系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对试样进行预处理；

步骤2：将乳胶膜一端套入试样座，绑扎固定，第一透水板放置到试样座上，将试样放置到第一透水板的上表面，在试样与集水筒之间放入第二透水板，将乳胶膜另一端与集水筒绑扎固定，在透明盖与底座之间装入外罩；

步骤3：排出试样与乳胶膜之间的气体及水；

步骤4：供气机构通过充气管路向试样外围空间注入第一设定压力气体，对外周面设置有乳胶膜的试样施加围压，供水机构通过进水管注入第二设定压力的渗透水，所述第一设定压力大于第二设定压力，第二设定压力根据渗透坡降进行计算，通过流量计检测渗透水的流量，根据每级的渗透坡降，逐级增加渗透水压力，直至试样发生渗透变形破坏或达到设定的抗渗坡降，得到渗透坡降和渗透流速的关系曲线，从关系曲线中获取临界坡降和破坏坡降。

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