CN112525747A - 一种黏土分散性判定装置及判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黏土分散性判定装置及判定方法，该装置包括上游水头箱、下游水头箱和试样筒，试样筒一端设置有顶盖，另一端设置有底盖，上游水头箱位于靠近顶盖的一侧，下游水头箱位于靠近底盖的一侧；顶盖上开设有进液口，底盖开设有出液口，进液口上连接有第一导液管，第一导液管远离进液口的一端与上游水头箱相连，出液口上连接有第二导液管，第二导液管远离出液口的一端与下游水头箱相连；顶盖和底盖上分别安装有测压管。此外本发明还公开一种采用上述装置进行黏土分散性判定的方法，该装置可实现实时上下游水头差观测，避免偏差，该方法以冲蚀指数作为定量判断分散性指标，可以有效减少判定过程人为主观因素的影响。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种黏土分散性判定装置及判定方法。
背景技术
在我国，黏土因具有较低的渗透系数被广泛填筑于大坝的心墙，但黏土中有一种特殊土质—分散性土，其具有遇水分散，极易受水冲蚀的特点，常常造成堤坝溃散、路基毁坏等工程问题。因此，准确地鉴定出黏土是否具有分散性以及分散性强弱对水利工程、道路工程等工程活动的顺利进行具有重要意义。
从渗透稳定的角度出发，黏土可被分为分散性土、过渡性土和非分散性土，其中分散性土是指在低含盐量水中(或纯净水中)细颗粒之间的粘聚力大部分甚至完全丧失，成团聚体存在的细颗粒自行分散成原级的黏土颗粒。非分散性土是指在水流侵蚀作用下，不易分散成原级颗粒的黏土颗粒。过渡性土是指在水流侵蚀作用下，部分细颗粒分散成原级，分散性介于分散性土与非分散性土之间的黏土颗粒。
目前常见的黏土分散性鉴定试验主要有针孔试验、双比重计试验、孔隙水可溶性阳离子试验、碎块试验以及交换性钠离子百分比试验。其中，针孔试验能较好模拟土在一定水头下抗冲蚀的能力，因而对黏土分散性的鉴定结果最可靠。但是，因针孔试验中对试样进行穿孔时极易偏离中心线，使得设计水头与实际水头有所出入，而且针孔试验中关于水流浑浊程度的判定受实验人员主观因素影响较大，难以实现定量化，这使得针孔试验对黏土分撒性的鉴定结果误差较大。因此，提高黏土分散性判定准确性，是避免因误填分散性土造成工程事故的有效措施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种黏土分散性判定装置及判定方法。该装置通过上游水头箱、下游水头箱、试样筒和分别设置于试样筒顶盖和底盖上的测压管，实现实时上下游水头差观测，避免偏差，采用该装置进行黏土分散性判定的方法中通过固定间隔时间内的水头差和侵蚀液体流速得到冲蚀指数，以冲蚀指数作为定量判断分散性指标，可以有效减少判定过程人为主观因素的影响，对工程实践进行有效指导，相对针孔试验，具有试验简单、流程短、效率高、成本低、具有更高经济效益的优势。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种黏土分散性判定装置，其特征在于，包括上游水头箱、下游水头箱和用于装填试样的试样筒，所述上游水头箱和下游水头箱分别位于试样筒两侧，所述试样筒一端设置有顶盖，所述试样筒另一端设置有底盖，所述上游水头箱位于靠近顶盖的一侧，所述下游水头箱位于靠近底盖的一侧；
所述顶盖上开设有进液口，所述底盖上开设有出液口，所述进液口上连接有第一导液管，所述第一导液管远离进液口的一端与上游水头箱相连，所述出液口上连接有第二导液管，所述第二导液管远离出液口的一端与下游水头箱相连；
所述顶盖和底盖上分别安装有测压管。
上述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，还包括与上游水头箱连通的供水箱，上游水头箱和供水箱连通的管路上设置有抽水泵。
上述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，所述上游水头箱包括上部开口的箱体，所述箱体内底面上垂直设置有隔板，所述隔板将所述箱体分隔成两个区域，所述隔板的高度低于所述箱体侧壁高度，所述箱体底板上开设有第一开口和第二开口，所述第一开口和第二开口分别位于所述隔板两侧，所述第一导液管远离进液口的一端连接于第一开口上；
所述供水箱上部开设有第一输水口，所述供水箱侧面开设有第二输水口；
所述第二开口和第一输水口之间连接有第一输水管道，所述第一输水管道与地面垂直；
所述箱体的上部开口和第二输水口之间连接有第二输水管道，所述第二输水管道穿入所述箱体，所述第二输水管道在所述箱体内的管口正对第一开口，所述抽水泵位于第二输水管道上且靠近第二输水口。
上述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，所述试样筒与顶盖螺纹连接，所述试样筒与底盖螺纹连接。
上述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，所述上游水头箱距离地面高度可调，所述下游水头箱距离地面高度不变。
上述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，所述上游水头箱距离地面的高度和下游水头箱距离地面的高度均高于试样筒距离地面的高度，所述上游水头箱距离地面的高度高于下游水头箱距离地面的高度；所述上游水头箱和下游水头箱均为透明器皿，所述上游水头箱的侧壁上和下游水头箱侧壁上均标有刻度。
此外，本发明还提供一种利用上述的黏土分散性判定装置进行黏土分散性判定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将土样填入试样筒，采用静压实法或分层夯实法压制成试样；
步骤二、用直径为1mm的硬钢丝从步骤一所述试样中心穿过，使试样轴心形成1mm的穿孔；
步骤三、将装有试样的试样筒、顶盖和底盖组装成一体，将顶盖和底盖分别与上游水头箱和下游水头箱相连；
步骤四，对试样进行变水头渗流试验，试验过程中按照预设时间间隔，采集记录水头差Δh和侵蚀液流量Q，测算所述试样遭受侵蚀的最小水力梯度smin，试验结束后取出试样，将试样沿中轴线切开，测量侵蚀后试样通孔直径φT；所述水头差Δh的单位为m，侵蚀液流量Q的单位为m3，通孔直径φT的单位为m；
步骤五、利用步骤四中的水头差△h、侵蚀液流量Q和通孔直径φt计算冲蚀指数I；
步骤六，根据步骤五所述冲蚀指数I判定试样分散性，具体包括：当I＜2，判定为分散性土，当2≤I≤4，判定为过渡性土，当I＞4，判定为非分散性土。
上述的方法，其特征在于，步骤五中依据以下公式计算得到冲蚀指数I：
I＝-log(Ce)；
其中，
Ce为试样土壤侵蚀系数，单位为s/m。
上述的方法，其特征在于，还包括根据公式et＝Ce(τt-τc)计算得到侵蚀系数Ce；
其中，
et为t时刻冲蚀孔单位表面积侵蚀率，单位为kg/s/m2；
Ce为试样土壤侵蚀系数，单位为s/m；
τt为t时刻作用于冲蚀孔壁上的剪应力，单位为N/m2；
τc为引起试样土壤发生冲蚀的最小剪应力，单位为N/m2；
τt依据下列公式组计算而来：
τt·Ψt·L＝ΔPt·At
ΔPt＝ρwgΔht＝ρwgstL
Ψt＝πφt
其中，
φt为t时刻冲蚀孔直径，单位为m；
Ψt为t时刻冲蚀孔周长，单位为m；
At为t时刻冲蚀孔横截面积，单位为m2；
L为试样长度，单位为m；
ΔPt为t时刻作用于试样的压差，单位为N/m2；
ρw为侵蚀液密度，单位为kg/m3；
g为重力加速度，为9.8m/s2；
Δht为t时刻作用于试样的上下游水头差，单位为m；
st为t时刻作用于试样的水力梯度，单位为1；
et依据以下公式组计算而来：
dMt＝ρdLdAt
其中，
dMt/dt为t时刻因冲蚀引起的土壤试样侵蚀率，单位为kg/s；ΨtL为t时刻冲蚀孔表面积，单位为m2；
ρd为试样土壤干密度，单位为kg/m3；
φt依据以下公式组计算而来：
其中，
fLt为t时刻水流的摩擦系数，单位为kg/m2/s；
fL0为初始时刻水流摩擦系数，单位为kg/m2/s；
fLf为结束时刻水流摩擦系数，单位为kg/m2/s；
Q为侵蚀液流量，单位为m3。
上述的方法，其特征在于，步骤一所述试样长度为80mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的黏土分散性判定装置通过上游水头箱、下游水头箱、试样筒和分别设置于试样筒顶盖和底盖上的测压管，实现实时上下游水头差观测，避免偏差。
2、本发明的方法通过固定间隔时间内的水头差和侵蚀液体流速得到冲蚀指数，以冲蚀指数作为定量判断分散性指标，可以有效减少判定过程人为主观因素的影响，对工程实践进行有效指导，相对传统针孔试验具有试验简单、流程短、效率高、成本低、具有更高经济效益的优势。
3、相较于传统方法中只施加上游水压力进行侵蚀实验，本发明的装置通过增设下游水压力使土样上下游水压力可依据实际工况进行设定，所得出的试验结果更能反映实际工况下土体遭受侵蚀时的水压状态。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明黏土分散性判定装置的结构示意图。
图2为采用本发明的方法进行试样分散性判定的结果图。
附图标记说明：
1—试样筒； 2—顶盖； 3—底盖；
4—试样； 5—测压管； 6—进液口；
7—出液口； 81—第一导液管； 82—第二导液管；
9—上游水头箱； 91—第一开口； 92—第二开口；
93—隔板； 10—下游水头箱； 11—抽水泵；
12—供水箱； 121—第一输水口； 122—第二输水口；
131—第一输水管道； 132—第二输水管道。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的一种黏土分散性判定装置，包括上游水头箱9、下游水头箱10和用于装填试样4的试样筒1，所述上游水头箱9和下游水头箱10分别位于试样筒1两侧，所述试样筒1一端设置有顶盖2，所述试样筒1另一端设置有底盖3，所述上游水头箱9位于靠近顶盖2的一侧，所述下游水头箱10位于靠近底盖3的一侧；
所述顶盖2上开设有进液口6，所述底盖3上开设有出液口7，所述进液口6上连接有第一导液管81，所述第一导液管81远离进液口6的一端与上游水头箱9相连，所述出液口7上连接有第二导液管82，所述第二导液管82远离出液口7的一端与下游水头箱10相连；
所述顶盖2和底盖3上分别安装有测压管5。
本实施例中，还包括与上游水头箱9连通的供水箱12，上游水头箱9和供水箱12连通的管路上设置有抽水泵11。
本实施例中，所述上游水头箱9包括上部开口的箱体，所述箱体内底面上垂直设置有隔板93，所述隔板93将所述箱体分隔成两个区域，所述隔板93的高度低于所述箱体侧壁高度，所述箱体底板上开设有第一开口91和第二开口92，所述第一开口91和第二开口92分别位于所述隔板93两侧，所述第一导液管81离进液口6的一端连接于第一开口91上；
所述供水箱12上部开设有第一输水口121，所述供水箱12侧面开设有第二输水口122；
所述第二开口92和第一输水口121之间连接有第一输水管道131，所述第一输水管道131与地面垂直；
所述箱体的上部开口和第二输水口122之间连接有第二输水管道132，所述第二输水管道132穿入所述箱体，所述第二输水管道132在所述箱体内的管口正对第一开口91，所述抽水泵11位于第二输水管道132上且靠近第二输水口122。所述下游水头箱10包括下游水头箱箱体，所述下游水头箱箱体内底面上垂直设置有下游水头箱隔板，所述下游水头箱隔板将所述下游水头箱箱体分隔成两个区域，所述下游水头箱隔板的高度低于所述下游水头箱箱体侧壁高度，所述下游水头箱箱体底板上开设有下游水头箱开口，所述第二导液管82通过所述下游水头箱开口与所述下游水头箱10连通。
本实施例中，所述试样筒1与顶盖2螺纹连接，所述试样筒1与底盖3螺纹连接。所述顶盖2和底盖3与试样筒1的连接处分别套有橡胶环。保障实验装置的密封性。
本实施例中，所述上游水头箱9距离地面高度可调，所述下游水头箱10距离地面高度不变。
本实施例中，所述上游水头箱9距离地面的高度和下游水头箱10距离地面的高度均高于试样筒1距离地面的高度，所述上游水头箱9距离地面的高度高于下游水头箱10距离地面的高度；所述上游水头箱9和下游水头箱10均为透明器皿，所述上游水头箱9的侧壁上和下游水头箱10侧壁上均标有刻度。
采用上述的黏土分散性判定装置进行黏土分散性判定的方法，包括以下步骤：
步骤一、将土样填入试样筒1，采用静压实法或分层夯实法压制成长度为80mm的试样4；
步骤二、用直径为1mm的硬钢丝从步骤一所述试样4中心穿过，使试样4轴心形成1mm的穿孔；
步骤三、将装有试样4的试样筒1、顶盖2和底盖3组装成一体，将顶盖2和底盖3分别与上游水头箱9和下游水头箱10相连；
步骤四，对试样4进行变水头渗流试验，试验过程中按照预设时间间隔，采集记录水头差Δh和侵蚀液流量Q，测算所述试样4遭受侵蚀的最小水力梯度smin，试验结束后取出试样4，将试样4沿中轴线切开，测量侵蚀后试样4通孔直径φT；所述水头差Δh的单位为m，侵蚀液流量Q的单位为m3，通孔直径φT的单位为m；所述最小水力梯度是指开始出现侵蚀颗粒时的水力梯度；
步骤五、利用步骤四中的水头差△h、侵蚀液流量Q和通孔直径φt计算冲蚀指数I；
步骤六，根据步骤五所述冲蚀指数I判定试样分散性，具体包括：当I＜2，判定为分散性土，当2≤I≤4，判定为过渡性土，当I＞4，判定为非分散性土。
步骤五中冲蚀指数I依据公式I＝-log(Ce)计算得到，其中，Ce为试样土壤侵蚀系数，单位为s/m，侵蚀系数Ce根据公式et＝Ce(τt-τc)计算得到；
其中，
et为t时刻冲蚀孔单位表面积侵蚀率，单位为kg/s/m2；
Ce为试样土壤侵蚀系数，单位为s/m；
τt为t时刻作用于冲蚀孔壁上的剪应力，单位为N/m2；
τc为引起试样土壤发生冲蚀的最小剪应力，也可称为临界剪应力，单位为N/m2，由实验测得；
τt依据下列公式组计算而来：
τt·Ψt·L＝ΔPt·At
ΔPt＝ρwgΔht＝ρwgstL
Ψt＝πφt
其中，
φt为t时刻冲蚀孔直径，单位为m；
Ψt为t时刻冲蚀孔周长，单位为m；
At为t时刻冲蚀孔横截面积，单位为m2；
L为试样长度，单位为m；
ΔPt为t时刻作用于试样的压差，单位为N/m2；
ρw为侵蚀液密度，单位为kg/m3；
g为重力加速度，为9.8m/s2；
Δht为t时刻作用于试样的上下游水头差，单位为m；
st为t时刻作用于试样的水力梯度，单位为1；
et依据以下公式组计算而来：
dMt＝ρdLdAt
其中，
dMt/dt为t时刻因冲蚀引起的土壤试样侵蚀率，单位为kg/s；ΨtL为t时刻冲蚀孔表面积，单位为m2；
ρd为试样土壤干密度，单位为kg/m3；
φt依据以下公式组计算而来：
其中，
fLt为t时刻水流的摩擦系数，单位为kg/m2/s；
fL0为初始时刻水流摩擦系数，单位为kg/m2/s；
fLf为结束时刻水流摩擦系数，单位为kg/m2/s；
Q为侵蚀液流量，单位为m3；
故
其中，φ0为初始孔径，单位为m，s0为初始水力梯度；
其中，φf为侵蚀结束时孔径，单位为m，sf为侵蚀结束时水力梯度。
将采用本发明的方法进行试样分散性判定的结果与采用传统针孔试验进行土样分散性鉴定结果进行比较，比较结果见表1和图2，本发明的方法判定准确性在80％以上，通过本发明的方法可以使土样分散性判定过程从定性判定向定量判定转变，可以有效减少判定过程人为主观因素的影响，对工程实践进行有效指导，相对针孔试验，具有试验简单、流程短、效率高、成本低、具有更高经济效益的优势。
表1 采用本发明的方法进行试样分散性判定与传统针孔实验对比结果
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种黏土分散性判定装置，其特征在于，包括上游水头箱(9)、下游水头箱(10)和用于装填试样(4)的试样筒(1)，所述上游水头箱(9)和下游水头箱(10)分别位于试样筒(1)两侧，所述试样筒(1)一端设置有顶盖(2)，所述试样筒(1)另一端设置有底盖(3)，所述上游水头箱(9)位于靠近顶盖(2)的一侧，所述下游水头箱(10)位于靠近底盖(3)的一侧；
所述顶盖(2)上开设有进液口(6)，所述底盖(3)上开设有出液口(7)，所述进液口(6)上连接有第一导液管(81)，所述第一导液管(81)远离进液口(6)的一端与上游水头箱(9)相连，所述出液口(7)上连接有第二导液管(82)，所述第二导液管(82)远离出液口(7)的一端与下游水头箱(10)相连；
所述顶盖(2)和底盖(3)上分别安装有测压管(5)。
2.根据权利要求1所述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，还包括与上游水头箱(9)连通的供水箱(12)，上游水头箱(9)和供水箱(12)连通的管路上设置有抽水泵(11)。
3.根据权利要求2所述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，所述上游水头箱(9)包括上部开口的箱体，所述箱体内底面上垂直设置有隔板(93)，所述隔板(93)将所述箱体分隔成两个区域，所述隔板(93)的高度低于所述箱体侧壁高度，所述箱体底板上开设有第一开口(91)和第二开口(92)，所述第一开口(91)和第二开口(92)分别位于所述隔板(93)两侧，所述第一导液管(81)远离进液口(6)的一端连接于第一开口(91)上；
所述供水箱(12)上部开设有第一输水口(121)，所述供水箱(12)侧面开设有第二输水口(122)；
所述第二开口(92)和第一输水口(121)之间连接有第一输水管道(131)，所述第一输水管道(131)与地面垂直；
所述箱体的上部开口和第二输水口(122)之间连接有第二输水管道(132)，所述第二输水管道(132)穿入所述箱体，所述第二输水管道(132)在所述箱体内的管口正对第一开口(91)，所述抽水泵(11)位于第二输水管道(132)上且靠近第二输水口(122)。
4.根据权利要求1所述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，所述试样筒(1)与顶盖(2)螺纹连接，所述试样筒(1)与底盖(3)螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，所述上游水头箱(9)距离地面高度可调，所述下游水头箱(10)距离地面高度不变。
6.根据权利要求1所述的一种黏土分散性判定装置，其特征在于，所述上游水头箱(9)距离地面的高度和下游水头箱(10)距离地面的高度均高于试样筒(1)距离地面的高度，所述上游水头箱(9)距离地面的高度高于下游水头箱(10)距离地面的高度；所述上游水头箱(9)和下游水头箱(10)均为透明器皿，所述上游水头箱(9)的侧壁上和下游水头箱(10)侧壁上均标有刻度。
7.一种利用如权利要求1所述的黏土分散性判定装置进行黏土分散性判定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将土样填入试样筒(1)，采用静压实法或分层夯实法压制成试样(4)；
步骤二、用直径为1mm的硬钢丝从步骤一所述试样(4)中心穿过，使试样(4)轴心形成1mm的穿孔；
步骤三、将装有试样(4)的试样筒(1)、顶盖(2)和底盖(3)组装成一体，将顶盖(2)和底盖(3)分别与上游水头箱(9)和下游水头箱(10)相连；
步骤四，对试样(4)进行变水头渗流试验，试验过程中按照预设时间间隔，采集记录水头差Δh和侵蚀液流量Q，测算所述试样(4)遭受侵蚀的最小水力梯度smin，试验结束后取出试样(4)，将试样(4)沿中轴线切开，测量侵蚀后试样(4)通孔直径φT；所述水头差Δh的单位为m，侵蚀液流量Q的单位为m3，通孔直径φT的单位为m；
步骤五、利用步骤四中的水头差△h、侵蚀液流量Q和通孔直径φt计算冲蚀指数I；
步骤六，根据步骤五所述冲蚀指数I判定试样分散性，具体包括：当I＜2，判定为分散性土，当2≤I≤4，判定为过渡性土，当I＞4，判定为非分散性土。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤五中依据以下公式计算得到冲蚀指数I：
I＝-log(Ce)；
其中，
Ce为试样土壤侵蚀系数，单位为s/m。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括根据公式et＝Ce(τt-τc)计算得到侵蚀系数Ce；
其中，
et为t时刻冲蚀孔单位表面积侵蚀率，单位为kg/s/m2；
Ce为试样土壤侵蚀系数，单位为s/m；
τt为t时刻作用于冲蚀孔壁上的剪应力，单位为N/m2；
τc为引起试样土壤发生冲蚀的最小剪应力，单位为N/m2；
τt依据下列公式组计算而来：
τt·Ψt·L＝ΔPt·At
ΔPt＝ρwgΔht＝ρwgstL
Ψt＝πφt
其中，
φt为t时刻冲蚀孔直径，单位为m；
Ψt为t时刻冲蚀孔周长，单位为m；
At为t时刻冲蚀孔横截面积，单位为m2；
L为试样长度，单位为m；
ΔPt为t时刻作用于试样的压差，单位为N/m2；
ρw为侵蚀液密度，单位为kg/m3；
g为重力加速度，单位为m/s2；
Δht为t时刻作用于试样的上下游水头差，单位为m；
st为t时刻作用于试样的水力梯度，单位为1；
et依据以下公式组计算而来：
dMt＝ρdLdAt
其中，
dMt/dt为t时刻因冲蚀引起的土壤试样侵蚀率，单位为kg/s；ΨtL为t时刻冲蚀孔表面积，单位为m2；
ρd为试样土壤干密度，单位为kg/m3；
φt依据以下公式组计算而来：
其中，
fLt为t时刻水流的摩擦系数，单位为kg/m2/s；
fL0为初始时刻水流摩擦系数，单位为kg/m2/s；
fLf为结束时刻水流摩擦系数，单位为kg/m2/s；
Q为侵蚀液流量，单位为m3。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤一所述试样(4)长度为80mm。
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