CN112945826B - 一种梯度比实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯度比实验装置，包括装置本体，装置本体由上至下包括依次连接的上部、中部和下部；装置本体的中部外侧密封连接有移动测压组件，移动测压组件包括用于测量装置本体内孔隙水压力的测压管接头以及用于控制测压管接头沿装置本体轴向移动的位移组件，测压管接头的一端与装置本体的中部连通。本发明通过位移组件带动测压管接头上下移动，测压管接头可测量其移动范围内任意位置处的试样的孔隙水压力，不仅可以进行传统的土体土工织物系统的淤堵实验，还可以在土工织物上侧放置任意高度的垫层形成复合滤层进行淤堵实验，移动测压组件可与任何需要测量水压的实验仪器进行组装，拓宽了相关仪器的测试功能，具有节能、经济的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测土工织物过滤性能的装置和方法，尤其涉及一种可移动测压管的梯度比实验装置及实验方法。
背景技术
土工织物作为一种反滤材料，因其具有方便施工，质量可靠，环保经济等优点，已经被广泛的用于尾矿坝，挡土墙，堤防，路基，隧道等工程的反滤排水中。但在无粘性细粒土、间隙级配无粘性土、分散性粘土等特殊土中，土工织物滤层存在被淤堵的风险，土工织物淤堵后其排水能力降低甚至完全丧失，影响工程的正常安全运行。土工织的物理淤堵是指细土颗粒挡在土工织物表面或进入土工织物内部，淤堵会导致土工织物渗透系数降低，排水能力下降。《土工合成材料应用技术规范》GBT 50290-2014中要求，当被保护土易管涌，具分散性，水力梯度高，流态复杂时，应以现场土料作试样和拟选用的土工织物进行淤堵实验，以判断土工合成材料作为某种土的滤层，是否会产生不允许的淤堵。
淤堵实验使用的实验仪器为梯度比实验装置，该实验使用梯度比值作为土工织物是否淤堵的衡量标准，梯度比的定义为土工织物及其上侧25mm厚土体的平均水力梯度与土工织物上侧25～75mm厚土体的平均水力梯度之比。《土工合成材料测试规程》SL235-2012规定了梯度比实验装置的构造和相应的实验规程，装置在土工织物以上25mm、50mm和75mm处设置了测压管，用以计算系统的梯度比值。为了应对土工织物的淤堵，还可以在土工织物上侧增加一层砂砾石滤层，形成复合滤层，通过实验发现复合滤层能有效的降低土工织物淤堵的风险，提高滤层的排水能力。在对这种复合滤层进行淤堵实验时，为了保持梯度比的定义不变，需要在复合滤层的上侧25mm、50mm和75mm处设置测压管，此时传统的梯度比实验装置已经不能满足要求。而且实验中复合滤层的厚度并不确定，改变复合滤层的厚度进行实验时，测压管的位置也需要随之改变，而目前的梯度比实验装置中测压管的位置是固定的，不能满足这一要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种可任意移动测压管位置以测试孔隙水压力的梯度比实验装置；本发明的第二目的在于提供上述实验装置的实验方法。
技术方案：本发明的一种梯度比实验装置，包括装置本体，所述装置本体由上至下包括上部、中部和下部；所述装置本体的中部外侧密封连接有移动测压组件，所述移动测压组件包括用于测量装置本体内孔隙水压力的测压管接头以及用于控制测压管接头沿装置本体轴向移动的位移组件，所述测压管接头的一端与装置本体的中部连通。
进一步的，为了实现对测压管接头的转动，所述位移组件包括支撑框架、橡胶圈、滚动轴和中部压实构件；所述支撑框架与装置本体的中部的上下端固定连接，橡胶圈设置在支撑框架内；所述装置本体的中部外侧沿轴向开设梯形槽，橡胶圈的一侧置于梯形槽内并与装置本体的中部密封，测压管接头设置在位于梯形槽一侧的橡胶圈上；所述滚动轴穿过支撑框架与橡胶圈的内表面接触，通过转动滚动轴带动橡胶圈转动，从而可以实现位于橡胶圈上的测压管接头在梯形槽内移动；支撑框架与装置本体的中部外表面之间还设有用于挤压橡胶圈的中部压实构件，通过挤压将橡胶圈与装置本体的侧壁紧密连接，提高整体的密封性。
进一步的，所述中部压实构件包括第一压块和第一压杆，所述第一压块与橡胶圈的内侧面接触，所述第一压杆穿过支撑框架与第一压块接触，第一压杆上刻螺纹，穿过支撑框架上的螺孔，所述第一压杆通过旋转带动第一压块向垂直于装置本体的中部外表面方向移动，通过螺纹连接的设置可以对橡胶圈的紧固程度进行调节，且第一压块与橡胶圈的内侧面具有较大的接触面积，进一步提高了挤压后装置的密封程度。
进一步的，为了防止橡胶圈上下端与装置本体之间存在空隙，所述橡胶圈上下端部与装置本体中部外表面的接触处还设有用于止水的橡胶挡块，橡胶挡块根据弹性可以设置成与空隙匹配的形状，所述橡胶挡块的一侧设有用于对其挤压固定的端部压实构件；所述端部压实构件包括第二压块和第二压杆，所述第二压块与橡胶挡块的端面接触，所述第二压杆穿过支撑框架与第二压块接触，第二压杆上刻螺纹，穿过支撑框架上的螺孔，所述第二压杆通过旋转带动第二压块向垂直于橡胶挡块的方向移动，通过螺纹连接的设置可以对橡胶挡块的紧固程度进行调节。
进一步的，所述橡胶圈上设有至少三组测压管接头，相邻的测压管接头之间的间距相等，优选的测压管接头个数为三组，相邻的距离为25mm，可以与规定的梯度比测试相匹配，测压管接头的一侧外接水压测量装置，水压测量装置包括压力表或测压管等。
进一步的，所述橡胶圈的截面为T形，T形截面的边缘部分可以向两边伸出并与装置本体的外侧壁接触，在中部压实构件的作用下，进一步增大了橡胶圈与装置本体的接触面积，从而提高了整体的密封挡水性能。
进一步的，所述装置本体的上部和下部侧壁分别设有用于测试顶部和底部水压力的测压管，所述测压管的一端与装置本体连通；所述装置本体的上部、中部和下部之间通过螺栓固定，上部、中部和下部的连接处还设有用于密封的止水橡胶。
进一步的，所述测压管接头与装置本体内土工织物复合滤层上表面的最大垂直距离至少为75mm。在具体的测试过程中，可以在土工织物上侧会设置砂砾石垫层，两者共同组成砂砾石——土工织物复合滤层，因此为了测试的完整性需要保证砂砾石垫层的厚度在一定的范围内，具体需要满足下式：h<L-75mm，其中L为可移动测压管移动范围最高点与土工织物上表面之间的距离，h为土工织物上侧砂砾石垫层的厚度。
本发明还保护一种梯度比实验装置的实验方法，包括以下步骤：
步骤一、将位移组件的支撑框架固定在装置本体的中部，将橡胶圈的外凸部分放入装置本体中部开设的梯形槽内，转动滚动轴使橡胶圈上的测压管接头停留在需要的位置上，测压管接头外接水压测量装置；
步骤二、转动中部压实构件和端部压实构件分别对橡胶圈的边缘位置和橡胶挡块进行挤压固定，保证移动测压组件密封不漏水；
步骤三、将多孔板和需要测试的土工织物放置在装置本体的底部，然后在装置本体的中部根据需要逐层填入土样或砂砾石垫层与土样，将装置本体的上部、中部和下部依次固定后进行淤堵实验，测试计算梯度比。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：本发明通过转动滚动轴可带动橡胶圈转动，进而带动可移动测压管接头的上下移动，可移动测压管可测量其移动范围内任意位置处的试样的孔隙水压力。该装置不仅可以进行传统的土体土工织物系统的淤堵实验，还可以在土工织物上侧放置任意高度的垫层形成复合滤层进行淤堵实验，测量垫层以上25mm、50mm和75mm处的孔隙水压力，得到相同定义下复合滤层的梯度比值。本发明实现了多个仪器的测试功能，移动测压组件可与任何需要测量水压的实验仪器进行组装，扩展了相关仪器的测试功能，具有节能、经济的优点。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图；
图2为本发明装置本体中部的三维结构示意图；
图3为图2的侧视图；
图4为本发明中部压实构件的结构示意图；
图5为本发明端部压实构件的结构示意图；
图6为本发明橡胶挡块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1所示的一种梯度比实验装置，包括装置本体和移动测压组件；装置本体由上至下包括上部1、中部2和下部3，各个部分之间通过法兰盘螺栓连接，连接处设置止水橡胶7进行止水，装置本体各部的内径为100mm，采用亚克力透明玻璃材质或钢材制备；装置本体的上部1的顶部设置顶盖11，顶盖11上设有排气阀12和进水口13，上部1的一侧设有测压管6；装置本体的下部3的一侧设有测压管6，另一侧设有出水口31；在装置本体的中部2外侧密封连接有移动测压组件，移动测压组件包括用于测量装置本体内孔隙水压力的测压管接头4以及用于控制测压管接头4沿装置本体轴向移动的位移组件5，测压管接头4的一端与装置本体的中部2连通，另一端外接水压测量装置，如压力表。
参见图1-3，位移组件包括支撑框架51、橡胶圈52、滚动轴53和中部压实构件54，支撑框架51与装置本体的中部2的上下端固定连接，通过螺栓将支撑框架固定在装置本体的中部2的法兰盘上，支撑框架51内部为中空结构，设有橡胶圈52；装置本体的中部2外侧沿轴向开设梯形槽21，用于放置橡胶圈52的外凸部分，橡胶圈52的截面为T形，T形截面的边缘部分用于仪器密封挡水；橡胶圈52上设有三组测压管接头4，相邻的测压管接头4之间的距离均为25mm，测压管接头4垂直于装置本体的中部2的外侧表面，其中位于最底部的为1#测压管接头，位于中间的为2#测压管接头，位于最上面的是3#测压管接头；滚动轴53穿过支撑框架51与橡胶圈52的内表面接触，滚动轴53与支撑框架51通过轴承连接，通过转动滚动轴53带动橡胶圈52转动，进而实现测压管接头4的上下移动，可测量其移动范围内任意位置处的孔隙水压力；同时，为了测试过程的完整性和精确性，当装置本体的中部2内铺设有厚度h的砂砾石垫层时，保证测压管接头4移动范围最高点与砂砾石垫层的垂直距离大于等于75mm，以满足梯度比测试定义的要求。在支撑框架51与装置本体的中部2外表面之间还设有用于挤压橡胶圈的中部压实构件54，由上至下依次设置有四组中部压实构件54，材质为金属，参见图4，中部压实构件54包括第一压块541和第一压杆542，第一压块541横穿橡胶圈52与橡胶圈52的内侧面的边缘距离接触，第一压杆542穿过支撑框架51与第一压块541接触，第一压杆542上刻有螺纹，穿过支撑框架51上的螺孔，第一压杆542设有两组，第一压杆542的端部顶住第一压块541，第一压杆542通过旋转带动第一压块541向垂直于装置本体的中部2外表面方向移动，通过旋转压杆压实端部的压块，进而压实橡胶圈2的边缘位置的密封。
当位移组件安装后，橡胶圈52上下端部与装置本体中部外表面的接触处还设有用于止水的橡胶挡块55，参见图6，橡胶挡块55的形状可以根据橡胶圈52上下端部与装置本体中部之间的空隙进行设计，并可以完全塞入空隙中起到密封的作用，在橡胶挡块55的一侧还设有可以对其进行挤压固定的端部压实构件56，参见图5，端部压实构件56为金属材质，包括第二压块561和第二压杆562，第二压块561与橡胶挡块55的端面接触，第二压杆562穿过支撑框架51与第二压块561接触，第二压杆562上刻有螺纹，穿过支撑框架51上的螺孔，第二压杆562上刻有螺纹，第二压杆562设有一组，第二压块561为凹字形，第二压杆562通过旋转带动第二压块561向垂直于橡胶挡块55的方向移动，通过旋转压杆压实端部的压块，进而压实橡胶挡块55进行密封。
以测试尾矿砂中10mm厚砂砾石滤层——土工织物复合滤层的反滤性能为例。
首先通过螺栓将支撑框架51固定在装置本体的中部2上，将橡胶圈52的外凸部分放入装置本体的中部2开设的梯形槽21内，转动滚动轴53使1#测压管接头与砂砾石滤层的距离a为25mm，2#测压管接头与砂砾石滤层的距离b为50mm，3#测压管接头与砂砾石滤层的距离c为75mm；转动中部压实构件54的第一压杆542，使中部压实构件的第一压块541紧紧压在橡胶圈52的边缘位置，保证橡胶圈52中间与装置本体接触处密封不漏水，将橡胶挡块55放置在橡胶圈52端部与装置本体的中部2的接触处，转动端部压实构件56的第二压杆562，使端部压实构件的第二压块561紧紧压在橡胶挡块55上，保证橡胶圈52端部与装置本体触处密封不漏水。
然后在梯度比装置的底部放置多孔板和待测试的土工织物，将梯度比实验装置本体的底部与中部通过螺栓连接起来，在土工织物上侧填筑10mm厚的砂砾石滤层，然后在砂垫层上侧按照一定干密度分层填筑100mm厚尾矿砂，在尾矿砂上侧放置多孔板，将装置本体的顶部和中间段通过螺栓连接。
最后将整个装置放入真空缸中抽真空饱和；通过出水口31向装置底部注水，排出装置底部空气。将出水口31与软管相连，通过软管抬升并固定出水口高度使其高于土工织物下表面。打开排气阀12并关闭出水口31，通过进水口13给实验装置加水，调整进水口13的水头高度，使系统的平均水力梯度达到设定值并保持不变，通过测压管6分别测量装置顶部和底部的水压力。加水完成后关闭排气阀12，待全部测压管读数稳定后打开出水口阀门开始实验。实验过程中每小时测量一次测压管水位和渗水量，连续测量24h。如果读数尚未完全稳定，可适当延长测读时间，直到稳定为止，最后根据测压管读数计算梯度比值。
Claims (8)
1.一种梯度比实验装置，包括装置本体，其特征在于：所述装置本体由上至下包括上部(1)、中部(2)和下部(3)；所述中部(2)外侧密封连接有移动测压组件，所述移动测压组件包括用于测量装置本体内孔隙水压力的测压管接头(4)以及用于控制测压管接头(4)沿装置本体轴向移动的位移组件(5)，所述测压管接头(4)的一端与装置本体的中部(2)连通；
所述位移组件(5)包括支撑框架(51)、橡胶圈(52)、滚动轴(53)和中部压实构件(54)；所述支撑框架(51)与装置本体的中部(2)的上下端固定连接，橡胶圈(52)设置在支撑框架(51)内；所述装置本体的中部(2)外侧沿轴向开设梯形槽(21)，橡胶圈(52)的一侧置于梯形槽(21)内并与装置本体的中部(2)密封，测压管接头(4)设在位于梯形槽(21)一侧的橡胶圈(52)上；所述滚动轴(53)穿过支撑框架(51)与橡胶圈(52)的内表面接触，通过转动滚动轴(53)带动橡胶圈(52)转动；支撑框架(51)与装置本体的中部(2)外表面之间还设有用于挤压橡胶圈的中部压实构件(54)；
所述中部压实构件(54)包括第一压块(541)和第一压杆(542)，所述第一压块(541)与橡胶圈(52)的内侧面接触，所述第一压杆(542)穿过支撑框架(51)与第一压块(541)接触，所述第一压杆(542)通过旋转带动第一压块(541)向垂直于装置本体的中部(2)外表面方向移动。
2.根据权利要求1所述的梯度比实验装置，其特征在于：所述橡胶圈(52)上下端部与装置本体中部外表面的接触处还设有用于止水的橡胶挡块(55)，所述橡胶挡块(55)的一侧设有用于对其挤压固定的端部压实构件(56)；所述端部压实构件(56)包括第二压块(561)和第二压杆(562)，所述第二压块(561)与橡胶挡块(55)的端面接触，所述第二压杆(562)穿过支撑框架(51)与第二压块(561)接触，所述第二压杆(562)通过旋转带动第二压块(561)向垂直于橡胶挡块(55)的方向移动。
3.根据权利要求1所述的梯度比实验装置，其特征在于：所述橡胶圈(52)上设有至少三组测压管接头(4)，相邻的测压管接头(4)之间的间距相等，测压管接头(4)的一侧外接水压测量装置。
4.根据权利要求1所述的梯度比实验装置，其特征在于：所述橡胶圈(52)的截面为T形。
5.根据权利要求1所述的梯度比实验装置，其特征在于：所述装置本体的上部(1)和下部(3)侧壁分别设有用于测试顶部和底部水压力的测压管(6)，所述测压管(6)的一端与装置本体连通。
6.根据权利要求1所述的梯度比实验装置，其特征在于：所述装置本体的上部(1)、中部(2)和下部(3)之间通过螺栓固定，上部(1)、中部(2)和下部(3)的连接处还设有用于密封的止水橡胶(7)。
7.根据权利要求1所述的梯度比实验装置，其特征在于：所述测压管接头(4)与装置本体内土工织物滤层或砂砾石土工织物复合滤层上表面的最大垂直距离至少为75mm。
8.一种权利要求1-7任一项所述的梯度比实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将位移组件的支撑框架(51)固定在装置本体的中部(2)，将橡胶圈(52)的外凸部分放入装置本体中部开设的梯形槽(21)内，转动滚动轴(53)使橡胶圈(52)上的测压管接头(4)停留在需要的位置上，测压管接头(4)外接水压测量装置；
步骤二、转动中部压实构件(54)和端部压实构件(56)分别对橡胶圈(52)的边缘位置和橡胶挡块(55)进行挤压固定，保证移动测压组件密封不漏水；
步骤三、将多孔板和需要测试的土工织物放置在装置本体的下部(3)，然后在装置本体的中部(2)根据需要逐层填入土样或砂砾石垫层与土样，将装置本体的上部(1)、中部(2)和下部(3)依次固定后进行淤堵实验，测试计算梯度比。
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