CN113218841A - 一种土工织物反滤特性的测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土工织物反滤特性测试装置及测试方法，装置包括渗透淤堵室，设有刚性多孔承压底板及刚性多孔承压顶板，之间装填土样，土样底部设置土工织物；加压机构，设于所述渗透淤堵室上方的反力架上，用于对所述刚性多孔承压顶板施加压力，所述加压机构连接用于监测其位移的应变测量系统；供水溢流机构，用于渗透淤堵试验时设定不同的水力梯度；真空抽气饱和系统，用于对所述渗透淤堵室抽真空；及测压机构，用于监测所述渗透淤堵室内部的水压力。该装置能进行真空抽气饱和以及法向压力加载，能识别土工织物的淤堵情况，可模拟应力与渗流作用下土工织物滤层的反滤特性，较好地反映实际工程环境，效果良好。
Description
技术领域
本发明涉及土工织物材料检测仪器技术领域，特别涉及一种考虑应力水平的土工织物反滤特性实验仪，主要用于应力与渗流耦合作用下土工织物反滤特性的测试及研究。
背景技术
土工织物(俗称土工布)，它是一种由高分子合成纤维通过编织或针刺而制成的新型土工材料。其成品为布状，具有孔隙率高、孔径小、透水性好、强力高、抗微生物性好、耐腐蚀、施工方便、一次性投资少等优点，广泛应用于各个工程领域，如路基、堤坝、围垦、环保等工程中发挥其反滤排水、隔离防护、道路养护等作用。相比于传统的反滤料(砂石滤料)，土工织物作为一种新型的反滤材料，在渗流水的作用下，其小孔径保证了构成土骨架的土颗粒不流失，而较高的孔隙率又使水流顺畅通过。
土工织物的反滤准则早在1972年就被提出，回顾历史可知，工程应用中土工织物作为反滤材料，在进行其反滤设计时，需要满足透水性、保土性和防淤堵性三个准则。但由于淤堵问题的复杂性和普遍性，对土工织物滤层的防淤堵准则(采用常规梯度比实验，梯度比GR＜3)，争议较大，使得土工织物在反滤应用中受到了很大的限制，而且不同的工程环境对土工织物反滤特性的要求有所不同，因此，需要对土工织物在不同条件下的反滤特性进行试验研究。
针对土工织物滤层能否长期有效运行的核心问题：即淤堵问题，判断其是否满足防淤堵准则，目前采用梯度比试验，该方法主要用于测定一定水流条件下，土工织物对于颗粒土的淤堵特性，通过比较土—土工织物体系及其界面上渗透系数的变化情况来判断土工织物淤堵的可能性，而对于土工织物过滤细粒土(黏性土)的淤堵特性却难以测定，而且如何判断土工织物滤层在实际工程中是否发生了不允许的淤堵情况仍然是当前国内外一直所关注的问题。
现有实验装置及方法存在以下缺陷：(1)淤堵试验中采用的梯度比评判标准存在争议：体现在现有的淤堵实验仪测量的是土工织物和其上方25mm范围内土样构成的整个体系的渗透系数，远大于土工织物淤堵层(即滤饼)加上土工织物的厚度，造成梯度比对土工织物淤堵的不敏感；(2)现有淤堵实验装置对土体饱和方法多适用于颗粒土，对于细粒土，特别是渗透系数较小的黏性土是不适用的，而土体的饱和程度直接影响渗流淤堵的效果；(3)不能直接测定土工织物滤层是否发生不容许的淤堵；(4)无法识别应力与渗流场耦合作用下土工织物滤层的反滤机理；(5)不能测定在法向应力状态下土—土工织物体系发挥反滤作用时的竖向位移变化。
考虑到土工织物在反滤工程的实际应用中，应力与渗流环境纷繁复杂，若采用现有的实验仪器不仅操作复杂、耗费时间，导致试样的状态偏离工程实际，还很难同时获得土工织物在上述条件下的反滤性能。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种土工织物反滤特性的测试装置及其测试方法，该装置可以模拟实际工程中土工织物的受力特性，同时可以直接量测土工织物在反滤过程中是否发生了不容许的淤堵及竖向位移变化，更好地反映实际工程应用中土工织物的反滤特性，从而能够提供更真实有效的测量数据。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种土工织物反滤特性测试装置，包括：
渗透淤堵室，所述渗透淤堵室内设有刚性多孔承压底板及刚性多孔承压顶板，所述刚性多孔承压底板与刚性多孔承压顶板之间装填土样，所述土样底部设置土工织物；
加压机构，设于所述渗透淤堵室上方的反力架上，用于对所述刚性多孔承压顶板施加压力，所述加压机构连接用于监测其位移的应变测量系统；
供水溢流机构，与设于所述渗透淤堵室上端的进水孔及底端的排水孔相连通，用于渗透淤堵试验时设定不同的水力梯度；
真空抽气饱和系统，与所述渗透淤堵室内部相连通，用于对所述渗透淤堵室抽真空饱和试样；测压机构，与设于所述渗透淤堵室侧壁的多个径向测压端口相连接，用于监测所述渗透淤堵室内部的水压力。
进一步地，所述渗透淤堵室包括设于基座上的下筒、设于所述下筒上部的上筒以及安装在所述上筒上端的顶盖，所述上筒与下筒内部相连通并可拆卸，所述顶盖上分别设置排气孔、进水孔和加压活塞孔，所述排气孔上设有止气球阀。
进一步地，所述的上筒和下筒均包括圆柱形筒体、法兰盘和O型密封圈，所述土工织物夹持在所述上筒和下筒之间的法兰盘环形凹槽与O型密封圈之间，所述顶盖、基座和相邻的法兰盘均设有周向的对应多个螺栓孔，顶盖、上筒、下筒和基座依次通过多个螺栓孔进行固定，螺栓孔与螺栓之间用密封圈密封。
进一步地，所述下筒内壁设置有固定放置刚性多孔承压底板的卡槽，所述上筒内壁上设置有放置刚性多孔承压顶板的卡槽。
进一步地，所述的刚性多孔承压底板上部设置洁净砾石或玻璃珠层。
进一步地，所述的测压端口分别布置于所述上筒和下筒的不同高处，其中两组端口径向对称分布，所述的测压端口选用不锈钢的直通接头。
进一步地，所述的加压机构包括气缸、加载杆、空压机、调压阀和气压表，
所述加压机构通过设于所述顶盖上的加压活塞孔中的加载杆向所述上筒内土样上方的刚性多孔顶板施加压力；
所述加压活塞孔上设置有气压表，所述调压阀设置在所述加压活塞孔与空压机之间的管道上，所述加载杆的上升下降通过手动换向阀控制，所述气缸的输出端配置有压力传感器实时显示数据。
进一步地，所述的供水溢流机构包括进水容器、出水容器和辅助进水容器，进、出水容器和辅助进水容器通过牵引装置连接，所述的牵引装置由定滑轮、牵引钢丝绳和摇动钢丝滚轮连接，通过摇动钢丝滚轮将进、出水容器上升至实验需要的高度，以设定不同的水力梯度。
进一步地，所述的测压机构包括测压面板、数根胶管和球阀，所述测压面板上安装有数根竖向测压玻璃管，测压玻璃管一侧贴有坐标纸，数根玻璃测压管的下端分别通过胶管与渗透淤堵室的多个径向测压端口一一连接。
进一步地，所述的真空抽气饱和系统包括真空表阀和真空泵，所述的应变测量系统包括差动变压器式位移传感器和数据显示器。
一种土工织物反滤特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)在刚性多孔底板上放置洁净砾石或玻璃珠用来模拟排水滤层，然后放置待测的土工织物，按照要求制备黏性土样，填至实验要求高度并分层击实至所需的密实度，整平试样，在试样的上方依次放置滤纸和刚性多孔顶板；
(2)启动真空饱和抽气系统，待真空表阀的读数达到设定负压值并保持，启动供水溢流机构，水流进入渗透淤堵室，待真空表阀的读数保持稳定、水流淹没黏性土试样时并上升一定高度停止进水，静置一定时间，待水持续从排气孔流出且无气泡时关闭排气管上的止水夹，完成渗透淤堵室的饱和过程；
(3)调节供水溢流机构，改变水位至试验要求的水力梯度；
(4)启动加压机构，控制其达到试验要求的各级恒压值均匀施压于试样上方，并通过应变测量系统记录不同法向应力作用下土—土工织物体系的竖向位移变化；
(5)在每一级法向应力水平下通过供水溢流机构设定不同的水力梯度，进行渗透淤堵试验，并记录各测压管的水位变化和排水孔的渗水量变化以及观察排水的浑浊程度，待淤堵过程结束，取出土工织物烘干测定其重量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明实验装置可直接量测土工织物滤层的淤堵情况，进而研究土工织物在不同应力状态与渗流作用下的淤堵特性。
2、本发明将渗透淤堵室分为上筒和下筒两部分，上筒中填充细粒土试样并进行真空抽气饱和及供水操作，上下筒之间放置土工织物，土工织物的下方即下筒中依次放置洁净砾石和刚性多孔底板，通过进水孔、排气孔、排水孔及真空抽气饱和系统对上筒中的试样进行抽气进水饱和，进而实现试样的高度饱和，避免了传统仪器对试样饱和不充分的问题；
3、通过顶盖上方反力架上的加压机构和位移测量装置实现对不同法向应力作用下土—土工织物系统的淤堵情况和竖向位移变化的监测，解决了传统仪器不能模拟土工织物在应力作用下的淤堵变化情况；
4、通过在土工织物处设置测压端口并与测压玻璃管连接，可直接测量土工织物的淤堵情况，解决传统仪器不能准确量测土工织物自身的淤堵问题。
5、设置了供水溢流机构，在每一级法向应力水平下通过供水溢流机构设定不同的水力梯度，进行应力与渗流耦合作用下的渗透淤堵试验。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为图1中渗透淤堵室的结构详图；
图3为图2中A-A截面测压端口结构剖面图；
附图标记说明：
1—渗透淤堵室，2—加压机构，3—测压机构，4—供水溢流机构，5—真空抽气饱和系统，6—应变量测系统，7—顶盖，8—上筒，9—下筒，10—基座，11—排气孔，12—进水孔，13—加压活塞孔，14—气缸，15—空压机，16—调压阀，17—气压表，18—手动换向阀，19—进水容器，20—出水容器，21—辅助进水容器，22—定滑轮，23—钢丝绳，24—摇动滚轮，25—真空表阀，26—真空泵，27—差动变压器式位移传感器，28—刚性多孔承压顶板，29—刚性多孔承压底板，30—土工织物，31—测压端口，32—测压面板，33—测压玻璃管，34—排水孔，35—法兰盘，36—螺栓孔，37—反力架，38—加载杆，39—土样，40—止气球阀，41—硅胶管，42—洁净砾石(或玻璃珠)，43—球阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明用于测试应力与渗流耦合作用下土工织物反滤特性的试验装置，包括：渗透淤堵室1、加压机构2、测压机构3、供水溢流机构4、真空抽气饱和系统5和应变测量系统6；
渗透淤堵室包括顶盖7、上筒8、下筒9和基座10，将上筒8放置于顶盖7和法兰盘35之间，通过螺栓将上筒8固定，关闭顶盖上排气孔11的止气球阀40，将进水孔12与供水溢流机构4中的进水容器19相连接；将下筒9按照上筒8的固定方法进行固定，将排水孔34与供水溢流机构4中的出水容器20相连接，将上筒8和下筒9侧壁上的各个测压端口31用硅胶管41、球阀43连接至测压机构3，如图3所示；将土工织物放置于法兰盘的环形凹槽内并安装O型橡胶圈垫层，土工织物的下方即下筒依次放置洁净砾石(或玻璃珠)42、刚性多孔底板29，上筒8和下筒9之间内部相连通并可拆卸，通过法兰盘35和螺栓将其加紧固定。
加压机构包括气缸14、空压机15、调压阀16、气压表17、加压活塞孔13，将加压活塞孔13与气压表17、调压阀16和空压机15相连接，关闭进水孔12上的止水夹，打开加压活塞孔13上的止气夹，启动空压机15提供气源的同时，通过调节调压阀16使气缸输出稳定压力，调节控制压力值至试验要求。
较佳地，顶盖7上设置有加压活塞孔13，采用骨架油封和橡皮泥实现加载杆与加压活塞孔的密封性，将加压机构2中的气缸固定于与基座连接的渗透淤堵室上方的反力架37上，与气缸连接的加载杆38穿过顶盖7上的加压活塞孔13向上筒8内土样上方的刚性多孔顶板28施加压力。
测压机构包括测压面板32和数根胶管41，测压面板32上安装有数根长度为1.2m的竖向测压玻璃管33，其内径应不小于3mm，测压玻璃管一侧贴有最小刻度为1mm的坐标纸，数根玻璃测压管的下端分别通过胶管、球阀与上、下筒侧壁上的多个径向测压端口31一一连接，测压端口处设置有滤层，滤层包括不锈钢丝网和纺织布，防止土样堵塞管口。
供水溢流机构4包括进水容器19、出水容器20和辅助进水容器21，供水溢流机构4中的三个容器共用一个机架，将进水容器19、出水容器20和辅助进水容器21通过定滑轮22与牵引钢丝绳23连接，通过摇动钢丝滚轮24将进、出水容器上升至实验需要的高度后固定。
较佳地，供水溢流机构4中的进水、出水容器都配有球阀、接头和溢流孔，保证常水头下的试验要求。
真空抽气饱和系统5包括真空表阀25和真空泵26，开启真空泵26进行抽气的同时，观察真空表示数，当负压达到试验要求时关闭气路中的球阀及关闭真空泵，进行保压，当渗透淤堵室处于渗流状态时及时关闭真空表阀。
应变测量系统包括差动变压器式位移传感器27(LVDT)和数据显示器。
具体操作方法及过程：如图1、图2所示，拆开渗透淤堵室中上筒和下筒之间的法兰盘，将下筒中的可移动刚性多孔底板移至下筒测压端口上方5mm位置，在刚性多孔底板上放置洁净砾石或玻璃珠用来模拟排水滤层，将下筒底部通过法兰盘与基座连接，拧紧两者之间的螺栓，在下筒与法兰盘之间的环形凹槽内放置待测的圆形土工织物(土工织物的直径略大于环形凹槽)，同时安放O型橡胶密封圈，取出上筒，按照要求制备粘性土样，填至实验要求高度并分层击实至所需的密实度，整平试样，在试样的上方依次放置滤纸和刚性多孔顶板，上下筒之间的固定方法与下筒固定方法相同，拧紧法兰盘上的螺栓，将装置平放，安装固定顶盖，拧紧螺栓，关闭进水孔上的进水阀、排水管上的排水阀和排气孔上的止气球阀，以及测压端口连接硅胶管处的球阀，启动真空饱和抽气系统，同时打开真空表阀和真空泵进行抽气饱和，待真空表阀的读数达到设定的负压值并保持，将排水管插入到供水溢流机构中盛有蒸馏水的出水容器，同时打开微调排水阀，控制进水的速度，水流缓慢进入渗透淤堵室而不扰动土样，待真空表阀的读数保持稳定和水流淹没黏性土试样并上升一定高度时，关闭排水阀停止进水，关闭真空表阀和真空泵，此时可以从进水孔注水并充满整个渗透淤堵室，打开与排气孔连接的排气管上的止水夹，静置一定时间，待水持续从排气孔流出且无气泡时关闭排气管上的止水夹，完成渗透淤堵室的饱和过程。
调节供水溢流机构中进水容器和出水容器的高度，改变水位至试验要求的水力梯度，当测压面板上测压玻璃管的读数稳定时，将进水容器保持常水头，打开排水孔阀门和各测压端口的球阀，使水流通过试样进行渗流淤堵过程，同时记录各测压管的水位变化和排水孔的渗水量变化以及观察排水的浑浊程度。
将加压活塞孔依次与气缸、气压表、调压阀和空压机相连接，通过手动换向阀调节加压活塞杆的上升或下降，同时启动空压机并调节调压阀，气缸输出端配有压力传感器，显示实时数据，控制其达到试验要求的各级恒压值均匀施压于试样上方。
较佳地，将差动变压器式位移传感器(LVDT)设置于渗透淤堵室顶盖上方并与加载杆相连，待渗透淤堵室试样上方所施加的压力稳定时，记录不同法向应力作用下土—土工织物体系的竖向位移变化；同时在每一级法向应力水平下通过供水溢流机构设定不同的水力梯度，进行渗透淤堵试验，记录各测压管的水位变化和排水孔的渗水量变化以及观察排水的浑浊程度，待淤堵过程结束，取出土工织物烘干测定其重量。
本发明测试装置能实现土—土工织物体系中细粒土试样的充分饱和问题。在上筒顶盖上除设置有进水孔、排气孔之外，还设置有真空表管口，上筒和下筒之间法兰盘所开设的环形凹槽内放置有O型密封圈，以确保渗透淤堵室的密封性，真空表管口由三通接头分别于真空表阀和真空泵连接，在进行抽气时开启真空泵、打开真空表阀并观察其示数，其余情况下关闭。
本发明测试装置较佳地避免了土工织物在渗流淤堵过程中的边界效应。通过下筒法兰盘环形凹槽内安放土工织物并放置O型密封圈，同时上下筒法兰盘安装时在螺栓连接处套上微型O型密封圈。
本发明测试装置较佳地实现了准确量测土工织物自身的淤堵问题。通过在靠近土工织物放置区域2～5mm范围内，上方开设径向测压端口，通过硅胶管、球阀与测压玻璃管连接，直接测量土工织物的淤堵情况。
本发明测试装置能够研究应力与渗流耦合作用下土—土工织物系统的淤堵变化情况和竖向位移变化的监测。通过加压机构施加不同的法向应力、供水溢流机构改变水力梯度的变化和应变测量系统来实现试验中应力与渗流的耦合作用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种土工织物反滤特性测试装置，其特征在于，包括：
渗透淤堵室(1)，所述渗透淤堵室(1)内设有刚性多孔承压底板(29)及刚性多孔承压顶板(28)，所述刚性多孔承压底板(29)与刚性多孔承压顶板(28)之间装填土样(39)，所述土样(39)底部设置土工织物(30)；
加压机构(2)，设于所述渗透淤堵室上方的反力架上，用于对所述刚性多孔承压顶板(28)施加压力，所述加压机构(2)连接用于监测其位移的应变测量系统(6)；
供水溢流机构(4)，与设于所述渗透淤堵室(1)上端的进水孔(12)及底端的排水孔(34)相连通，用于渗透淤堵试验时设定不同的水力梯度；
真空抽气饱和系统(5)，与所述渗透淤堵室(1)内部相连通，用于对所述渗透淤堵室(1)抽真空；及
测压机构(3)，与设于所述渗透淤堵室(1)侧壁的多个径向测压端口(31)相连接，用于监测所述渗透淤堵室(1)内部的水压力。
2.根据权利要求1所述的一种土工织物反滤特性测试装置，其特征在于，所述渗透淤堵室(1)包括设于基座(10)上的下筒(9)、设于所述下筒(9)上部的上筒(8)以及安装在所述上筒(8)上端的顶盖(7)，所述上筒(8)与下筒(9)内部相连通并可拆卸，所述顶盖(7)上分别设置排气孔(11)、进水孔(12)和加压活塞孔(13)，所述排气孔(11)上设有止气球阀(40)。
3.根据权利要求2所述的一种土工织物反滤特性测试装置，其特征在于，所述的上筒(8)和下筒(9)均包括圆柱形筒体、法兰盘和O型密封圈，所述土工织物(30)夹持在所述上筒(8)和下筒(9)之间的法兰盘环形凹槽与O型密封圈之间。
4.根据权利要求3所述的一种土工织物反滤特性测试装置，其特征在于，所述下筒(9)内壁设置有固定放置刚性多孔承压底板的卡槽，所述上筒(8)内壁上设置有放置刚性多孔承压顶板的卡槽。
5.根据权利要求2所述的一种土工织物反滤特性测试装置，其特征在于，所述的刚性多孔承压底板上部设置洁净砾石或玻璃珠层。
6.根据权利要求2所述的一种土工织物反滤特性测试装置，其特征在于，所述的测压端口(31)分别布置于所述上筒(8)和下筒(9)的不同高处，其中两组端口径向对称分布，所述的测压端口选用不锈钢的直通接头。
7.根据权利要求2所述的一种土工织物反滤特性测试装置，其特征在于，所述的加压机构(2)包括气缸(14)、加载杆、空压机(15)、调压阀(16)和气压表(17)，
所述加压机构(2)通过设于所述顶盖(7)上的加压活塞孔(13)中的加载杆(38)向所述上筒(8)内土样(39)上方的刚性多孔顶板(28)施加压力；
所述加压活塞孔(13)上设置有气压表(17)，所述调压阀(16)设置在所述加压活塞孔(13)与空压机(15)之间的管道上，所述加载杆的上升下降通过手动换向阀(18)控制，所述气缸(14)的输出端配置有压力传感器实时显示数据。
8.根据权利要求2所述的一种土工织物反滤特性测试装置，其特征在于，所述的供水溢流机构(4)包括进水容器(19)、出水容器(20)和辅助进水容器(21)，进、出水容器和辅助进水容器通过牵引装置连接，所述的牵引装置由定滑轮(22)、牵引钢丝绳(23)和摇动钢丝滚轮(24)连接，通过摇动钢丝滚轮(24)将进、出水容器上升至实验需要的高度，以设定不同的水力梯度。
9.根据权利要求2所述的一种土工织物反滤特性测试装置，其特征在于，所述的测压机构(3)包括测压面板(32)、数根胶管(41)和球阀(43)，所述测压面板(32)上安装有数根竖向测压玻璃管(33)，测压玻璃管(33)一侧贴有坐标纸，数根玻璃测压管的下端分别通过胶管与渗透淤堵室(1)的多个径向测压端口(31)一一连接；
所述的真空抽气饱和系统(5)包括真空表阀(25)和真空泵(26)，所述的应变测量系统(6)包括差动变压器式位移传感器(27)和数据显示器。
10.如权利要求1所述的一种土工织物反滤特性测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在刚性多孔底板上放置洁净砾石或玻璃珠用来模拟排水滤层，然后放置待测的土工织物，按照要求制备黏性土样，填至实验要求高度并分层击实至所需的密实度，整平试样，在试样的上方依次放置滤纸和刚性多孔顶板；
(2)启动真空饱和抽气系统，待真空表阀的读数达到设定负压值并保持，启动供水溢流机构，水流进入渗透淤堵室，待真空表阀的读数保持稳定、水流淹没黏性土试样时并上升一定高度停止进水，静置一定时间，待水持续从排气孔流出且无气泡时关闭排气管上的止水夹，完成渗透淤堵室的饱和过程；
(3)调节供水溢流机构，改变水位至试验要求的水力梯度；
(4)启动加压机构，控制其达到试验要求的各级恒压值均匀施压于试样上方，并通过应变测量系统记录不同法向应力作用下土—土工织物体系的竖向位移变化；
(5)在每一级法向应力水平下通过供水溢流机构设定不同的水力梯度，进行渗透淤堵试验，并记录各测压管的水位变化和排水孔的渗水量变化以及观察排水的浑浊程度，待淤堵过程结束，取出土工织物烘干测定其重量。
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