CN203414389U - 管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，包括外套筒和内套筒，外套筒的一段内壁上设有内套筒，内套筒内设有透水混凝土试件，内套筒和透水混凝土试件的上方设有管涌土试件，管涌土试件上方的外套筒上设有溢水口，透水混凝土试件下方的外套筒上设有排水管，排水管的末端与水平面垂直；排水管末端设有电磁流量计；透水混凝土试件上方和下方上均设有压力表预留孔，透水性混凝土试件的上下两端各设有铁丝网。本实用新型通过测试透水性混凝土试件渗透系数以及饱水试件电阻率的变化对透水性混凝土桩堵塞全过程进行模拟，为研究管涌土中透水性混凝土桩的堵塞机理奠定基础。

Description

管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种管涌土地基中透水性混凝土桩堵塞试验装置，属于土木工程领域。 

背景技术

管涌是指在渗流水的作用下，填充在土体骨架空隙中的细颗粒被渗水带走并形成渗流渠道的地质现象，其主要发生在无粘性土土层。插入管涌土中的透水性混凝土桩在管涌现象发生时，土体中的细颗粒很有可能堵塞透水性混凝土桩，使得透水性混凝土桩失效，因此研究管涌土中透水性混凝土桩的堵塞机理是非常有必要的。但目前缺乏管涌土中透水性混凝土桩堵塞试验模拟装置。 

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，通过测试透水性混凝土试件渗透系数以及饱水试件电阻率的变化对透水性混凝土桩堵塞全过程进行模拟，为研究管涌土中透水性混凝土桩的堵塞机理奠定基础。 

本实用新型涉及的技术目的有：建立管涌土中透水性混凝土桩堵塞试验模拟装置以及确定模拟试验方法与步骤。 

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。 

一种管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，包括外套筒和内套筒，所述外套筒的一段内壁上设有内套筒，所述内套筒内设有透水混凝土试件，所述内套筒和透水混凝土试件的上方设有管涌土试件，所述管涌土试件上方的外套筒上设有溢水口，透水混凝土试件下方的外套筒上设有排水管，所述排水管的末端与水平面垂直；所述排水管末端设有电磁流量计来测量流量；所述透水混凝土试件上方和下方上均设有压力表预留孔，用于连接加压力表，测量试件上下两侧压力差，所述透水性混凝土试件的上下两端各设有一张铁丝网。 

作为本实用新型的进一步改进，所述外套筒分为上套筒和下套筒，上套筒与其下方的下套筒可拆卸连接，排水管设置在下套筒上。 

所述下套筒和上套筒的交界处设有凸起，内套筒位于该凸起上。 

所述排水管的末端还与高度可调的塑料管连接，塑料管用于测量不同排水高度下管涌土对透水性混凝土的堵塞情况。 

所述排水管上设有阀门。 

所述透水混凝土试件和内套筒之间还设有橡胶套。 

所述管涌土试件和外套筒之间还设有橡胶套。 

所述透水混凝土试件、管涌土试件均为圆柱形。 

本实用新型的原理为：管涌是指在渗流水的作用下，填充在土体骨架空隙中的细颗粒被渗水带走并形成渗流渠道的地质现象，在管涌现象发生时，管涌土地基中的透水性混凝土桩的空隙会被管涌土颗粒堵塞。为了模拟整个堵塞过程，实用新型了如图1所示的实验装置。实验时在套筒中上侧放置管涌土试件，下侧放置透水性混凝土试件。用溢水口与排水口控制渗流水的水头差以模拟不同渗流情况下管涌土的管涌现象。管涌土颗粒在渗流水的带动下会堵塞于放置在管涌土试件下方的透水性混凝土试件内，通过观测透水性混凝土试件的渗透系数及电阻率的变化，可以确定透水性混凝土试件的堵塞情况。 

1、透水性混凝土试件孔隙率的测定： 

采用量体积法测定透水性混凝土试件孔隙率，用游标卡尺量取试件的直径和高度，按照式（1）计算孔隙率： 

$n_e=(1-\frac{m_2-m_1}{v{\mathrm{\ρ}}_w})\×100---\left(1\right)$

式中：n_e——试件孔隙率，%； 

m₁——试件浸水24小时后在水中测得的质量，g； 

m₂——试件从水中取出后在的60℃烘箱内烘24小时后的质量，g； 

v——体积法测出的试件体积，cm³； 

ρ_w——水的密度，g/cm³。 

2、透水性混凝土试件渗透系数的确定： 

实验时通过读取在线纪录的渗流出水管上的电磁流量计的流量，取曲线平稳时的Q值。 

根据压力表读取的在线纪录的试件上表面及下表面的压力，由式（2）确定水力坡度J： 

$J=\frac{h_w}{l}=\frac{h_1-h_2}{l}---\left(2\right)$

式中：h₁和h₂—透水性混凝土试件上下表面压力； 

h_w—流经试件后的水头损失； 

l—试件高度。 

求出水力坡度后可根据式（3）达西定律求出试件的渗透系数k。 

$k=\frac{Q}{\mathrm{AJ}}---\left(3\right)$

式中：A—试件横截面积。 

3、电阻率的确定： 

通过观测透水性混凝土饱水试件贯通空隙的电阻率变化过程，可以判定透水性混凝土试件的堵塞情况，电阻率越高表明试件的贯通空隙越少进而说明堵塞于透水性混凝土试件内的土颗粒越多。为了测得电阻率变化过程，实验时加入可导电的NaCl溶液，并在透水性混凝土试件上下两端各加一张铁丝网，连接电源和可以测量有效功率和视在功率的数字万用表，实验过程中，给透水性混凝土试件上下两侧通交流电压U，利用该万用表可测得通过试件的电流I。最终利用式（4）可求得试件电阻R。 

R=U/I            （4） 

在求得电阻R后可利用电阻率计算公式（5）求得试件的电阻率λ。 

λ=RA/l            （5） 

实验过程中由于砂子不断堵塞透水性混凝土试件，堵塞过程中试件的孔隙率逐渐减小，导致测得的电阻率不断增大。 

4、透水性混凝土试件高度的确定： 

透水性混凝土桩采用空心圆壁桩，则透水性混凝土试件的高度为透水性混凝土桩的壁厚。 

5、管涌土试件高度的确定： 

透水性混凝土桩插入管涌土中，若桩按正方形布置，其布置如图2（a）所示。根据规范，桩间距宜取3—5倍桩径。则一根桩分担的地基处理面积的等效圆直径按式（6）计算，如图2（b）所示。 

d_e＝1.13s            （6） 

式中：d_e—单桩等效影响圆直径； 

s—桩间距。 

由上式可知，实验时，液化土的高度h_s按式（7）确定。、 

$h_s=\frac{d_e-d}{2}---\left(7\right)$

式中：d—桩径。 

若桩按三角形布置，其布置如图3（a）所示。则一根桩分担的地基处理面积的等效圆直径按式（7）计算，如图3（b）所示。 

d_e＝1.05s            （7） 

式中：d_e—单桩等效影响圆直径； 

s—桩间距。 

由上式可知，实验时，液化土的高度h_s按式（9）确定。、 

$h_s=\frac{d_e-d}{2}---\left(9\right)$

式中：d—桩径。 

本实用新型还提供了一种管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验方法，包括如下步骤： 

（1）制作透水性混凝土试件及管涌土试件。 

（2）测定透水性混凝土试件的孔隙率：将透水性混凝土试件两端分别切去一部分，以消除试件上下表面振捣不均匀产生的影响，并测得切去后的试件高度。用体积法测出透水性混凝土试件的孔隙率。 

（3）测定透水性混凝土试件的渗透系数： 

1）根据透水性混凝土试件直径，计算出透水性混凝土试件横截面积A。 

2）将透水性混凝土试件放入NaCl溶液中浸泡一定时间，保证所有连通的孔隙都能浸透。 

3）将透水性混凝土试件取出，擦干表面并在侧面涂抹黄油，然后敷以柔性橡胶垫层，安装在有机玻璃内套筒处。将上下两段套筒用法兰连接，法兰处加橡胶垫。 

4)关闭出水口阀门，打开进水口阀门，向外套筒开始缓慢注水，水流自上而下灌满整个外套筒，且溢水口开始溢流；打开出水口阀门，使水渗流一段时间，待水流稳定且气泡排净后开始测试。 

5)读取在线纪录的排水管上的电磁流量计的流量，取曲线平稳时的Q值。根据在线纪录的透水性混凝土试件上、下表面的压力之差确定水力坡度J。 

6）利用达西定律求渗透系数k。 

（4）管涌土堵塞试验 

1）在渗透系数测定后，将制作好的管涌土试件侧壁包裹上柔性橡胶垫层后，放入外套筒中，保持进水流量不变； 

2）观察在线纪录的排水管的流量，待流量Q₁稳定后，利用达西定律，求堵塞后的透水混凝土试件的渗透系数k₁。 

（5）试件堵塞过程中电阻率变化试验 

同时给透水混凝土试件上下表面通交流电压U，并通过在线记录的万用表测量通过试件上下表面的电流I，利用R=U/I，得到试件电阻R，计算出相应的电阻率λ。 

在加入管涌土试件后，观察试件的电阻率会发现由于管涌现象堵塞试件联通孔隙而使电阻率增大。 

仅改变下面试验参数中的某一个，研究相应参数对透水混凝土试件的抗堵塞能力的影响。这些参数包括：透水性混凝土试件孔隙率、管涌土的级配、和排水管的排水高度等。 

通过上述实验，可得到透水性混凝土试件被管涌土堵塞全过程中渗透系数的变化，电阻率的变化2个指标。通过分析这2个指标的变化，可以研究透水性混凝土路面的堵塞规律。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型为管涌土中透水性混凝土桩的堵塞机理研究提供了一种科学的研究方法和相关设备，实现了管涌土中透水性混凝土桩堵塞全过程的模拟，通过测量不同排水高度下管涌土对透水性混凝土的堵塞情况，可得到透水性混凝土堵塞全过程中渗透系数及电阻率的变化。实验设备结构简单，测量结果准确有效，为研究透水性混凝土桩的堵塞机理奠定了基础。 

附图说明

图1管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置图。 

图2正方形布桩图。 

图3三角形布桩图。 

图4砂样级配曲线图。 

图5是A、B两组试件电阻率变化图。 

其中，1、外套筒；2、内套筒；3、透水混凝土试件；4、管涌土试件；5、溢水口；6、排水管；7、电磁流量计；8、压力表预留孔；9、铁丝网；10、塑料管；11、阀门；12、橡胶套。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。 

如图1所示，一种管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，包括外套筒1和内套筒2，所述外套筒1的一段内壁上设有内套筒2，所述内套筒2内设有透水混凝土试件3，所述内套筒2和透水混凝土试件3的上方设有管涌土试件4，所述管涌土试件4上方的外套筒1上设有溢水口5，透水混凝土试件3下方的外套筒1上设有排水管6，所述排水管6的末端与水平面垂直；所述排水管6末端设有电磁流量计7来测量流量；所述透水混凝土试件3上方 和下方上均设有压力表预留孔8，用于连接加压力表，测量透水混凝土试件3上下两侧压力差，所述透水性混凝土试件3的上下两端各设有铁丝网9。 

所述排水管6的末端还与高度可调的塑料管10连接，塑料管10用于测量不同排水高度下管涌土对透水性混凝土的堵塞情况。 

所述排水管上设有阀门11。 

所述透水混凝土试件3和内套筒2之间还设有橡胶套12。 

本次试验的管涌土样选用了四种砂样进行组合：5-10mm粒径砂、2-5mm粒径砂、0.5-1mm粒径砂、中国ISOA标准砂（0.075-2mm）。其参数见表1，级配曲线见图4。 

表1砂样参数表 

试验时制作A、B两组试件，A组试件用5-10mm粒径砂、0.5-1mm粒径砂、中国ISOA标准砂三种砂制作，其用量的比例为4:1:1。B组试件用2-5mm粒径砂、0.5-1mm粒径砂、中国ISOA标准砂三种砂制作，其用量比列为4:1:1。两组试件质量相同，将称量好的砂样混合均匀后制作试件。 

透水性混凝土试件采用济南产山水牌的42.5的普通硅酸盐水泥，聚氨基类高效减水剂，以粒径为10-20mm、5-10mm、2.5-5mm等的碎石作为粗骨料用一般洁净自来水作为拌合水制作。采用经验-体积法确定材料的配合比，根据经验水灰比取0.3，目标孔隙率20%，通过试验确定强度和透水性均能满足要求的最佳配合比。制作出条件一样，孔隙比相同的一组试件，试件高度为100mm，直径为100mm。实验时将透水性混凝土试件两端分别切去5mm，以消除试件上下表面振捣不均匀产生的影响，所以试件的最终高度为90mm。 

取桩距为4倍桩径，实验时按正方形布桩，管涌土试件的直径为100mm，高度为透水性混凝土试件的1.76倍，即为158.4mm。 

实验时，取排水管上可变高度的塑料管的高度为50mm。完成实验后观测两组试件的电阻率的变化，其结果如图5所示。 

由图5可知，A、B两组试件的电阻率均随着时间的增长逐渐上升，说明在实验过程中， 不断有砂粒堵塞与混凝土试件中，A组试件的电阻率大于B组，原因是A组试件大粒径砂含量较多，细颗粒容易流失堵塞于透水性混凝土试件中。 

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。 

Claims (8)

1.管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，其特征是，包括外套筒和内套筒，所述外套筒的一段内壁上设有内套筒，所述内套筒内设有透水混凝土试件，所述内套筒和透水混凝土试件的上方设有管涌土试件，所述管涌土试件上方的外套筒上设有溢水口，透水混凝土试件下方的外套筒上设有排水管，所述排水管的末端与水平面垂直；所述排水管末端设有电磁流量计；所述透水混凝土试件上方和下方上均设有压力表预留孔，所述透水性混凝土试件的上下两端各设有铁丝网。

2.如权利要求1所述的管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，其特征是，所述外套筒分为上套筒和下套筒，上套筒与其下方的下套筒可拆卸连接，排水管设置在下套筒上。

3.如权利要求2所述的管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，其特征是，所述下套筒和上套筒的交界处设有凸起，内套筒位于该凸起上。

4.如权利要求1所述的管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，其特征是，所述排水管的末端还与高度可调的塑料管连接。

5.如权利要求1所述的管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，其特征是，所述透水混凝土试件和内套筒之间还设有橡胶套。

6.如权利要求1所述的管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，其特征是，所述管涌土试件和外套筒之间还设有橡胶套。

7.如权利要求1所述的管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，其特征是，所述透水混凝土试件、管涌土试件均为圆柱形。

8.如权利要求1所述的管涌土地基中透水性混凝桩堵塞试验装置，其特征是，所述排水管上设有阀门。

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