CN212432918U - 一种用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器 - Google Patents

Abstract

一种用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，包括透水量测量装置和全自动三轴仪，其特征在于，透水量测量装置包括带有双孔橡胶塞的广口瓶，有机弯径玻璃管和有机直径玻璃管分别紧插入双孔橡胶塞的两个孔中，有机直径玻璃管露于广口瓶外的一端端口设置有疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜，有机弯径玻璃管露于广口瓶外的一端端口通过带有止水夹的橡胶管与全自动三轴仪的出水管连接。本发明还提供了利用该仪器的测试方法，基于柔性壁常水头法开展土样渗透性试验，计算试样的渗透系数，可得到某一控制温度条件下不同应变状态时土样的渗透系数。通过本发明，可开展不同应力应变状态下土样的渗透性理论与应用研究。

Description

一种用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器。

背景技术

土体应力应变状态和渗透特征是进行边坡防护、基坑开挖和隧道挖掘等一系列土方工程所应考虑的重要影响因素，但现阶段学者们大多是将土体应力应变状态和渗透特征孤立研究，很少考虑两者的耦合作用。已有研究表明，当土体受地震灾害或人为扰动后，土体的应力应变状态发生了变化，这种变化会对土体的原生裂隙和新生裂隙产生不同程度的影响，当土体发生渗流时，渗流路径随着裂隙的变化而变化，使土体的渗透性也会随之改变。同时，当土体处于渗流状态时，土体内部的孔隙水压会发生变化，也会对土体的应力应变产生影响。但现阶段，关于土体应力应变状态和渗透特征的耦合作用研究少，并且没有可供参考使用的测试方法及测试仪器，所以深入了解土体应力应变关系与渗透特征的耦合作用，对于进行一系列土方工程具有重要的指导意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，以提出研究土体应力应变关系与渗透特征耦合作用的可行试验方法。本发明测试不同应变状态下土渗透系数的仪器可以实现：(1)采用柔性壁常水头法对试样渗透系数的进行测量，相较于常用的刚性壁法在精确度上有一定提高；(2)可以测量不同应变下的试样渗透系数，探究不同应变对试样渗透性能的影响；(3)可以模拟实际工程，考虑围压影响，测量试样受压后产生应变的渗透系数，探究应变与围压对试样渗透性能的交互影响；(4)在原有全自动三轴仪基础上只增加透水量测量装置，操作简便，价格低廉。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，包括透水量测量装置和全自动三轴仪，其特征在于，所述透水量测量装置包括带有双孔橡胶塞19的广口瓶21，有机弯径玻璃管22和有机直径玻璃管23分别紧插入双孔橡胶塞19的两个孔中，有机直径玻璃管23露于广口瓶21外的一端端口设置有疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜20，有机弯径玻璃管22露于广口瓶21外的一端端口通过带有止水夹17的橡胶管18与全自动三轴仪的出水管3连接。

所述广口瓶21为白色玻璃大口瓶，口内径51mm，底部直径102mm，全高210mm，容积为1000mL。

所述双孔橡胶塞19分为圆柱状底部和圆台状上部，圆柱状底部直径55mm，高5mm，圆台状上部的底面直径55mm，顶面直径48mm，高15mm，双孔橡胶塞19两孔孔径均为7mm，两孔圆心相距22mm，两孔圆心连线的中点通过双孔橡胶塞19的轴线，双孔橡胶塞19紧塞于广口瓶21瓶口，有机弯径玻璃管22和有机直径玻璃管23均与双孔橡胶塞19紧密贴合。

所述有机弯径玻璃管22内径为6mm，外径为8mm，内角角度为100°，两边长度分别为120mm和200mm。

所述有机直径玻璃管23内径为6mm，外径为8mm，长度为10mm。

所述疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜20为圆片状，直径为12mm，用普通橡胶绳绑扎并紧围裹于有机直径玻璃管23露于广口瓶21外的一端端口。

本发明还提供了用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器的测试方法，步骤如下：

步骤(1)，在仪器自重平衡调节完成后，先进行零应变状态下，即ε₀＝0时试样渗透系数K₀的测量，打开全自动三轴仪的三轴试验数据采集系统界面，逐项输入试验条件，温度控制器应使试验温度稳定在20±1℃，选定所需施加的围压，待围压达到预设值并稳定后，施加渗透压P，通过控制试样帽加压头的压力达到施加渗透水头的目的；

步骤(2)，待出水管(3)充满水后，暂停试验，夹紧止水夹(17)，并标定所夹位置，排净透水量测量装置中的水，对透水量测量装置用电子秤(26)进行称重，记为W₁，随后重新组装出水口与透水量测量装置，继续进行渗透试验，在渗透过程中，打开止水夹(17)，经过时间t后，先将止水夹(17)夹在原先标定的位置，随后暂停试验，对透水量测量装置用电子秤(26)进行称重，记为W₂，零应变状态下试样渗透系数K₀的测量结束；

步骤(3)，将预设的剪切速率输入三轴试验数据采集系统中，随后对试样进行剪切，观察三轴试验数据采集系统界面，当剪切位移量示数等于试样预设轴向形变量时，迅速停止剪切，待试样变形逐渐稳定不变后记录剪切位移量示数，剪切位移量前后之差则为试样实际轴向形变量，依据轴向形变量和试样轴向原高度之比，得到试样此时的轴向应变ε₁；

步骤(4)，重复步骤(1)和步骤(2)，测量轴向应变ε₁状态下试样的渗透系数K₁；

按步骤(3)和步骤(4)进行轴向应变为ε₂、ε₃、…、ε_n状态下试样的渗透系数，当做完试样最后一级轴向应变ε_n的渗透试验后，停止试验，拆卸试样，关闭仪器，试验结束，其中0<ε₁<ε₂<ε₃<…<ε_n，n为预设的第n级试样轴向形变量，即最后一级形变量；

渗透系数采用如下公式进行计算：

K_i为试样在温度为20℃、轴向应变为ε_i时的渗透系数，W₁和W₂分别为渗透试验前和渗透试验后透水量测量装置的重量，H为试样的初始高度，ε_i为试样的轴向应变，A为试样的截面面积，P为渗透压，t为渗透试验所进行的时间，ρ₂₀为温度控制器(16)调控水温为20℃时水的密度。

本发明中，试样可与全自动三轴仪所用试样的规格一致，在进行测试不同应变状态下土渗透系数前，试样的制备、饱和、安装和仪器自重平衡均与饱和土全自动三轴应力应变试验步骤一致。

所述反压的大小宜小于围压20kPa，剪切速率为0.02mm/min-0.05mm/min。

与现有技术相比，本发明利用了现有全自动三轴仪，只增加了透水量测量装置，方便了实验人员，同时操作简便，节约了对新试验仪器操作规范的学习。制作透水量测量装置费用较低，且不破坏原试验仪器的零件，渗透试验结束后，还可进行正常的三轴剪切试验。同时测量透水量的精度较高，在采用柔性壁常水头法的基础上，更进一步的提升了测量试样渗透系数的精度。由于三轴仪压力室的存在，还可对试样进行不同侧限条件下渗透系数的测量，极大的提高了该仪器的用途，同时价格经济。

附图说明

图1是全自动三轴仪示意图。

图2是本发明可准确测量透水量的测量装置示意图。

图3是有机弯径玻璃管19的示意图。

图4是图3中A-A剖面图。

图5是有机直径玻璃管20的示意图。

图6是图5中B-B剖面图。

图7是广口瓶21的示意图。

图8是双孔橡胶塞22的示意图。

图9是图8中C-C剖面图。

图10是图8中D-D剖面图。

图11是疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜23的示意图。

附图中均标注了相关建议优选尺寸(单位：1mm)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，主要包括透水量测量装置和全自动三轴仪两大部分。

请参阅图1，为全自动三轴仪的示意图，其为现有设备，主要包括手动控制端1；承台2；出水管3；反压底座4；反压加压头5；压力室6；试样帽加压头7；立柱8；轴向荷载传感器9；横梁10；透水石11；加压水管12；压力室底座13；轴向位移传感器14；反压进水管15；温度控制器16；数据采集器24；笔记本电脑25；电子秤26。

请参阅图2，本发明在图1基础上设计加了一个透水量测量装置，包括止水夹17；橡胶管18；双孔橡胶塞19；疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜20；1000ml广口瓶21；有机弯径玻璃管22；有机直径玻璃管23。

有机弯径玻璃管22和有机直径玻璃管23分别紧插入双孔橡胶塞19的两个孔中，有机直径玻璃管23露于广口瓶21外的一端端口设置有疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜20，有机弯径玻璃管22露于广口瓶21外的一端端口通过带有止水夹17的橡胶管18与全自动三轴仪的出水管3连接。

请参阅图3和图4所示，对有机弯径玻璃管22进行设计。材质采用有机玻璃，其内径为6mm，外径为8mm，内角角度为100°，两边长度分别为120mm和200mm。100°的内角设置可让出水管中的水顺畅的流入广口瓶21中，减少透水量质量测量的误差。

请参阅图5和图6所示，对有机直径玻璃管23进行设计。材质采用有机玻璃，其内径为6mm，外径为8mm，长度为10mm。设置一支与大气相通的玻璃管，可平衡内外大气压，使有机弯径玻璃管22留出的水能够顺畅滴入广口瓶21中。

请参阅图7所示，对广口瓶21进行设计。其为白色玻璃大口瓶，口内径51mm，底部直径102mm，全高210mm，容积1000mL为市面通用广口瓶，便于购买，价格低廉。

请参阅图8、图9和图10所示，对双孔橡胶塞19进行设计。双孔橡胶塞19分为圆柱状底部和圆台状上部，圆柱状底部直径55mm，高5mm，圆台状上部的底面直径55mm，顶面直径48mm，高15mm，双孔橡胶塞19孔径为7mm，两孔径圆心相距22mm，两孔径圆心连线的中点通过双孔橡胶塞19的轴线。双孔橡胶塞19圆台状上部的设置，可使得广口瓶21的口内径与圆台状上部某一横截面相吻合，从而使其可紧塞于瓶口；双孔橡胶塞19的孔径设置为7mm，小于有机玻璃管的外径8mm，这一孔径差可使有机弯径玻璃管22和有机直径玻璃管23与双孔橡胶塞19紧密贴合。

请参阅图11所示，对疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜20进行设计。其为圆片状，直径为12mm，用普通橡胶绳绑扎并紧围裹于有机直径玻璃管23露于广口瓶21外的一端端口。在将有机弯径玻璃管22和有机直径玻璃管23紧插于双孔橡胶塞19、双孔橡胶塞19紧塞于广口瓶21后，再将疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜20用普通橡胶绳绑扎并紧围裹于有机直径玻璃管23露于广口瓶21外的一端端口。由于疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜20透气不透水的性质，该设计减少了渗透流出水的流失，同时平衡了透水测量装置内外大气压，使得渗透流出水能从出水口3流入广口瓶21中，极大的提升了渗透流出水质量测量的准确性。

因本实用新型是在原有全自动三轴仪基础上增加了一个透水量测量装置，故在进行测试不同应变状态下土渗透系数试验前，试样的规格、制备与饱和土全自动三轴应力应变试验一致。试样的饱和采用抽气饱和法。随后对全自动三轴仪各部分进行全面检查，周围压力系统、反压力系统、轴向压力系统是否能正常工作，排水管路是否通畅，管路阀门连接处有无漏水漏气现象。乳胶膜是否有漏水漏气现象。检查完毕后，拆开压力室6的有机玻璃罩子，进行装样，装样结束后，点击手动控制端1的功能键使容器底座上升，轴向各部位大致接触，然后进行压力室6的注水，随后进行仪器自重平衡。透水量测量装置的组装按照图2所示进行。

仪器自重平衡调节和透水量测量装置组装完成后，先进行零轴向应变状态下试样渗透系数K₀的测量，步骤如下：

步骤(1)，在仪器自重平衡调节完成后，先进行零应变状态下，即ε₀＝0时试样渗透系数K₀的测量。打开全自动三轴仪的三轴试验数据采集系统界面，逐项输入试验条件，温度控制器应使试验温度稳定在20±1℃，选定所需施加的围压，待围压达到预设值并稳定后，施加渗透压P，通过控制试样帽加压头的压力达到施加渗透水头的目的；

步骤(2)，待出水管(3)充满水后，暂停试验，夹紧止水夹(17)，并标定所夹位置，排净透水量测量装置中的水，对透水量测量装置用电子秤(26)进行称重，记为W₁，随后重新组装出水口与透水量测量装置，继续进行渗透试验，在渗透过程中，打开止水夹(17)，经过时间t后，先将止水夹(17)夹在原先标定的位置，随后暂停试验，对透水量测量装置用电子秤(26)进行称重，记为W₂，则零应变状态下试样渗透系数K₀的测量结束；

步骤(3)，将预设的剪切速率输入三轴试验数据采集系统中，随后对试样进行剪切，观察三轴试验数据采集系统界面，当剪切位移量示数等于试样预设轴向形变量时，迅速停止剪切，待试样变形逐渐稳定不变后记录剪切位移量示数，剪切位移量前后之差则为试样实际轴向形变量，依据轴向形变量和试样轴向原高度之比，可得试样此时的轴向应变ε₁；

步骤(4)，重复步骤(1)和步骤(2)，测量轴向应变ε₁状态下试样的渗透系数K₁；

按步骤(3)和步骤(4)进行轴向应变为ε₂、ε₃、…ε_n状态下试样的渗透系数，当做完试样最后一级轴向应变ε_n的渗透试验后，停止试验，拆卸试样，关闭仪器，试验结束。其中0<ε₁<ε₂<ε₃<…<ε_n(n为预设的第n级试样轴向形变量，即最后一级形变量)。

试样的渗透系数K_i(i＝0,1,2,3...)采用如下公式进行计算：

K_i：试样在温度为20℃、轴向应变为ε_i时的渗透系数，单位：cm/s；

W₁、W₂：渗透试验前和渗透试验后，透水量测量装置的重量，单位：g；

H：试样的初始高度，单位：cm；

ε_i：试样的轴向应变；

A:试样的截面面积，单位：cm²；

P：渗透试验所施加的反压，单位：kPa；

t：渗透试验所进行的时间，单位：s；

ρ₂₀：温度控制器(16)调控水温为20℃时水的密度。单位：g/cm³。

综上，本发明通过增加设置一个透水量测量装置。按照步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)进行操作，并采用公式：

计算渗透系数，可得到试样在温度为20℃、轴向应变为ε_i时的渗透系数。本发明采用柔性壁常水头法对试样渗透系数进行测量，并且设计增加的透水量测量装置可提升测量透水量的精确度，从而提高了试样渗透系数测试的准确性，本发明可用于测试不同应变状态下土渗透系数，研究不同应力应变状态下土样的渗透性。

Claims (6)

1.一种用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，包括透水量测量装置和全自动三轴仪，其特征在于，所述透水量测量装置包括带有双孔橡胶塞(19)的广口瓶(21)，有机弯径玻璃管(22)和有机直径玻璃管(23)分别紧插入双孔橡胶塞(19)的两个孔中，有机直径玻璃管(23)露于广口瓶(21)外的一端端口设置有疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜(20)，有机弯径玻璃管(22)露于广口瓶(21)外的一端端口通过带有止水夹(17)的橡胶管(18)与全自动三轴仪的出水管(3)连接。

2.根据权利要求1所述用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，其特征在于，所述广口瓶(21)为白色玻璃大口瓶，口内径51mm，底部直径102mm，全高210mm，容积为1000mL。

3.根据权利要求1所述用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，其特征在于，所述双孔橡胶塞(19)分为圆柱状底部和圆台状上部，圆柱状底部直径55mm，高5mm，圆台状上部的底面直径55mm，顶面直径48mm，高15mm，双孔橡胶塞(19)两孔孔径均为7mm，两孔圆心相距22mm，两孔圆心连线的中点通过双孔橡胶塞(19)的轴线，双孔橡胶塞(19)紧塞于广口瓶(21)瓶口，有机弯径玻璃管(22)和有机直径玻璃管(23)均与双孔橡胶塞(19)紧密贴合。

4.根据权利要求1所述用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，其特征在于，所述有机弯径玻璃管(22)内径为6mm，外径为8mm，内角角度为100°，两边长度分别为120mm和200mm。

5.根据权利要求1所述用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，其特征在于，所述有机直径玻璃管(23)内径为6mm，外径为8mm，长度为10mm。

6.根据权利要求1所述用于测试不同应变状态下土渗透系数的仪器，其特征在于，所述疏水PVDF聚偏氟乙烯气体过滤膜(20)为圆片状，直径为12mm，用普通橡胶绳绑扎并紧围裹于有机直径玻璃管(23)露于广口瓶(21)外的一端端口。

Images