CN214374138U - 一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置。该装置主要由灌浆加固装置及渗透性测试装置组成。灌浆加固装置与渗透性测试装置仅通过顶部盖板即可完成转换，整个过程对土体基本无扰动。渗透性测试装置主要包括水头控制器，试样筒，多孔滤板，出流液控制器。特别地，通过调节水头控制器，可以满足不同胶结程度土体的渗透性以及水力坡降测定。本装置结构简单，原理明确，操作简便，制造成本低，且适用性强。本实用新型所提出的装置可以对在灌浆处理后形成的各种胶结土进行无损原位渗透性测试，避免了原有渗透装置适用性差及渗透性测试前的试样扰动问题，对节省渗透性测试装置的制造成本，提高胶结土的渗透性测试准确性具有重要意义。

Description

一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置

技术领域

本实用新型属于土体的渗透性测试领域。具体的，本实用新型涉及一种适用胶结土的无损原位渗透性测试装置及方法。

背景技术

土体作为一种松散的多孔介质，其孔隙可以作为地下水的流通通道。当地下水在土体孔隙中流动时，会对土体产生渗透力，当渗透力过大时，将会引起土颗粒的移动，使土体产生渗透变形，甚至造成细土颗粒被水带出导致地基承载力下降，地面隆起等问题，严重影响建筑物安全。因此，在渗透力大的区域，需要对土体的渗透性进行改良。此外，当地下水体受污染时，需要迅速采取措施，降低土体渗透性，隔断地下水的流动通道，避免污染物的扩散。通过在土体中灌入合适的灌浆材料，产生的胶结物质会填充土体孔隙，降低土体的渗透性。

生物矿化是一种新兴的地基改良技术。通过向土体中灌注微生物液以及胶结液，在微生物的作用下，土体中会产生碳酸钙。碳酸钙通过在土颗粒间产生胶结或者填充土体孔隙，可以显著降低土体的渗透性。土体渗透性改善的程度由土体中的碳酸钙产量直接决定，碳酸钙产量越大，土体渗透性降低越大，碳酸钙产量越小，土体渗透性降低越不明显。另外，不同土层的渗透性差异可能很大。例如，粘性土的渗透性一般在10^-10-10^-7cm/s之间，而粗砂的渗透性则可达到10^-2-10^-1cm/s。在经过MICP改良后，土体的渗透性差别可能更大。在实际工程中，渗透性需要被改良的土体渗透性往往差异显著，因此开发一种适用范围尽可能大的渗透性测试装置具有非常大的实际价值。

另外，对土体试样的扰动会显著影响土体的渗透性。土体被扰动后，其孔隙结构、孔隙尺寸、以及孔隙分布等都将发生不同程度的变化，这些指标与土体的渗透特性密切相关。因此为了保证MICP改良土的渗透性评估准确性，应该尽可能减小对试样的扰动。如果开发一种在经灌浆加固处理后，可以直接原位测定土体渗透性的一体化设备，则可以解决在测定灌浆加固土的渗透性前，由于取样所导致的土体扰动问题，减小渗透性测定的误差，提高对胶结土渗透性评估的准确性。

实用新型内容

为了实现上述功能，本实用新型提出的一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置及方法，主要目的是提高渗透性测试装置的适用性，同时避免在灌浆加固后、渗透性测试前对土体的扰动。

本实用新型的技术方案：

一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置，包括试样器、水头控制器、注水系统、出流装置和台架；

试样器主要由第一亚克力圆筒1、第一法兰盘2、底部盖板3、顶部盖板4 和硅胶密封垫圈5组成；第一亚克力圆筒1的顶部和底部分别固定有第一法兰盘2，第一法兰盘2为空心圆盘，其内径与试样器的内径一致；在第一法兰盘2 外边缘内一定距离处均匀设置4个螺纹孔，用于第一法兰盘2与底部盖板3、顶部盖板4或其他试样器的连接；第一法兰盘2的一个圆面上设置有圆环形凹槽9，该圆面为外端面，另一圆面为内端面；外端面上的圆环形凹槽9用于放置硅胶密封垫圈5；

顶部盖板4和底部盖板3的外径与第一法兰盘2外径相同，中间设置一个通孔，通孔上旋入宝塔接头8；在顶部盖板4和底部盖板3的一个圆面设置有圆环形凹槽9，该圆面为内端面，另一圆面为外端面；顶部盖板4和底部盖板3上圆环形凹槽9的位置与第一法兰盘2上圆环形凹槽9的位置相对应；

底部盖板3内端面与PVC材料的第一多孔滤板11连接；第一多孔滤板11 与底部盖板3之间设置四个完全相同的滤板支撑12，在第一多孔滤板11与底部盖板3之间形成一个容水层13；滤板支撑12由长方体形状的亚克力板制成；第一多孔滤板11外径与试样器内径相同，第一多孔滤板11上均匀布置若干个通孔14，作为溶液流通的通道；

水头控制器主要由第二亚克力圆筒15、第二法兰盘19、宝塔接头8、控制阀门和硅胶管18组成；第二亚克力圆筒15通过第二法兰盘19与试样器顶部连接，第二亚克力圆筒15的内径及厚度与第一亚克力圆筒1的内径及厚度相同；沿着水头控制器的高度方向，在第二亚克力圆筒15的侧壁上等间距的设置6个通孔，通孔中旋入宝塔接头8，作为水头控制器的溢流孔16；宝塔接头8连接配有第二止水阀22的硅胶管18；通过开闭各溢流孔16上的第二止水阀22，控制水头控制器的水头高度；第一法兰盘2与第二法兰盘19结构相同；

在灌浆加固试验完成后，旋开试样器顶部盖板4四周的M8螺栓7，取下顶部盖板4后，硅胶密封垫圈5仍保留在原位；用M8螺栓7将第一法兰盘2与第二法兰盘19固定在一起；试样顶部设置PVC材料的第二多孔滤板20用于缓冲注水时的水流，避免试样顶部被水冲破坏；第二多孔滤板20外径与试样器内径相同，第二多孔滤板20上均匀布置若干个通孔14，作为溶液流通的通道；

注水系统包括贮水器21、硅胶管18和第一止水阀17；硅胶管18的一端放置在贮水器21底部，另一端放置在水头控制器内；硅胶管18上设置有第一止水阀17，用于控制供水；

出流装置主要由支撑横杆23和台架组成，台架由底座24以及立杆25组成，立杆25焊接于底座24上；支撑横杆23通过松紧螺栓26连接在立杆25上，通过调节松紧螺栓26来调整支撑横杆23的高度；作为出流通道的硅胶管18一端连接在底部盖板3上的宝塔接头8，另一端固定在支撑横杆23上，通过调节支撑横杆23的高度，调节整个渗透装置的水头差；底座24上放置有量筒27，量筒27位于硅胶管18的端口的正下方，用于量测渗透水量。

一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置的使用方法如下：

在灌浆加固实验完成后，旋开试样器顶部盖板4四周的M8螺栓7，取下顶部盖板4，硅胶密封垫圈5仍保留在原位；用M8螺栓7和螺母将试样器上端的第一法兰盘2与水头控制器的第二法兰盘19固定在一起；试样上端放置第一多孔滤板11，用于缓冲水冲压力，避免土体被水冲击破坏；注入到水头控制器中的水将沿着设置水头高度处的溢流孔流出；调节固定螺栓，将支撑横杆23固定至比试样下表面低的高度处；关闭水头控制器侧壁上最下端溢流孔16的第二止水阀22，打开其他溢流孔16的第二止水阀22；连接注水系统，打开恒压水泵，向水头控制器中注入自来水；用量筒27收集试样器出流系统排出的溶液；根据出流液的多少判断水头控制器上打开的溢流孔的合理性；在一定时间内，出流液过少时则选择打开更高处的溢流孔16，关闭下端的溢流孔16；通过控制不同溢流孔16的开闭，对不同渗透性的土体进行渗透系数以及水力坡降测定，扩大该渗透装置的适用性；

调节松紧螺栓26，将支撑横杆23固定在高于试样上顶面的位置，继续注水一定时间，使土体完全饱和；

调整松紧螺栓26，将支撑横杆23固定在高于试样底面的位置；将量筒27 置于出流通道的硅胶管18端口正方向；在水头压力的作用下，注入的水将会在土体中发生渗透，并经过出流通道，流入量筒27；通过记录一定时间内从土体中渗流出的水量，即可按照如下公式计算渗透系数：

其中：k为渗透系数，单位为cm/s；

V为量筒中量测的渗透流量体积，单位为cm³；

L为试样的高度，单位为cm；

A为圆柱筒中填充土体的截面面积，单位为cm²；

Δh为水头差，等于上部溢流孔与下端出流口的高度差，单位为cm；

t为量测渗透流量的时间，单位为s。

本实用新型的有益效果：相比其他渗透性测试装置及方法，本实用新型所提出的装置可以对MICP加固后的土体进行原位渗透性测试，整个过程对土体无扰动，提高了MICP胶结土渗透性测定的准确性。同时，该装置通过水头控制器实时调整溢流孔的高度，可以实现在合理的渗流速率下，对各种胶结程度土体的渗透性测定。该装置结构简单，制造成本低，原理明确，操作简单，便于携带，对节省渗透性测试装置的制造成本，提高胶结土的渗透性测试效率以及准确性具有重要意义。

附图说明

图1是试样器正视图。

图2是渗透性测试装置正视图。

图3是法兰盘俯视图。

图4是顶、底部盖板俯视图。

图5是多孔滤板俯视图。

图中：1亚克力圆筒；2法兰盘；3底部盖板；4顶部盖板；5硅胶密封垫圈； 6第一法兰盘螺纹孔；7M8螺栓；8宝塔接头；9圆环形凹槽；10M8螺纹孔；11第一多孔滤板；12滤板支撑；13容水层；14通孔；15第二亚克力圆筒；16 溢流孔；17第一止水阀；18硅胶管；19第二法兰盘；20第二多孔滤板；21贮水器；22第二止水阀；23支撑横杆；24底座；25立杆；26松紧螺栓；27量筒。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，结合附图对本实用新型作进一步的详细的说明。

本实用新型提出了一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置及方法。主要包括试样主体装置和渗透性测试装置。

如图1-5所示，试样器主要由第一亚克力圆筒1，第一法兰盘2，底部盖板 3，顶部盖板4，硅胶密封垫圈5组成。第一亚克力圆筒1的内径为70mm，壁厚为10mm，长度为150mm。第一亚克力圆筒1的顶部和底部分别用亚克力粘胶粘合第一法兰盘2上。第一法兰盘2为空心圆盘，其厚度为10mm，其内径与试样器的内径保持一致，外径为150mm。在第一法兰盘2上均匀设置4个对称分布的螺纹孔6，螺纹孔6中心到第一法兰盘2外边缘的距离均为15mm。螺纹孔6直径为6.8mm，与M8螺栓7对应。第一法兰盘2的其中一个圆面上设置一个外径106mm，宽3mm，深1.5mm的圆环形凹槽9，用于放置硅胶密封垫圈 5。带有圆环形凹槽9的一面称为外端面，没有圆环形凹槽9的一面为内端面。

顶部盖板4和底部盖板3为圆形，由亚克力板制成，厚度为10mm。顶部盖板4和底部盖板3的外径与第一法兰盘2外径相同，中间设置一个10mm的通孔。通孔内旋入宝塔接头8的大直径端，宝塔接头8内径5mm。在盖板的其中一个圆面上设置一个圆环形凹槽9，该圆面为内端面，未设置圆环形凹槽9的一面设置为外端面。盖板上圆环形凹槽9的位置与第一法兰盘2上圆环形凹槽9 的位置相对应。盖板上均匀设置4个对称分布的M8螺纹孔10，M8螺纹孔10 中心到第一法兰盘2外边缘的距离为15mm。M8螺纹孔10底孔直径为6.8mm，与M8螺栓7对应。

底部盖板3的内端面与一个PVC材料的第一多孔滤板11连接。第一多孔滤板11与底部盖板3之间设置四个完全相同的滤板支撑12，在第一多孔滤板11 与底部盖板3之间形成一个容水层13。滤板支撑12由长方体形状的亚克力板制成。第一多孔滤板11外径与试样器内径相同，第一多孔滤板11上均匀布置若干个直径为3mm的通孔14，作为溶液流通的通道。试样器顶部的第一法兰盘2 通过M8螺栓7连顶部盖板4，试样器底部的法兰盘通过M8螺栓7连接底部盖板4。

所提及的水头控制器由第二亚克力圆筒15，溢流孔16，第一止水阀17，硅胶管18，第二法兰盘19组成。第二亚克力圆筒15的内径及厚度与第一亚克力圆筒1的内径及厚度相同。第二亚克力圆筒15的高度为200mm。沿着水头控制器的高度方向，在第二亚克力圆筒15的侧壁上等间距的设置6个内径为6.9mm 的通孔，通孔中旋入宝塔接头8的大直径端，小直径端向外，作为水头控制器的溢流孔16。宝塔接头8的小直径端连接内径为4.5mm的硅胶管18，硅胶管 18上配有第一止水阀17。通过开闭各溢流孔16上的第一止水阀17，控制水头控制器的水头高度。试样器上的第一法兰盘2与水头控制器上的第二法兰盘19 结构完全相同。

在灌浆加固试验完成后，旋开试样器顶部盖板4四周的M8螺栓，取下顶部盖板4。硅胶密封垫圈5仍保留在原位。用M8螺栓螺母将试样器上的第一法兰盘2与水头控制器上的第二法兰盘19固定在一起。试样顶部设置一个PVC材料的第二多孔滤板20，用于缓冲注水时的水流压力，避免试样顶部被水冲破坏。该多孔滤板与试样器底部的多孔滤板相同。

注水系统由贮水器21，第二止水阀22以及硅胶管18组成。硅胶管18的一端放置在贮水器21底部，另一端放置在水头控制器内。硅胶管18上设置有第二止水阀22。

支撑装置由支撑横杆23，底座24以及立杆25组成。立杆25焊接于底座 24上。支撑横杆通过松紧螺栓26连接在立杆25上。通过调节松紧螺栓26，可以调整支撑横杆23的高度。作为出流通道的硅胶管18一端连接在底部盖板3 上的宝塔接头8，另一端固定在支撑横杆23上。通过调节支撑横杆23的高度，可以调节整个渗透装置的水头差。底座24上放置一个最小刻度为0.2ml的量筒 27，量筒位于硅胶管18的端口的正下方，用于量测渗透水量。

一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置的使用方法如下：

在灌浆加固实验完成后，旋开试样器顶部盖板4四周的M8螺栓7，取下顶部盖板。硅胶密封垫圈5仍保留在原位。用M8螺栓螺母将试样器上端的第一法兰盘2与水头控制器的第二法兰盘19固定在一起。试样上端放置第二多孔滤板 20，用于缓冲水冲压力，避免土体发生水冲破坏。注入到水头控制器中的水将沿着设置水头高度处的溢流孔16流出。调节松紧螺栓26，将支撑横杆23固定至比试样下表面略低的高度处。关闭水头控制器侧壁上最下端溢流孔16的第一止水阀17，打开其他溢流孔的第一止水阀17。连接注水系统，关闭第二止水阀 22，向水头控制器中注入自来水。用量筒27收集试样器出流系统排出的溶液。根据出流液的多少判断水流控制器上打开的溢流孔的合理性。在一定时间内，出流液过少时则选择打开更高处的溢流孔16，关闭下端的溢流孔16。通过控制不同溢流孔16的开闭，可以对不同渗透性的土体进行渗透系数以及水力坡降测定，扩大该渗透装置的适用性。

调节松紧螺栓26，将支撑横杆23固定在高于试样上顶面的位置，继续注水一定时间，使土体完全饱和。

调整松紧螺栓26，将支撑横杆23固定在略高于试样底面的位置。将量筒 27置于出流通道的硅胶管18端口正下方。在水头压力的作用下，注入的水将会在土体中发生渗透，并经过出流通道，流入量筒27。通过记录一定时间内从土体中渗流出的水量，即可按照如下公式计算渗透系数：

其中：k为渗透系数，单位为cm/s；

V为量筒中量测的渗透流量体积，单位为cm³；

L为试样的高度，单位为cm；

A为圆柱筒中填充土体的截面面积，单位为cm²；

Δh为水头差，等于上部溢流孔与下端出流口的高度差，单位为cm；

t为量测渗透流量的时间，单位为s。

Claims (1)

1.一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置，其特征在于，该适用胶结土的无损渗透性测试装置包括试样器、水头控制器、注水系统、出流装置和台架；

试样器由第一亚克力圆筒(1)、第一法兰盘(2)、底部盖板(3)、顶部盖板(4)和硅胶密封垫圈(5)组成；第一亚克力圆筒(1)的顶部和底部分别固定有第一法兰盘(2)，第一法兰盘(2)为空心圆盘，其内径与试样器的内径一致；在第一法兰盘(2)外边缘内一定距离处均匀设置4个螺纹孔，用于第一法兰盘(2)与底部盖板(3)、顶部盖板(4)的连接；第一法兰盘(2)的一个圆面上设置有圆环形凹槽(9)，该圆面为外端面，另一圆面为内端面；外端面上的圆环形凹槽(9)用于放置硅胶密封垫圈(5)；

顶部盖板(4)和底部盖板(3)的外径与第一法兰盘(2)外径相同，中间设置一个通孔，通孔上旋入宝塔接头(8)；在顶部盖板(4)和底部盖板(3)的一个圆面设置有圆环形凹槽(9)，该圆面为内端面，另一圆面为外端面；顶部盖板(4)和底部盖板(3)上圆环形凹槽(9)的位置与第一法兰盘(2)上圆环形凹槽(9)的位置相对应；

底部盖板(3)内端面与PVC材料的第一多孔滤板(11)连接；第一多孔滤板(11)与底部盖板(3)之间设置四个完全相同的滤板支撑(12)，在第一多孔滤板(11)与底部盖板(3)之间形成一个容水层(13)；滤板支撑(12)由长方体形状的亚克力板制成；第一多孔滤板(11)外径与试样器内径相同，第一多孔滤板(11)上均匀布置若干个通孔(14)，作为溶液流通的通道；

水头控制器由第二亚克力圆筒(15)、第二法兰盘(19)、宝塔接头(8)、控制阀门和硅胶管(18)组成；第二亚克力圆筒(15)通过第二法兰盘(19)与试样器顶部连接，第二亚克力圆筒(15)的内径及厚度与第一亚克力圆筒(1) 的内径及厚度相同；沿着水头控制器的高度方向，在第二亚克力圆筒(15)的侧壁上等间距的设置6个通孔(14)，通孔中旋入宝塔接头(8)，作为水头控制器的溢流孔(16)；宝塔接头(8)连接配有第二止水阀(22)的硅胶管(18)；通过开闭各溢流孔(16)上的第二止水阀(22)，控制水头控制器的水头高度；第一法兰盘(2)与第二法兰盘(19)结构相同；

在灌浆加固试验完成后，旋开试样器顶部盖板(4)四周的M8螺栓(7)，取下顶部盖板(4)后，硅胶密封垫圈(5)仍保留在原位；用M8螺栓(7)将第一法兰盘(2)与第二法兰盘(19)固定在一起；试样顶部设置PVC材料的第二多孔滤板(20)用于缓冲注水时的水流，避免试样顶部被水冲破坏；第二多孔滤板(20)外径与试样器内径相同，第二多孔滤板(20)上均匀布置若干个通孔(14)，作为溶液流通的通道；

注水系统包括贮水器(21)、硅胶管(18)和第一止水阀(17)；硅胶管(18)的一端放置在贮水器(21)底部，另一端放置在水头控制器内；硅胶管(18)上设置有第一止水阀(17)，用于控制供水；

出流装置由支撑横杆(23)和台架组成，台架由底座(24)以及立杆(25)组成，立杆(25)焊接于底座(24)上；支撑横杆(23)通过松紧螺栓(26)连接在立杆(25)上，通过调节松紧螺栓(26)来调整支撑横杆(23)的高度；作为出流通道的硅胶管(18)一端连接在底部盖板(3)上的宝塔接头(8)，另一端固定在支撑横杆(23)上，通过调节支撑横杆(23)的高度，调节整个渗透装置的水头差；底座(24)上放置有量筒(27)，量筒(27)位于硅胶管(18)的端口的正下方，用于量测渗透水量。

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