CN108318401A - 一种适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，包括加压***、渗透装置和数据采集***；其中加压***用于对渗透装置进行加压；数据采集***用于采集渗透装置进行渗透试验时的数据信息。本发明可以直接测定土样一维固结蠕变和压缩特性，同时也能够测定土样在不同固结压力或不同变形条件下的垂直向与水平向渗透系数，得到初始和一维变形引起的土体渗透系数的各向异性特性；本装置可根据取土深度不同施加相应的固结压力，能够很好的模拟现场实际情况，采用加气压装置施加竖向荷载，固结压力通过施加气体压力与土样固结压力的线性关系，根据试验目的得到所需施加的气体压力控制试验过程土样应受的固结压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，属于岩土工程试验研究领域。
背景技术
渗透系数时反映土体力学特性的一个重要参数，它与土体的固结变形、地下水渗流等问题密切相关。随着我国城市化高速发展，地下工程在如火如荼地建设中，伴随着的工程隐患也越来越多，其中许多工程问题都与土中水的渗流密切相关，如深基坑开挖地下水的处理，截水和排水需根据土体渗透特性进行设计；修筑土石坝、边坡时，需要考虑填料的沉降和渗透性。由于地下较深的地层受上层重力荷载作用影响，不同地层中土的固结度不同，不同地层中土的渗透性亦不相同。同时，土体在上层重力荷载作用下渗透特性表现出明显的各向异性，即土体各个方向表现出的渗透性能不一样。如何通过试验得到土体在固结应力下不同角度的渗透系数，并对其渗透特性各向异性与工程特性的相关性进行深入研究具有重要的科研意义和现实意义。
传统的室内试验测量渗透系数方法主要有常水头和变水头渗透试验法，基于达西定律计算渗透系数。常水头和变水头渗透试验均是在没有轴向加载的条件下完成的，只适用于地表的土样情况，用其对深层的土体进行试验，测出的渗透系数与实际不符。而后，许多学者针对此特定问题，对常规渗透仪进行了改进或研制了新的渗透仪，如中国发明专利（专利号：201511005165.9）公开的一种固结渗透联合实验装置，由传统的渗透仪改造而成，利用加压组件对试样施加轴向压力，使土体发生一定的压缩变形，并对试样渗透液体施加较高的水头。此类仪器主要用于研究土体在竖向荷载作用下土体发生垂直向渗流的情况，无法实现对水平向渗透特性的研究。因此需要研制一种具备多功能联合测定试验装置，可以实现对土体具体固结程度的模拟，同时能够对其次固结阶段的垂直向和水平向渗透系数测量的试验装置，应用于现阶段大量地下工程渗透稳定性分析中。
发明内容
本发明提供了一种适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，以解决现有技术的渗透仪不能用于实现对土体在受荷状态下渗透特性各向异性的研究问题。
本发明的技术方案是：一种适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，包括加压***、渗透装置和数据采集***；其中加压***用于对渗透装置进行加压；数据采集***用于采集渗透装置进行渗透试验时的数据信息。
所述加压***包括加气压装置3和加液压装置4；其中加气压装置3与渗透装置的盖板19上的进气管9连接，加液压装置4与渗透装置的底座16和套筒20上的供水管10连接。
所述渗透装置包括试样室1和气体室2；其中试样室1和气体室2四周为套筒20侧壁，试样室1底部为底座16，在试样室1内部垂直向和水平向设有凹槽，一方向凹槽上放置透水石21、另一方向凹槽上放置垫块22，气体室2设置在试样室1上方中间并通过顶板18隔开，气体室2顶部为盖板19，盖板19上设置进气管9和排气管12，气体室2内部设置有防止试样室1渗水的橡胶膜23，盖板19中间位置设置轴杆25垂直穿过盖板19后通过连接板24连接至顶板18；垂直向渗透进水口11设置在底座16中间，底座16设置有若干道连通凹槽17，垂直向供水管10从底座16侧面接入到达底座16中间连接垂直向渗透进水口11，水平向渗透进水口11设置在套筒20一侧壁顶部，水平向供水管10从套筒20一侧壁顶部接入至水平向渗透进水口11，渗透水经水平向渗透进水口11进入试样室1；垂直向渗透出水口13设置在顶板18中间，经与垂直向渗透出水口13连接的排水管14顺轴杆25内部延伸至装置外，水平向渗透出水口13设置在套筒20另一侧壁底部，经与水平向渗透出水口13连接的排水管14延伸至装置外；进气管9、供水管10、排气管12、排水管14上设有阀门8。
所述套筒20底部通过螺栓29连接固定在底座16上，套筒20顶部通过螺栓29连接固定在盖板19上，底座16与套筒20、盖板19与套筒20密封连接处环一周设置橡胶圈28。
所述轴杆25与盖板19连接处为保证严密性用密封件26进行连接。
所述数据采集***包括百分表30、气压力传感器31、渗透水压力传感器32、通信线34；其中垂直向渗透水压力传感器32设置在渗透装置的底座16和顶板18中间，通信线34从底座16侧面接入到达底座16中间及从渗透装置的轴杆25内部接入到达顶板18中间，通信线34一端连接水压力传感器32，另一端连接计算机；水平向渗透水压力传感器32设置在套筒20一侧壁顶部的进水口11处和套筒20另一侧壁底部的出水口13处；百分表30设置在轴杆25上，轴杆25与顶板18紧密连接，在固结应力下随顶板18竖向移动；气压力传感器31设置在渗透装置中盖板19底部，通过通信线34延伸到装置外将试验过程中的数据传输给计算机。
所述百分表30通过紧固件27固定在轴杆25上，测量头与位于轴杆25与盖板19连接处为保证严密性用的密封件26进行接触。
本发明的有益效果是：
1）本发明提供的测量土体在竖向受荷条件下各向异性渗透系数测试装置兼容一维固结、渗透和渗压等功能，可以直接测定土样一维固结蠕变和压缩特性，同时也能够测定土样在不同固结压力或不同变形条件下的垂直向与水平向渗透系数，得到初始和一维变形引起的土体渗透系数的各向异性特性；
2）本装置可根据取土深度不同施加相应的固结压力，能够很好的模拟现场实际情况，采用加气压装置施加竖向荷载，固结压力通过施加气体压力与土样固结压力的线性关系，根据试验目的得到所需施加的气体压力控制试验过程土样应受的固结压力；
3）数据采集***中气压力传感器和水压力传感器通过通信线连接到计算机，利用其电子数字化和自动化技术来采集和处理数据，高度精确和效率地测定土样渗透系数。
附图说明
图1为本发明的固结应力下垂直向渗透系数测试装置的结构示意图；
图2为本发明的加压***的结构示意图；
图3为图1中A-A向剖视结构示意图；
图4为本发明的垂直向渗透进水口的结构示意图；
图5为为发明的垂直向渗透出水口的结构示意图；
图中各标号为：1-试样室；2-气体室；3-加气压装置；4-加液压装置；5-进气方向；6-进水方向；7-出水方向；8-阀门；9-进气管；10-供水管；11-进水口；12-排气管；13-出水口；14-排水管；15-水流渗透方向；16-底座；17-连通凹槽；18-顶板；19-盖板；20-套筒；21-透水石；22-垫块；23-橡胶模；24-连接板；25-轴杆；26-密封件；27-紧固件；28-橡胶圈；29-螺栓；30-百分表；31-气压力传感器；32-水压力传感器；33-进出水孔洞；34-通信线。
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，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-图5所示，一种适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，包括加压***、渗透装置和数据采集***；其中加压***用于对渗透装置进行加压；数据采集***用于采集渗透装置进行渗透试验时的数据信息。
进一步地，可以设置所述加压***包括加气压装置3和加液压装置4；其中加气压装置3与渗透装置的盖板19上的进气管9连接，加液压装置4与渗透装置的底座16和套筒20上的供水管10连接。
进一步地，可以设置所述渗透装置包括试样室1和气体室2；其中试样室1和气体室2四周为套筒20侧壁，试样室1底部为底座16，在试样室1内部垂直向和水平向设有凹槽，一方向凹槽上放置透水石21、另一方向凹槽上放置垫块22，气体室2设置在试样室1上方中间并通过顶板18隔开，气体室2顶部为盖板19，盖板19上设置进气管9和排气管12，气体室2内部设置有防止试样室1渗水的橡胶膜23，盖板19中间位置设置轴杆25垂直穿过盖板19后通过连接板24连接至顶板18；垂直向渗透进水口11设置在底座16中间，底座16设置有若干道连通凹槽17，垂直向供水管10从底座16侧面接入到达底座16中间连接垂直向渗透进水口11，水平向渗透进水口11设置在套筒20一侧壁顶部，水平向供水管10从套筒20一侧壁顶部接入至水平向渗透进水口11，渗透水经水平向渗透进水口11进入试样室1；垂直向渗透出水口13设置在顶板18中间，经与垂直向渗透出水口13连接的排水管14顺轴杆25内部延伸至装置外，水平向渗透出水口13设置在套筒20另一侧壁底部，经与水平向渗透出水口13连接的排水管14延伸至装置外；进气管9、供水管10、排气管12、排水管14上设有阀门8。
进一步地，可以设置所述套筒20底部通过螺栓29连接固定在底座16上，套筒20顶部通过螺栓29连接固定在盖板19上，底座16与套筒20、盖板19与套筒20密封连接处环一周设置橡胶圈28。
进一步地，可以设置所述轴杆25与盖板19连接处为保证严密性用密封件26进行连接。
进一步地，可以设置所述数据采集***包括百分表30、气压力传感器31、渗透水压力传感器32、通信线34；其中垂直向渗透水压力传感器32设置在渗透装置的底座16和顶板18中间，通信线34从底座16侧面接入到达底座16中间及从渗透装置的轴杆25内部接入到达顶板18中间，通信线34一端连接水压力传感器32，另一端连接计算机；水平向渗透水压力传感器32设置在套筒20一侧壁顶部的进水口11处和套筒20另一侧壁底部的出水口13处；百分表30设置在轴杆25上，轴杆25与顶板18紧密连接，在固结应力下随顶板18竖向移动；气压力传感器31设置在渗透装置中盖板19底部，通过通信线34延伸到装置外将试验过程中的数据传输给计算机。
进一步地，可以设置所述百分表30通过紧固件27固定在轴杆25上，测量头与位于轴杆25与盖板19连接处为保证严密性用的密封件26进行接触。
本发明的工作原理是：
加压***的目的是给试样提供试验所需的固结压力和控制渗透液体的水头；所述加气压装置3通过增加气体室2内部压强使顶板18发生向下的轴向移动，试样室1内部试样受顶板18向下应力发生压缩变形；所述加气压装置3由增加气体的幅度控制试样的加载方式，可根据试验目的分为分级加载和分别加载；所述加液压装置4通过增加渗透液体的压力从而控制水头。
渗透装置***是整个试验装置的核心，其目的为制备、饱和和固结试样，可以直接测定土样一维固结蠕变和压缩特性，同时也能够测量进水口11和出水口13处的水头和经过试样的水量，依据达西定律计算渗透系数。
数据采集处理***的目的是使整个渗透过程无需时刻记录即可采集和处理整个试样过程的数据和结果，高度精确和效率地测试土体的渗透系数；所述垂直向渗透水压力传感器32设置在底座16和顶板18中间，通信线34从底座16侧面和轴杆25内部接入到达底座16与顶板18中间，通信线34一端连接水压力传感器32，另一端连接计算机；所述水平向渗透水压力传感器32设置在套筒20侧壁顶部的进水口11处和对称另一端套筒侧壁底部的出水口13处；所述百分表30设置在轴杆25上，轴杆25与顶板18紧密连接，在固结应力下随顶板18竖向移动，轴杆25与盖板19连接处为保证严密性用密封件26进行连接，百分表30通过紧固件27固定在轴杆25上，测量头与密封件26进行接触；所述气压力传感器31设置在气体室1的内盖板19上，通信线34延伸到装置外将试验过程中的数据传输给计算机。
采用本发明进行试验，首先按一定的要求制备试样用土，然后根据试验目的选择在试样室内制备或者在试样室外制备好后放入试样室1；在装样前根据试验目的测量渗透系数时，若进行垂直渗透试验，在上下凹槽（即水平向）上放置透水石21，左右（即垂直向）位置处凹槽放置不透水的垫块22，垫块22处涂抹凡士林保证严密性，关闭水平向进水和出水阀门8；若进行水平渗透试验，则在左右凹槽（即垂直向）处放置透水石21，上下凹槽（即水平向）上放置不透水的垫块22，环垫块22涂抹凡士林，关闭垂直向进水和出水阀门8。
装样完成后，由加气压设备3增加气体室2内气体压强，挤压顶板18向下发生移动对试样施加竖向压力，若研究试样室1内试样无固结压力时的渗透特性，用加气压设备3对气体室2加少许压强，使顶板18接触土体即可；若研究试样室1内试样在一定固结压力下的压缩变形及渗透特性，则用加压设备3施加相应的竖向压力。
进行固结试验时，施加的固结压力通过施加气体压力与土样固结压力的线性关系分析计算间接得出，土体发生一维固结过程中通过百分表30量测土体的压缩量，同时打开渗透装置的进水口和出水口阀门8，排尽土体压缩时渗出的水，待压缩变形稳定后关闭相应阀门8和连接相应管道进行渗透试验。
进行渗透试验时，加液压设备4通过增加液体的压强从而控制渗透液体的水头，由供水管10提供一个稳定的水压力，进出水处水压力可由水压力传感器32量测；渗透水由供水管10经水压力传感器上的进出水孔洞33注入试样室1，垂直向渗透时渗透液体经底座16连通凹槽17在试样室1内渗透分布均匀，水平向渗透时渗透液体在重力作用下逐渐充满整个水平向渗透面；渗透液体具备一定的水头在土体试样中发生垂直或水平流动，通过试样的渗透流量可由在一定的时间内供水管10提供的水量和排水管14流出的水量确认；试验结束后清理渗透装置。
试样内进水口11和出水口13处两个过水断面的水头已知，其垂直距离和过水断面的面积已知，流量已知，即可求出土样的相应渗透系数。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，其特征在于：包括加压***、渗透装置和数据采集***；其中加压***用于对渗透装置进行加压；数据采集***用于采集渗透装置进行渗透试验时的数据信息。
2.根据权利要求1所述的适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，其特征在于：所述加压***包括加气压装置（3）和加液压装置（4）；其中加气压装置（3）与渗透装置的盖板（19）上的进气管（9）连接，加液压装置（4）与渗透装置的底座（16）和套筒（20）上的供水管（10）连接。
3.根据权利要求1所述的适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，其特征在于：所述渗透装置包括试样室（1）和气体室（2）；其中试样室（1）和气体室（2）四周为套筒（20）侧壁，试样室（1）底部为底座（16），在试样室（1）内部垂直向和水平向设有凹槽，一方向凹槽上放置透水石（21）、另一方向凹槽上放置垫块（22），气体室（2）设置在试样室（1）上方中间并通过顶板（18）隔开，气体室（2）顶部为盖板（19），盖板（19）上设置进气管（9）和排气管（12），气体室（2）内部设置有防止试样室（1）渗水的橡胶膜（23），盖板（19）中间位置设置轴杆（25）垂直穿过盖板（19）后通过连接板（24）连接至顶板（18）；垂直向渗透进水口（11）设置在底座（16）中间，底座（16）设置有若干道连通凹槽（17），垂直向供水管（10）从底座（16）侧面接入到达底座（16）中间连接垂直向渗透进水口（11），水平向渗透进水口（11）设置在套筒（20）一侧壁顶部，水平向供水管（10）从套筒（20）一侧壁顶部接入至水平向渗透进水口（11），渗透水经水平向渗透进水口（11）进入试样室（1）；垂直向渗透出水口（13）设置在顶板（18）中间，经与垂直向渗透出水口（13）连接的排水管（14）顺轴杆（25）内部延伸至装置外，水平向渗透出水口（13）设置在套筒（20）另一侧壁底部，经与水平向渗透出水口（13）连接的排水管（14）延伸至装置外；进气管（9）、供水管（10）、排气管（12）、排水管（14）上设有阀门（8）。
4.根据权利要求3所述的适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，其特征在于：所述套筒（20）底部通过螺栓（29）连接固定在底座（16）上，套筒（20）顶部通过螺栓（29）连接固定在盖板（19）上，底座（16）与套筒（20）、盖板（19）与套筒（20）密封连接处环一周设置橡胶圈（28）。
5.根据权利要求3所述的适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，其特征在于：所述轴杆（25）与盖板（19）连接处为保证严密性用密封件（26）进行连接。
6.根据权利要求1所述的适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，其特征在于：所述数据采集***包括百分表（30）、气压力传感器（31）、渗透水压力传感器（32）、通信线（34）；其中垂直向渗透水压力传感器（32）设置在渗透装置的底座（16）和顶板（18）中间，通信线（34）从底座（16）侧面接入到达底座（16）中间及从渗透装置的轴杆（25）内部接入到达顶板（18）中间，通信线（34）一端连接水压力传感器（32），另一端连接计算机；水平向渗透水压力传感器（32）设置在套筒（20）一侧壁顶部的进水口（11）处和套筒（20）另一侧壁底部的出水口（13）处；百分表（30）设置在轴杆（25）上，轴杆（25）与顶板（18）紧密连接，在固结应力下随顶板（18）竖向移动；气压力传感器（31）设置在渗透装置中盖板（19）底部，通过通信线（34）延伸到装置外将试验过程中的数据传输给计算机。
7.根据权利要求6所述的适用于土体固结应力下各向异性渗透系数测试装置，其特征在于：所述百分表（30）通过紧固件（27）固定在轴杆（25）上，测量头与位于轴杆（25）与盖板（19）连接处为保证严密性用的密封件（26）进行接触。
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