U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置及其方法
2023-09-18 19:43:15 1
U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置及其方法
【專利摘要】本發明涉及孔隙壓力檢測領域，特別涉及一種U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置及其方法。本發明通過裝有液體的U型導管，其孔隙端導管和大氣端導管液面壓力與各自的氣壓相等，即一端等於氣室壓力，一端等於大氣壓力。通過大氣壓力加減液面差即可獲得氣室土壤孔隙壓力。孔隙端浮子的浮力與測繩收縮裝置、大氣端浮子墜與浮子、測繩收縮裝置形成平衡拉力對，保證測繩在相同拉力下繃緊，讀數器通過計量測繩的偏移長度即為浮子液面的升降高度。本發明的檢測裝置不僅可以測定地下水位下的孔隙壓力，也可測定地下水位以上的非飽和土孔隙壓力，安裝便捷，操作簡單，檢測精確度高。
【專利說明】U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及土壤孔隙壓力檢測領域，特別涉及一種U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]土壤由固相(土壤顆粒)、液相(土壤水)和氣相(土壤所含氣體)三相構成，在土壤顆粒空隙完全由液相填充，即水佔土壤空隙的比例為百分之百時該土壤稱之為飽和土。反之，土壤孔隙由水和空氣填充，即飽和度大於O但小於100時，該土壤為非飽和土。一般認為地下水位以下為非飽和土，地下水位以上為飽和土，其中，非飽和土和飽和土的分界由於地下水位的變化而不斷變化。
[0003]孔隙壓力包含孔隙水壓和孔隙氣壓。孔隙壓力通過土壤或巖石中的孔隙水而傳遞的壓力，稱孔隙水壓。孔隙壓力通過土壤或巖石中的孔隙氣體傳遞的壓力，稱孔隙氣壓。就基礎工程而言，孔隙壓力是重要測試指標，目前工程上的儀器可以測定地下水位以下飽和土的孔隙壓力，廣泛使用的振弦式孔隙水壓力儀也存在一定缺陷，經常發生不成活的問題。在真空預壓的土體孔隙壓力檢測時，在連續連抽真空工況下的孔隙壓力可以通過真空表測定，但無壓力補償條件下地下水位以上的非飽和土孔隙壓力目前有效測定方法。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有技術之缺陷和不足，提供一種U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置及其方法，可測定飽和土孔隙水壓和非飽和土孔隙氣壓。
[0005]本發明的技術方案是:
一種U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，主要由U型導管、水平導管、測繩、讀數器和測繩收縮裝置組成，
所述U型導管分為孔隙端導管和大氣端導管，所述大氣端導管頂部向上水平延伸水平導管；所述孔隙端導管的頂端設置與土壤對接的氣室；
所述測繩包括孔隙端液位測繩和大氣端液位測繩，所述孔隙端液位測繩一端置於孔隙端導管內部，另一端經過大氣端導管、水平導管、孔隙端讀數器，連接於測繩收縮裝置上；所述大氣端液位測繩一端置於大氣端導管內部，另一端經過水平導管、大氣端讀數器，連接於大氣端測繩收縮裝置上。
[0006]優選的，所述的孔隙端液位測繩置於孔隙端導管內部的一端連接浮子；所述大氣端液位測繩置於孔隙端導管內部的一端連接浮子和浮子墜。
[0007]優選的，還包括補水箱，所述補水箱通過導管連接所述水平導管；所述的所述水平導管尾端部可拆卸密封連接h型導管。
[0008]優選的，所述的孔隙端導管、大氣端導管、水平導管均為可拆卸式，密封連接。
[0009]優選的，所述的孔隙端導管和大氣端導管的連通部的下方向下垂直延伸形成插入部，所述插入部尾端為倒錐形。[0010]優選的，所述的孔隙端導管和大氣端導管的相對側下部，靠近連通部設置限位器。
[0011]優選的，所述氣室內由頂端設置濾網，所述濾網下方設置柔性透氣填充物。
[0012]優選的，所述的水平導管的起始端上設置可伸縮導管。
[0013]優選的，還包括置於各導管的彎頭處的測繩限位板，所述測繩限位器板上設置若干個貫通孔。
[0014]本發明的另一個目的在於公開利用上述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的檢測裝置孔隙壓力的方法，包含以下步驟:
(一)、非飽和土孔隙壓力測定步驟及計算方法:
步驟1:敷設，通過鑽孔壓入或直接壓入的方法將檢測設備孔隙端置於預定深度，壓入過程中同步接長大氣端導管；
步驟2:達到預定標高安裝水平導管、補水箱、讀數器和測繩收縮裝置；
步驟3:緩慢注水，至大氣端導管內水位穩定後，向孔隙端導管上方回填粘土，填築並搗實，記錄孔隙端讀數器和大氣端讀數器的初讀數；
步驟4:在各觀測時段讀取孔隙端讀數器和大氣端讀數器的讀數；
孔隙端孔隙壓力等於大氣端壓力與大氣端液面相對於孔隙端液面液柱差的壓力之和，計算過程如下:
1)孔隙端測繩偏離初始位置長度:
Δ L1=L1 — L10
式中，AL1為孔隙端測繩偏離初始位置長度，L1為孔隙端測繩讀數，液面上升為正，下降為負，L10為孔隙端讀數器的初始讀數；
2)大氣端測繩偏離初始位置長度:
Δ L2-L2 一 L20
式中，L2為大氣端測繩讀數，液面上升為正，下降為負，L2tl為初始讀數，AL2S偏離初始位置長度；
3)U形管兩端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ L1
4)孔隙端孔隙壓力 P=P0+ Δ H* Y
其中，ΛΗ為U形管兩端液面差，Ptl為大氣壓力，Y為U形管內液體的比重，P孔隙端壓力；
(二)、飽和土孔隙壓力測定步驟及計算方法:
步驟1:敷設，通過鑽孔後以送管壓入或直接用送管壓入的方法將檢測設備孔隙端置於預定深度，壓入過程中同步接長大氣端導管，將設備置入預定深度後測量送管頂面標高，拔出送管後記錄送管長度；所述送管為中空的硬性材料製成的管，其內徑大於大氣端導管的外徑，可將大氣端導管置於送管中，利用送管壁下壓U形管的連通處，將U形管下壓至預定深度。
[0015]步驟2:達到預定標高安裝水平導管、補水箱、讀數器和測繩收縮裝置；
步驟3:若孔隙端頂面在地下水位以下時，不需注水，若孔隙端頂面在地下水位以上時，緩慢注水，至大氣端導管內水位穩定後，向孔隙端導管上方回填粘土，填築並搗實，記錄孔隙端和大氣端讀數器的初讀數；
步驟4:在建、構築物邊際線外無附加荷載和地表垂直氣道覆蓋部位敷設水位測量裝置，記錄初讀數，並測量、記錄初始水位；
步驟5:在各觀測時段讀取孔隙端和大氣端讀數器的讀數，同時測定地下水位；
孔隙端孔隙壓力等於大氣端壓力與大氣端液面相對於同位地下水無幹擾自由液面液柱差的壓力之和，計算過程如下:
1)地下水位變化幅度:
Δ H3=H3 — H30
式中，AH3為地下水為變化幅度(m)，H3tl為設備安裝初始時水位測量裝置測定的水位(m), H3為水位測量裝置與大氣端導管同步測定的水位(m)；
2)大氣端測繩偏離初始位置長度:
Δ L2-L2 一 L20
式中，L2為大氣端測繩讀數，液面上升為正，下降為負，L2tl為初始讀數，AL2S偏離初始位置長度；
3)U形管兩端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ H3
4)孔隙端孔隙壓力 P=P0+ Δ H* Y
其中，ΛΗ為U形管兩端液面差，Ptl為大氣壓力，Y為U形管內液體的比重，P孔隙端壓力；
工作原理:
含柔性透氣填充物的氣室與土壤孔隙對接，壓力相同或相近。裝有液體的U型導管，其孔隙端導管和大氣端導管液面壓力與各自的氣壓相等，即一端等於氣室壓力，一端等於大氣壓力。通過大氣壓力加減液面差即可獲得氣室土壤孔隙壓力。孔隙端浮子的浮力與測繩收縮裝置、大氣端浮子墜與浮子、測繩收縮裝置形成平衡拉力對，保證兩條測繩在相同拉力下繃緊，讀數器通過計量測繩的偏移長度獲得浮子液面的升降高度。測繩收縮裝置根據平衡力收發測繩。
[0016]讀數器可以為機械讀數器，轉輪設置為圓周刻度盤，由測繩移動帶動轉輪外緣轉動偏移初始位置，通過指針讀數轉動周數和偏移角度和滑輪半徑，計算測繩移動長度；也可以為電子讀數器，將轉輪讀盤和指針設為電子讀數裝置，自動定時讀數和存儲，通過遠程數據傳輸系統將實時數據傳至接收終端。
[0017]安裝在各導管彎頭處的測繩限位板，測繩穿過測繩限位板的中央孔，在保證不阻礙氣流流通與測繩線滑動的前提下，使測繩在導管內沿管軸線附近固定軌跡移動。
[0018]所述的孔隙端濾網可採用海綿、無紡布或耐腐蝕性纖維濾網，其中無紡布具有密實度高、透氣性好、耐泡、耐腐蝕的優點，既能保證本檢測裝置與地基內氣流相通，不受阻礙，又可以防止地基內的泥沙流入檢測裝置內堵塞。
[0019]所述的柔性透氣填充物，可以為海綿等可壓縮材料。採用柔性填充材料使得孔隙端水位少量下降時能保持孔隙端氣室壓力狀況與對接土壤相當。
[0020]水箱用於補充U形管中的液體，當孔隙端水位下降時，氣室體積變大，孔隙氣壓的測量精度下降，需及時補充系統內液體量，保證測量精度，在及時補水條件下可使得△!^值為O，當測量位置始終處於地下水位以下時，不需要水箱。
[0021]在大氣端導管轉彎處的水平管設伸縮裝置，以適應地基沉降引起的導管拉伸。
[0022]在U形管尾部用三通連接推進管，推進管底端封閉，管尖實心錐形，推進管在送管壓力下可以較輕鬆地到達目標深度，管內空間可用於沉積孔隙端沉落泥砂。
[0023]本發明的有益效果:
本發明的檢測裝置不僅可以測定地下水位下的孔隙壓力，也可測定地下水位以上的非飽和土孔隙壓力，安裝便捷，拆卸方便，操作簡單，檢測精確度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]附圖1為本發明孔隙壓力檢測裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為了能進一步了解本發明的結構、特徵及其它目的，現結合所附較佳實施例詳細說明如下，所說明的較佳實施例僅用於說明本發明的技術方案，並非限定本發明。
[0026]本發明的【具體實施方式】如下:
實施例1:檢測非飽和土孔隙壓力
一種U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，如圖1所示，主要由U型導管、水平導管
1、補水箱2、測繩、讀數器和測繩收縮裝置組成，所述U型導管分為孔隙端導管3和大氣端導管4，所述大氣端導管4頂部向上水平延伸水平導管I ;所述補水箱2通過導管連接所述水平導管I ;所述水平導管I尾端部連接h型導管11 ;所述孔隙端導管3的頂端設置與土壤對接的氣室31 ;所述測繩包括孔隙端液位測繩32和大氣端液位測繩41，所述孔隙端液位測繩32 一端連接浮子33置於孔隙端導管3內部，另一端經過大氣端導管4、水平導管1、h型導管11 一出口、孔隙端讀數器51，連接於測繩收縮裝置61上；所述大氣端液位測繩41 一端連接浮子42和浮子墜43，置於大氣端導管4內部，另一端經過水平導管1、h型導管11另一出口、大氣端讀數器52，連接於大氣端測繩收縮裝置62上。所述的孔隙端導管3、大氣端導管4、水平導管I和h型導管11均為可拆卸式，密封連接。所述的孔隙端導管3和大氣端導管4的連通部7的下方向下垂直延伸形成插入部8，所述插入部8尾端為倒錐形。所述的孔隙端導管3和大氣端導管4的相對側下部，靠近連通部7設置限位器9。所述氣室31內由頂端向下依次設置濾網311、柔性透氣填充物312。
[0027]所述讀數器可以為機械讀數器，轉輪設置為圓周刻度盤，由測繩移動帶動轉輪外緣轉動偏移初始位置，通過指針讀數轉動周數和偏移角度和滑輪半徑，計算測繩移動長度；
所述的水平導管I的起始端上設置可伸縮導管13。
[0028]還包括置於各導管的彎頭處的測繩限位板10，所述測繩限位器板10上設置若干個貫通孔。
[0029]非飽和土孔隙壓力檢測方法，包含以下步驟:
步驟1:敷設，通過鑽孔壓入或直接壓入的方法將檢測設備孔隙端置於預定深度，壓入過程中同步接長大氣端導管4 ；步驟2:達到預定標高安裝水平導管1、補水箱2、讀數器和測繩收縮裝置；
步驟3:緩慢注水，至大氣端導管4內水位穩定後，向孔隙端導管3上方回填粘土，填築並搗實，記錄孔隙端讀數器51和大氣端讀數器52的初讀數；
步驟4:在各觀測時段讀取孔隙端讀數器51和大氣端讀數器52的讀數；
孔隙端孔隙壓力計算過程如下:
O孔隙端測繩偏離初始位置長度:
Δ L1=L1 — L10
式中，AL1為孔隙端測繩偏離初始位置長度，L1為孔隙端測繩讀數，液面上升為正，下降為負，L10為孔隙端讀數器的初始讀數；
2)大氣端測繩偏離初始位置長度:
Δ L2-L2 一 L20
式中，L2為大氣端測繩讀數，液面上升為正，下降為負，L2tl為初始讀數，AL2S偏離初始位置長度；
3)U形管兩端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ L1
4)孔隙端孔隙壓力 P=P0+ Δ H* Y
其中，ΛΗ為U形管兩端液面差，Ptl為大氣壓力，Y為U形管內液體的比重，P孔隙端壓力；
實施例2:檢測飽和土的孔隙壓力
檢測裝置如實施例1中所述，其中可以不包括補水水箱。
[0030]步驟1:敷設，通過鑽孔後以送管壓入或直接用送管壓入的方法將檢測設備孔隙端置於預定深度，壓入過程中同步接長大氣端導管4，將設備置入預定深度後測量送管頂面標聞，拔出送管後記錄送管長度；
步驟2:達到預定標高安裝水平導管1、補水箱2、讀數器和測繩收縮裝置；
步驟3:若孔隙端頂面在地下水位以下時，不需注水，若孔隙端頂面在地下水位以上時，緩慢注水，至大氣端導管4內水位穩定後，向孔隙端導管3上方回填粘土，填築並搗實，記錄孔隙端讀數器51和大氣端讀數器52的初讀數；
步驟4:在建、構築物邊際線外無附加荷載和地表垂直氣道覆蓋部位敷設水位測量裝置，記錄初讀數，並測量、記錄初始水位；
步驟5:在各觀測時段讀取孔隙端讀數器51和大氣端讀數器52的讀數，同時測定地下水位；
孔隙端孔隙壓力計算過程如下:
1)地下水位變化幅度:
Δ H3=H3 — H30
式中，AH3為地下水為變化幅度(m)，H3tl為設備安裝初始時水位測量裝置測定的水位(m), H3為水位測量裝置與大氣端導管同步測定的水位(m)；
2)大氣端測繩偏離初始位置長度:
Δ L2-L2 一 L20式中，L2為大氣端測繩讀數，液面上升為正，下降為負，L2tl為初始讀數，AL2S偏離初始位置長度；
3)U形管兩端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ H3
4)孔隙端孔隙壓力 P=P0+ Δ H* Y
其中，ΛΗ為U形管兩端液面差，Ptl為大氣壓力，Y為U形管內液體的比重，P孔隙端壓力。
【權利要求】
1.一種U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，其特徵在於，主要由U形導管、水平導管、測繩、讀數器和測繩收縮裝置組成， 所述U型導管分為孔隙端導管和大氣端導管，所述大氣端導管頂部向上水平延伸水平導管；所述孔隙端導管的頂端設置與土壤對接的氣室； 所述測繩包括孔隙端液位測繩和大氣端液位測繩，所述孔隙端液位測繩一端置於孔隙端導管內部，另一端經過大氣端導管、水平導管、孔隙端讀數器，連接於孔隙端測繩收縮裝置上； 所述大氣端液位測繩一端置於大氣端導管內部，另一端經過水平導管、大氣端讀數器，連接於大氣端測繩收縮裝置上。
2.根據權利要求1所述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，其特徵在於所述的孔隙端液位測繩置於孔隙端導管內部的一端連接浮子；所述大氣端液位測繩置於孔隙端導管內部的一端連接浮子和浮子墜。
3.根據權利要求1所述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，其特徵在於還包括補水箱，所述補水箱通過導管連接所述水平導管；所述的所述水平導管尾端部可拆卸密封連接h型導管。
4.根據權利要求1所述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，其特徵在於所述的孔隙端導管、大氣端導管、水平導管均為可拆卸式，密封連接。
5.根據權利要求1所述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，其特徵在於所述的孔隙端導管和大氣端導管的連通部的下方向下垂直延伸形成插入部，所述插入部尾端為倒錐形。
6.根據權利要求1所述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，其特徵在於所述的孔隙端導管和大氣端導管的相對側下部，靠近所述孔隙端導管和大氣端導管的連通部設置限位器。
7.根據權利要求1所述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，其特徵在於所述氣室內由頂端設置濾網，所述濾網下方設置柔性透氣填充物。
8.根據權利要求1所述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，其特徵在於所述的水平導管的起始端上設置可伸縮導管。
9.根據權利要求1所述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，其特徵在於，還包括置於各導管的彎頭處的測繩限位板，所述測繩限位器板上設置若干個貫通孔。
10.一種孔隙壓力檢測方法，其特徵在於利用權利要求1-9所述的U形管液壓差繩法檢測孔隙壓力的裝置，包含以下步驟: (一)、非飽和土孔隙壓力測定步驟及計算方法: 步驟1:敷設，通過鑽孔壓入或直接壓入的方法將檢測設備孔隙端置於預定深度，壓入過程中同步接長大氣端導管； 步驟2:達到預定標高安裝水平導管、補水水箱、讀數器和測繩收縮裝置； 步驟3:緩慢注水，至大氣端導管內水位穩定後，向孔隙端導管上方回填粘土，填築並搗實，記錄孔隙端讀數器和大氣端讀數器的初讀數； 步驟4:在各觀測時段讀取孔隙端讀數器和大氣端讀數器的讀數； 孔隙端孔隙壓力計算過程如下:1)孔隙端測繩偏離初始位置長度:
Δ L1=L1 — L10 式中，AL1為孔隙端測繩偏離初始位置長度，L1為孔隙端測繩讀數，液面上升為正，下降為負，L10為孔隙端讀數器的初始讀數； 2)大氣端測繩偏離初始位置長度:
Δ L2-L2 一 L20 式中，L2為大氣端測繩讀數，液面上升為正，下降為負，L2tl為初始讀數，AL2S偏離初始位置長度； 3)U形管兩端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ L1 4)孔隙端孔隙壓力 P=P0+ Δ H* Y 其中，ΛΗ為U形管兩端液面差，Ptl為大氣壓力，Y為U形管內液體的比重，P孔隙端壓力； (二)、飽和土孔隙壓力測定步驟及計算方法: 步驟1:敷設，通過鑽孔後以送管壓入或直接用送管壓入的方法將檢測設備孔隙端置於預定深度，壓入過程中同步接長大氣端導管，將設備置入預定深度後測量送管頂面標高，拔出送管後記錄送管長度； 步驟2:達到預定標高安裝水平導管、補水水箱、讀數器和測繩收縮裝置； 步驟3:若孔隙端頂面在地下水位以下時，不需注水，若孔隙端頂面在地下水位以上時，緩慢注水，至大氣端導管內水位穩定後，向孔隙端導管上方回填粘土，填築並搗實，記錄孔隙端和大氣端讀數器的初讀數； 步驟4:在建、構築物邊際線外無附加荷載和地表垂直氣道覆蓋部位敷設水位測量裝置，記錄初讀數，並測量、記錄初始水位； 步驟5:在各觀測時段讀取孔隙端和大氣端讀數器的讀數，同時測定地下水位； 孔隙端孔隙壓力計算過程如下: 1)地下水位變化幅度:
Δ H3=H3 — H30 式中，AH3為地下水為變化幅度(m)，H3tl為設備安裝初始時水位測量裝置測定的水位(m), H3為水位測量裝置與大氣端導管同步測定的水位(m)； 2)大氣端測繩偏離初始位置長度:
Δ L2-L2 一 L20 式中，L2為大氣端測繩讀數，液面上升為正，下降為負，L2tl為初始讀數，AL2S偏離初始位置長度； 3)U形管兩端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ H3 4)孔隙端孔隙壓力 P=P0+ Δ H* Y 其中，ΛΗ為U形管兩端液面差，Ptl為大氣壓力，Y為U形管內液體的比重，P孔隙端壓力。
【文檔編號】G01N15/08GK104020096SQ201410281001
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2014年6月20日
【發明者】王俊剛, 解瀟, 王璐 申請人:青島理工大學