超大粒徑粗粒土滲透係數測定裝置及測定方法

2023-05-26 23:55:56 1

專利名稱：超大粒徑粗粒土滲透係數測定裝置及測定方法
技術領域：
:本發明涉及一種水利工程材料的參數測定裝置及方法，特別涉及一種用於對工程中選用的超大粒徑粗粒土料(粒徑60mm < d85 ^ 100mm)進行滲透特性測定的裝置及方法，其IPC國際專利分類號為E02D1/04和E02D33/00。
背景技術：
:在水利、交通、鐵路等工程建設中，粗粒土常常作為基礎用料。粗粒土按照《土的分類標準》(GBJ145-90)規定，粗顆粒土指的是粒徑大於0.075mm且小於60mm的顆粒。在水利工程中，粗粒土常作為壩基、堤基用料；在鐵路、公路工程中，則常常作為路基用料。對於這些工程而言，滲透變形、破壞是一個常見的問題，粗粒土由於其構成的成份、級配不同，以及不同的工程情況，其滲透性能差距非常大，因此，在工程中採用合適的粗粒土料，需要進行其滲透性能的測試。近年來由於國家大力建設水利工程，南水北調等大型水利工程已經在建設中，在南水北調工程中，由於工程戰線長，施工用土料需求巨大，特別是作為引水渠道的基礎用料的粗顆粒土。為方便施工，就地取料是較為有效的措施之一。南水北調工程沿線區域的土料，粗顆粒土量較少，大多為粒徑超過60_但小於IOOmm的超大粒徑粗粒土，即粒徑60mm ( d85 ( 100mm。通過試驗驗證,該類超大粒徑的粗粒土經過正確的配比，可以達到工程用料的要求，但其的滲透性能需要經過嚴格的試驗測定，才能運用在工程之中。在目前的工程應用中，有針對粗粒土進行滲透試驗的裝備，其設備內徑大小為200mm和300mm,根據《土工試驗規程》(SL237-1999)的規定,根據試驗土樣粒徑,按儀器內徑大於試樣粒徑d85的5倍選擇儀器。因此，現有的設備能夠測試的粒徑範圍有限，d85不超過60mm。由於之前在水利工程中使用超大粒徑粗粒土非常少，同時在水利工程中使用該類土料時，需配比較多的黏性土 小顆粒，加之試樣尺寸較大，試樣非常難以進行排氣飽和，因此沒有對超大粒徑粗粒土進行滲透性能測試的儀器和成熟的測試方法。隨著南水北調等大型工程的建設，超大粒徑粗粒土在工程中的應用會越來越廣泛，研製一套能對超大粒徑粗粒土滲透特性進行測試的儀器及其測試方法，是非常有必要的
發明內容
:發明人通過對以往設備的研究以及現有工程中選用的超大粒徑的粗粒土特性的分析，設計了專用測試儀器，在測試筒壁外側設計數量眾多的測壓排氣孔，解決了試樣直徑大，難以排氣飽和的測試難題，使得測試儀器可以對d85 ^ 60mm的超大粒徑的粗粒土進行滲透特性的測試。而且，發明人採用該測試儀器，對試樣的厚度、試樣排氣飽和方法時的水溫、滲透坡降遞增值等參數進行了大量的實驗和現場驗證，發明了採用該測試儀器對超大粒徑的粗粒土滲透性進行測試的方法。本發明的目的是提供一種快速、系統、簡便、快速的適用於超大粒徑粗粒土滲透係數及滲透變形測定的儀器，以及一種利用該儀器測定超大粒徑粗粒土滲透係數的方法。
—種超大粒徑粗粒土滲透係數測定裝置，包括測試筒、自動加壓系統和測壓管，所述測試筒由底座支架、緩衝料容器、筒身和上蓋組成，其中，所述緩衝料容器支撐在所述底座支架上部，緩衝料容器的側壁設置有下排氣孔，下部設有下過水口 ；所述緩衝料容器上部與所述筒身通過密封螺栓連接，所述筒身上設置多個筒壁測壓排氣孔，每個所述的筒壁測壓排氣孔設有閥門；所述筒身上部通過密封螺栓與所述上蓋連接，所述上蓋的上端設有上過水口和上排氣孔；所述自動加壓系統與所述下過水口連通，所述測壓管與所述筒壁測壓排氣孔連通。一種超大粒徑粗粒土滲透係數的測定方法，其步驟如下:1.準備好超大粒徑粗粒土滲透係數測定裝置:1.1所述測定裝置包括測試筒、自動加壓系統和測壓管，所述測試筒由底座支架、緩衝料容器、筒身和上蓋組成，其中，所述緩衝料容器支撐在所述底座支架上部，緩衝料容器的側壁設置有下排氣孔，下部設有下過水口 ；所述緩衝料容器上部與所述筒身通過密封螺栓連接，所述筒身上設置多個筒壁測壓排氣孔，每個所述的筒壁測壓排氣孔設有閥門；所述筒身上部通過密封螺栓與所述上蓋連接，所述上蓋的上端設有上過水口和上排氣孔；所述自動加壓系統與所述下過水口連通，所述測壓管與所述筒壁測壓排氣孔連通；1.2在所述緩衝料容器內填充細礫石作為緩衝層，用以緩衝水流並將滲水壓力平均分散；2.試樣製備:2.1擾動樣製備(I)選取試樣，對試樣進行顆粒分析，確定試樣的級配曲線，並繪製顆粒級配曲線
(2)根據需要控制的幹密度及試樣高度，按照式(I)計算試樣質量；md = P d r2h'(I)式中:md——試樣幹質量，g ；P d——需控制的幹密度，g/cm3 ；r——測定裝置的筒身半徑，cm ;h'——試樣高度，cm;(3)稱取試樣後，在試樣中加相當於試樣質量1% 2%的水分，伴和均勻後，將試樣分層裝入所述筒身內，每層的級配應相同，分層厚度:砂土為2 3cm，砂礫石及砂卵石為d85 的 1.5 2.0 倍；(4)對於風化石渣或易擊碎的土料，採用振動加密法擊實，其他土料用擊實錘擊實；擊實後試樣總厚度:沙土不小於IOcm ;細碌石不小於15cm ;中粗碌石為20 25cm ;卵石不小於d85的3 5倍，以包括試樣中最大顆粒為度；2.2原狀樣製備:(I)取樣位置:應選擇具有代表性地層和滲流流態條件的不同部位，如防滲牆底部、壩基牆底部、壩基內部段、水流出逸段、抗滲強度較低處等部位取樣；(2)在取樣地點，首先挖一尺寸大於試樣尺寸的土柱，除去土樣表面的擾動土，再用削土工具小心地慢慢地將土樣削至要求尺寸與形狀；(3)環繞土柱底四周的水平圖面上鋪墊一層砂，並使砂墊平整。
(4)套上筒身，筒身與試樣周圍間隙大致相等，埋設中間測壓管，間距IOcm左右，然後在試樣周圍澆築膨脹快凝水泥砂漿；(5)養護24h，待砂漿有一定強度後，小心的切斷土柱，將試樣削平；3.滲透係數測定:3.1將擾動樣或原裝樣安裝要求填放在筒身6內，測量試樣的實際厚度；3.2對試樣進行排氣飽和:在自動加壓系統11內儲存熱水或常溫自來水，所述熱水溫度為25-40攝氏度，所述常溫自來水應當是貯存至少一天並曝氣後的自來水，將自動加壓系統11連通下過水口 4，並使自動加壓系統11的水位略高於試樣底面位置，再逐漸增大自動加壓系統11的水壓，讓水從試樣的底部向上滲入，與此同時，隨著水位上升，應使相應的測壓管12處於排氣狀態，以完全排除試樣中的空氣，使試樣緩慢飽和；3.3增大滲水壓力，使得上過水口 9開始有水流出，保持常水頭差，形成初始滲透坡降；3.4對於管湧土，加第一級水頭時，初始坡降為0.02 0.03 ;然後按0.05,0.1、0.2,0.3,0.4,0.5,0.7、1.0、1.5,2.0的坡降遞增，在接近臨界坡降時，滲透坡降遞增值應酌
量減小；對於非管湧土，初始滲透坡降比管湧土適當提高，滲透坡降遞增值應適當放大；3.5每次升高水頭30min至Ih後，測記筒身側壁上5個等距的筒壁測壓排氣孔7的水位八氏、ΛΗ2、ΔΗ3> ΛΗ4、Λ H5，計算兩相鄰筒壁測壓排氣孔7水位差的平均值，作為計算使用的水頭差Λ H，並用量筒測量上過水口 9單位時間At的滲水量Q，每次測量間隔的單位時間Λ t為10 20min ;連續4次測得的水位及滲水量基本穩定，即可提升至下一級水頭；3.6對於每級滲透坡降，均按照步驟3.5的做法重複進行，直至試樣破壞，水頭不能再繼續增加時，即可結束試驗；4.計算:4.1 孔隙率:
權利要求
1.一種超大粒徑粗粒土滲透係數測定裝置及測定方法，包括測試筒、自動加壓系統(11)和測壓管(12)，所述測試筒由底座支架(I)、緩衝料容器(2)、筒身(6)和上蓋(8)組成，其中，所述緩衝料容器(2)支撐在所述底座支架(I)上部，緩衝料容器(2)的側壁設置有下排氣孔(3)，下部設有下過水口(4);所述緩衝料容器(2)上部與所述筒身(6)通過密封螺栓(5)連接，所述筒身(6)上設置多個筒壁測壓排氣孔(7)，每個所述的筒壁測壓排氣孔(7)設有閥門；所述筒身(6)上部通過密封螺栓(5)與所述上蓋(8)連接，所述上蓋(8)的上端設有上過水口(9)和上排氣孔(10);所述自動加壓系統(11)與所述下過水口(4)連通，所述測壓管與所述筒壁測壓排氣孔(7)連通。
2.一種超大粒徑粗粒土滲透係數的測定方法，其步驟如下: .1.準備好超大粒徑粗粒土滲透係數測定裝置: .1.1所述測定裝置包括測試筒、自動加壓系統(11)和測壓管(12)，所述測試筒由底座支架(I)、緩衝料容器(2)、筒身(6)和上蓋(8)組成，其中，所述緩衝料容器(2)支撐在所述底座支架(I)上部，緩衝料容器(2)的側壁設置有下排氣孔(3)，下部設有下過水口(4)；所述緩衝料容器(2)上部與所述筒身(6)通過密封螺栓(5)連接，所述筒身(6)上設置多個筒壁測壓排氣孔(7)，每個所述的筒壁測壓排氣孔(7)設有閥門；所述筒身(6)上部通過密封螺栓(5)與所述上蓋⑶連接，所述上蓋⑶的上端設有上過水口(9)和上排氣孔(10)；所述自動加壓系統(11)與所述下過水口(4)連通，所述測壓管與所述筒壁測壓排氣孔(7)連通； .1.2在所述緩衝料容器內填充細礫石作為緩衝層，用以緩衝水流並將滲水壓力平均分散； .2.試樣製備: .2.1擾動樣製備 (1)選取試樣，對試樣進行顆粒分析，確定試樣的級配曲線，並繪製顆粒級配曲線圖； (2)根據需要控制的幹密度及試樣高度，按照式(I)計算試樣質量； md = P rV(I) 式中:md——試樣幹質量，g ； P d-需控制的幹密度，g/cm3 ； r-測定裝置的筒身半徑 ，cm ； h,-試樣高度，cm ； (3)稱取試樣後，在試樣中加相當於試樣質量1% 2%的水分,伴和均勻後,將試樣分層裝入所述筒身內，每層的級配應相同，分層厚度:砂土為2 3cm，砂礫石及砂卵石為d85的1.5 2.0倍； (4)對於風化石渣或易擊碎的土料，採用振動加密法擊實，其他土料用擊實錘擊實；擊實後試樣總厚度:沙土不小於IOcm ;細碌石不小於15cm ;中粗碌石為20 25cm ;卵石不小於d85的3 5倍，以包括試樣中最大顆粒為度； .2.2原狀樣製備: (1)取樣位置:應選擇具有代表性地層和滲流流態條件的不同部位，如防滲牆底部、壩基牆底部、壩基內部段、水流出逸段、抗滲強度較低處等部位取樣； (2)在取樣地點，首先挖一尺寸大於試樣尺寸的土柱，除去土樣表面的擾動土，再用削土工具小心地慢慢地將土樣削至要求尺寸與形狀； (3)環繞土柱底四周的水平圖面上鋪墊一層砂，並使砂墊平整。
(4)套上筒身，筒身與試樣周圍間隙大致相等，埋設中間測壓管，間距IOcm左右，然後在試樣周圍澆築膨脹快凝水泥砂漿； (5)養護24h,待砂眾有一定強度後,小心的切斷土柱,將試樣削平；. 3.滲透係數測定: .3.1將擾動樣或原裝樣安裝要求填放在筒身6內，測量試樣的實際厚度； .3.2對試樣進行排氣飽和:在自動加壓系統11內儲存熱水或常溫自來水，所述熱水溫度為25-40攝氏度，所述常溫自來水應當是貯存至少一天並曝氣後的自來水，將自動加壓系統11連通下過水口 4，並使自動加壓系統11的水位略高於試樣底面位置，再逐漸增大自動加壓系統11的水壓，讓水從試樣的底部向上滲入，與此同時，隨著水位上升，應使相應的測壓管12處於排氣狀態，以完全排除試樣中的空氣，使試樣緩慢飽和； .3.3增大滲水壓力，使得上過水口 9開始有水流出，保持常水頭差，形成初始滲透坡降；.3.4對於管湧土，加第一級水頭時，初始坡降為0.02 0.03 ;然後按0.05,0.1,0.2、.0.3,0.4,0.5,0.7、1.0、1.5,2.0的坡降遞增，在接近臨界坡降時，滲透坡降遞增值應酌量減小；對於非管湧土，初始滲透坡降比管湧土適當提高，滲透坡降遞增值應適當放大； .3.5每次升高水頭30min至Ih後，測記筒身側壁上5個等距的筒壁測壓排氣孔7的水位八氏、ΛΗ2、ΛΗ3、ΛΗ4、Λ H5，計算兩相鄰筒壁測壓排氣孔7水位差的平均值，作為計算使用的水頭差ΛΗ，並用量筒測量上過水口 9單位時間At的滲水量Q，每次測量間隔的單位時間Λ t為10 20min ;連續4次測得的水位及滲水量基本穩定，即可提升至下一級水頭； .3.6對於每級滲透坡降，均按照步驟3.5的做法重複進行，直至試樣破壞，水頭不能再繼續增加時，即可結束試驗；. 4.計算: .4.1孔隙率:
3.根據權利要求2所述的一種超大粒徑粗粒土滲透係數的測定方法，其特徵在於，步驟3.2中的所述常溫自來水的溫度為20攝氏度。
全文摘要
本發明涉及一種水利工程材料的參數測定裝置及方法，特別涉及一種用於對超大粒徑粗粒土料(粒徑60mm≤d85≤100mm)進行滲透特性測定的裝置及方法，其IPC國際專利分類號為E02D1/04和E02D33/00。本發明的測定裝置，包括測試筒、自動加壓系統11和測壓管12，測試筒筒壁設有多個測壓孔，在進行土體排氣飽和時，筒壁測壓孔可作為排氣孔，可與筒頂和筒底的排氣孔共同加速排氣，從而使試樣迅速達到飽和狀態。本發明的測定方法，經過大量試驗驗證，進行試樣飽和時，用溫度25-40攝氏度的熱水，能夠使超大粒徑樣品快速達到飽和，而且對樣品的化學、物理穩定性影響最小。
文檔編號G01N15/08GK103149143SQ20131006630
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月4日 優先權日2013年3月4日
發明者沈細中, 張俊霞, 蘭雁, 張敏 申請人:黃河水利委員會黃河水利科學研究院