專利名稱：超大粒徑粗粒土滲透系數(shù)測定裝置及測定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明涉及一種水利工程材料的參數(shù)測定裝置及方法，特別涉及一種用于對工程中選用的超大粒徑粗粒土料(粒徑60mm < d85 ^ 100mm)進(jìn)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(shù)：
:在水利、交通、鐵路等工程建設(shè)中，粗粒土常常作為基礎(chǔ)用料。粗粒土按照《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ145-90)規(guī)定，粗顆粒土指的是粒徑大于0.075mm且小于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。對于這些工程而言，滲透變形、破壞是一個(gè)常見的問題，粗粒土由于其構(gòu)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，在工程中采用合適的粗粒土料，需要進(jìn)行其滲透性能的測試。近年來由于國家大力建設(shè)水利工程，南水北調(diào)等大型水利工程已經(jīng)在建設(shè)中，在南水北調(diào)工程中，由于工程戰(zhàn)線長，施工用土料需求巨大，特別是作為引水渠道的基礎(chǔ)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(diào)工程沿線區(qū)域的土料，粗顆粒土量較少，大多為粒徑超過60_但小于IOOmm的超大粒徑粗粒土，即粒徑60mm ( d85 ( 100mm。通過試驗(yàn)驗(yàn)證,該類超大粒徑的粗粒土經(jīng)過正確的配比，可以達(dá)到工程用料的要求，但其的滲透性能需要經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)測定，才能運(yùn)用在工程之中。在目前的工程應(yīng)用中，有針對粗粒土進(jìn)行滲透試驗(yàn)的裝備，其設(shè)備內(nèi)徑大小為200mm和300mm,根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)的規(guī)定,根據(jù)試驗(yàn)土樣粒徑,按儀器內(nèi)徑大于試樣粒徑d85的5倍選擇儀器。因此，現(xiàn)有的設(shè)備能夠測試的粒徑范圍有限，d85不超過60mm。由于之前在水利工程中使用超大粒徑粗粒土非常少，同時(shí)在水利工程中使用該類土料時(shí)，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(jìn)行排氣飽和，因此沒有對超大粒徑粗粒土進(jìn)行滲透性能測試的儀器和成熟的測試方法。隨著南水北調(diào)等大型工程的建設(shè)，超大粒徑粗粒土在工程中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，研制一套能對超大粒徑粗粒土滲透特性進(jìn)行測試的儀器及其測試方法，是非常有必要的
發(fā)明內(nèi)容
:發(fā)明人通過對以往設(shè)備的研究以及現(xiàn)有工程中選用的超大粒徑的粗粒土特性的分析，設(shè)計(jì)了專用測試儀器，在測試筒壁外側(cè)設(shè)計(jì)數(shù)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(jìn)行滲透特性的測試。而且，發(fā)明人采用該測試儀器，對試樣的厚度、試樣排氣飽和方法時(shí)的水溫、滲透坡降遞增值等參數(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場驗(yàn)證，發(fā)明了采用該測試儀器對超大粒徑的粗粒土滲透性進(jìn)行測試的方法。本發(fā)明的目的是提供一種快速、系統(tǒng)、簡便、快速的適用于超大粒徑粗粒土滲透系數(shù)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系數(shù)的方法。
—種超大粒徑粗粒土滲透系數(shù)測定裝置，包括測試筒、自動(dòng)加壓系統(tǒng)和測壓管，所述測試筒由底座支架、緩沖料容器、筒身和上蓋組成，其中，所述緩沖料容器支撐在所述底座支架上部，緩沖料容器的側(cè)壁設(shè)置有下排氣孔，下部設(shè)有下過水口 ；所述緩沖料容器上部與所述筒身通過密封螺栓連接，所述筒身上設(shè)置多個(gè)筒壁測壓排氣孔，每個(gè)所述的筒壁測壓排氣孔設(shè)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(shè)有上過水口和上排氣孔；所述自動(dòng)加壓系統(tǒng)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系數(shù)的測定方法，其步驟如下:1.準(zhǔn)備好超大粒徑粗粒土滲透系數(shù)測定裝置:1.1所述測定裝置包括測試筒、自動(dòng)加壓系統(tǒng)和測壓管，所述測試筒由底座支架、緩沖料容器、筒身和上蓋組成，其中，所述緩沖料容器支撐在所述底座支架上部，緩沖料容器的側(cè)壁設(shè)置有下排氣孔，下部設(shè)有下過水口 ；所述緩沖料容器上部與所述筒身通過密封螺栓連接，所述筒身上設(shè)置多個(gè)筒壁測壓排氣孔，每個(gè)所述的筒壁測壓排氣孔設(shè)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(shè)有上過水口和上排氣孔；所述自動(dòng)加壓系統(tǒng)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在所述緩沖料容器內(nèi)填充細(xì)礫石作為緩沖層，用以緩沖水流并將滲水壓力平均分散；2.試樣制備:2.1擾動(dòng)樣制備(I)選取試樣，對試樣進(jìn)行顆粒分析，確定試樣的級配曲線，并繪制顆粒級配曲線
(2)根據(jù)需要控制的干密度及試樣高度，按照式(I)計(jì)算試樣質(zhì)量；md = P d r2h'(I)式中:md——試樣干質(zhì)量，g ；P d——需控制的干密度，g/cm3 ；r——測定裝置的筒身半徑，cm ;h'——試樣高度，cm;(3)稱取試樣后，在試樣中加相當(dāng)于試樣質(zhì)量1% 2%的水分，伴和均勻后，將試樣分層裝入所述筒身內(nèi)，每層的級配應(yīng)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)對于風(fēng)化石渣或易擊碎的土料，采用振動(dòng)加密法擊實(shí)，其他土料用擊實(shí)錘擊實(shí)；擊實(shí)后試樣總厚度:沙土不小于IOcm ;細(xì)碌石不小于15cm ;中粗碌石為20 25cm ;卵石不小于d85的3 5倍，以包括試樣中最大顆粒為度；2.2原狀樣制備:(I)取樣位置:應(yīng)選擇具有代表性地層和滲流流態(tài)條件的不同部位，如防滲墻底部、壩基墻底部、壩基內(nèi)部段、水流出逸段、抗?jié)B強(qiáng)度較低處等部位取樣；(2)在取樣地點(diǎn)，首先挖一尺寸大于試樣尺寸的土柱，除去土樣表面的擾動(dòng)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(huán)繞土柱底四周的水平圖面上鋪墊一層砂，并使砂墊平整。
(4)套上筒身，筒身與試樣周圍間隙大致相等，埋設(shè)中間測壓管，間距IOcm左右，然后在試樣周圍澆筑膨脹快凝水泥砂漿；(5)養(yǎng)護(hù)24h，待砂漿有一定強(qiáng)度后，小心的切斷土柱，將試樣削平；3.滲透系數(shù)測定:3.1將擾動(dòng)樣或原裝樣安裝要求填放在筒身6內(nèi)，測量試樣的實(shí)際厚度；3.2對試樣進(jìn)行排氣飽和:在自動(dòng)加壓系統(tǒng)11內(nèi)儲(chǔ)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(yīng)當(dāng)是貯存至少一天并曝氣后的自來水，將自動(dòng)加壓系統(tǒng)11連通下過水口 4，并使自動(dòng)加壓系統(tǒng)11的水位略高于試樣底面位置，再逐漸增大自動(dòng)加壓系統(tǒng)11的水壓，讓水從試樣的底部向上滲入，與此同時(shí)，隨著水位上升，應(yīng)使相應(yīng)的測壓管12處于排氣狀態(tài)，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對于管涌土，加第一級水頭時(shí)，初始坡降為0.02 0.03 ;然后按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(shí)，滲透坡降遞增值應(yīng)酌
量減?。粚τ诜枪苡客?，初始滲透坡降比管涌土適當(dāng)提高，滲透坡降遞增值應(yīng)適當(dāng)放大；3.5每次升高水頭30min至Ih后，測記筒身側(cè)壁上5個(gè)等距的筒壁測壓排氣孔7的水位八氏、ΛΗ2、ΔΗ3> ΛΗ4、Λ H5，計(jì)算兩相鄰?fù)脖跍y壓排氣孔7水位差的平均值，作為計(jì)算使用的水頭差Λ H，并用量筒測量上過水口 9單位時(shí)間At的滲水量Q，每次測量間隔的單位時(shí)間Λ t為10 20min ;連續(xù)4次測得的水位及滲水量基本穩(wěn)定，即可提升至下一級水頭；3.6對于每級滲透坡降，均按照步驟3.5的做法重復(fù)進(jìn)行，直至試樣破壞，水頭不能再繼續(xù)增加時(shí)，即可結(jié)束試驗(yàn)；4.計(jì)算:4.1 孔隙率:
權(quán)利要求
1.一種超大粒徑粗粒土滲透系數(shù)測定裝置及測定方法，包括測試筒、自動(dòng)加壓系統(tǒng)(11)和測壓管(12)，所述測試筒由底座支架(I)、緩沖料容器(2)、筒身(6)和上蓋(8)組成，其中，所述緩沖料容器(2)支撐在所述底座支架(I)上部，緩沖料容器(2)的側(cè)壁設(shè)置有下排氣孔(3)，下部設(shè)有下過水口(4);所述緩沖料容器(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(shè)置多個(gè)筒壁測壓排氣孔(7)，每個(gè)所述的筒壁測壓排氣孔(7)設(shè)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(shè)有上過水口(9)和上排氣孔(10);所述自動(dòng)加壓系統(tǒng)(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系數(shù)的測定方法，其步驟如下: .1.準(zhǔn)備好超大粒徑粗粒土滲透系數(shù)測定裝置: .1.1所述測定裝置包括測試筒、自動(dòng)加壓系統(tǒng)(11)和測壓管(12)，所述測試筒由底座支架(I)、緩沖料容器(2)、筒身(6)和上蓋(8)組成，其中，所述緩沖料容器(2)支撐在所述底座支架(I)上部，緩沖料容器(2)的側(cè)壁設(shè)置有下排氣孔(3)，下部設(shè)有下過水口(4)；所述緩沖料容器(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(shè)置多個(gè)筒壁測壓排氣孔(7)，每個(gè)所述的筒壁測壓排氣孔(7)設(shè)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(shè)有上過水口(9)和上排氣孔(10)；所述自動(dòng)加壓系統(tǒng)(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在所述緩沖料容器內(nèi)填充細(xì)礫石作為緩沖層，用以緩沖水流并將滲水壓力平均分散； .2.試樣制備: .2.1擾動(dòng)樣制備 (1)選取試樣，對試樣進(jìn)行顆粒分析，確定試樣的級配曲線，并繪制顆粒級配曲線圖； (2)根據(jù)需要控制的干密度及試樣高度，按照式(I)計(jì)算試樣質(zhì)量； md = P rV(I) 式中:md——試樣干質(zhì)量，g ； P d-需控制的干密度，g/cm3 ； r-測定裝置的筒身半徑 ，cm ； h,-試樣高度，cm ； (3)稱取試樣后，在試樣中加相當(dāng)于試樣質(zhì)量1% 2%的水分,伴和均勻后,將試樣分層裝入所述筒身內(nèi)，每層的級配應(yīng)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)對于風(fēng)化石渣或易擊碎的土料，采用振動(dòng)加密法擊實(shí)，其他土料用擊實(shí)錘擊實(shí)；擊實(shí)后試樣總厚度:沙土不小于IOcm ;細(xì)碌石不小于15cm ;中粗碌石為20 25cm ;卵石不小于d85的3 5倍，以包括試樣中最大顆粒為度； .2.2原狀樣制備: (1)取樣位置:應(yīng)選擇具有代表性地層和滲流流態(tài)條件的不同部位，如防滲墻底部、壩基墻底部、壩基內(nèi)部段、水流出逸段、抗?jié)B強(qiáng)度較低處等部位取樣； (2)在取樣地點(diǎn)，首先挖一尺寸大于試樣尺寸的土柱，除去土樣表面的擾動(dòng)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(huán)繞土柱底四周的水平圖面上鋪墊一層砂，并使砂墊平整。
(4)套上筒身，筒身與試樣周圍間隙大致相等，埋設(shè)中間測壓管，間距IOcm左右，然后在試樣周圍澆筑膨脹快凝水泥砂漿； (5)養(yǎng)護(hù)24h,待砂衆(zhòng)有一定強(qiáng)度后,小心的切斷土柱,將試樣削平；. 3.滲透系數(shù)測定: .3.1將擾動(dòng)樣或原裝樣安裝要求填放在筒身6內(nèi)，測量試樣的實(shí)際厚度； .3.2對試樣進(jìn)行排氣飽和:在自動(dòng)加壓系統(tǒng)11內(nèi)儲(chǔ)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(yīng)當(dāng)是貯存至少一天并曝氣后的自來水，將自動(dòng)加壓系統(tǒng)11連通下過水口 4，并使自動(dòng)加壓系統(tǒng)11的水位略高于試樣底面位置，再逐漸增大自動(dòng)加壓系統(tǒng)11的水壓，讓水從試樣的底部向上滲入，與此同時(shí)，隨著水位上升，應(yīng)使相應(yīng)的測壓管12處于排氣狀態(tài)，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對于管涌土，加第一級水頭時(shí)，初始坡降為0.02 0.03 ;然后按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(shí)，滲透坡降遞增值應(yīng)酌量減??；對于非管涌土，初始滲透坡降比管涌土適當(dāng)提高，滲透坡降遞增值應(yīng)適當(dāng)放大； .3.5每次升高水頭30min至Ih后，測記筒身側(cè)壁上5個(gè)等距的筒壁測壓排氣孔7的水位八氏、ΛΗ2、ΛΗ3、ΛΗ4、Λ H5，計(jì)算兩相鄰?fù)脖跍y壓排氣孔7水位差的平均值，作為計(jì)算使用的水頭差ΛΗ，并用量筒測量上過水口 9單位時(shí)間At的滲水量Q，每次測量間隔的單位時(shí)間Λ t為10 20min ;連續(xù)4次測得的水位及滲水量基本穩(wěn)定，即可提升至下一級水頭； .3.6對于每級滲透坡降，均按照步驟3.5的做法重復(fù)進(jìn)行，直至試樣破壞，水頭不能再繼續(xù)增加時(shí)，即可結(jié)束試驗(yàn)；. 4.計(jì)算: .4.1孔隙率:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超大粒徑粗粒土滲透系數(shù)的測定方法，其特征在于，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(fā)明涉及一種水利工程材料的參數(shù)測定裝置及方法，特別涉及一種用于對超大粒徑粗粒土料(粒徑60mm≤d85≤100mm)進(jìn)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(fā)明的測定裝置，包括測試筒、自動(dòng)加壓系統(tǒng)11和測壓管12，測試筒筒壁設(shè)有多個(gè)測壓孔，在進(jìn)行土體排氣飽和時(shí)，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(dá)到飽和狀態(tài)。本發(fā)明的測定方法，經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行試樣飽和時(shí)，用溫度25-40攝氏度的熱水，能夠使超大粒徑樣品快速達(dá)到飽和，而且對樣品的化學(xué)、物理穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者沈細(xì)中, 張俊霞, 蘭雁, 張敏 申請人:黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院