法向壓力下的通水量試驗方法及試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種法向壓力下的通水量試驗方法和試驗裝置，試驗裝置包括充滿水的試驗容器，測試材料水平放置于試驗容器的中部，用帶有均勻分布透水孔的上盤和中間設有通水孔的下盤分別在測試材料的上、下表面壓緊，上盤和下盤的邊緣密封，上盤的上部與帶有穩(wěn)定壓力的水源連通，下盤的下部與具有測量排水量功能的排水裝置連通，上盤與法向壓力施加系統連接，法向壓力施加系統根據試驗參數向上盤施加法向壓力。本發(fā)明試驗裝置可實現法向壓力下土體、土工材料的滲透特性測試，較為真實地模擬擋墻、隧道襯砌等工程背后土體及反濾材料的實際工作狀態(tài)，可以為實際工程設計提供合理的試驗參數，具有良好的推廣應用前景和經濟技術效益。
【專利說明】法向壓力下的通水量試驗方法及試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及土工試驗領域，具體地指一種法向壓力下的通水量試驗方法及試驗裝置。
【背景技術】
[0002]對于巖土支擋工程、隧道工程等，如果不及時排除周圍巖土體中的地下水，則會導致支擋結構、隧道襯砌結構等承受較大靜、動水壓力，導致結構發(fā)生相應的變形甚至失穩(wěn)破壞。為排除周圍巖土體中的地下水，并避免土體中的細顆粒隨水流而流失，均需要設置合理有效的反濾層。反濾層良好的滲透特性是保證支擋工程、隧道工程長期安全穩(wěn)定的重要前提。
[0003]支擋結構反濾層一般采用砂礫石、土工材料等形式，目前，對于支擋結構反濾層的滲透特性可采用滲透系數或通水量進行評價，如:《水電水利工程土工試驗規(guī)程(DL/T5355-2006)))中列出了滲透系數的試驗方法，《公路土工合成材料試驗規(guī)程(JTGE50-2006)》、《水運工程塑料排水板應用技術規(guī)程(JTS206-1-2009)》中列出了通水量的試驗方法。但是直接應用這些方法評價支擋工程、隧道工程反濾層的滲透特性存在以下不足:①對于支擋工程、隧道工程的反濾層，由于設置位置的不同，承受不同的法向壓力，壓力越大材料被擠密的孔隙體積越小，滲透特性也會有所降低，但上述規(guī)范中的方法均無法評價法向應力狀態(tài)下材料滲透特性。②對于支擋工程、隧道工程的反濾層，需通過泄水孔將地下水排除，補給區(qū)域遠遠大于泄水孔的截面積，上述規(guī)范中的方法均無法模擬這種滲流狀態(tài)。因此用于測試主要受法向壓力作用下土工材料的通水量并不合理、不準確。
【發(fā)明內容】
[0004]針對現有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于確定巖土介質或工程土工材料與應力狀態(tài)相關滲透特性的法向壓力下的通水量試驗方法及試驗裝置。
[0005]為實現上述目的，本發(fā)明一種法向壓力下的通水量試驗方法，其特殊之處在于，包括如下步驟:
[0006]步驟1:將測試材料水平放置在充滿水的試驗容器中，用帶有均勻密布的多個透水孔的上盤和中間設有一個通水孔的下盤分別壓緊在所述測試材料的上、下表面，所述透水孔總面積是通水孔面積的5?30倍，將所述上盤和下盤的邊緣與試驗容器的內壁之間密封；
[0007]步驟2:向所述上盤上方試驗容器注水并向水中施加穩(wěn)定的進水壓力pl (kPa)；
[0008]步驟3:根據試驗參數在所述上盤表面朝測試材料表面施加穩(wěn)定的法向力F (kN)；
[0009]步驟4:調節(jié)所述下盤下方試驗容器的排水量，使排水量不大于進水量，以保證所述下盤下方的試驗容器內充滿水，待排水壓力數據穩(wěn)定，在一定的測試時間t內，記錄下盤下方流出的排水量Q (cm3)和下盤下方試驗容器內的排水壓力p2 (kPa)；
[0010]步驟5:改變法向力F (kN)，重復步驟2，獲取多次的測量數據排水量Q (cm3)和排水壓力P2 (kPa)；
[0011]步驟6:根據測量數據計算出所述測試材料(3)的等效通水量q (cm3/s)，計算公式如下:
r ,Q D- V,
[0012]q = (pl-p2).t
[0013]其中:Q為排水量(cm3)，D為所述測試材料(3)的厚度(m)，Yw為水的重度(kN/m3), pl-p2為進水壓力與排水壓力之差(kPa), t為試驗時間(S)。
[0014]優(yōu)選地，所述進水壓力pl為I?500(kPa)。進水壓力pl與測試材料所處工程環(huán)境中的水壓力一致，為了較好的模擬和反映材料的實際工作狀態(tài)，一般條件下Pl (kPa)取值約為I?500 (kPa)0
[0015]優(yōu)選地，所述排水量Q (cm3)的測量數據通過與下盤下方的試驗容器連通的排水裝置獲??；所述下盤下方容器內的排水壓力P2 (kPa)通過設置在下盤下方試驗容器內的排水壓力表。
[0016]一種用于上述法向壓力下的通水量試驗方法的試驗裝置，特殊之處在于，包括充滿水的試驗容器，測試材料水平放置于所述試驗容器的中部，中部設有用于壓緊測試材料的上盤和下盤，所述上盤為多孔盤狀結構、其上均勻分布透水孔，所述下盤為盤狀結構、中間設置有通水孔，所述透水孔總面積是通水孔面積的5?30倍，所述上盤和下盤的邊緣與試驗容器的內壁密封，所述上盤的上部與帶有穩(wěn)定壓力的水源連通，所述下盤與試驗容器相對固定，具有測量排水量功能的排水裝置與所述下盤下方的試驗容器連通，所述上盤與法向壓力施加系統連接，所述法向壓力施加系統根據試驗參數向上盤施加法向壓力。
[0017]進一步地，所述透水孔的孔徑為上盤直徑的1/25?1/10倍，所述透水孔之間的間距為孔徑值的1.2?2倍。
[0018]更進一步地，所述通水孔的孔徑為上盤直徑的1/8?1/3倍。為使模擬環(huán)境與實際工程環(huán)境一致，使試驗結果更為準確，透水孔的總面積為通水孔的面積的5?30倍。
[0019]更進一步地，所述試驗容器包括進水腔和排水腔兩個腔體，所述進水腔的底部為敞口，所述排水腔的頂部為敞口，所述上盤位于進水腔的底部，所述進水腔上部側壁設有進水口，所述進水口通過第一開關閥門與帶有穩(wěn)定壓力的水源連通，所述下盤位于排水腔的頂部，所述排水腔的下部側壁設有排水口，所述排水口通過第二開關閥門與排水裝置連通。將試驗容器設置為進水腔和排水腔兩個腔體，通過上盤和下盤將測試材料固定在兩個腔體中間，方便更換測試材料；第一開關閥門和第二開關閥門分別設置于進水口及排水口處，用于控制試驗的開始和結束。
[0020]更進一步地，所述法向壓力施加系統包括壓力施加裝置和施力傳動桿，所述施力傳動桿的下端與上盤剛性連接、上端從進水腔頂部的通孔伸出與壓力施加裝置連接，所述壓力施加裝置施加的法向壓力通過施力傳動桿和上盤作用于測試材料，所述通孔與施力傳動桿之間設置有用于密封的密封活動套。所述的壓力施加裝置，可以為千斤頂、油泵、杠桿等形式，應保證施加壓力的穩(wěn)定性。壓力施加裝置通過施力傳動桿將壓力傳遞于上盤，并最終施加于測試材料。密封活動套，可采用橡膠墊圈的形式；可供施力傳動桿潤滑的滑動，并具有足夠的密封功能、保證進水腔內的水體不會從該縫隙滲漏。
[0021]更進一步地，所述排水腔底部設有底座，所述下盤與底座之間設置有支撐桿。底座與排水腔連接在一起，具有良好的密封性，其與支撐桿連接在一起，承受試驗過程中施加的法向壓力，應具有足夠的強度。支撐桿上端與下盤連接、下端與底座連接；可以在試驗容器的中心位置設置一根支撐桿，也可以對稱設置多根支撐桿。
[0022] 更進一步地，所述上盤和下盤與分別測試材料之間設置有透水性緩沖材料。透水性緩沖材料可采用無紡布形式，也可采用無紡布+中粗砂+無紡布形式，其滲透系數應不小于試驗土體的滲透系數3~5倍。
[0023]更進一步地，所述進水腔和排水腔的敞口處通過密封連接裝置密封。密封連接裝置可以為橡膠圈等材料制成，將進水腔、排水腔緊密連接在一起，應具有良好的密封性，不得漏水。
[0024]更進一步地，所述帶有穩(wěn)定壓力的水源通過水泵實現，所述進水腔和排水腔內分別設置有用于測量水壓的進水壓力表和排水壓力表，所述排水口設置有用于測量排水量的流量計。水泵可以在恒定壓力下提供穩(wěn)定的水量，從而可以用來為試驗提供穩(wěn)定的較高的水壓力。壓力表分別設置于進水口、排水口位置，用于兩側進水口、排水口兩側的水壓力。流量計用以測量試驗過程中的滲流出來的水量。
[0025]更進一步地，所述帶有穩(wěn)定壓力的水源通過放置在試驗容器上方的給水容器實現，所述排水裝置為滲排水量測裝置。給水容器應具有保持恒定的水位高度的功能，從而可以用來為試驗提供穩(wěn)定的水壓力。滲排水量測裝置用以測量試驗過程中的滲流出來的水量。
[0026]該發(fā)明的設計原理為:將測試材料放置在具有穩(wěn)定水壓的試驗容器中，設置帶有透水孔的上盤和帶有通水孔的下盤實現現場工程中空隙的模擬，通過壓力施加裝置向測試材料施加一定的法向力F (kN),而測試材料所承受的法向壓力P (kPa)=F/Aq可計算出，其中Aq (m2)為上盤的全部面積，則測試材料的等效通水量q (cm3/s)可以通過如下計算公式計算得出:
【權利要求】
1.一種法向壓力下的通水量試驗方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:將測試材料(3)水平放置在充滿水的試驗容器(1)中，用帶有均勻密布的多個透水孔(7)的上盤(5)和中間設有一個通水孔(6.1)的下盤(6)分別壓緊在所述測試材料(3)的上、下表面，所述透水孔(7)總面積是通水孔(6.1)面積的5~30倍，將所述上盤(5)和下盤(6)的邊緣與試驗容器(1)的內壁之間密封； 步驟2:向所述上盤(5)上方試驗容器(1)注水并向水中施加穩(wěn)定的進水壓力pl(kPa); 步驟3:根據試驗參數在所述上盤(5)表面朝測試材料(3)表面施加穩(wěn)定的法向力F(kN)； 步驟4:調節(jié)所述下盤(6)下方試驗容器(1)的排水量，使排水量不大于進水量，以保證所述下盤(6)下方的試驗容器(1)內充滿水，待排水壓力數據穩(wěn)定，在一定的測試時間t內，記錄下盤(6)下方流出的排水量Q (cm3)和下盤(6)下方試驗容器(1)內的排水壓力p2(kPa)； 步驟5:改變法向力F (kN)，重復步驟2，獲取多次的測量數據排水量Q (cm3)和排水壓力 p2 (kPa)； 步驟6:根據測量數據計算出所述測試材料(3)的等效通水量q (cmVs)，計算公式如下:
2.根據權利要求1所述的法向壓力下的通水量試驗方法，其特征在于:所述進水壓力pl 為 1 ~500 (kPa).
3.根據權利要求1所述的法向壓力下的通水量試驗方法，其特征在于:所述排水量Q(cm3)的測量數據通過與下盤(6)下方的試驗容器(1)連通的排水裝置(8)獲?。凰鱿卤P(6 )下方容器內的排水壓力p2 (kPa)通過設置在下盤(6 )下方試驗容器(1)內的排水壓力表(10)。
4.一種用于權利要求1所述的法向壓力下的通水量試驗方法的試驗裝置，其特征在于:包括充滿水的試驗容器(1)，測試材料(3)水平放置于所述試驗容器(1)的中部，中部設有用于壓緊測試材料(3)的上盤(5)和下盤(6)，所述上盤(5)為多孔盤狀結構、其上均勻分布透水孔(5.1)，所述下盤(6)為盤狀結構、中間設置有通水孔(6.1)，所述透水孔(7)總面積是通水孔(6.1)面積的5~30倍，所述上盤(5)和下盤(6)的邊緣與試驗容器(1)的內壁密封，所述上盤(5)的上部與帶有穩(wěn)定壓力的水源(4)連通，所述下盤(6)與試驗容器(1)相對固定，具有測量排水量功能的排水裝置(8)與所述下盤(6)下方的試驗容器(1)連通，所述上盤(5)與法向壓力施加系統(2)連接，所述法向壓力施加系統(2)根據試驗參數向上盤(5)施加法向壓力。
5.根據權利要求4所述的法向壓力下的通水量試驗裝置，其特征在于:所述透水孔(7)的孔徑為上盤(5)直徑的1/25~1/10倍，所述透水孔(7)之間的間距為孔徑值的1.2~2倍。
6.根據權利要求5所述的法向壓力下的通水量試驗裝置，其特征在于:所述通水孔(6.1)的孔徑為上盤(5)直徑的1/8~1/3倍。
7.根據權利要求6所述的法向壓力下的通水量試驗裝置，其特征在于:所述試驗容器(I)包括進水腔(1.1)和排水腔(1.2)兩個腔體，所述進水腔(1.1)的底部為敞口，所述排水腔(1.2)的頂部為敞口，所述上盤(5)位于進水腔(1.1)的底部，所述進水腔(1.1)上部側壁設有進水口(1.3)，所述進水口(1.3)通過第一開關閥門(1.9)與帶有穩(wěn)定壓力的水源(4)連通，所述下盤(6)位于排水腔(1.2)的頂部，所述排水腔(1.2)的下部側壁設有排水口( 1.4)，所述排水口( 1.4)通過第二開關閥門(1.10)與排水裝置(8)連通。
8.根據權利要求7所述的法向壓力下的通水量試驗裝置，其特征在于:所述法向壓力施加系統(2)包括壓力施加裝置(2.1)和施力傳動桿(2.2)，所述施力傳動桿(2.2)的下端與上盤(5)剛性連接、上端從進水腔(1.1)頂部的通孔(1.8)伸出與壓力施加裝置(2.1)連接，所述壓力施加裝置(2.1)施加的法向壓力通過施力傳動桿(2.2)和上盤(5)作用于測試材料(3)，所述通孔(1.8)與施力傳動桿(2.2)之間設置有用于密封的密封活動套(1.7)。
9.根據權利要求7所述的法向壓力下的通水量試驗裝置，其特征在于:所述排水腔(1.2)底部設有底座(1.6)，所述下盤(6)與底座(1.6)之間設置有支撐桿(2.3)。
10.根據權利要求7所述的法向壓力下的通水量試驗裝置，其特征在于:所述上盤(5)和下盤(6)與分別測試材料(3)之間設置有透水性緩沖材料(7)。
11.根據權利要求8所述的法向壓力下的通水量試驗裝置，其特征在于:所述進水腔(1.1)和排水腔(1.2)的敞口處通過密封連接裝置(1.5)密封。
12.根據權利要求4~11所述的法向壓力下的通水量試驗裝置，其特征在于:所述帶有穩(wěn)定壓力的水源(4)通過水泵(4.2)實現，所述進水腔(1.1)和排水腔(1.2)內分別設置有用于測量水壓的進水壓力表(9)和排水壓力表(10)，所述排水口( 1.4)設置有用于測量排水量的流量計(8.1)
13.根據權利要求4~11所述的法向壓力下的通水量試驗裝置，其特征在于:所述帶有穩(wěn)定壓力的水源(4 )通過放置在試驗容器(I)上方的給水容器(4.1)實現，所述排水裝置(8)為滲排水量測裝置(8.2)。
【文檔編號】G01N15/08GK103926183SQ201410155449
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權日:2014年4月17日
【發(fā)明者】詹學啟, 張占榮, 郭建湖, 陳世剛, 蔣道君, 楊松 申請人:中鐵第四勘察設計院集團有限公司