本發(fā)明涉及一種可壓式粘性土滲透系數(shù)測定試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法。
背景技術(shù):
土壤滲透儀可以測定粘性土的滲透性能?,F(xiàn)如今,土工試驗(yàn)常采用的土壤滲透儀大致分為硬壁式滲透儀與軟壁式滲透儀,其中硬壁式滲透儀要求試樣體積固定,無法進(jìn)行壓縮;軟壁式滲透儀多是采用高水壓作用于試樣使之產(chǎn)生壓縮應(yīng)變,無法控制土體內(nèi)含水率,且對于具有一定固結(jié)條件的土樣的滲透性束手無策。
在土體性質(zhì)方面,由于受礦物成分、孔隙大小、顆粒凝聚狀態(tài)、分子間作用力等因素的影響,粘土顆粒之間往往存在強(qiáng)水膜作用,粘性土的滲透性要比砂、礫等無粘性土小得多,因此對于粘性土滲透系數(shù)的測定必須在較高壓力作用進(jìn)行。并且,很多土體內(nèi)賦存蒙脫石、高嶺石等礦物質(zhì),吸水性較強(qiáng),遇水膨脹,作用其上的壓力卸除后易回彈,吸收部分空氣,對于要求保證其體積或孔隙率的試驗(yàn)影響較大。
粘性土的應(yīng)力歷史對其物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響,將土在歷史上曾受到過的最大有效應(yīng)力稱為前期固結(jié)壓力,該值與現(xiàn)有有效應(yīng)力的比值稱為超固結(jié)比,該值反應(yīng)粘性土的應(yīng)力歷史,研究表明,粘性土的應(yīng)力歷史對其物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。
現(xiàn)有的改進(jìn)型專利發(fā)明裝置多是以水壓驅(qū)動試樣壓縮變形的變壓式滲透儀,無法模擬應(yīng)力歷史的作用,無法實(shí)現(xiàn)土體壓縮時所承受的壓力與滲透試驗(yàn)時的所承受的水壓分離,對于某些特定要求的土工試驗(yàn)無法滿足要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明為了解決上述問題,提出了一種適用于測定粘性土滲透性的試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法,尤其用于測定滲透系數(shù)小,吸水膨脹,卸除壓力后易回彈,對應(yīng)力歷史反應(yīng)敏感的土體的滲透性能。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對壓縮后粘性土樣的滲透性能的測定,且引起該壓縮的荷載是由機(jī)械壓縮產(chǎn)生的而并非高水壓引起的,在完成試樣壓縮后及時測定其滲透性能,盡可能地保證粘性土樣不發(fā)生回彈變形,從而避免無關(guān)因素的干擾,相關(guān)試驗(yàn)裝置為粘性土應(yīng)變—滲透性關(guān)系及孔隙率—滲透性關(guān)系等的相關(guān)研究提供依據(jù)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種適用于測定粘性土滲透性的試驗(yàn)系統(tǒng),包括供壓裝置、儲液裝置、可壓式滲透裝置、量測裝置和管路系統(tǒng),所述供壓裝置連接儲液裝置,為其提供壓力氣體,推動儲液裝置內(nèi)的液體通過管路系統(tǒng)進(jìn)入可壓式滲透裝置,所述量測裝置測量流經(jīng)可壓式滲透裝置中待測試樣的水。
所述供壓裝置包括氮?dú)馄?、空壓機(jī)和減壓器,所述氮?dú)馄俊⒖諌簷C(jī)通過連通管路共同提供壓力。所述氮?dú)馄慷诉B通管路上設(shè)置有減壓器調(diào)節(jié)輸出壓力。
所述儲液裝置內(nèi)存有滲透液,作為滲透裝置水源供給,儲液裝置頂部位設(shè)有高壓氣體閥門、加液排氣閥門和壓力表。
高壓氣體閥門控制高壓氣體的輸入,閥門頂部設(shè)置活接連接的氣壓口以保證氣密性,加液排氣閥門向儲液裝置內(nèi)注入滲透液,當(dāng)壓力過高時該閥門起到泄壓以維持桶內(nèi)氣壓穩(wěn)定的作用。
儲液裝置壁上設(shè)置精準(zhǔn)刻度線,以記錄桶內(nèi)的液面變化,儲液裝置底部兩側(cè)對稱布設(shè)兩個液體流出閥門,當(dāng)儲液裝置內(nèi)壓力滿足要求時打開該兩處閥門即可。
所述可壓式滲透裝置上側(cè)包括傳壓穩(wěn)壓蓋,承受壓力荷載,向壓力室內(nèi)的試樣提供壓力使其壓縮,傳壓穩(wěn)壓蓋包括組合壓力桿和穩(wěn)壓架,組合壓力桿頂部表面光滑,直接承受壓力荷載,組合壓力桿底部為旋轉(zhuǎn)圓盤結(jié)構(gòu),表面對稱開設(shè)兩個通長的圓孔,作為水流通道的一部分,組合壓力桿與穩(wěn)壓架通過中部傳力桿套結(jié),中部傳力桿上布置精準(zhǔn)刻度線,以指示試件被壓縮后的實(shí)際高度,從而確定試樣的實(shí)際軸向應(yīng)變量,以及孔隙率的計(jì)算。
進(jìn)一步的,所述穩(wěn)壓架盤面上留設(shè)螺桿孔,以便于與下部底座固定連接,其近壓力桿部位同樣布設(shè)兩個通長的圓孔,作為水流通道的一部分,并于上部水流入口處布設(shè)對絲。
進(jìn)一步的,所述壓力組合桿與穩(wěn)壓架均可旋轉(zhuǎn),試件加壓時應(yīng)旋轉(zhuǎn)上下兩段過水通道使圓孔不連通,被壓縮的土體無法透入到過水通道中,從而達(dá)到隔土的目的;當(dāng)進(jìn)行滲透試驗(yàn)時,應(yīng)旋轉(zhuǎn)組合桿時到預(yù)設(shè)位置處,使兩段通道連通,從而使?jié)B透水流得以順利通過。
進(jìn)一步的,所述可壓式滲透裝置下側(cè)承重底座包括壓力室、穩(wěn)壓臺、儲液室和出液口,壓力室空間可壓縮,底面布設(shè)透水石,放入試樣后再在試樣頂部放一塊透水石,蓋上承壓穩(wěn)壓蓋,使承壓底座頂端達(dá)到壓力桿側(cè)壁標(biāo)注的0刻度線處,儲液室兼具承壓與儲水雙重功能,頂部與壓力室連通處開設(shè)圓孔,作為滲透水的出流口,儲液室內(nèi)液體注滿時可從外側(cè)開設(shè)的兩個出液口流出。
進(jìn)一步的,穩(wěn)壓臺開設(shè)有若干個螺桿孔,與穩(wěn)壓架相連,以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)的保持,使試樣壓縮后不會產(chǎn)生顯著回彈,可壓式滲透裝置整體結(jié)構(gòu)所有開孔處均呈對稱式,以減少由于應(yīng)力分布不均造成的不均勻變形。
所述量測裝置為量筒,設(shè)置于所述可壓式滲透裝置的儲液室下端,收集流出的水。
基于上述系統(tǒng)的工作方法,包括以下幾個步驟:
(1)將可壓式滲透裝置取出,將成型的標(biāo)準(zhǔn)黏土試件填入壓力室,壓力室為
(2)將可壓式滲透裝置設(shè)置于壓力機(jī)或液壓千斤頂上,據(jù)試驗(yàn)要求,在精準(zhǔn)刻度線上標(biāo)定需將試樣壓縮至的終點(diǎn)刻度線,采用壓力機(jī)或液壓千斤頂將試樣壓至該額定深度,試件初始高度減去該值即為試樣壓縮后的實(shí)際高度,記為l;
(3)用螺桿將滲透裝置上側(cè)傳壓穩(wěn)壓蓋與下側(cè)承重底座牢固連接,穩(wěn)壓架發(fā)揮作用,將可壓式滲透裝置從壓力機(jī)上取下,向滲透裝置底部的儲液室內(nèi)注滿水,排干凈室內(nèi)的空氣,關(guān)閉底座上閥門;
(4)連接供壓裝置與儲液裝置以及儲液裝置與可壓式滲透裝置,調(diào)節(jié)供壓裝置的壓力,使之達(dá)到試驗(yàn)所需的壓力值p,并保持穩(wěn)定;
(5)打開壓力桶底部兩處閥門,使承壓力水流入,此時滲透裝置的上部承壓穩(wěn)壓蓋處于不連通狀態(tài),打開管路上兩處閥門,排干凈其內(nèi)殘存的空氣,從而使管路完全充滿水;
(6)關(guān)閉管路上的閥門,旋轉(zhuǎn)滲透裝置的承壓穩(wěn)壓蓋,使其上下通道連通,管內(nèi)承壓水進(jìn)入壓力室,觀察從儲液室流出的水滴速度,待流入量測裝置內(nèi)流速趨于穩(wěn)定后,在某一時間段內(nèi)記錄液面變化高度δh及經(jīng)過的時間δt;
(7)若等待10min后仍無水滴流出,應(yīng)加大空壓機(jī)壓力輸出,若空壓機(jī)量程內(nèi)均無滲流產(chǎn)生,則應(yīng)關(guān)閉空壓機(jī),開啟氮?dú)馄?,通過減壓閥與加液排氣閥門的控制,逐步增大桶內(nèi)壓力至p′,重復(fù)步驟(6);
(8)關(guān)閉供壓裝置閥門,打開儲液桶上方填液排氣閥門,待桶內(nèi)壓力降為0后,關(guān)閉底部兩閥門,依次拆除裝置,通過公式
所述步驟(6)、(7)中,對同一試樣計(jì)算多次采集數(shù)據(jù)的結(jié)果,取平均值記為最終滲透系數(shù)。
應(yīng)當(dāng)說明的是,本試驗(yàn)中供壓裝置輸出壓力引起液體的壓力水頭,遠(yuǎn)大于液體自身的重力水頭,滲透試驗(yàn)過程中保持供壓裝置壓力輸出恒定,因此本試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是常水頭滲透試驗(yàn)裝置,故應(yīng)采取常水頭滲透系數(shù)公式計(jì)算。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果為:
1.本發(fā)明突破現(xiàn)有的各滲透試驗(yàn)裝置的弊端,能夠?qū)崿F(xiàn)粘性土不同孔隙率及應(yīng)變的滲透性的測定,并且對土體施加壓力的過程是通過機(jī)械加壓而非水壓來實(shí)現(xiàn)的,應(yīng)變可控,孔隙率可測。
2.土體壓縮后能夠有效地保持其應(yīng)力狀態(tài),在完成試樣壓縮后及時測定其滲透性能,盡可能地使之不發(fā)生回彈應(yīng)變,試驗(yàn)所測得數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。
3.對于初定壓力不能引起粘性土滲透的現(xiàn)象,可通過調(diào)節(jié)供壓裝置實(shí)現(xiàn)高水壓作用,使之能夠滲透,因此也方便確定臨界水力梯度。
4.試驗(yàn)裝置簡單,操作方便,試驗(yàn)效率較高。
附圖說明
構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解,本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請,并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。
圖1為本發(fā)明的可加壓式滲透系數(shù)測定試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖;
圖2為本發(fā)明的可加壓式滲透裝置平面圖;
圖3為本發(fā)明的可加壓式滲透裝置剖面詳圖;
圖4為本發(fā)明的可加壓式滲透裝置承壓底座底視圖;
圖5為本發(fā)明的可加壓式滲透裝置傳壓穩(wěn)壓蓋俯視圖;
圖6為本發(fā)明的儲液裝置剖面圖;
其中,1——供壓裝置,11——氮?dú)馄浚?2——減壓器,13——空壓機(jī),2——儲液裝置,21——高壓氣體閥門,22——加液排氣閥門,23——壓力表,24——對絲,25——活接,26——高壓氣體接頭,27——閥門,3——可壓式滲透裝置,31——傳壓穩(wěn)壓蓋,32——組合壓力桿,33——穩(wěn)壓架,34——承重底座,35——水流入口,36——閥門,37——螺桿,38——出液口,39——螺帽,310——透水石,311——壓力室,312——儲液室,313——穩(wěn)壓臺,314——扇形深梁,315——精準(zhǔn)刻度線,316——圓孔,4——量測裝置,5——管路系統(tǒng),51——高壓塑膠軟管,52——耐壓不銹鋼軟管,53——管路閥門,54——塑膠軟管。
具體實(shí)施方式:
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
應(yīng)該指出,以下詳細(xì)說明都是例示性的,旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明,本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。
需要注意的是,這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式,而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的,除非上下文另外明確指出,否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式,此外,還應(yīng)當(dāng)理解的是,當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時,其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
正如背景技術(shù)所介紹的,現(xiàn)有技術(shù)多是以水壓驅(qū)動試樣壓縮變形的變壓式滲透儀,無法模擬應(yīng)力歷史的作用,無法實(shí)現(xiàn)土體壓縮時所承受的壓力與滲透試驗(yàn)時的所承受的水壓分離,對于某些特定要求的土工試驗(yàn)無法滿足要求。為了解決如上的技術(shù)問題,本申請?zhí)岢隽艘环N可加壓式粘性土滲透系數(shù)測定試驗(yàn)系統(tǒng)。如圖1所示,一種測定粘性土滲透性的試驗(yàn)系統(tǒng),包括供壓裝置(1)、儲液裝置(2)、可壓式滲透裝置(3)、量測裝置(4)、管路系統(tǒng)(5)五部分構(gòu)成。供壓裝置(1)與儲液裝置(2)由高壓塑膠軟管(51)連接,以作為壓力氣體運(yùn)輸管道。儲液裝置(2)與可壓式滲透裝置(3)通過耐壓不銹鋼軟管(52)連接,高壓氣體推動儲液桶中的水進(jìn)入滲透裝置??蓧菏綕B透裝置(3)通過塑膠軟管(54)與量測裝置(4)連接,以收集流經(jīng)試樣的水。
供壓裝置。供壓裝置(1)由氮?dú)馄?11)、減壓器(12)、空壓機(jī)(13)組成,為整個試驗(yàn)系統(tǒng)提供高壓力源。當(dāng)所需壓力小于1mpa時使用空壓機(jī)(13)供壓,當(dāng)所需壓力大于1mpa時使用氮?dú)馄?11)供壓。總壓力輸出可據(jù)試驗(yàn)所需通過減壓器(12)及儲液裝置(2)上加液排氣閥門(22)協(xié)同調(diào)節(jié)。
儲液裝置。儲液裝置(2)由高強(qiáng)厚壁鋼化玻璃桶制成,桶內(nèi)注入水,作為滲透裝置水源供給。桶頂部位設(shè)有高壓氣體閥門(21),加液排氣閥門(22),壓力表(23)。高壓氣體閥門(21)控制由供壓設(shè)備(1)產(chǎn)生的高壓氣體的輸入,閥門頂部設(shè)置活接(25)連接的氣壓口(26)以保證氣密性。加液排氣閥門(21)用作向桶內(nèi)注入水,當(dāng)桶內(nèi)壓力過高時該閥門還可起到泄壓以維持桶內(nèi)氣壓穩(wěn)定的作用。儲液桶壁設(shè)置精確刻度線,以記錄桶內(nèi)的液面變化。桶底部兩側(cè)對稱布設(shè)兩個液體流出閥門(27),當(dāng)桶內(nèi)壓力滿足要求時打開該兩處閥門即可。
可壓式滲透裝置??蓧菏綕B透裝置(3)由鋼制傳壓穩(wěn)壓蓋(31)、鋼制承重底座(34)與連接螺栓(37)構(gòu)成。傳壓穩(wěn)壓蓋由組合壓力桿(32)和穩(wěn)壓架(33)兩部分組合而成。組合壓力桿(32)頂部表面光滑,可以直接承受壓力荷載。組合壓力桿底部為旋轉(zhuǎn)圓盤結(jié)構(gòu),表面對稱開設(shè)兩個通長的圓孔,作為水流通道的一部分。組合壓力桿(32)與穩(wěn)壓架(33)通過中部傳力桿套結(jié),桿上布置精準(zhǔn)刻度線(315),可以指示試件被壓縮后的實(shí)際高度,從而確定試樣的實(shí)際軸向應(yīng)變量,以及孔隙率的計(jì)算。穩(wěn)壓架盤面上留設(shè)四個螺桿(37)孔,以便于與下部底座固定連接,其近組合桿部位同樣布設(shè)兩個通長的圓孔,作為水流通道的一部分,并于入口(35)處布設(shè)對絲(24)。壓力組合桿(32)與穩(wěn)壓架(33)均可旋轉(zhuǎn),試件加壓時應(yīng)旋轉(zhuǎn)上下兩段過水通道使圓孔不連通,被壓縮的土體無法透入到過水通道中,從而達(dá)到隔土的目的;當(dāng)進(jìn)行滲透試驗(yàn)時,由于穩(wěn)壓架(33)已被固定,應(yīng)旋轉(zhuǎn)組合桿時到預(yù)設(shè)位置處,使兩段通道連通,從而使?jié)B透水流得以順利通過。
滲透裝置下部的承重底座由壓力室(311)、穩(wěn)壓臺(313)、儲液室(312)、出液口(38)組成。壓力室(311)留設(shè)初始
量測裝置。量測裝置(4)用于收集由滲透裝置下部儲液室流出的水,設(shè)置為量筒的形式。
一種使用可加壓式粘性土滲透系數(shù)測定裝置測定土樣滲透性的試驗(yàn)方法,包括以下幾個步驟:
s1.將可壓式滲透裝置(3)單獨(dú)取出,將制作成標(biāo)準(zhǔn)件
s2.旋轉(zhuǎn)滲透裝置(3)的組合壓力桿(32)使其上下圓孔不連通,使4個連接螺桿(37)通過,將傳壓穩(wěn)壓蓋(31)蓋于試樣上,使承壓底座(34)頂端達(dá)到壓力桿側(cè)壁標(biāo)注的0刻度線處。
s3.將可壓式滲透裝置(3)放于壓力機(jī)或液壓千斤頂上,據(jù)試驗(yàn)要求,采用加壓裝置將試樣壓至試驗(yàn)所需的額定深度處,并通過精準(zhǔn)刻度線的(315)數(shù)值確定此時試樣被壓縮后的實(shí)際高度,記為l。試樣的壓縮工作結(jié)束。
s4.牢固旋緊四個螺母(39),將滲透裝置(3)從壓力機(jī)上取下。算得被壓縮試樣實(shí)際截面積a及孔隙率。
s5.向滲透裝置底部的儲液室(312)內(nèi)注滿水,排干凈室內(nèi)的空氣,關(guān)閉底座上閥門(27)。
s6.使用高壓塑膠軟管(51)連接供壓裝置(1)與儲液裝置(2),使用耐壓不銹鋼軟管(52)連接儲液裝置(2)與可壓式滲透裝置(3),使用塑膠軟管(54)連接可壓式滲透裝置(3)與量測裝置(4)。此時整個滲透試驗(yàn)系統(tǒng)連接完成。
s7.打開儲液裝置(2)上進(jìn)氣閥門(21),打開空壓機(jī)(13),通過空壓機(jī)壓力額定輸出,以及控制儲液桶上方的填液排氣閥門(22)調(diào)節(jié)桶內(nèi)壓力,使之達(dá)到試驗(yàn)所需的壓力值。
s8.桶內(nèi)壓力穩(wěn)定至額定壓力p后,打開壓力桶底部兩處閥門(27),使承壓力水流入耐壓不銹鋼壓力管(52),此時滲透裝置的上部承壓穩(wěn)壓蓋(31)仍應(yīng)處于不連通狀態(tài)。打開管路上兩處閥門(53),排干凈其內(nèi)殘存的空氣,從而使管路完全充滿水。
s9.關(guān)閉管路上的閥門(53),旋轉(zhuǎn)滲透裝置的承壓穩(wěn)壓蓋,使其上下通道連通,管內(nèi)承壓水進(jìn)入壓力室(311)。
s10.觀察從儲液室(312)流出的液體流速,待流入量測裝置(4)內(nèi)流速趨于穩(wěn)定后,在某一時間段內(nèi)記錄液面變化高度δh及經(jīng)過的時間δt。
s11.若始終無液體流出,考慮到粘性土的滲透性較低,等待10min后仍無水流出,應(yīng)加大空壓機(jī)(13)壓力輸出;若空壓機(jī)量程內(nèi)均無滲流產(chǎn)生,則應(yīng)關(guān)閉空壓機(jī)(13),開啟氮?dú)馄?11),通過減壓閥(12)與填液排氣閥門(22)的控制,逐步增大桶內(nèi)壓力至p′。
s12.重復(fù)試驗(yàn)步驟(s10-s11),多次測量幾組實(shí)驗(yàn)值。
s13.關(guān)閉供壓裝置(1)閥門,打開儲液桶上方填液排氣閥門(22),待桶內(nèi)壓力降為0后,關(guān)閉底部兩閥門(27)。
s14.依次拆除可壓式滲透裝置(3),底部塑膠管(54)、上方耐壓不銹鋼軟管(52)、供壓裝置(1)、儲液裝置(2)。
s15.旋開滲透裝置的4根螺桿(38),將試樣取出,排干凈儲液室(312)內(nèi)的水。整理實(shí)驗(yàn)儀器。
s16.通過公式
s17.同一試樣計(jì)算多次采集數(shù)據(jù)的結(jié)果,取平均值記為最終滲透系數(shù)。
以上所述僅為本申請的優(yōu)選實(shí)施例而已,并不用于限制本申請,對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。
上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述,但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制,所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白,在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。