化学-力学耦合作用下的渗流固结仪及其应用

摘要

本发明公开了一种化学-力学耦合作用下的渗流固结仪及其应用，属于岩土工程领域的试验技术。本渗流固结仪的结构是：试验土样嵌入固结容器之中；固结容器与渗透量测系统之间连通；外力通过加载框架传递给固结容器；变形量测系统固定在加载框架的上方；加载框架、固结容器和试验土样依次受力。本发明采用O型垫片，有效地保证水都是从土体渗出；可以交叉进行固结、渗透试验，提高了试验效率；渗流固结容器，有很好的抗腐蚀性，可准确地进行孔隙水盐分置换试验；整个渗流固结仪结构简单、操作方便、实验成本较低。适用于开展土体在化学因素作用下诱导的变形以及水力特性变化规律的试验。

权利要求

1.一种化学-力学耦合作用下的渗流固结仪，其特征在于：包括试验土样（1）、固结容器（2）、渗透量测系统（3）、加载框架（4）、变形量测系统（5）；

其连接关系是：

试验土样（1）嵌入固结容器（2）之中；

固结容器（2）与渗透量测系统（3）之间连通；

外力通过加载框架（4）传递给固结容器（2）；

变形量测系统（5）固定在加载框架（5）的上方；

加载框架（4）、固结容器（2）和试验土样（1）依次受力。

2.按权利要求1所述的一种化学-力学耦合作用下的渗流固结仪，其特征在于：所述的试验土样（1）是试验对象，为环刀样，包括带边环刀（1.1）和试验土体（1.2）。

3.按权利要求1所述的一种化学-力学耦合作用下的渗流固结仪，其特征在于：所述的固结容器（2）包括底座（2.1）、压台（2.2）、下透水石（2.3）、O型垫片（2.4）、圆头内六角螺丝（2.5）、上透水石（2.6）、传压盖板（2.7）；

从下到上，底座（2.1）的凹槽内嵌套有下透水石（2.3）和试验土样（1），二者之间用湿滤纸隔开；O型垫片（2.4）设置在底座（2.1）与带边环刀（1.1）间的缝隙处，通过旋拧圆头内六角螺丝（2.5）将底座（2.1）和压台（2.2）紧固，确保底座（2.1）、压台（2.2）和带边环刀（1.1）三者之间的密封；上透水石（2.6）设置在试验土体（1.2）的上表面，之间用湿滤纸隔开，传压盖板（2.7）设置在上透水石（2.6）之上；

底座（2.1）是由304不锈钢加工而成的内凹圆槽，在两侧面错位设置有底座进水孔（2.1.1）和底座排气孔（2.1.2），在顶面沿四周钻有连接圆头内六角螺丝（2.5）的螺丝孔；

压台（2.2）是由304不锈钢加工而成的空心圆块，侧面设有压台排水孔（2.2.1），在顶面相应地钻有固定圆头内六角螺丝（2.5）的螺丝孔。

4.按权利要求1所述的一种化学-力学耦合作用下的渗流固结仪，其特征在于：所述的渗透量测系统（3）包括放水瓶（3.1）、带刻度的玻璃管（3.2）、硅胶管（3.3）、三通（3.4）和止水夹（3.5）；

放水瓶（3.1）和带刻度的玻璃管（3.2）与三通（3.4）的两个端口之间通过耐腐蚀的硅胶管（3.3）连通，其上设置有止水夹（3.5）自由控制连通与阻断，三通（3.4）的第三个端口与进水孔（2.1.1）也采用硅胶管（3.3）相连。

5.按权利要求1所述的一种化学-力学耦合作用下的渗流固结仪，其特征在于：所述的加荷框架（4）由横杆（4.1）和两根纵杆（4.2）组成，横杆（4.1）与传压盖板（2.7）接触。

6.按权利要求1所述的一种化学-力学耦合作用下的渗流固结仪，其特征在于：所述的变形量测系统（5）由支架（5.1）和百分表（5.2）组成，百分表（5.2）与横杆（4.1）接触，并固定在支架（5.1）上。

7.按权利要求1-6所述一种化学-力学耦合作用下的渗流固结仪的应用，其特征在于：①土样固结试验；

②变水头渗透试验；

③测定孔隙比、渗透系数和压缩系数，开展土体在化学因素作用下诱导的变形以及水力特性变化规律的试验。

说明书

化学-力学耦合作用下的渗流固结仪及其应用

技术领域

[0001] 本发明属于岩土工程领域的试验技术，尤其涉及一种化学-力学耦合作用下的渗流固结仪及其应用。

背景技术

[0002] 人类的任何工程建筑活动都是在地壳表层的岩土体中进行的，并以岩土体作为建筑地基、建筑介质或建筑材料。而无论是自然沉积还是人工堆填的岩土体都是由多种组份构成的，且岩土体的固体骨架通常带有剩余的电荷(即具有电性)。尤其是黏性土，当它与土中水充分接触时，由于黏土颗粒与水分子均存在不平衡的电荷分布，加之土体孔隙水中包含着各种离子，使得在黏粒-水-电系统间存在显著的相互作用力。在温度变化、化学作用等环境荷载作用下，黏性土将表现出极为复杂的化学-力学耦合效应及工程力学行为。例如，滨海地区由于对淡水资源的不合理开采，打破了咸淡水之间原有的动态平衡，使得咸水向陆地倒灌，导致城市的地面沉降；垃圾填埋场中溶质迁移引起孔隙水化学成分改变，从而防护层渗流和变形特性发生变化，最终可能导致淋滤液漏出，气体发生爆炸，对周围环境产生二次污染和危害。基于此，充分掌握岩土体在孔隙溶液成分变化下的变形和水力特性对建筑物的修建及建成后的安全、稳定和正常使用有着重大影响。

[0003] 通过相关文献与专利检索发现，目前已有一些学者对传统的杠杆式固结试验装置进行了改造，使之既能进行常规的土的固结试验，又能进行渗透试验，在一定程度上能模拟岩土体的一些力学性质受化学因素的影响。为了精确得到土体在化学因素作用下的变形和水力特性的变化规律，保证整个仪器的密封性是至关重要的，即要求替换溶液只能在土体中渗流而不发生侧漏。现有的一些密封处理存在加荷过程中因密封部分发生变形导致密封不严以及加荷过程中由于密封部分的阻力的存在影响数据准确性的问题，尤其是小应力阶段。因此渗流固结仪装置的密封问题一直是困扰此类试验装置的未解决问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述技术存在的缺点和不足，提供一种结构简单、操作方便和抗腐性能好的化学-应力耦合作用下的渗流固结仪及其应用。

[0005] 为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

[0006] 本渗流固结仪包括试验土样、固结容器、渗透量测系统、加载框架、变形量测系统；

[0007] 其连接关系是：

[0008] 试验土样嵌入固结容器之中；

[0009] 固结容器与渗透量测系统之间连通；

[0010] 外力通过加载框架传递给固结容器；

[0011] 变形量测系统固定在加载框架的上方；

[0012] 加载框架、固结容器和试验土样依次受力。

[0013] 与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：

[0014] ①采用抗腐蚀性能良好的氟胶O型垫片在压台、底座以及带边环刀之间进行密封，避免了在加荷过程中出现密封部分发生变形导致密封不严以及加荷过程中由于密封部分的阻力存在影响数据准确性现象的发生，有效地保证水都是从土体渗出；

[0015] ②通过结构改进及仪器联合，可以交叉进行固结、渗透试验，即可完成对土样在不同压力下的固结试验和不同应力下的渗透试验的测试，得出相应的参数，大大简化了土壤试样固结系数的量测过程，提高了试验效率，且测试简单，可靠；

[0016] ③采用耐腐蚀的304不锈钢材料作为渗流固结容器，有很好的抗腐蚀性，可准确地进行孔隙水盐分置换试验，以模拟不同荷载下土体遭受化学溶液侵蚀作用的变形规律；

[0017] ④整个渗流固结仪结构简单、操作方便、实验成本较低。

[0018] 适用于开展土体在化学因素作用下诱导的变形以及水力特性的变化规律。

附图说明

[0019] 图1是本渗流固结仪的结构方框图；

[0020] 图2是本渗流固结仪的结构示意图；

[0021] 图3是本渗流固结仪的局部正面图。

[0022] 图中：

[0023] 1—试验土样，

[0024] 1.1—带边环刀；1.2—试验土体。

[0025] 2—固结容器，

[0026] 2.1—底座，

[0027] 2.1.1—底座进水孔，2.1.2—底座排气孔；

[0028] 2.2—压台，

[0029] 2.2.1—压台排水孔；

[0030] 2.3—下透水石；

[0031] 2.4—O型垫片；

[0032] 2.5—圆头内六角螺丝；

[0033] 2.6—上透水石；

[0034] 2.7—传压盖板。

[0035] 3—渗透量测系统，

[0036] 3.1—放水瓶；3.2—带刻度的玻璃管；3.3—硅胶管；3.4—三通；

[0037] 3.5—止水夹。

[0038] 4—加载框架，

[0039] 4.1—横杆；4.2—两根纵杆。

[0040] 5—变形量测系统

[0041] 5.1—支架；5.2—百分表。

具体实施方式

[0042] 下面将结合附图和实施例详细说明：

[0043] 一、渗流固结仪

[0044] 1、总体

[0045] 如图1，本渗流固结仪包括试验土样1、固结容器2、渗透量测系统3、加载框架4、变形量测系统5；

[0046] 其连接关系是：

[0047] 试验土样1嵌入固结容器2之中；

[0048] 固结容器2与渗透量测系统3之间连通；

[0049] 外力通过加载框架4传递给固结容器2；

[0050] 变形量测系统5固定在加载框架5的上方；

[0051] 加载框架4、固结容器2和试验土样1依次受力。

[0052] 2、功能部件

[0053] 1)试验土样1

[0054] 试验土样1是试验对象，为环刀样，包括带边环刀1.1和试验土体1.2；

[0055] 采用压实法、击实法或泥浆制样法制得，或者试样直接用原状样。

[0056] 2)固结容器2

[0057] 如图1，固结容器2包括底座2.1、压台2.2、下透水石2.3、O型垫片2.4、圆头内六角螺丝2.5、上透水石2.6、传压盖板2.7；

[0058] 其连接关系是：

[0059] 从下到上，底座2.1的凹槽内嵌套有下透水石2.3和试验土样1，二者之间用湿滤纸隔开；O型垫片2.4设置在底座2.1与带边环刀1.1间的缝隙处，通过旋拧圆头内六角螺丝2.5将底座2.1和压台2.2紧固，确保底座2.1、压台2.2和带边环刀1.1三者之间的密封；上透水石2.6设置在试验土体1.2的上表面，之间用湿滤纸隔开，传压盖板2.7设置在上透水石2.6之上。

[0060] (1)底座2.1

[0061] 如图1，底座2.1是由304不锈钢加工而成的内凹圆槽，在两侧面错位设置有底座进水孔2.1.1和底座排气孔2.1.2，在顶面沿四周钻有连接圆头内六角螺丝2.5的螺丝孔；

[0062] (2)压台2.2

[0063] 如图1，压台2.2是由304不锈钢加工而成的空心圆块，侧面设有压台排水孔2.2.1，在顶面相应地钻有固定圆头内六角螺丝2.5的螺丝孔。

[0064] 3)渗透量测系统3

[0065] 如图1，渗透量测系统3包括放水瓶3.1、带刻度的玻璃管3.2、硅胶管3.3、三通3.4和止水夹3.5；

[0066] 其连接关系是：

[0067] 放水瓶3.1和带刻度的玻璃管3.2与三通3.4的两个端口之间通过耐腐蚀的硅胶管3.3连通，其上设置有止水夹3.5自由控制连通与阻断，三通3.4的第三个端口与进水孔
2.1.1也采用硅胶管3.3相连。

[0068] 4)加载框架4

[0069] 如图1、2，加荷框架4由横杆4.1和两根纵杆4.2组成，横杆4.1与传压盖板2.7接触。

[0070] 5)变形量测系统5

[0071] 如图1、2，变形量测系统5由支架5.1和百分表5.2组成，百分表5.2与横杆4.1接触，并固定在支架5.1上。

[0072] 3、工作机理

[0073] 本发明集合了一维固结试验和变水头渗透试验于一身，先进行一维固结试验，通过杠杆式加载装置提供荷载施加于固结容器2，可研究不同荷载下土体的变形规律；在保持压力不变的情况下，开展变水头渗透试验，即在一定的水力梯度差作用下，使外部液体通过下透水石2.3后均匀地漫过试验土样1，便可测得特定应力作用下变形稳定后的渗透系数；更换流进土体的外部溶液，可研究化学因素作用下诱导的变形以及水力特性的变化规律。

[0074] 二、应用

[0075] 1、本渗流固结仪的应用包括：

[0076] ①土样固结试验；

[0077] ②变水头渗透试验；

[0078] ③测定孔隙比、渗透系数和压缩系数，开展土体在化学因素作用下诱导的变形以及水力特性变化规律的试验。

[0079] 2、试验方法

[0080] 本实施例以研究海水倒灌引起滨海地区软土的变形和水力特性的变化为例，使用本发明进行固结渗透试验的过程为：

[0081] 1、制样

[0082] 用蒸馏水将土样调成约1.5～2.0倍液限的泥浆，拌合均匀，静置一段时间后，再次搅拌均匀，倒入重塑饱和土泥浆制样器中，在一定的上覆压力下静压固结，当固结完成后，将土样从制样器中取出，切取试验土样1，测试含水率，换算试样初始孔隙比。

[0083] 2、安装

[0084] 按图连接好各管路，排进管路中的空气并检查各管路接头处是否漏水；将覆盖有湿滤纸并事先浸水饱和的下透水石2.3嵌入底座2.1内，通过玻璃管3.2由底座2.1底部注入一定量的蒸馏水，关止水夹3.5；打开底座排气孔2.1.2，小心装入试验土样1，将事先浸水饱和的上透水石2.6放置于试验土体1.2的上表面，之间贴一张湿滤纸，再将O型垫片2.4套在压台2.2上，一起嵌入底座2.1，调整角度，对准螺丝孔，插入、旋拧圆头内六角螺丝2.5将底座2.1和压台2.2紧固，确保底座2.1、压台2.2和带边环刀1.1三者之间密封，传压盖板2.7放在上透水石2.6之上；最后将固结容器2置于横杆4.1的正下方，安装百分表5.2在横杆4.1的上方。

[0085] 3、饱和土固结渗透联合测定试验

[0086] 1)首先做土样固结试验，所选用的具体方案跟传统固结试验一致，通过加不同的法码可以对土样进行不同等级荷载的固结试验，取得相关试验参数，试验前为保证土样与仪器上下各部件之间接触良好，通过杠杆式加载装置向土样施加1kPa的预压压力，然后调整百分表，使指针读数为零；

[0087] 2)待土样固结试验结束后，在此固结应力下，进行变水头渗透试验，打开止水夹3.5进水，逐渐从底座排气孔2.1.2中排出底座2.1与下透水石2.3之间空腔内的空气，直至底座排气孔2.1.2溢出的水中无气泡产生时，关闭底座排气孔2.1.2，使水通过下透水石2.3后均匀地漫过试验土样1；待压台排水孔2.2.1处有水溢出后，将带刻度的玻璃管3.2注水至指定高度，开动秒表的同时记录初始水头高度，在量测一段时间后，记录终了水头，如此连续量测2～3次，再将带刻度的玻璃管3.2注水至指定高度，重复量测6次，并记录初始与终了时刻的水温，此处得出的渗透系数则为在特定应力作用下变形稳定后的渗透系数。

[0088] 以上过程是在孔隙溶液为蒸馏水条件下对饱和土渗透系数的测定，随后替换放水瓶3.1中的溶液，并按照上述过程依次量测其对应的孔隙比、渗透系数和压缩系数，开展土体在化学因素作用下诱导的变形以及水力特性的变化规律。

[0089] A、孔隙比：

[0090] 试样的初始孔隙比，按下式计算：

[0091]

[0092] 式中：e0——试样的初始孔隙比；

[0093] ω0——试样的含水率(％)；

[0094] Gs——土粒的比重；

[0095] ρw——水的密度(g/cm3)；

[0096] ρ0——试样的湿密度(g/cm3)。

[0097] 各级压力下试样固结稳定后的孔隙比，计算公式如下：

[0098]

[0099] 式中：ei——各级压力下试样固结稳定后的孔隙比；

[0100] h0——试样的初始高度(mm)；

[0101] Δhi——某级压力下试样固结稳定后的变形量(mm)。

[0102] B、渗透系数：

[0103] 变水头渗透系数按下式计算：

[0104]

[0105] 式中：a——变水头管的断面积(cm2)；

[0106] 2.3——ln和log的变换因数；

[0107] L——渗径，即试样高度(cm)；

[0108] t1，t2——分别为测读数水头的起始和终止时间(s)；

[0109] H1，H2——起始和终止水头。

[0110] C、压缩系数：

[0111] 某一压力范围内的压缩系数，按下式计算：

[0112]

[0113] 式中：av——压缩系数(MPa-1)；

[0114] pi——某一级压力值(MPa)。