法向压力下的渗透系数试验方法及试验装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种法向压力下的渗透系数试验方法和试验装置，试验装置包括充满水的试验容器，用带有透水孔的上盘和下盘分别压紧在测试材料的上、下表面，上盘和下盘均匀分布透水孔、其边缘密封，上盘和下盘上每个透水孔的位置沿垂直方向相对应，上盘的上部与带有稳定压力的水源连通，下盘的下部与具有测量排水量功能的排水装置连通，上盘与法向压力施加系统连接，法向压力施加系统根据试验参数向上盘施加法向压力。本发明试验方法思路新颖，试验装置结构简单，操作流程简单易行，较为真实地模拟挡墙、隧道衬砌等工程背后土体及反滤材料实际工作状态的渗透特性，试验原理符合工程实际，具有良好的经济技术效益。
【专利说明】法向压力下的渗透系数试验方法及试验装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及土工试验领域，具体地指一种法向压力下的渗透系数试验方法及试验装置。
【背景技术】
[0002]为保证工程的稳定性与耐久性，支挡防护结构中需同时设置相应的渗排水措施，以避免地下水对工程的不利作用和影响。因此合理评价岩土体以及与其相关的支挡防护结构中排水材料的渗透特性，是进行岩土工程设计的关键参数。目前，对于岩土材料和土工材料的渗透特性评价一般采用渗透系数或通水量进行评价，均有较为成熟的试验规范可供参考，如《铁路工程土工试验规程(ΤΒ10102-2010)》、《公路工程土工合成材料塑料排水板(带)(JT/T521-2004)》、《水运工程塑料排水板应用技术规程(JTS206-1-2009)》等，前者列出了土体在不考虑应力状态条件下的渗透特性评价指标，后两者列出了土工材料的纵向通水量试验的相关技术标准用于测试土工材料的侧向压力下的渗透系数，但是对于法向压力下土工材料的渗透系数目前尚无相应的试验设备和试验标准。
[0003]在法向压力作用下，由于材料易被挤压密实，导致材料的孔隙体积减小、渗流通道压缩，渗透特性将大大降低。因此，对于支挡工程墙背岩土体及其反滤层材料、隧道衬砌背后的岩土体及其反滤层材料，其承受的压力和渗流的方向是一致的。如果采用常规的渗透试验方法测试其渗透系数，由于没有考虑法向压力作用的压缩挤密效应导致的渗透特性降低，结论较为不合理、且偏于不安全；如果采用纵向通水量试验方法，可以测试材料在侧向压力条件下的渗透系数，但是由于材料的各向异性特性、以及侧向压力与法向压力之间的差异，因此用于测试主要受法向压力作用下土工材料的渗透系数并不合理、不准确。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于确定岩土介质或工程土工材料与应力状态相关渗透特性的法向压力下的渗透系数试验方法及试验装置。
[0005]为实现上述目的，本发明一种法向压力下的渗透系数试验方法，其特殊之处在于，包括如下步骤:
[0006]步骤1:将测试材料水平放置在充满水的试验容器中，用带有透水孔的上盘和下盘分别压紧在所述测试材料的上、下表面，并将所述上盘和下盘的边缘与试验容器的内壁之间密封；
[0007]步骤2:向所述上盘上方试验容器注水并向水中施加稳定的进水压力pi (kPa)；
[0008]步骤3:根据试验参数在所述上盘表面朝测试材料表面施加稳定的法向力F(kN)，
[0009]步骤4:调节所述下盘下方试验容器的排水量，使排水量不大于进水量，以保证所述下盘下方的试验容器内充满水，待排水压力数据稳定，在一定的测试时间t内，记录下盘下方流出的排水量Q (m3)和下盘下方试验容器内的排水压力p2 (kPa)；
[0010]步骤5:改变法向力F (kN)，重复步骤2，获取多次的测量数据排水量Q Cm3)和排水压力P2 (kPa)；
[0011]步骤6:根据测量数据计算出所述测试材料的等效渗透系数K (m/s)，计算公式如下:
【权利要求】
1.一种法向压力下的渗透系数试验方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1:将测试材料(3)水平放置在充满水的试验容器(I)中，用带有透水孔(7)的上盘(5)和下盘(6)分别压紧在所述测试材料(3)的上、下表面，并将所述上盘(5)和下盘(6)的边缘与试验容器(I)的内壁之间密封； 步骤2:向所述上盘(5)上方试验容器(I)注水并向水中施加稳定的进水压力pl(kPa); 步骤3:根据试验参数在所述上盘(5)表面朝测试材料(3)表面施加稳定的法向力F(kN)； 步骤4:调节所述下盘(6)下方试验容器(I)的排水量，使排水量不大于进水量，以保证所述下盘(6)下方的试验容器(I)内充满水，待排水压力数据稳定，在一定的测试时间t内，记录下盘(6)下方流出的排水量Q (m3)和下盘(6)下方试验容器(I)内的排水压力p2(kPa)； 步骤5:改变法向力F (kN)，重复步骤2，获取多次的测量数据排水量Q (m3)和排水压力 p2 (kPa)； 步骤6:根据测量数据计算出所述测试材料(3)的等效渗透系数K (m/s)，计算公式如下:
2.根据权利要求1所述的法向压力下的渗透系数试验方法，其特征在于:所述进水压力 pi 为 I ~500 (kPa)0
3.根据权利要求1所述的法向压力下的渗透系数试验方法，其特征在于:所述排水量Q Cm3)的测量数据通过与下盘(6)下方的试验容器(I)连通的排水装置(8)获取，所述下盘(6 )下方试验容器(I)内的排水压力p2 (kPa)通过设置在下盘(6 )下方试验容器(I)内的排水压力表(10)获取。
4.一种用于权利要求1所述的法向压力下的渗透系数试验方法的试验装置，其特征在于:包括充满水的试验容器(1)，中部设有用于压紧测试材料(3)的上盘(5)和下盘(6)，所述上盘(5)和下盘(6)为多孔盘状结构、其上均匀分布透水孔(7)、其边缘与试验容器(I)的内壁密封，所述上盘(5)和下盘(6)上每个透水孔(7)的位置沿垂直方向相对应，所述上盘(5)上方的试验容器(I)与带有稳定压力的水源(4)连通，所述下盘(6)与试验容器(I)相对固定，具有测量排水量功能的排水装置(8)与所述下盘(6)下方的试验容器(I)连通，所述上盘(5)与法向压力施加系统(2)连接，所述法向压力施加系统(2)根据试验参数向上盘(5)施加法向压力。
5.根据权利要求4所述的法向压力下的渗透系数试验装置，其特征在于:所述透水孔(7)的孔径为上盘(5)直径的1/25~1/10倍，所述透水孔(7)之间的间距为孔径值的1.2~2倍。
6.根据权利要求5所述的法向压力下的渗透系数试验装置，其特征在于:所述试验容器(I)包括进水腔(1.1)和排水腔(1.2)两个腔体，所述进水腔(1.1)的底部为敞口，所述排水腔(1.2)的顶部为敞口，所述上盘(5)位于进水腔(1.1)的底部，所述进水腔(1.1)上部侧壁设有进水口(1.3)，所述进水口(1.3)通过第一开关阀门(1.9)与带有稳定压力的水源(4)连通，所述下盘(6)位于排水腔(1.2)的顶部，所述排水腔(1.2)的下部侧壁设有排水口( 1.4)，所述排水口( 1.4)通过第二开关阀门(1.10)与排水装置(8)连通。
7.根据权利要求6所述的法向压力下的渗透系数试验装置，其特征在于:所述法向压力施加系统(2)包括压力施加装置(2.1)和施力传动杆(2.2)，所述施力传动杆(2.2)的下端与上盘(5)刚性连接、上端从进水腔(1.1)顶部的通孔(1.8)伸出与压力施加装置(2.1)连接，所述压力施加装置(2.1)施加的法向压力通过施力传动杆(2.2)和上盘(5)作用于测试材料(3)，所述通孔(1.8)与施力传动杆(2.2)之间设置有用于密封的密封活动套(1.7)。
8.根据权利要求6所述的法向压力下的渗透系数试验装置，其特征在于:所述排水腔(1.2)底部设有底座(1.6)，所述下盘(6)与底座(1.6)之间设置有支撑杆(2.3)。
9.根据权利要求6所述的法向压力下的渗透系数试验装置，其特征在于:所述上盘(5)和下盘(6)与分别测试材料(3)之间设置有透水性缓冲材料(9)。
10.根据权利要求6所述的法向压力下的渗透系数试验装置，其特征在于:所述进水腔(1.1)和排水腔(1.2)的内部以及上盘(5)和下盘(6)的边缘设置有用于透水孔(7)对齐的位置标示。
11.根据权利要求6所述的法向压力下的渗透系数试验装置，其特征在于:所述进水腔(1.1)和排水腔(1.2)的敞口处通过密封连接装置(1.5)密封。
12.根据权利要求4~11所述的法向压力下的渗透系数试验装置，其特征在于:所述带有稳定压力的水源(4)通过水泵( 4.2)实现，所述进水腔(1.1)和排水腔(1.2)内分别设置有用于测量水压的进水压力表(11)和排水压力表(10)，所述排水口( 1.4)设置有用于测量排水量的流量计(8.1)。
13.根据权利要求4~11所述的法向压力下的渗透系数试验装置，其特征在于:所述带有稳定压力的水源(4 )通过放置在试验容器(I)上方的给水容器(4.1)实现，所述排水装置(8)为渗排水量测装置(8.2)。
【文档编号】G01N15/08GK103926182SQ201410155448
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】詹学启, 张占荣, 郭建湖, 陈世刚, 蒋道君, 杨松 申请人:中铁第四勘察设计院集团有限公司