掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透系数测试装置与方法与流程

本发明涉及一种击实土渗透系数测试装置，尤其是涉及一种掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透系数测试装置与测试方法，属于土木工程领域。

背景技术：

据国内外研究，尺寸为50～300mm的废旧轮胎片体(Tire-Derived Aggregate，简称TDA)重量轻、透水性强、防冻且抗震，适用于作为软弱地基上加筋桥台、边坡、路基的填料，施工与维修速度快，成本低。

为方便施工及提高对大粒径废旧轮胎片体的利用率，就地取料进行了一系列试验验证，该类掺加大粒径废旧轮胎片体的复合土体经过正确的配比，击实后可以满足工程用料的要求，但其渗透性能需经过严格的试验测定，才能应用于实际工程中。

目前，测定渗透系数的仪器种类和试验方法很多。对于测定渗透系数的仪器，因现有的渗透仪普遍存在试验尺寸较小、能够测定的粒径大小有限等缺点，且国内工程中利用掺加大粒径橡胶片体复合土体的实例很少，而该土样尺寸较大，因此发明一套能简单、系统、准确的测定出掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透系数的大型测定装置及测定方法，是非常必要的。

技术实现要素：

本发明提供了一种测定掺加大粒径橡胶片体击实土渗透系数的测试装置及方法，该装置的优点：构造简单，操作方便，击实渗透一体化，在不干扰击实土样的情况下，可直接利用大型击实筒本身作为渗透仪器即能准确测定掺加大粒径橡胶片体击实土渗透系数。

本发明实现其第一发明所采取的技术方案是：

一种掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透系数测试装置，包括水箱，在所述的水箱内设置一个支架，在所述的支架顶部铺设有一层土工织布，所述的土工织布上方设有无底无盖的击实筒，且所述的击实筒的底部通过一个卡槽与土工织布卡紧，所述的水箱的侧壁下部设有主排水管，所述的主排水管的末端设置有多个等高且平齐的支排水管，所述击实筒用于盛装土样，且土样顶端过水断面处和水箱底部均设有一个与数据处理系统相连的水压力传感器。

进一步的，所述的击实筒，其体积及高度均比水箱的体积及高度小。

进一步的，在所述的支排水管上串联有水阀。

本发明的第二发明是提供一种利用该装置测定掺加大粒径橡胶片体击实土渗透系数的测试方法，该测试方法操作方便，能准确测定掺加大粒径橡胶片体击实土渗透系数。

本发明实现其第二发明所采取的技术方案是：一种使用上述测定掺加大粒径橡胶片体击实土渗透系数的测试装置，测定掺加大粒径击实土渗透系数的方法，其步骤为：

步骤1实验准备

将掺加大粒径橡胶片体的复合土体在击实筒内分层击实制样，用卡槽把击实筒底端与土工织布卡紧，通过支架置于水箱内，向水箱内缓慢加水至满，静置至土样浸水饱和；

步骤2渗透试验

将两根水压力传感器A、B分别放置在击实筒土样顶端过水断面和水箱底部，适当调节多个支排水管的水阀大小，控制水箱以适当的排水速度进行渗透试验；水压力传感器将采集的渗水信息输入数据处理系统进行信息处理；

步骤3渗透系数测定

试验中传感器实时测定水压的动态变化，经数据处理系统处理，可将水压的动态变化输出为击实筒土样顶端的水头变化Δh₁，水箱底部的水头变化Δh₂，并结合变水头试验法即可得到掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透系数k。

进一步的，所述的渗透系数k的计算方式如下：

$k=2.3\frac{L}{t_2-t_1}\frac{a}{A_1-A_2}lg\frac{{\mathrm{\Δh}}_2}{{\mathrm{\Δh}}_1};$

式中，a—击实筒断面积；A₁—水箱内径面积；A₂—击实筒外径面积；L—土样长度；k—渗透系数；t₁和t₂分别表示不同的时刻。

进一步的，根据数据处理系统输出的数据，绘制以Δh₁为纵坐标，t为横坐标的Δh₁—t关系曲线；以Δh₂为纵坐标，t为横坐标的Δh₂—t关系曲线；通过选定几组不同的值，分别测出它们所需的时间t，计算出它们的渗透系数k，然后取平均值，作为该土样的最终的渗透系数。

本发明的工作原理如下：

测试土体渗透系数的方法主要有现场原位试验和室内试验两种，其中从试验原理上室内试验可分为常水头法和变水头法两种。常水头试验法就是在整个实验过程中保持水头为一常数，适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数；变水头法就是实验过程中水头一直在随时间变化，适用于测定透水性小的粘性土的渗透系数。由于该类复合土体渗透试验中水头梯度较小，水头亦小，水的流动服从Darcy定律，其透水性介于砂性土和粘性土之间，结合实际工程中水头是一直变化的，为立足于实际工程并切实反映出掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透性，故该试验方法优先采用变水头法。

试验开始前，因击实筒一直浸没在水箱内，测得击实筒土样顶端过水断面、水箱底部的水头相等；试验开始后，因渗透装置内的复合土体的阻滞作用，击实筒土样顶端的水头变化Δh₁明显小于水箱底部水头变化Δh₂；设试验过程中任意时刻t作用于土样两端的水头差为Δh，经计算处理Δh可直接用Δh₁、Δh₂表示，即Δh＝Δh₂-Δh₁；经过dt时段后，击实筒中水位下降dh，则dt时间内流入土样的渗流量为：

dV_e＝adh

式中，a—击实筒断面积。

根据达西定律，时间内流出土样的渗流量为：

${\mathrm{dV}}_0=kiAdt=k\frac{\mathrm{\Δ}h}{L}(A_1-A_2)dt$

A＝A₁-A₂

式中，A—击实筒与水箱之间过水断面面积；A₁—水箱内径面积；A₂—击实筒外径面积；L—土样长度；k—渗透系数；

根据水流连续原理，应有dV_e＝dV₀，即

$adh=k\frac{\mathrm{\Δ}h}{L}(A_1-A_2)dt$

$dt=\frac{L}{k}\frac{a}{A_1-A_2}\frac{dh}{\mathrm{\Δ}h}$

等式两边各自积分

${\∫}_{t_1}^{t_2}dt=\frac{L}{k}\frac{a}{A_1-A_2}{\∫}_{{\mathrm{\Δh}}_1}^{{\mathrm{\Δh}}_2}\frac{dh}{\mathrm{\Δ}h}$

$t_2-t_1=\frac{L}{k}\frac{a}{A_1-A_2}ln\frac{{\mathrm{\Δh}}_2}{{\mathrm{\Δh}}_1}$

从而得到土的渗透系数

$k=\frac{L}{t_2-t_1}\frac{a}{A_1-A_2}ln\frac{{\mathrm{\Δh}}_2}{{\mathrm{\Δh}}_1}$

改用常用对数表示，则上式可写为

$k=2.3\frac{L}{t_2-t_1}\frac{a}{A_1-A_2}lg\frac{{\mathrm{\Δh}}_2}{{\mathrm{\Δh}}_1}$

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种测定掺加大粒径橡胶片体击实土渗透系数的测试装置及方法，该装置的优点：构造简单，操作方便，击实渗透一体化，在不干扰击实土样的情况下，可直接利用大型击实筒本身作为渗透仪器即能准确测定掺加大粒径橡胶片体击实土渗透系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为渗透装置的主视图；

图2为渗透装置俯视图；

图中：1水箱、2无底无盖的击实筒、3卡槽、4土工织布、5支架、6主排水管、7支排水管、8数据处理系统、9集水容器、A、B、水压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

目前，测试土体渗透系数的方法主要有现场原位试验和室内试验两种，其中从试验原理上室内试验可分为常水头法和变水头法两种。常水头试验法就是在整个实验过程中保持水头为一常数，适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数；变水头法就是实验过程中水头一直在随时间变化，适用于测定透水性小的粘性土的渗透系数。由于该类复合土体渗透试验中水头梯度较小，水头亦小，水的流动服从Darcy定律，其透水性介于砂性土和粘性土之间，结合实际工程中水头是一直变化的，为立足于实际工程并切实反映出掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透性，本发明的试验方法优先采用变水头法。

针对变水头法，本发明公开了一种掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透系数测试装置，包括水箱1，在所述的水箱1内设置一个支架5，在所述的支架5顶部铺设有一层土工织布4，所述的土工织布4上方设有无底无盖的击实筒2，且所述的击实筒2的底部通过一个卡槽3与土工织布4卡紧，所述的水箱的侧壁下部设有主排水管5，所述的主排水管的末端设置有多个等高且平齐的支排水管6，在支支排水管6的排水口设置集水容器9，在所述的支排水管上串联有水阀。在所述击实筒用于盛装土样，且土样顶端过水断面处和水箱底部均设有一个与数据处理系统8相连的水压力传感器A和B。

进一步的，对于击实筒和水箱，要求击实筒的体积及高度均比水箱的体积及高度小，以保证排水前击实筒始终浸没在水箱内。

试验开始前，因击实筒一直浸没在水箱内，测得击实筒土样顶端过水断面、水箱底部的水头相等；试验开始后，因渗透装置内的复合土体的阻滞作用，击实筒土样顶端的水头变化Δh₁明显小于水箱底部水头变化Δh₂；设试验过程中任意时刻t作用于土样两端的水头差为Δh，经计算处理Δh可直接用Δh₁、Δh₂表示，即Δh＝Δh₂-Δh₁；经过dt时段后，击实筒中水位下降dh，则dt时间内流入土样的渗流量为：

dV_e＝adh

式中，a—击实筒断面积。

根据达西定律，时间内流出土样的渗流量为：

${\mathrm{dV}}_0=kiAdt=k\frac{\mathrm{\Δ}h}{L}(A_1-A_2)dt$

A＝A₁-A₂

式中，A—击实筒与水箱之间过水断面面积；A₁—水箱内径面积；A₂—击实筒外径面积；L—土样长度；k—渗透系数；

根据水流连续原理，应有dV_e＝dV₀，即

$adh=k\frac{\mathrm{\Δ}h}{L}(A_1-A_2)dt$

$dt=\frac{L}{k}\frac{a}{A_1-A_2}\frac{dh}{\mathrm{\Δ}h}$

等式两边各自积分

${\∫}_{t_1}^{t_2}dt=\frac{L}{k}\frac{a}{A_1-A_2}{\∫}_{{\mathrm{\Δh}}_1}^{{\mathrm{\Δh}}_2}\frac{dh}{\mathrm{\Δ}h}$

$t_2-t_1=\frac{L}{k}\frac{a}{A_1-A_2}ln\frac{{\mathrm{\Δh}}_2}{{\mathrm{\Δh}}_1}$

从而得到土的渗透系数

$k=\frac{L}{t_2-t_1}\frac{a}{A_1-A_2}ln\frac{{\mathrm{\Δh}}_2}{{\mathrm{\Δh}}_1}$

改用常用对数表示，则上式可写为

$k=2.3\frac{L}{t_2-t_1}\frac{a}{A_1-A_2}lg\frac{{\mathrm{\Δh}}_2}{{\mathrm{\Δh}}_1}$

本发明的第二发明是提供一种利用该装置测定掺加大粒径橡胶片体击实土渗透系数的测试方法，该测试方法操作方便，能准确测定掺加大粒径橡胶片体击实土渗透系数，包括以下内容：

a、实验准备

将掺加大粒径橡胶片体的复合土体在击实筒内分层击实制样，用卡槽把击实筒底端与土工织布卡紧，通过支撑架置于水箱内，向水箱内缓慢加水至满，静置至土样浸水饱和。

b、渗透试验

将两根水压力传感器A、B分别放置在击实筒土样顶端过水断面、水箱底部，适当调节3个支出水管的水阀大小，控制水箱以适当的排水速度进行渗透试验。水压力传感器接通计算机系统后，将采集的渗水信息输入数据采集系统进行信息处理，直接在该系统的击实筒制备饱和土样，避免对土样的扰动，实时测量土样过水断面及水箱底部的水压。

c、渗透系数测定

试验中计算机实时测定水压的动态变化，经测压软件处理，可将水压的动态变化输出为击实筒土样顶端的水头变化Δh₁，水箱底部的水头变化Δh₂，并结合变水头试验法即可得到掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透系数。

具体的操作过程如下：

(1)将掺加大粒径橡胶片体的复合土体在击实筒内分层击实制样，用卡槽把击实筒底端与土工织布卡紧，通过支撑架置于水箱内，向水箱内缓慢加水至满，静置至土样浸水饱和。

(2)将两根水压力传感器A、B分别放置在击实筒土样顶端过水断面、水箱底部，接通计算机，启动水压测试系统。

(3)适当调节3个支出水管的水阀大小，控制水箱以适当的排水速度进行渗透试验，要求水箱的排水速度不能过快，以免水箱在土样发生渗透前将水排空，造成试验失败。

(4)每次试验中计算机实时测定水压的动态变化，经数据采集系统的处理，可将水压的动态变化输出为水头的动态变化，即测得击实筒土样顶端的水头变化Δh₁，水箱底部的水头变化Δh₂，并结合变水头试验法即可得到掺加大粒径橡胶片体击实土的渗透系数。

数据处理方法如下：

根据计算机测压系统输出的数据，绘制以Δh₁为纵坐标，t为横坐标的Δh₁—t关系曲线；以Δh₂为纵坐标，t为横坐标的Δh₂—t关系曲线。通过选定几组不同的值，分别测出它们所需的时间t，计算出它们的渗透系数k，然后取平均值，作为该土样的渗透系数。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。