原位确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管内管法的制作方法

本发明涉及一种原位确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管内管法，尤其是一种现场确定弱透水层释水率、传导系数和渗透系数的方法。

背景技术：

含水层系统释水变形是造成区域性地面沉降的最直接原因。地面沉降是一种地面标高缓慢降低的环境地质现象，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失，严重时会发展为地质灾害。从水文地质角度出发，深厚覆盖层就是最为典型的含水层系统。例如，中国长江三角洲深厚覆盖层就是由三个承压含水层及四个弱透水层组成的含水层系统，其厚度达50～200m。在长江三角洲由于地下水超采引起的地面沉降大于200mm的面积已占区域面积的十分之一，其中最大累积沉降量达2.80m，已造成的经济损失达500亿美元。

对于饱和弱透水层的渗流-变形问题，以往分别研究饱和弱透水层渗流规律和变形规律的成果较多，最近同时研究饱和弱透水层渗流-变形耦合关系的成果也不少。但这些成果几乎都是在现有的渗流-变形控制方程基础上研究渗流-变形的关系；并没有怀疑这些控制方程相关联的参数间是否存在问题或者是没有发现存在的问题。然而许多问题仍然困扰着我们：①尽管渗流控制方程中的传导系数和固结方程中的固结系数在形式上应属于同一参数，但在我们的规程、规范中或实际工作中却很少使用野外水文地质试验获得的传导系数代替固结系数计算土体变形或者使用固结试验获得的固结系数代替传导系数计算渗流问题，原因在于二者总是有较大差别。②从渗流和固结控制方程形式看，饱和弱透水层在发生渗流-变形的过程应该是同步的，实际上人们发现变形始终滞后于渗流。③基于现有的渗流-固结模型预测计算土体沉降的变形，很难与实际观测结果相吻合，往往计算值都不同程度偏大。

技术实现要素：

发明目的：为克服现有技术不足，本发明基于钻孔双管原位测试技术，根据弱透水层柱体一侧水头降低某一常量条件下弱透水层沉降量公式解析解，提出一种原位确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管内管法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

原位确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管内管法，包括以下步骤：

1)、在现场形成采用双管中内管法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管试验模型，基于双管试验模型，推导在外管水头降低某一常量而内管弱透水层柱体一侧保持地 下水位不变条件下内管弱透水层的沉降量公式解析解；

2)、根据基于内管弱透水层中布置的百分表测量的内管中弱透水层沉降量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数。

工作原理：本发明实验装置及实验过程简单、易操作，解析解理论严密，采用配线法确定参数，方法简单易掌握，可以解决目前现场无法原位确定弱透水固结系数和变形滞后指数的关键技术问题，克服了现场取样后在实验室进行测试的误差；同时，一次实验可以同时求得弱透水层释水率、固结系数、变形滞后指数、传导系数和渗透系数，获取的参数多。最为重要的是，该方法实现了原位确定弱透水固结系数和变形滞后指数，因此，该方法有很好的推广应用价值。

优选，所述外管水头的水位不低于弱透水层顶面。

所述双管试验模型的实现方法包括以下步骤：

1)、在现场钻孔至需要测试的弱透水层的顶面，同时将外管下至弱透水层的顶面并将外管内弱透水层顶面以上的土样取出钻孔；

2)、利用钻机压力将外管从弱透水层的顶面压至弱透水层的底面；

3)、在外管中心放入直径小于外管直径的内管，同样，将内管下放置至弱透水层的顶面；

4)、用钻机压力将内管压入至需要测试的弱透水层的试段底部，并通过吸泥的方式将外管中的弱透水层土样吸出；

5)、在外管与内管之间形成的圆环形套管中铺设砾石作为反滤层，并在内管中对应于弱透水层的试段顶部位置铺设砾石作为反滤层，形成采用双管中内管法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管试验模型。

确保圆环形套管和内管中水位与钻孔外地下水位一致；在内管上部端口位置设置马利奥特瓶，马利奥特瓶的进水管下端放置地下水位高程处，使内管内水位保持固定地下水位；在圆环形套管中布置抽水泵管，将抽水泵管底部放置地下水位与试段顶面之间，在试验准备完成后，瞬时开启抽水泵，使圆环形套管中水位产生的水位差，并保持内外管的水头差固定不变。

在内管中布置沉降量测系统，所述沉降量测系统包括从上至下顺次相接的百分表、刚性杆和底座；底座为有机玻璃圆板，其上密布了透水孔，百分表的读数反映底座以下土层的沉降量；在试验准备完成后，开启抽水泵，使圆环形套管中水位产生水位差，并保持内外管的水头差固定不变，并记录内管中布置的百分表所记录的沉降量随时间变化。

基于双管试验模型，推导在外管水头的水位不低于弱透水层顶面降低某一常量，而内管弱透水层柱体一侧保持地下水位不变条件下内管弱透水层的沉降量公式解析解；然后根据基于内管弱透水层中布置的百分表测量的内管中弱透水层沉降量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数。

基于内管中布置的百分表测量的内管中弱透水层沉降量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数，即将记录的内管中测得的沉降量S随时间t的变化在与标准曲线相同模的双对数坐标系中作S(t)～t实测曲线，与标准曲线配线，使两条曲线重叠，任选一匹配点，记下对应的坐标值[S]、和[t]，代入相应公式计算弱透水层固结系数C_v和变形滞后指数τ_v0。

优选，所述外管直径为127mm；内管直径为75mm，内管材料为PVC内管。

本发明未提及的技术均为现有技术。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的方法具有以下优点：

①推得的解析解，理论严密，因此方法有严格的理论依据；

②实现弱透水层固结系数和变形滞后指数的原位测试，并且试验装置及试验过程简单、易操作；

③采用配线法确定参数，方法简单易掌握；

④一次实验可以同时求得弱透水层释水率、固结系数、变形滞后指数、传导系数和渗透系数，获取的参数多，该方法有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的双管试验模型；

图3为本发明标准曲线；

图4为本发明实施例的沉降计算值与观测值拟合曲线；

图中：1为外管，2为内管，3为马利奥特瓶，4为百分表，5为刚性杆，6为底座，7为滤层，8为试段，9为抽水泵。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

原位确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管内管法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、在现场形成采用双管中内管法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管试验模型，基于双管试验模型，推导在外管水头降低某一常量而内管弱透水层柱体一侧保持地下水位不变条件下内管弱透水层的沉降量公式解析解；外管水头的水位不低于弱透水层顶面；

2)、根据基于内管弱透水层中布置的百分表测量的内管中弱透水层沉降量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数。

双管试验模型的实现方法包括以下步骤：

1)、在现场钻孔至需要测试的弱透水层的顶面，同时将直径为127mm的外管下至弱透水层的顶面并将外管内弱透水层顶面以上的土样取出钻孔；

2)、利用钻机压力将外管从弱透水层的顶面压至弱透水层的底面；

3)、在外管中心放入直径为75mm的PVC内管，同样，将PVC内管下放置至弱透水层的顶面；

4)、用钻机压力将PVC内管压入至需要测试的弱透水层的试段底部，并通过吸泥的方式将外管中的弱透水层土样吸出；

5)、在外管与PVC内管之间形成的圆环形套管中铺设砾石作为反滤层，并在PVC内管中对应于弱透水层的试段顶部位置铺设砾石作为反滤层，形成采用双管中内管法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管试验模型。

确保圆环形套管和PVC内管中水位与钻孔外地下水位一致；在PVC内管上部端口位置设置马利奥特瓶，马利奥特瓶的进水管下端放置地下水位高程处，使PVC内管内水位保持固定地下水位；在圆环形套管中布置抽水泵管，将抽水泵管底部放置地下水位与试段顶面之间，在试验准备完成后，瞬时开启抽水泵，使圆环形套管中水位产生的水位差，并保持内外管的水头差固定不变。

在PVC内管中布置沉降量测系统，沉降量测系统包括从上至下顺次相接的百分表、刚性杆和底座；底座为有机玻璃圆板，其上密布了透水孔，百分表的读数反映底座以下土层的沉降量；在试验准备完成后，开启抽水泵，使圆环形套管中水位产生水位差，并保持内外管的水头差固定不变，并记录内管中布置的百分表所记录的沉降量随时间变化。

基于双管试验模型，推导在外管水头的水位不低于弱透水层顶面降低某一常量，而内管弱透水层柱体一侧保持地下水位不变条件下内管弱透水层的沉降量公式解析解；然后根据基于内管弱透水层中布置的百分表测量的内管中弱透水层沉降量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数。

基于内管中布置的百分表测量的内管中弱透水层沉降量随时间变化的实验资料，采用配线法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数，即将记录的内管中测得的沉降量S随时间t的变化在与标准曲线相同模的双对数坐标系中作S(t)～t实测曲线，与标准曲线配线，使两条曲线重叠，任选一匹配点，记下对应的坐标值[S]、和[t]，代入相应公式计算弱透水层固结系数C_v和变形滞后指数τ_v0。

弱透水层参数确定的原理：

1)饱和弱透水层变形模型的解析解：

在这里，考虑饱和弱透水层柱体饱和承压且压力水头处处相等，饱和弱透水层柱体下侧水头降低某一定值而饱和弱透水层上侧水位不变；这时饱和弱透水层为垂向流，饱和弱透水层应变模型为

式中：c_v为饱和软土固结系数；ε_v为饱和软土的单位体积形变值；为柱体下侧水位降深；l为饱和软土厚度；m_v为饱和软土的体积压缩系数；ρ_w为水的密度；g为重力加速度；z为z轴上坐标；t为时间。

对于饱和软土渗流模型I，经分离变量和傅立叶变换，得解为：

式中：n为自然数；e为自然常数。

2)饱和弱透水层沉降的解析解：

设t时刻单位水平面积饱和弱透水层整个厚度上累积体积变形量为：

式中：L为试段长度；m为自然数。

有饱和弱透水层应变模型及式实际发生的外形变化(沉降)的 量为：

S(t)＝(1-n)DV(t)

式中：μ_s为饱和弱透水层释水率。

当t＝τ_v0或t→∞时，饱和弱透水层沉降趋于稳定，饱和弱透水层整个厚度上变形量达到最大值

无量纲处理：

其中，为无量纲降深；而为无量纲位置和时间；为与饱和弱透水层性质和厚度有关参数，称为变形滞后指数。变形滞后指数反应了饱和弱透水层变形对边界水位变化响应的滞后时间。

和变化关系曲线如图3标准曲线。

另外，有式同样可以得到式(6)，即：

将式代入，注意到用固结系数C_v代替传导系数a。

式中：q为t时刻通过位置z单位水平面积的流量；K为饱和弱透水层渗透系数；u为饱和弱透水层z点t时刻的水位变化值。

则：

将代入上式，即得

3)参数确定方法

对于时刻弱透水层沉降量：

及

对上述二式两边同时取对数，有

(9)、(10)二式右边的第二项都是常数，因此在双对数坐标系内，实验获得的S(t)～t和标准曲线(图3)在形状上是相同的，只是纵横坐标平移了S_∞和采用配线法，将二曲线重叠，任选一匹配点，记下对应的坐标值[S]、和[t]，代入上述(7)、(5)、(8)式，得

释水率：

固结系数：

传导系数：

渗透系数：K＝μ_sa

具体试验步骤：

(1)首先，在现场钻孔至需要测试的弱透水层的顶面，同时将直径为127mm的外管下至弱透水层的顶面并将外管内弱透水层顶面以上的土样取出钻孔，然后利用钻机压力将外管从弱透水层的顶面压至弱透水层的底面，然后在外管中心放入直径为75mm的PVC管，同样，将PVC管下放置至弱透水层的顶面，然后再用钻机压力降PVC管压入至需要测试的弱透水层的试段底部，并通过吸泥的方式将外管中的弱透水层土样吸出，然后在圆环形套管中铺设砾石作为反滤层，并在PVC管中对应于弱透水层的试段顶部位置铺设砾石作为反滤层；这样就在现场形成了采用双管中内管法确定弱透水层固结系数和变形滞后指数的双管试验模型。

(2)确保圆环形套管和内管中水位与钻孔外地下水位一致；在PVC管上部端口位置设置马利奥特瓶，马利奥特瓶的进水管下端放置地下水位高程处，使PVC管内水位保持定水位(地下水位)；在圆环形套管中布置抽水泵管，将抽水泵管底部放置地下水位以下一段距离(试段顶面以上)。

(3)在试验准备完成后，瞬时开启抽水泵，使圆环形套管中水位产生的水位差，并保持内外管的水头差固定不变。在PVC管中布置沉降量测系统，由百分表、刚性杆、底座等组成。仪表安装在装置顶部，通过刚性杆连接到底盘上，底座为有机玻璃圆板，其上密布了透水孔，仪表的读数反映底座以下土层的沉降量。在试验准备完成后，开启抽水泵，使圆环形套管中水位产生水位差，并保持内外管的水头差固定不变，并记录内管中布置的百分表所记录的沉降量随时间变化。

(4)记录：百分表沉降量观测的时间，宜在打开抽水泵后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min钟各观测一次，记录在表中，以后可每隔30min钟观测一次。

(5)持续观测，直至每隔30min百分表沉降量基本不变，可终止试验。

(6)参数计算：将记录的内管中测得的沉降量S随时间t的变化在与标准曲线相同模的双对数坐标系中作S(t)～t实测曲线，与标准曲线配线，使两条曲线重叠，任选一匹配点，记下对应的坐标值[S]、和[t]，代入相应公式计算弱透水层固结系数C_v和 变形滞后指数τ_v0。

实施例

将表1中累积沉降随时间的变化在双对数坐标系内作S(t)～t实测曲线(图4中圈点)与标准曲线(图中实线)配线，使二条曲线重叠(如图4)，任选一匹配点，记下对应的坐标值[S]＝3.16、和[t]＝62，代入式(7)、(5)、(8)得

释水率：

固结系数：

已知平均孔隙比e＝0.861，孔隙度

传导系数：

渗透系数：K＝μ_sa＝6.58×10^-2×0.17＝1.12×10^-2(m/d)

变形滞后指数：

表1变形观测资料

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。