一种总应力下泡沫土渗透系数测试方法及系统

1.本发明属于土工试验测量技术领域，特别涉及一种总应力下泡沫土渗透系数测试方法及系统。


背景技术：

2.土压平衡盾构因其高效、安全而被广泛应用于城市地下隧道建设中，随着土压平衡盾构隧道在建数量的不断增加，不可避免的会遇到富水砂性地层。土压平衡盾构在穿越富水砂性地层时，极容易发生喷涌事故，轻则拖延工期、经济损失，重则造成人员伤亡等。现场通常向掌子面添加改良剂以提高渣土的抗渗性能，目前砂性地层使用最多的改良剂是泡沫，其通过填充在土颗粒的孔隙之间以堵塞其渗流通道，但是泡沫是一种亚稳态体系，随着其破灭或被水流带走，泡沫土的抗渗性会随时间增加而逐渐减小，特别是在高水压条件下，泡沫更容易发生破灭和迁移，因此测量其渗透系数随时间的变化对指导盾构施工具有重要的工程意义。
3.有些学者提出了一些渗透系数测定装置或方法。例如，中国发明专利(申请号：201911182461.4，专利名称：一种变应力条件下土体渗透试验装置及方法)提供了一种变应力条件下土体渗透试验装置，试验过程中可以模拟试样真实受力状态，可根据需要改变试样某一面或多个面的受力状态，精确获得土体在应力增减过程中渗透系数变化规律。中国发明专利(申请号：201810683637.3，专利名称：一种高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数测试方法及测试装置)提供了一种渗透系数测试装置，通过提供高位置水头可以测量高水压下泡沫改良砂性渣土渗透系数。中国实用新专利(申请号：201510108411.7，专利名称：常、变水头复合渗透测试装置)涉及一种在样品桶和注水装置上分别设有排气阀，通过调整注水装置中的空气压力和排气阀实现水压力可调，兼容常水头和变水头渗透试验的装置。上述专利均未考虑总应力对泡沫土渗透性的影响，无法真实地反应土仓内泡沫土的渗透性。


技术实现要素：

4.本发明针对现有泡沫土渗透系数测量试验中未能充分考虑总应力和高水压的影响，提供一种总应力下泡沫土渗透系数测试方法及系统，该测试方法可实现总应力、高水压下泡沫土渗透系数的测量，测得的渗透系数更符合现场实际情况。
5.为此，本发明实施例一方面提供的总应力下泡沫土渗透系数测试方法，包括：
6.在渗透仪的装载腔内填充泡沫土样；
7.在装载腔上沿其高度方向均布n+1个孔隙水压力计；其中，在装载腔的顶部和底部位置处均布置有一个孔隙水压力计；
8.将孔隙水压力计与数据采集仪相连；
9.对渗透仪内泡沫土样施加恒压水头以及竖向总应力，打开排水管上的自动排水阀，利用孔隙水压力计对装载腔内水压进行测量，并通过数据采集仪采集数据；
10.对数据采集仪采集的数据进行处理，计算得到渗透系数。
11.具体的，渗透系数的具体计算过程如下：
12.第一步：计算相邻两个孔隙水压力计之间土样的渗透系数，计算公式如下：
[0013][0014]
式中：ξ是折减因子，n
x
是竖向总应力下泡沫土的孔隙率，v是水的运动粘度，g是重力加速度，n
fi
是水压pi下泡沫的孔隙度，d
10,fi
是水压pi下泡沫的有效粒径，水压pi为相邻两个孔隙水压力计示数的平均值；
[0015]
第二步：计算整体的等效渗透系数，计算公式如下：
[0016][0017]
式中：l是泡沫土样的高度，hi是相邻两孔隙水压力计之间土样的渗流途径；
[0018]
折减因子ξ的求解过程如下：
[0019][0020]
式中：d
10,s
是泡沫土样中土体颗粒的有效粒径。
[0021]
具体的，水压pi下泡沫的孔隙度n
fi
通过如下公式计算：
[0022][0023][0024]
式中：e
fi
是水压pi下泡沫的孔隙度，fer是泡沫的发泡倍率，p为大气压。
[0025]
具体的，水压pi下的有效粒径d
10,fi
通过如下公式计算：
[0026][0027]
式中：d
10,f
是大气压p下泡沫的有效粒径。
[0028]
本发明实施例另一方面提供的总应力下泡沫土渗透系数测试系统，包括渗透仪和数据采集仪，所述渗透仪包括：
[0029]
渗透筒体；
[0030]
底板，固定设置在所述渗透筒体的底部；
[0031]
活塞，滑动设置在所述渗透筒体内部；
[0032]
恒压水头，通过进水管与所述活塞上的进水孔连通；
[0033]
排水管，与所述底板上的排水孔连通；
[0034]
还包括作用于所述活塞的轴向加载系统，所述轴向加载系统用于对泡沫土样施加竖向总应力；
[0035]
所述渗透筒体、所述活塞和所述底板之间形成有容纳泡沫土样的装载腔，所述装载腔上沿其高度方向设有多个孔隙水压力计，所述活塞上设有位移传感器，所述位移传感
器和所述孔隙水压力计与所述数据采集仪相连；
[0036]
其中，所述孔隙水压力计用于测量所述装载腔内部的水压，最底端的所述孔隙水压力计设置所述底板处，最顶端的所述孔隙水压力计设置在所述活塞上。
[0037]
具体的，所述轴向加载系统包括气泵、第一输气管和第一伺服气压阀，所述渗透筒体的顶部固定设有顶板，所述渗透筒体、所述活塞和所述顶板之间形成有气压腔，所述第一输气管的两端分别与所述气泵和气压腔连通，所述第一伺服气压阀设置在所述第一输气管上。
[0038]
具体的，所述恒压水头由高压注水系统提供，所述高压注水系统包括恒压水箱，所述恒压水箱为一密闭箱体，且底部与所述进水管连通，顶部通过第二输气管与所述气泵连通，所述第二输气管上设有第二伺服气压阀。
[0039]
具体的，所述高压注水系统还包括储水箱和智能注水器，所述智能注水器通过补水管连接于所述恒压水箱和所述储水箱之间，所述补水管插入所述恒压水箱一端的端部设有水位感应器，所述水位感应器与所述智能注水器电性连接。
[0040]
具体的，所述排水管上设有流量计，所述流量计与所述数据采集仪连接，所述进水管和排水管上均设有止水阀。
[0041]
具体的，所述泡沫土样与所述活塞之间、所述泡沫土样与所述底板之间均设有透水板
[0042]
具体的，所述排水管与压力容室连通，所述压力容室的底部设有自动排水阀，所述气泵通过第三输气管与所述压力容室连通，所述第三输气管上设有第三伺服气压阀。
[0043]
与现有技术相比，本发明至少一个实施例具有如下有益效果：本发明可实现总应力、高水压下泡沫土渗透系数的测量，测得的渗透系数更符合现场实际情况，该测试系统具有水压自动控制，操作简便，测试精度高的优势。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
[0045]
图1是本发明实施例提供的测试系统结构示意图；
[0046]
图2是本发明实施例涉及的渗透仪结构示意图；
[0047]
其中：1、渗透仪；101、渗透筒体；102、底板；103、活塞；104、排水管；105、顶板；2、数据采集仪；3、轴向加载系统；301、气泵；302、第一输气管；303、第一伺服气压阀；4、泡沫土样；5、孔隙水压力计；6、显示器；7、位移传感器；8、气压腔；9、高压注水系统；901、恒压水箱；902、第二输气管；903、第二伺服气压阀；904、储水箱；905、智能注水器；906、补水管；907、水位感应器；10、止水阀；11、压力容室；12、第三输气管；13、第三伺服气压阀；14、自动排水阀；15、自动切换阀；16、流量计。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0050]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0051]
参见图1和图2，一种总应力下泡沫土渗透系数测试系统，包括渗透仪1、数据采集仪2和轴向加载系统3，渗透仪1包括渗透筒体101、底板102和活塞103、恒压水头和排水管104，底板102固定设置在渗透筒体101的底部，活塞103滑动设置在渗透筒体101内部，渗透筒体101、活塞103和底板102之间形成有容纳泡沫土样4的装载腔，轴向加载系统3作用于活塞103，用于对泡沫土样4施加竖向总应力，恒压水头通过进水管与活塞103上的进水孔连通，排水管104与底板102上的排水孔连通，在装载腔上沿其高度方向设有多个孔隙水压力计5，孔隙水压力计5用于对装载腔内水压进行测量，最底端的孔隙水压力计5设置底板102处，最顶端的孔隙水压力计5设置在活塞103上，随活塞103联动，数据采集仪2外接显示器6，活塞103上还设有位移传感器7，通过位移传感器7可以实现活塞103移动距离的测量，位移传感器7和孔隙水压力计5与数据采集仪2相连。
[0052]
利用上述结构的测试系统对总应力下泡沫土渗透系数进行测试的过程如下：
[0053]
在渗透仪的装载腔内填充泡沫土样；
[0054]
在装载腔上的孔体上安装n+1个孔隙水压力计，n为正整数，且大于等于2；
[0055]
将孔隙水压力计与数据采集仪相连；
[0056]
对渗透仪内泡沫土样施加恒压水头以及竖向总应力，打开排水管上的自动排水阀，利用孔隙水压力计对装载腔内水压进行测量，并通过数据采集仪采集数据；
[0057]
对数据采集仪采集的数据进行处理，计算得到渗透系数。
[0058]
具体的，渗透系数的具体计算过程如下：
[0059]
第一步：计算相邻两个孔隙水压力计之间土样的渗透系数，计算公式如下：
[0060][0061]
第二步：计算整体的等效渗透系数，计算公式如下：
[0062][0063]
其中，水压pi下泡沫的孔隙度n
fi
通过如下公式计算：
[0064][0065][0066]
水压pi下的有效粒径d
10,fi
通过如下公式计算：
[0067][0068]
折减因子ξ的求解过程如下：
[0069][0070]
式中：ξ是折减因子，n
x
是施加竖向总应力下泡沫土的孔隙率，v是水的运动粘度，g是重力加速度，n
fi
是水压pi下泡沫的孔隙度，d
10,fi
是水压pi下泡沫的有效粒径，水压pi为相邻两个孔隙水压力计示数的平均值，l是泡沫土样的高度，hi是相邻两孔隙水压力计之间土样的渗流途径，e
fi
是水压pi下泡沫的孔隙度，fer是泡沫的发泡倍率，d
10,f
是大气压p下泡沫的有效粒径，d
10,s
是泡沫土样中土体颗粒的有效粒径。
[0071]
本发明可实现总应力、高水压下泡沫土渗透系数的测量，并给出了具体的渗透系数求解公式，测量结果更符合盾构机掌子面前方的实际工况，而且具有操作过程更简单，测量精度更高等优点。
[0072]
参见图1，在一些实施例中，轴向加载系统3包括气泵301、第一输气管302和第一伺服气压阀303，渗透筒体101的顶部固定设有顶板105，渗透筒体101、活塞103和所述顶板105之间形成有气压腔8，第一输气管302的两端分别与气泵301和气压腔8连通，第一伺服气压阀303设置在第一输气管302上，气泵301输出的高压气体通过第一伺服气压阀303以设定的恒定气压进入气压腔8，从而推动活塞103对泡沫土样4施加轴向载荷，采用伺服控制技术实现轴向载荷的加载，智能化程度高，操控也更加简单。
[0073]
参见图1，在另一些实施例中，恒压水头由高压注水系统9提供，高压注水系统9包括恒压水箱901，恒压水箱901为一密闭箱体，且底部与进水管连通，顶部通过第二输气管902与气泵301连通，第二输气管902上设有第二伺服气压阀903，气泵301输出的高压气体通过第二伺服气压阀903以设定的恒定气压进入恒压水箱901，迫使水箱内的水通过进水管以恒定的压力进入装载腔内，实现恒压水头的提供。本实施例中采用伺服气压控制技术实现水压的控制，具有水压自动控制，操作简便，测试精度高的优势。
[0074]
参见图1，具体的，高压注水系统9还包括储水箱904和智能注水器905，智能注水器905通过补水管906连接于恒压水箱901和储水箱904之间，补水管906插入至恒压水箱901底部，并与水位感应器907连接，水位感应器907与智能注水器905电性连接，当水位感应器907感应到水位低于恒压水箱901的高度的1/5时，智能注水器905启动实现自动补水，当补水达到设定时间时，如补水达到恒压水箱901的高度的4/5时，智能注水器905停止补水。此外，在储水箱904的上方还可以安装水龙头，通过水龙头对储水箱904进行补水。
[0075]
参见图1和图2，可以理解的是，在实际设计中，渗透筒体101为一透明空心圆柱体，其高度大于直径的2.5倍，其顶板105和底板102分别通过法兰与空心圆柱体连接，顶板105
上方布置有进气口和活塞103孔和泄气阀，第一输气管302与该进气口对接，活塞103的空心活塞103杆密封穿过活塞103孔与进水管对接，在底板102下方设置有出水口，出水口与排水管104对接，在进水管和排水管104上均设置有止水阀10，活塞103沿渗透筒体101上下滑动，活塞103的直径与渗透筒体101内径一致，活塞103的有效行程小于空心活塞103杆的长度，高压水通过空心活塞103杆流入装载腔内。
[0076]
参见图1，在一些实施例中，排水管104与压力容室11连通，压力容室11的底部均设有自动排水阀14，气泵301通过第三输气管12与压力容室11连通，第三输气管12上设有第三伺服气压阀13，渗透筒体101流出的水流入压力容室11内自动排水阀14其自动排水启动高度为压力容室11的高度的4/5，自动排水停止高度为压力容室11的高度的1/5。本实施例可同时为泡沫土上下侧提供高压力水头，其水力梯度更符合现场实际情况，因此测量的渗透系数更符合工程实际。
[0077]
参见图1，具体的，压力容室11的数量为两个，渗透筒体101流出的水流通过自动切换阀15择一流入两个压力容室11内。具体的，气压腔8中的气压大于恒压水箱901中的气压，恒压水箱901中的气压大于下部压力容室11的气压，储水箱904的体积大于恒压水箱901体积的2倍。排水管104上设有流量计16，流量计16与数据采集仪2连接，泡沫土样4与活塞103之间、泡沫土样4与底板102之间均设有透水板。当然，通过对恒压水箱901和压力容室11内气压的调节，可以实现渗透路径的调换。
[0078]
上述结构的测试系统工作过程如下：
[0079]
s1：根据测试系统连接关系，组装测试系统，关闭进水管和排水管上的止水阀，打开水龙头向储水箱中注水；
[0080]
s2：测量干砂的最大孔隙率n
max
，向干砂中加入水和泡沫搅拌成泡沫土，测量泡沫土的孔隙度n，泡沫土的孔隙度n大于干砂的最大孔隙率n
max
；
[0081]
s3：将一块透水板放入到渗透仪的底板上，然后将搅拌好的泡沫土倒入渗透筒体内并摊平，在摊平后的泡沫土上放置一块透水板，填样高度为渗透仪直径的2倍以上；
[0082]
s4：将活塞对齐放入渗透筒体，并快速拧紧顶板与渗透筒体之间的螺栓，进一步预压活塞至与上方的透水板接触，将恒压水箱底端的进水管连接到活塞杆顶端，将第一输气管连接到渗透仪的顶板；
[0083]
s5：关闭泄气阀，依次设定并打开第一伺服气压阀、第二伺服气压阀和第三伺服气压阀的压力值，打开气泵；
[0084]
s6：同时打开进水管和排水管上的止水阀，并利用数据采集仪采集数据；
[0085]
s7：对数据采集仪采集的数据进行处理，计算得到渗透系数。
[0086]
本发明可同时为泡沫土提供高压力水头和施加高应力，从而可以测得总应力条件下泡沫土的渗透系数，因此测量的渗透系数更符合工程实际。
[0087]
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
[0088]
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另
有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
[0089]
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
[0090]
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。