一种土体气幕阻渗试验装置及试验方法

1.本发明涉及一种土体气幕阻渗试验装置及试验方法，属于岩土工程渗流技术领域。


背景技术：

2.基坑、堤坝和土坡在水的作用下都存在渗流现象，由于水的存在使得土体很容易发生渗透变形和渗透破坏。土体材料是由固相、气相和液相三相构成的，水流在土体空隙中发生流动，在渗流力的作用下可使土体发生管涌或流土破坏，二者均可导致建筑物坍塌或坡体塌滑，存在极大的安全隐患。避免因渗透引起的实际工程问题，是十分有必要进行研究的。
3.防止渗透变形的传统措施包括采用不透水材料阻断水中的渗流路径，设法增长渗透路径以减小水力坡降，在渗流出口处布置减压、盖重及反滤层防止流土和管涌的发生。目前新兴的一种向饱和土体内充气方法：气体驱替土体孔隙中的水，使饱和土变成非饱和土，根据土体中的渗透性具有随饱和度降低而快速下降的特性达到阻渗目的。
4.目前对土体中气、水渗流问题的研究有数值模拟和模型试验的方法，对于复杂土体，数值模拟的方法并不能真实反映气幕阻渗的效果。而模型试验可以直接测量土体的各项指标，更能适应土体的各种特性，得到的数据结果更加准确可靠。
5.此外，气幕阻渗是一种新型的应用于工程截排水的措施，目前该措施只少量应用于滑坡防治，尚未应用于坝体和基坑截排水。目前现有的气幕阻渗装置及方法存在一些缺点，不能适用于基坑和坝体截排水。具体缺点如下：(1)现有的发明仅针对山体滑坡充气截排水，因此都是研究二维方向阻渗截排水效果，并未涉及三维流动。(2)现有发明不能灵活调整气幕阻渗布置方案，例如输气管个数、排列位置、进气口深度和充气压力等。现有发明装置基本为固定设置，后续试验无法调整，灵活性差。(3)现有发明无法调节上下游水头差，这是能否适用不同工况的关键因素之一，水头不能灵活调节则大大限制应用范围。(4)传统试验模型各部件固定，无法灵活拆卸组装搬运，费时费力。


技术实现要素：

6.对于现有技术的上述问题，本发明提出了一种土体气幕阻渗试验装置及试验方法，该装置实现了充气阻渗的三维试验研究，弥补了现有装置只能进行二维试验的不足。
7.本发明采取了如下技术方案：
8.一种土体气幕阻渗试验装置，包括基坑模拟系统、渗流系统、充气系统和测量系统，所述基坑模拟系统包括外桶、内筒；其中，外桶为无盖外桶，用于存放土样，在外桶底部设置有输水孔道和排水孔道；所述外桶顶部边缘设有排水槽；所述内筒设置在外桶内，用于模拟基坑形状和尺寸；外桶与内筒之间填筑有土体；
9.所述渗流系统包括供水箱、蠕动泵以及输水管；所述供水箱包括第一供水箱以及第二供水箱，第一供水箱为试验前饱和土体时提供水源，第二供水箱为试验过程中提供渗
流水源，并且通过排水槽回收试验装置内多余的水流；其中，所述第一供水箱设置位置高于外桶，其通过一输水管伸入外桶底部的输水孔道内；所述蠕动泵放置在第二供水箱内，通过另一输水管将第二供水箱内的水送到试验装置内，为渗流提供水源，多余的水体通过排水槽回到第二供水箱，实现了水流的循环流动；
10.所述充气系统包括空气压缩机、分流器、输气管以及调压阀，可实现对土体进行充气，使土体处于非饱和状态，达到阻渗效果；其中，输气管由一根输气主管和若干输气支管组成，由输气支管将气体压入土体内；所述空气压缩机通过输气主管与分流器连接后分流到不同的输气支管；
11.所述测量系统包括量筒、排水管、孔隙水压计和竖向位移计；其中，所述量筒设置在外桶外部，用于承接内筒内伸出的排水管；所述排水管一端接于内筒圆心处，其排水管管头高出内筒中土体一定高度，防止土体随水流进入量筒；所述外桶的土体内插入有所述孔隙水压计以及竖向位移计。
12.进一步地，所述内筒底部还设置有底部支撑杆，其支撑在内筒底部与外桶底部之间，为了防止内筒随土体发生沉降和倾斜，起到阻止内筒发生沉降的作用。
13.进一步地，在所述内筒和外桶之间还设置有侧向支撑杆，起到阻止内筒发生倾斜的作用。
14.进一步地，所述外桶底部还设置有万向轮。
15.进一步地，连接所述第一供水箱的输水管上还设置有阀门开关，用于调节饱和时的输水流量，在饱和完成后关闭阀门开关防止水体倒流。
16.进一步地，在输气支管不同部位设置有打孔，用于实现不同位置输气阻渗的研究。
17.进一步地，所述输气支管上还设置有调压阀，用于控制调节各输气支管中的气压，用于实现各输气支管内施加不同气压，在基坑周围不同区域形成不同压力的气幕。
18.进一步地，所述排水管也设有阀门开关。
19.进一步地，所述输气支管数量为8-18根，所述底部支撑杆以及侧向支撑杆数量均为3-7根，所述万向轮数量为4-6个。
20.上述一种土体气幕阻渗试验装置的试验方法，包括如下步骤：
21.步骤一：模型准备
22.根据基坑实际工程资料，通过外桶和内筒实现对基坑尺寸、深度模拟；按照气幕阻渗设计方案，在内筒外侧布设相应数量和深度的输气管，模拟原型充气方案；在外桶和内筒之间分层填筑土体，每层土体进行压实，保证其密实度和原型相同；连接并设置基坑模拟系统、渗流系统、充气系统和测量系统各组成部件；
23.步骤二：土体饱和
24.打开连接第一供水箱的输水管上的阀门开关，使水体从外桶底部渗入土体，在饱和过程中通过阀门开关控制水体缓慢入渗，保证土体内部的空气全部被水排出，避免形成气包；待水面自下而上升高至外桶内的土体表面时，饱和完成，关闭输水管上的阀门开关；饱和过程中与第一供水箱连接的输水管上的阀门开关全程处于关闭状态，防止饱和水体外流；
25.步骤三：渗流稳定
26.打开排水管上的阀门开关，使内筒水面下降至指定位置，保持排水管上的阀门开
关一直处于打开状态，开启蠕动泵，将第二供水箱中的水体输送到外桶土体表面，在土体表面形成一定压力的水头，多余的水体通过排水槽排出又回到第二供水箱中，保证了上游水面恒定的同时还形成了供水系统循环；其中，渗透水流通过内筒的排水管流入量筒中，通过时间体积法进行渗流量的测量，待渗流量保持稳定不变时即达到渗流稳定；此外，通过读取孔隙水压计读数，得到土体内不同位置的渗透压力水头；
27.步骤四：充气阻渗
28.打开空气压缩机，将气压调至合适数值，气体通过分流器进入各输气支管，通过输气支管末端压入土体，用高压气体驱散输气支管末端附近土体中的水，使土体由饱和状态变为非饱和状态，进而降低土体的渗透性，达到阻渗效果；此时通过时间体积法进行渗流量的测量，待渗流量保持稳定不变时即达到充气状态下的渗流稳定；用充气前的渗流量减去充气后的渗流量，即可得到充气对渗透水流的阻渗效果；通过读取孔隙水压计读数，得到充气状态下土体内不同位置的渗透压力水头；通过竖向位移计测量土体的沉降和隆起数值，得到渗流和充气对土体变形的影响；
29.步骤五：优化研究
30.针对不同的气幕阻渗设计方案，可在试验装置中改变输气管个数、布置位置、管径、充气深度和充气区域；通过调节空气压缩机气压可实现不同气压下的阻渗模拟；通过各输气支管的调压阀可实现不同充气区域的不同气压施加方案；通过改变排水管管头高于内筒土体表面的距离实现对不同水头差的模拟；通过改变外桶和内筒的尺寸实现对不同基坑工况的模拟，实现对气幕阻渗方案的优化研究。
31.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
32.该装置可根据不同土质的渗流情况实现输气管布设方案、进气口位置、气压、输气管管径和开孔布置的调节，也可根据实际情况调整内外水头差，并可对基坑各处的水头压力和土体变形进行测量。本发明各系统分散组装，可灵活更换不同尺寸的配件装置，在底座配以万向轮，灵活性大大提高。本发明实现了对土体气幕阻渗三维特性研究。
附图说明
33.图1是本发明的土体气幕阻渗试验装置二维示意图；
34.图2是本发明的土体气幕阻渗试验装置三维示意图；
35.图3是本发明的土体气幕阻渗试验装置基坑模拟系统外桶三维示意图；
36.图4是本发明的土体气幕阻渗试验装置基坑模拟系统内筒三维示意图；
37.图5是本发明的土体气幕阻渗试验装置渗流系统三维示意图；
38.图6是本发明的土体气幕阻渗试验装置测量系统三维分解示意图；
39.图7是本发明的土体气幕阻渗试验装置充气系统三维示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图1-7对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
41.如图1-7所示，本实施例的一种土体气幕阻渗试验装置，包括基坑模拟系统、渗流系统、充气系统和测量系统。
42.如图1-4所示，基坑模拟系统包括外桶1、内筒2、万向轮3、底部支撑杆4和侧向支撑
杆5，可根据实际工程情况模拟基坑特征。其中，如图2所示，外桶1为无盖外桶，用于存放土样，在外桶1底部设置有输水孔道和排水孔道。外桶1顶部边缘设有排水槽101，当外桶1内水面超过排水槽101时即被排出试验装置外，起到恒定外桶1内水面的作用。如图4所示，内筒2设置在外桶1内，用于模拟基坑形状和尺寸，并同时起到支护作用，可实现对不同形式基坑的模拟。外桶1与内筒2之间填筑有土体，可实现对不同土质情况的基坑进行试验研究，其同一组试验中内外桶填筑的是同一种土。内筒2底部还设置有底部支撑杆4，其支撑在内筒2底部与外桶1底部之间，为了防止内筒2随土体发生沉降和倾斜，起到阻止内筒2发生沉降的作用。此外，在内筒2和外桶1之间还设置有侧向支撑杆5，起到阻止内筒2发生倾斜的作用。外桶1底部还设置有万向轮3，可将试验装置移动位置，方便搬运。
43.如图1和图5所示，渗流系统包括供水箱6、蠕动泵7以及输水管8，可实现模拟基坑内渗流情况。供水箱6包括第一供水箱61以及第二供水箱62，第一供水箱61为试验前饱和土体时提供水源，第二供水箱62为试验过程中提供渗流水源，并且通过排水槽101回收试验装置内多余的水流。其中，第一供水箱61设置位置高于外桶1，其通过一输水管8伸入外桶1底部的输水孔道内，连接第一供水箱61的输水管8上还设置有阀门开关81，用于调节饱和时的输水流量，在饱和完成后关闭阀门开关81防止水体倒流。蠕动泵7放置在第二供水箱62内，通过另一输水管8将第二供水箱62内的水送到试验装置内，为渗流提供水源，多余的水体通过排水槽101回到第二供水箱62，实现了水流的循环流动。
44.如图1-2以及图7所示，充气系统包括空气压缩机9、分流器10、输气管11以及调压阀12，可实现对土体进行充气，使土体处于非饱和状态，达到阻渗效果。其中，输气管11由一根输气主管111和若干输气支管112组成，由输气支管112将气体压入土体内，并且可在输气支管112不同部位打孔实现不同位置输气阻渗的研究。空气压缩机9通过输气主管111与分流器10连接后分流到不同的输气支管112，可实现对不同输气方案的研究连接。其中，空气压缩机9起到对土体加压充气作用，排除土体内的水，达到充气阻渗效果，并且可根据不同的工况调节加气压力，而分流器10用于将空气压缩机9主管的气体分流到不同数量的输气支管，可实现对不同输气方案的研究。输气支管112上还设置有调压阀12，用于控制调节各输气支管112中的气压，用于实现各输气支管112内施加不同气压，在基坑周围不同区域形成不同压力的气幕。
45.如图1-2以及图6所示，测量系统包括量筒13、排水管14、孔隙水压计15和竖向位移计16，可对基坑各处的水头压力进行测量，对充气前后的渗流量进行测量，验证充气阻渗的效果，同时测量土体表面的沉降和隆起数值，得到渗流和充气对土体变形的影响。其中，量筒13设置在外桶1外部，用于承接内筒2内伸出的排水管14，其利用时间体积法测量充气前后、不同充气压力、不同充气布设方案下的渗流量，验证阻渗效果。排水管14一端接于内筒2圆心处，其排水管14管头高出内筒2中土体一定高度，防止土体随水流进入量筒。内筒土体渗流稳定后，直到水面高出管头才能通过排水管流入量筒13，用于进行渗流量的测量。排水管14也设有阀门开关81，土体进行饱和时关闭该阀门开关81防止水体外流，而在测量渗流量时打开该阀门开关81。外桶1的土体内插入有孔隙水压计15以及竖向位移计16，分别用于对外桶1内各处的渗透水头压力进行测量，通过对比分析充气阻渗效果，以及对土体表面的沉降和隆起进行测量，得到渗流和充气对土体变形的影响。
46.本实施例中，输气支管112数量为12根，所述底部支撑杆以及侧向支撑杆数量均为
3根，所述万向轮数量为4个。
47.上述一种土体气幕阻渗试验装置的试验方法，包括如下步骤：
48.步骤一：模型准备
49.根据基坑实际工程资料，通过外桶1和内筒2实现对基坑尺寸、深度模拟。按照气幕阻渗设计方案，在内筒2外侧布设相应数量和深度的输气管11，模拟原型充气方案。在外桶1和内筒2之间分层填筑土体，每层土体进行压实，保证其密实度和原型相同。连接并设置基坑模拟系统、渗流系统、充气系统和测量系统各组成部件。
50.步骤二：土体饱和
51.打开连接第一供水箱61的输水管8上的阀门开关81，使水体从外桶1底部渗入土体，在饱和过程中通过阀门开关81控制水体缓慢入渗，保证土体内部的空气全部被水排出，避免形成气包。待水面自下而上升高至外桶1内的土体表面时，饱和完成，关闭输水管8上的阀门开关81。饱和过程中与第一供水箱61连接的输水管8上的阀门开关81全程处于关闭状态，防止饱和水体外流。
52.步骤三：渗流稳定
53.打开排水管14上的阀门开关81，使内筒2水面下降至指定位置，保持排水管14上的阀门开关81一直处于打开状态，开启蠕动泵7，将第二供水箱62中的水体输送到外桶1土体表面，在土体表面形成一定压力的水头，多余的水体通过排水槽101排出又回到第二供水箱62中，保证了上游水面恒定的同时还形成了供水系统循环。其中，渗透水流通过内筒2的排水管14流入量筒13中，通过时间体积法进行渗流量的测量，待渗流量保持稳定不变时即达到渗流稳定。此外，通过读取孔隙水压计15读数，得到土体内不同位置的渗透压力水头。
54.步骤四：充气阻渗
55.打开空气压缩机9，将气压调至合适数值，气体通过分流器10进入各输气支管112，通过输气支管112末端压入土体，用高压气体驱散输气支管112末端附近土体中的水，使土体由饱和状态变为非饱和状态，进而降低土体的渗透性，达到阻渗效果。此时通过时间体积法进行渗流量的测量，待渗流量保持稳定不变时即达到充气状态下的渗流稳定。用充气前的渗流量减去充气后的渗流量，即可得到充气对渗透水流的阻渗效果。通过读取孔隙水压计15读数，得到充气状态下土体内不同位置的渗透压力水头。通过竖向位移计16测量土体的沉降和隆起数值，得到渗流和充气对土体变形的影响。
56.步骤五：优化研究
57.针对不同的气幕阻渗设计方案，可在试验装置中改变输气管个数、布置位置、管径、充气深度和充气区域。通过调节空气压缩机9气压可实现不同气压下的阻渗模拟。通过各输气支管112的调压阀12可实现不同充气区域的不同气压施加方案。通过改变排水管14管头高于内筒2土体表面的距离实现对不同水头差的模拟。通过改变外桶1和内筒2的尺寸实现对不同基坑工况的模拟，实现对气幕阻渗方案的优化研究。
58.上述实施例只是为了更清楚说明本发明的技术方案做出的列举，并非对本发明的限定，本领域的普通技术人员根据本领域的公知常识对本技术技术方案的变通亦均在本技术保护范围之内，总之，上述实施例仅为列举，本技术的保护范围以所附权利要求书范围为准。