一种测定土体渗透系数的原位测试装置及测定方法与流程

本发明属于岩土工程，具体涉及一种结构简单、测定效率高、易于操作、适用性强、数据准确可靠的测定土体渗透系数的原位测试装置及测定方法。

背景技术：

1、土体的渗透性同土体的强度和变形特性一起，都是岩土工程中重要的几个性质之一。土体的渗透特性影响大部分的工程建设，其中包括隧道、边坡、基坑等众多领域，因此查明岩土体的渗透特性是保证工程顺利实施的关键因素。

2、目前，关于渗透系数测定的方法主要有室内试验和现场原位测试，在现场原位测试测定渗透系数的试验中，多集中在测定岩石及碎石土的渗透系数，而测定土体渗透系数的方法较少见。现有技术中，土体的渗透系数测定多采用常水头试验法、变水头试验法及井孔注水试验法，其中，常水头法及变水头法是常用的实验室测定方法，井孔注水试验法是现场原位测定方法。现有的实验室测定方法在土体细粒程度较高时，渗透试验往往需要数天才能完成，因此试验效率较低，同时实验室测定的试验样品受到钻探、运输等过程的影响，破坏了土体所处的客观环境，样品所处的真实应力状态可能已经发生变化，从而最终获取的试验参数往往与现场情况不一致；虽然井孔注水试验法可克服试验样品受影响而易导致试验数据不准确的问题，但其试验所需的费用较高。而且现有的前述两种实验室测定方法及井孔注水试验法，从原理上而言也不能直接测定饱和土体的渗透率。因此，开展原位测试土体渗透系数，特别是细粒土体的渗透系数研究是十分必要的。

技术实现思路

1、根据现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、测定效率高、易于操作、适用性强、数据准确可靠的测定土体渗透系数的原位测试装置，还提供了一种测定土体渗透系数的原位测定方法。

2、本发明之测定土体渗透系数的原位测试装置是这样实现的：包括钻探系统、真空系统、推压系统、压浆系统、抽水系统、饱和注水系统，

3、所述钻探系统包括钻杆内壁、钻杆外壁、钻头、下保护壳、上保护壳，所述钻杆内壁为中空的花管且同轴设置于钻杆外壁内并相互间形成环形空腔，所述钻头同轴密封固定设置于钻杆内壁和/或钻杆外壁的底端，所述钻头内同轴贯穿设置有与钻杆内壁的中空内孔直径相当的压浆腔体，所述钻头内还设置有连通环形空腔与压浆腔体的导泥孔；所述下保护壳同轴密封固定设置于钻杆内壁和/或钻杆外壁的顶端，所述上保护壳密封固定设置于下保护壳的顶端；

4、所述真空系统包括气管、真空腔外壁、真空腔内壁，所述真空腔外壁同轴设置于环形空腔内且两端分别与钻头及下保护壳密封固定连接，所述真空腔内壁为中空的花管且同轴滑动设置于钻杆内壁的外侧，所述真空腔外壁与真空腔内壁及钻头、钻杆内壁、下保护壳之间形成真空腔，所述气管连通真空腔并依次贯穿下保护壳及上保护壳且与钻探系统外侧的真空发生装置连通；

5、所述推压系统包括油压管、油压囊、推压块，所述推压块滑动密封地设置于真空腔外壁与钻杆内壁之间形成的空腔上部，所述真空腔内壁的顶端与推压块的底端连接，所述油压囊密封设置于下保护壳内并延伸至推压块的顶端，所述油压管连通油压囊并贯穿上保护壳且与钻探系统外侧油压泵连通；

6、所述压浆系统包括压浆管，所述真空腔外壁与钻杆外壁之间形成密封的注浆通道，所述钻头内的导泥孔与注浆通道连通，所述压浆管连通注浆通道并依次贯穿下保护壳及上保护壳且与钻探系统外侧的注浆装置连通；

7、所述抽水系统包括抽水管，所述抽水管一端延伸至真空腔外壁与真空腔内壁之间形成的空腔底部，所述抽水管的另一端依次贯穿推压块、下保护壳及上保护壳且延伸至钻探系统的外侧；

8、所述饱和注水系统包括注水管，所述注水管连通钻杆内壁的内部并依次贯穿下保护壳及上保护壳且与钻探系统外侧的注水装置连通。

9、本发明之测定土体渗透系数的原位测定方法是这样实现的，基于前述测定土体渗透系数的原位测试装置，包括以下步骤：

10、a、将钻探系统、真空系统、推压系统、压浆系统、抽水系统及饱和注水系统组装，然后开启各系统，检测未开启推压系统时真空腔是否漏气，随后启动并检测推压系统是否运行正常、各管道是否畅通；

11、b、将自检合格的原位测试装置缓慢的压入钻孔中至预定位置，使待测土体进入到钻杆内壁内部；

12、c、开启注浆装置，将泥浆经压浆管缓慢注入钻头内的压浆腔体，使泥浆均匀填入压浆腔体内的土体中并保持密闭，最终形成形成不透水介质；

13、d、通过饱和注水系统不断向钻杆内壁内的土体注水，待土体饱和后，保持钻杆内壁内的水位不变；

14、e、开启真空发生装置，通过气管使真空腔内的压力调节至0.1~0.3mpa；

15、f、开启油压泵通过油压管使压力油充满油压囊，油压推动推压块使真空腔内壁逐渐下移，直至真空腔内壁上的通孔ⅲ与钻杆内壁上的通孔ⅱ重合，然后记录真空腔内的压力；

16、g、保持油压泵的压力不变，试验0.5~2.0min后开启抽水系统，持续抽水5~15min，记录饱和注水系统的总加水量及抽水系统的总抽水量后计算渗透系数；

17、h、重复a~g步骤，并将e步骤中真空腔内的压力依次调整为0.3~0.5mpa、0.5~0.7mpa，并记录不同压力作用下的渗透系数。

18、本发明的有益效果：

19、1、本发明属于原位测试装置及测定方法，因此待测土体可保持所处的客观环境以维持真实的应力状态，减少了取样、运输等过程中造成的实验误差，从而可最大程度的保证试验数据的准确性，而且还可分段、分层获取不同深度土体的渗透特性参数，使得测试装置的适用性较强。

20、2、本发明的原位测试装置通过钻探系统、真空系统与压浆系统的相互连接结构，从而对待测土体的下部实现泥浆封堵，使待测土体处于密闭空间内，为后续待测土体形成饱和状态，以及真空压力下的渗透系数测定打下基础；而通过钻探系统与注水系统的相互连接结构，使得待测土体自上部实现饱和状态，从而可用于直接测定饱和土体的渗透率；同时，通过钻探系统、真空系统、推压系统、压浆系统、抽水系统及饱和注水系统之间的连接关系及配合，实现周边采用真空压力抽水的方法测定土体的渗透系数，不仅相较现有的测试装置可显著缩短渗透试验时间，从而提高了渗透系数测定的效率，而且采集不同真空压力作用下土体的渗透特性，更易于模拟土体的实际渗透情况，使得试验成果更为真实有效。

21、3、本发明的原位测试装置进一步在真空腔内壁的外侧包裹固定有土工织物，从而能够防止待测土体中的松散颗粒进入真空腔造成堵塞，不仅可提高测试结果的准确度，而且结合真空压力抽水也解决了细粒土体渗透测试试验时间较长的难题。

22、综上所述，本发明具有结构简单、测定效率高、易于操作、适用性强、数据准确可靠的特点。

技术特征：

1.一种测定土体渗透系数的原位测试装置，其特征在于包括钻探系统（1）、真空系统（2）、推压系统（3）、压浆系统（4）、抽水系统（5）、饱和注水系统（6），

2.根据权利要求1所述测定土体渗透系数的原位测试装置，其特征在于所述钻头（13）与钻杆内壁（11）或钻杆外壁（12）螺纹配合的旋紧密封连接，所述下保护壳（14）与钻杆内壁（11）或钻杆外壁（12）螺纹配合的旋紧密封连接，所述上保护壳（15）与下保护壳（14）可拆卸的固定连接且之间还设置有密封圈（17）。

3.根据权利要求1所述测定土体渗透系数的原位测试装置，其特征在于所述钻杆内壁（11）的外侧沿轴向开设有通长的导向槽（18），所述真空腔内壁（23）上沿轴向开设有可滑动设置于导向槽（18）内的导向凸起（29）。

4.根据权利要求1所述测定土体渗透系数的原位测试装置，其特征在于所述钻杆内壁（11）的花管结构在距离钻头（13）的0~20cm处不设置通孔ⅱ，所述真空腔内壁（23）的长度小于真空腔（24）的长度，所述真空腔内壁（23）的花管结构上的通孔ⅲ与钻杆内壁（11）上的通孔ⅱ沿轴向错位设置，所述通孔ⅲ及通孔ⅱ的孔径为1~2cm且中心距为4~6cm。

5.根据权利要求4所述测定土体渗透系数的原位测试装置，其特征在于所述真空腔内壁（23）与推压块（33）的总长度相较钻杆内壁（11）的长度短5~10cm，所述推压块（33）的表面涂抹有凡士林。

6.根据权利要求1至5任意一项所述测定土体渗透系数的原位测试装置，其特征在于所述真空腔内壁（23）的外侧还包裹固定有土工织物（25），所述气管（21）为硬质管。

7.根据权利要求6所述测定土体渗透系数的原位测试装置，其特征在于所述压浆系统（4）注入的泥浆密度为2.5~2.8g/cm3，所述真空腔（24）内的压力为0.1~0.7mpa。

8.根据权利要求6所述测定土体渗透系数的原位测试装置，其特征在于所述气管（21）的外侧还连接有依次连接有压力表（26）及调压阀（27），所述压浆管（41）的外侧连接有流量计ⅰ或连通至带有容积刻度的泥浆池（43），所述抽水管（51）的外侧连接有流量计ⅱ或连通至带有容积刻度的水箱ⅱ（52），所述注水管（61）的外侧连接有流量计ⅲ或连通至带有容积刻度的水箱ⅲ（62）。

9.一种基于权利要求1至8任意一项所述测定土体渗透系数的原位测试装置的测定方法，其特征在于包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述测定土体渗透系数的原位测试装置的测试方法，其特征在于所述b步骤中原位测试装置按5~15cm/min的速度缓慢的压入钻孔中；所述c步骤中泥浆的密度为2.5~2.8g/cm3。

技术总结
本发明公开一种测定土体渗透系数的原位测试装置及测定方法。测试装置之钻探系统的钻杆内壁为花管且设于钻杆外壁内形成环形空腔，钻头密封在钻杆底端且设有压浆腔体及导泥孔；真空系统之真空腔外壁设于环形空腔内并与钻头及下保护壳密封，真空腔内壁为花管且滑动设于钻杆内壁外侧并形成真空腔，气管连通真空腔；推压系统的推压块滑动密封在真空腔外壁与钻杆内壁间的空腔上部，油压囊连通推压块顶端及油压管；压浆管连通钻头内的导泥孔；抽水管延伸至真空腔底部；注水管连通钻杆内壁内部。测定方法包括组装自检、入孔、泥浆封闭、饱和注水、抽真空、推压、抽水步骤。本发明具有结构简单、测定效率高、易于操作、适用性强、数据准确可靠的特点。

技术研发人员：徐鹏飞,刘文连,眭素刚,李金,许汉华,王帮团,韩鹏伟,何向荣,樊亚红
受保护的技术使用者：中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12