一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置和方法，包包括：定水头管、试样管和观测管，所述定水头管的上方设置马里奥特瓶，马里奥特瓶使定水头管内水位保持定水头，并使试样饱和；在试验准备完成后，瞬时向定水头管内注水，并逐渐加大水头差，使定水头管与观测管之间产生一定的水位差，保持水头差固定不变，观察观测管水体浑浊变化状况，直至试样发生渗透破坏，观测管内发生大量颗粒涌出与水体浑浊现象；记录试验数据，建立数学模型，计算出饱和原位土样的临界水力坡降与渗透系数。本发明专利技术一次实验得出试验土样的临界水力坡降、渗透系数及传导系数，获取的参数多；求取的参数精度高；该方法解决了现场确定临界水力坡降的问题。

A Test Device and Method for Determining Critical Hydraulic Slope of Saturated in-situ Soil Samples

【技术实现步骤摘要】
一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置和方法
本专利技术公开了一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置和方法，涉及渗透破坏试验

技术介绍
近年来我国兴建了大量的水库大坝，其中土石坝占90％以上，据统计超过半数以上的土石坝都面临着地下水引起的渗透破坏问题。渗透破坏问题的本质是土层中地下水的不断增加造成土体内有效应力减少，部分岩土软化，土的结构发生破坏，进一步影响到工程的稳定性。因此，土层临界水力坡降的确定不仅对预测、评价和控制地层结构的稳定性有着重要意义，而且关乎着工程整体的安全性。当前对于土层中临界水力坡降已有相关的研究，但主要为室内实验的方法，而室内实验方法对于土的扰动较大，破坏了土体的天然结构，从而造成计算结果与真实值的误差。此外，从现场取土样所室内测得临界水力坡降只能代表土层局部区域的概况，无法全面地刻画现场综合条件。目前尚无对确定临界水力坡降参数的现场原位研究的试验理论和方法的实践，因此，本专利技术的提出可以填补临界水力坡降参数参数的技术方法的空白，具有很强的应用价值。
技术实现思路
本专利技术针对上述
技术介绍
中的缺陷，提供一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置和方法，不仅理论严密，而且可以实现现场原位测试，试验装置及试验过程简单、易操作，获取的参数快速且精度高等优点，因此有很好的推广应用价值。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置，包括：定水头管、试样管和观测管，所述定水头管、试样管和观测管之间通过连接管连接呈U型管，所述定水头管的上方设置马里奥特瓶。进一步，所述试样管的长度20～30cm，所述观测管的长度10～20cm，所述定水头管的长度为100～120cm；所述定水头管、试样管和观测管的管径为75mm。一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验方法，包括以下步骤：步骤一：将试样管横向压入试验土层，去除试样管两端多余的土体，通过连接头分别将定水头管和观测管固定于试样管的两端；步骤二：在试样管与定水头管连接口内铺设砾石滤层；步骤三：在定水头管中注入少量水，使得水位高于试样管高度，静置一段时间，使得土样处于完全饱和状态；步骤四：在定水头管上部端口安装马里奥特瓶，马里奥特瓶的进水端放置管内水位处并注入一定量的水，使得定水头管内水位处于定水位，定水头管内水位与观测管中水位产生一定的水头差；步骤五：瞬时向定水头管内注入定量水，并开启马里奥特瓶，使得定水头管与观测管之间保持水头差不变，观测出水口管内水体浑浊状况；逐渐加大水头差，在每一级水头下渗流稳定后，提升至下一级水头高度，直至土体发生渗透破坏，并记录每一级水头差下出水口的渗流溢流量；步骤六：根据记录的水头差、渗流溢流量及渗透破坏发生时间，计算临界水力坡降；渗流溢流量数据记录方法采用：将出水口的溢流量导流至另一个容器中，然后放置流量传感器探头，记录流量数据；渗流溢流量数据可用于后期计算水文地质参数。进一步的，其中计算临界水力坡降包括以下步骤：根据试样管中土样饱和且压力水头处处相等，瞬时向定水头管内注入定量水，而观测管内水位不变，形成固定水头差，测得观测管内流量随时间的变化，建立非稳定水流模型：式中：u为试样管内水位变化值，x为试样管内位置，t为时间，Δh为水头差，u(x,t)为试样管内x点t时刻的水位变化值；l为试样管内试样长度；a为试样传导系数；K为试样渗透系数；μ为贮水率。进一步的，利用分离变量法与傅里叶变换，上述非稳定水流模型方程组任意一点水位变化值解析解为：将上式(1)进行无量纲化：式中：为无量纲水位变化；为无量纲位置；为无量纲时间；土样中任一点处的水力坡降：进一步的，任意时刻t，在任意位置x处单位截面积流量值：将单位截面积流量值与水力坡降无量纲化，可得：将与分别代入公式(6)，求出进出水口处(进水口为土样中x＝0处，出水口为土样中x＝l处)的无量纲单位截面积流量值：时，时，进一步的，其中：a＝K/μ为试样传导系数，K为试样渗透系数，μ为贮水率的求解包括以下步骤：对于时刻通过位置单位截面积流量值；对公式(11)与(12)两边同时取对数，有：上式(13)与(14)右边的第二项都是常数，因此在双对数坐标系内，根据实验步骤六中获得的q(1,t)～t和截面标准曲线；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[q]、和[t]，代入上述(11)、(12)二式，获得：渗透系数：传导系数：贮水率：临界水力坡降求解：根据达西定律，令为表观水力梯度或稳定状态下水力梯度，则式(3)可表达为：最终根据试验过程中土样渗透破坏发生时间点tp，通过式(16)计算出临界水力坡降。有益效果：1.实现土层临界水力坡降参数的原位测试，并且试验装置及试验过程简单、易操作；2.一次试验可以同时获取渗透系数、传导系数及临界水力坡降等多种参数，可以多次选取试验场地点，综合反映地层水文地质特性；3.由于流量测量容易实现且误差小，由此求得的参数精度高。因此，该方法有很好的推广应用价值。附图说明图1为本专利技术的试验装置和方法的试验装置示意图；图2为本专利技术一种实施例的试验装置和方法的试验操作步骤流程图；图3为本专利技术一种实施例的无量纲流量标准曲线图；图4为本专利技术一种实施例的实测数据与标准曲线的匹配图；图中标号为：1、马里奥特瓶；2、定水头管；3、过滤层；4、连接管；5、试样管；6、观测管。具体实施方式下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1所示的太湖隧道工程区粉砂地层的一种实施例；本专利技术采用的技术方案如下：一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置，包括：定水头管、试样管和观测管，所述定水头管、试样管和观测管之间通过连接管连接呈U型管，所述定水头管的上方设置马里奥特瓶。进一步，所述试样管的长29cm，所述观测管的长度10cm，所述定水头管的长度为110cm；所述定水头管、试样管和观测管的管径为75mm。如图2所示，一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验方法，包括以下试验步骤：首先，在现场将试验土层开挖成梯形堆积体，注意在开挖过程中尽量减少土体扰动，平整土层表面；将试样管水平压入土样，然后去除多余的土样，使试样管管两端端口露出，使用90°弯头分别将定水头管、观测管与试样管连接，形成类似U型管状试验模型，此外，在试样管与定水头管连接口内铺设砾石滤层，防止注水时水流对试样表面冲击，形成水流通道而影响试验结果；然后在定水头管中注入少量水，使得水位高于试样段管高度，静置一段时间，使得土样处于完全饱和状态。确保土样完全饱和后，在定水头管上部端口安装马里奥特瓶，马里奥特瓶的进水端放置管内水位处，使得定水头管内水位处于定水位，这样定水头管内水位与观测管中水位产生一定的水位差；试验准备完成后，瞬时向定水头管内注入定量水，并开启马里奥特瓶，使得定水头管与观测管之间保持水位差不变，观测出水口管内水体浑浊状况。在每一级水头下渗流稳定后，逐渐加大水头差，提升至下一级水头高度，直至土体发生渗透破坏，渗透变形稳定的判别标准是：出水口渗流溢流量保持稳定，且出口水流清澈且没有砂粒带出。向定水头管内注水后，定水头管与观测管之间形成一定的水头差，记录每级水头差下出水口的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置，其特征在于，包括：定水头管、试样管和观测管，所述定水头管、试样管和观测管之间通过连接管连接呈U型管，所述定水头管的上方设置马里奥特瓶。

【技术特征摘要】
1.一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置，其特征在于，包括：定水头管、试样管和观测管，所述定水头管、试样管和观测管之间通过连接管连接呈U型管，所述定水头管的上方设置马里奥特瓶。2.根据权利要求1所述的一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置，其特征在于，所述试样管的长度0.2～0.3m，所述观测管的长度0.1～0.2m，所述定水头管的长度为1.0～1.2m；所述定水头管、试样管和观测管的管径为75mm。3.一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将试样管横向压入试验土层，去除试样管两端多余的土体，通过连接头分别将定水头管和观测管固定于试样管的两端；步骤二：在试样管与定水头管连接口内铺设砾石滤层；步骤三：在定水头管中注入少量水，使得水位高于试样管高度，静置一段时间，使得土样处于完全饱和状态；步骤四：在定水头管上部端口安装马里奥特瓶，马里奥特瓶的进水端放置管内水位处并注入一定量的水，使得定水头管内水位处于定水位，定水头管内水位与观测管中水位产生一定的水头差；步骤五：瞬时向定水头管内注入定量水，并开启马里奥特瓶，使得定水头管与观测管之间保持水头差不变，观测出水口管内水体浑浊状况；逐渐加大水头差，在每一级水头下渗流稳定后，提升至下一级水头高度，直至土体发生渗透破坏，并记录每一级水头差下出水口的渗流溢流量；步骤六：根据记录的水头差、渗流溢流量及渗透破坏发生时间，计算临界水力坡降。4.根据权利要求3所述的一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验方法，其特征在于，其中计算临界水力坡降包括以下步骤：根据试样管...

【专利技术属性】
技术研发人员：周志芳，吴建，李思佳，李雅冰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32