一种总应力下泡沫土渗透系数测试方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种总应力下泡沫土渗透系数测试方法及系统，为此，本发明专利技术实施例提供的总应力下泡沫土渗透系数测试方法，包括在渗透仪的装载腔内填充泡沫土样；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；将孔隙水压力计与数据采集仪相连；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；对数据采集仪采集的数据进行处理，计算得到渗透系数。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。符合现场实际情况。符合现场实际情况。

【技术实现步骤摘要】
一种总应力下泡沫土渗透系数测试方法及系统


[0001]本专利技术属于土工试验测量
，特别涉及一种总应力下泡沫土渗透系数测试方法及系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]有些学者提出了一些渗透系数测定装置或方法。例如，中国专利技术专利(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。中国专利技术专利(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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为此，本专利技术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：
[0006]在渗透仪的装载腔内填充泡沫土样；
[0007]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；
[0008]将孔隙水压力计与数据采集仪相连；
[0009]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；
[0010]对数据采集仪采集的数据进行处理，计算得到渗透系数。
[0011]具体的，渗透系数的具体计算过程如下：
[0012]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p
i
下泡沫的孔隙度，d
10,fi
是水压p
i
下泡沫的有效粒径，水压p
i
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，h
i
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p
i
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p
i
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p
i
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]本专利技术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，本专利技术至少一个实施例具有如下有益效果：本专利技术可实现总应力、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专利技术实施例中的技术方案，下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种总应力下泡沫土渗透系数测试方法，其特征在于，包括：在渗透仪(1)的装载腔内填充泡沫土样(4)；在装载腔上沿其高度方向均布n+1个孔隙水压力计(5)，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(5)；将孔隙水压力计(5)与数据采集仪(2)相连；对渗透仪(1)内泡沫土样(4)施加恒压水头以及竖向总应力，打开排水管(104)上的自动排水阀(14)，利用孔隙水压力计(5)对装载腔内水压进行测量，并通过数据采集仪(2)采集数据；对数据采集仪(2)采集的数据进行处理，计算得到渗透系数。2.根据权利要求1所述的总应力下泡沫土渗透系数测试方法，其特征在于：渗透系数的具体计算过程如下：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：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p
i
下泡沫的孔隙度，d
10,fi
是水压p
i
下泡沫的有效粒径，水压p
i
为相邻两个孔隙水压力计示数的平均值；第二步：计算整体的等效渗透系数，计算公式如下：式中：l是泡沫土样的高度，h
i
是相邻两孔隙水压力计之间土样的渗流途径；折减因子ξ的求解过程如下：式中：d
10,s
是泡沫土样中土体颗粒的有效粒径。3.根据权利要求2所述的总应力下泡沫土渗透系数测试方法，其特征在于：水压p
i
下泡沫的孔隙度n
fi
通过如下公式计算：通过如下公式计算：式中：e
fi
是水压p
i
下泡沫的孔隙度，FER是泡沫的发泡倍率，p为大气压。4.根据权利要求2所述的总应力下泡沫土渗透系数测试方法，其特征在于：水压p
i
下的有效粒径d
10,fi
通过如下公式计算：
式中：d
10,f
是大气压p下泡沫的有效粒径。5.一种总应力下泡沫土渗透系数测试系统，包括渗透仪(1)和数据采集仪(2)，其特征在于，所述渗透仪(1)包括：渗透筒体(101)；底板(102)，固定设置在所述渗透筒体(101)的底部；活塞(103)，滑动设置在所述渗透筒体(101)内部，所述渗透筒体(101)、所述活塞(103)和所述底板(102)之间形成有容纳泡沫土样(4)的装载腔；恒压水头，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树英，冯志耀，倪准林，令凡琳，陈宇佳，周子豪，占永杰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：