一种适用胶结土的无损原位渗透性测试装置及方法

技术领域

本发明属于土体的渗透性测试领域。具体的，本发明涉及一种适用胶结土的无损原位渗透性测试装置及方法。

背景技术

土体作为一种松散的多孔介质，其孔隙可以作为地下水的流通通道。当地下水在土体孔隙中流动时，会对土体产生渗透力，当渗透力过大时，将会引起土颗粒的移动，使土体产生渗透变形，甚至造成细土颗粒被水带出导致地基承载力下降，地面隆起等问题，严重影响建筑物安全。因此，在渗透力大的区域，需要对土体的渗透性进行改良。此外，当地下水体受污染时，需要迅速采取措施，降低土体渗透性，隔断地下水的流动通道，避免污染物的扩散。通过在土体中灌入合适的灌浆材料，产生的胶结物质会填充土体孔隙，降低土体的渗透性。

生物矿化是一种新兴的地基改良技术。通过向土体中灌注微生物液以及胶结液，在微生物的作用下，土体中会产生碳酸钙。碳酸钙通过在土颗粒间产生胶结或者填充土体孔隙，可以显著降低土体的渗透性。土体渗透性改善的程度由土体中的碳酸钙产量直接决定，碳酸钙产量越大，土体渗透性降低越大，碳酸钙产量越小，土体渗透性降低越不明显。另外，不同土层的渗透性差异可能很大。例如，粘性土的渗透性一般在10

另外，对土体试样的扰动会显著影响土体的渗透性。土体被扰动后，其孔隙结构、孔隙尺寸、以及孔隙分布等都将发生不同程度的变化，这些指标与土体的渗透特性密切相关。因此为了保证MICP改良土的渗透性评估准确性，应该尽可能减小对试样的扰动。如果开发一种在经灌浆加固处理后，可以直接原位测定土体渗透性的一体化设备，则可以解决在测定灌浆加固土的渗透性前，由于取样所导致的土体扰动问题，减小渗透性测定的误差，提高对胶结土渗透性评估的准确性。

发明内容

为了实现上述功能，本发明提出的一种适用胶结土的无损原位渗透性测试装置及方法，主要目的是提高渗透性测试装置的适用性，同时避免在灌浆加固后、渗透性测试前对土体的扰动。

本发明的技术方案：

一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置，包括试样器、水头控制器、注水系统、出流装置和台架；

试样器主要由第一亚克力圆筒1、第一法兰盘2、底部盖板3、顶部盖板4和硅胶密封垫圈5组成；第一亚克力圆筒1的顶部和底部分别固定有第一法兰盘2，第一法兰盘2为空心圆盘，其内径与试样器的内径一致；在第一法兰盘2外边缘内一定距离处均匀设置4个螺纹孔，用于第一法兰盘2与底部盖板3、顶部盖板4或其他试样器的连接；第一法兰盘2的一个圆面上设置有圆环形凹槽9，该圆面为外端面，另一圆面为内端面；外端面上的圆环形凹槽9用于放置硅胶密封垫圈5；

顶部盖板4和底部盖板3的外径与第一法兰盘2外径相同，中间设置一个通孔，通孔上旋入宝塔接头8；在顶部盖板4和底部盖板3的一个圆面设置有圆环形凹槽9，该圆面为内端面，另一圆面为外端面；顶部盖板4和底部盖板3上圆环形凹槽9的位置与第一法兰盘2上圆环形凹槽9的位置相对应；

底部盖板3内端面与PVC材料的第一多孔滤板11连接；第一多孔滤板11与底部盖板3之间设置四个完全相同的滤板支撑12，在第一多孔滤板11与底部盖板3之间形成一个容水层13；滤板支撑12由长方体形状的亚克力板制成；第一多孔滤板11外径与试样器内径相同，第一多孔滤板11上均匀布置若干个通孔14，作为溶液流通的通道；

水头控制器主要由第二亚克力圆筒15、第二法兰盘19、宝塔接头8、控制阀门和硅胶管18组成；第二亚克力圆筒15通过第二法兰盘19与试样器顶部连接，第二亚克力圆筒15的内径及厚度与第一亚克力圆筒1的内径及厚度相同；沿着水头控制器的高度方向，在第二亚克力圆筒15的侧壁上等间距的设置6个通孔，通孔中旋入宝塔接头8，作为水头控制器的溢流孔16；宝塔接头8连接配有第二止水阀22的硅胶管18；通过开闭各溢流孔16上的第二止水阀22，控制水头控制器的水头高度；第一法兰盘2与第二法兰盘19结构相同；

在灌浆加固试验完成后，旋开试样器顶部盖板4四周的M8螺栓7，取下顶部盖板4后，硅胶密封垫圈5仍保留在原位；用M8螺栓7将第一法兰盘2与第二法兰盘19固定在一起；试样顶部设置PVC材料的第二多孔滤板20用于缓冲注水时的水流，避免试样顶部被水冲破坏；第二多孔滤板20外径与试样器内径相同，第二多孔滤板20上均匀布置若干个通孔14，作为溶液流通的通道；

注水系统包括贮水器21、硅胶管18和第一止水阀17；硅胶管18的一端放置在贮水器21底部，另一端放置在水头控制器内；硅胶管18上设置有第一止水阀17，用于控制供水；

出流装置主要由支撑横杆23和台架组成，台架由底座24以及立杆25组成，立杆25焊接于底座24上；支撑横杆23通过松紧螺栓26连接在立杆25上，通过调节松紧螺栓26来调整支撑横杆23的高度；作为出流通道的硅胶管18一端连接在底部盖板3上的宝塔接头8，另一端固定在支撑横杆23上，通过调节支撑横杆23的高度，调节整个渗透装置的水头差；底座24上放置有量筒27，量筒27位于硅胶管18的端口的正下方，用于量测渗透水量。

一种适用胶结土的无损原位渗透性测试装置的使用方法如下：

在灌浆加固实验完成后，旋开试样器顶部盖板4四周的M8螺栓7，取下顶部盖板4，硅胶密封垫圈5仍保留在原位；用M8螺栓7和螺母将试样器上端的第一法兰盘2与水头控制器的第二法兰盘19固定在一起；试样上端放置第一多孔滤板11，用于缓冲水冲压力，避免土体被水冲击破坏；注入到水头控制器中的水将沿着设置水头高度处的溢流孔流出；调节固定螺栓，将支撑横杆23固定至比试样下表面低的高度处；关闭水头控制器侧壁上最下端溢流孔16的第二止水阀22，打开其他溢流孔16的第二止水阀22；连接注水系统，打开恒压水泵，向水头控制器中注入自来水；用量筒27收集试样器出流系统排出的溶液；根据出流液的多少判断水头控制器上打开的溢流孔的合理性；在一定时间内，出流液过少时则选择打开更高处的溢流孔16，关闭下端的溢流孔16；通过控制不同溢流孔16的开闭，对不同渗透性的土体进行渗透系数以及水力坡降测定，扩大该渗透装置的适用性；

调节松紧螺栓26，将支撑横杆23固定在高于试样上顶面的位置，继续注水一定时间，使土体完全饱和；

调整松紧螺栓26，将支撑横杆23固定在高于试样底面的位置；将量筒27置于出流通道的硅胶管18端口正方向；在水头压力的作用下，注入的水将会在土体中发生渗透，并经过出流通道，流入量筒27；通过记录一定时间内从土体中渗流出的水量，即可按照如下公式计算渗透系数：

其中：k为渗透系数，单位为cm/s；

V为量筒中量测的渗透流量体积，单位为cm

L为试样的高度，单位为cm；

A为圆柱筒中填充土体的截面面积，单位为cm

Δh为水头差，等于上部溢流孔与下端出流口的高度差，单位为cm；

t为量测渗透流量的时间，单位为s。

本发明的有益效果：相比其他渗透性测试装置及方法，本发明所提出的装置可以对MICP加固后的土体进行原位渗透性测试，整个过程对土体无扰动，提高了MICP胶结土渗透性测定的准确性。同时，该装置通过水头控制器实时调整溢流孔的高度，可以实现在合理的渗流速率下，对各种胶结程度土体的渗透性测定。该装置结构简单，制造成本低，原理明确，操作简单，便于携带，对节省渗透性测试装置的制造成本，提高胶结土的渗透性测试效率以及准确性具有重要意义。

附图说明

图1是试样器正视图。

图2是渗透性测试装置正视图。

图3是法兰盘俯视图。

图4是顶、底部盖板俯视图。

图5是多孔滤板俯视图。

图中：1亚克力圆筒；2法兰盘；3底部盖板；4顶部盖板；5硅胶密封垫圈；6第一法兰盘螺纹孔；7M8螺栓；8宝塔接头；9圆环形凹槽；10M8螺纹孔；11第一多孔滤板；12滤板支撑；13容水层；14通孔；15第二亚克力圆筒；16溢流孔；17第一止水阀；18硅胶管；19第二法兰盘；20第二多孔滤板；21贮水器；22第二止水阀；23支撑横杆；24底座；25立杆；26松紧螺栓；27量筒。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，结合附图对本发明作进一步的详细的说明。

本发明提出了一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置及方法。主要包括试样主体装置和渗透性测试装置。

如图1-5所示，试样器主要由第一亚克力圆筒1，第一法兰盘2，底部盖板3，顶部盖板4，硅胶密封垫圈5组成。第一亚克力圆筒1的内径为70mm，壁厚为10mm，长度为150mm。第一亚克力圆筒1的顶部和底部分别用亚克力粘胶粘合第一法兰盘2上。第一法兰盘2为空心圆盘，其厚度为10mm，其内径与试样器的内径保持一致，外径为150mm。在第一法兰盘2上均匀设置4个对称分布的螺纹孔6，螺纹孔6中心到第一法兰盘2外边缘的距离均为15mm。螺纹孔6直径为6.8mm，与M8螺栓7对应。第一法兰盘2的其中一个圆面上设置一个外径106mm，宽3mm，深1.5mm的圆环形凹槽9，用于放置硅胶密封垫圈5。带有圆环形凹槽9的一面称为外端面，没有圆环形凹槽9的一面为内端面。

顶部盖板4和底部盖板3为圆形，由亚克力板制成，厚度为10mm。顶部盖板4和底部盖板3的外径与第一法兰盘2外径相同，中间设置一个10mm的通孔。通孔内旋入宝塔接头8的大直径端，宝塔接头8内径5mm。在盖板的其中一个圆面上设置一个圆环形凹槽9，该圆面为内端面，未设置圆环形凹槽9的一面设置为外端面。盖板上圆环形凹槽9的位置与第一法兰盘2上圆环形凹槽9的位置相对应。盖板上均匀设置4个对称分布的M8螺纹孔10，M8螺纹孔10中心到第一法兰盘2外边缘的距离为15mm。M8螺纹孔10底孔直径为6.8mm，与M8螺栓7对应。

底部盖板3的内端面与一个PVC材料的第一多孔滤板11连接。第一多孔滤板11与底部盖板3之间设置四个完全相同的滤板支撑12，在第一多孔滤板11与底部盖板3之间形成一个容水层13。滤板支撑12由长方体形状的亚克力板制成。第一多孔滤板11外径与试样器内径相同，第一多孔滤板11上均匀布置若干个直径为3mm的通孔14，作为溶液流通的通道。试样器顶部的第一法兰盘2通过M8螺栓7连顶部盖板4，试样器底部的法兰盘通过M8螺栓7连接底部盖板4。

所提及的水头控制器由第二亚克力圆筒15，溢流孔16，第一止水阀17，硅胶管18，第二法兰盘19组成。第二亚克力圆筒15的内径及厚度与第一亚克力圆筒1的内径及厚度相同。第二亚克力圆筒15的高度为200mm。沿着水头控制器的高度方向，在第二亚克力圆筒15的侧壁上等间距的设置6个内径为6.9mm的通孔，通孔中旋入宝塔接头8的大直径端，小直径端向外，作为水头控制器的溢流孔16。宝塔接头8的小直径端连接内径为4.5mm的硅胶管18，硅胶管18上配有第一止水阀17。通过开闭各溢流孔16上的第一止水阀17，控制水头控制器的水头高度。试样器上的第一法兰盘2与水头控制器上的第二法兰盘19结构完全相同。

在灌浆加固试验完成后，旋开试样器顶部盖板4四周的M8螺栓，取下顶部盖板4。硅胶密封垫圈5仍保留在原位。用M8螺栓螺母将试样器上的第一法兰盘2与水头控制器上的第二法兰盘19固定在一起。试样顶部设置一个PVC材料的第二多孔滤板20，用于缓冲注水时的水流压力，避免试样顶部被水冲破坏。该多孔滤板与试样器底部的多孔滤板相同。

注水系统由贮水器21，第二止水阀22以及硅胶管18组成。硅胶管18的一端放置在贮水器21底部，另一端放置在水头控制器内。硅胶管18上设置有第二止水阀22。

支撑装置由支撑横杆23，底座24以及立杆25组成。立杆25焊接于底座24上。支撑横杆通过松紧螺栓26连接在立杆25上。通过调节松紧螺栓26，可以调整支撑横杆23的高度。作为出流通道的硅胶管18一端连接在底部盖板3上的宝塔接头8，另一端固定在支撑横杆23上。通过调节支撑横杆23的高度，可以调节整个渗透装置的水头差。底座24上放置一个最小刻度为0.2ml的量筒27，量筒位于硅胶管18的端口的正下方，用于量测渗透水量。

一种适用于胶结土的无损原位渗透性测试装置的使用方法如下：

在灌浆加固实验完成后，旋开试样器顶部盖板4四周的M8螺栓7，取下顶部盖板。硅胶密封垫圈5仍保留在原位。用M8螺栓螺母将试样器上端的第一法兰盘2与水头控制器的第二法兰盘19固定在一起。试样上端放置第二多孔滤板20，用于缓冲水冲压力，避免土体发生水冲破坏。注入到水头控制器中的水将沿着设置水头高度处的溢流孔16流出。调节松紧螺栓26，将支撑横杆23固定至比试样下表面略低的高度处。关闭水头控制器侧壁上最下端溢流孔16的第一止水阀17，打开其他溢流孔的第一止水阀17。连接注水系统，关闭第二止水阀22，向水头控制器中注入自来水。用量筒27收集试样器出流系统排出的溶液。根据出流液的多少判断水流控制器上打开的溢流孔的合理性。在一定时间内，出流液过少时则选择打开更高处的溢流孔16，关闭下端的溢流孔16。通过控制不同溢流孔16的开闭，可以对不同渗透性的土体进行渗透系数以及水力坡降测定，扩大该渗透装置的适用性。

调节松紧螺栓26，将支撑横杆23固定在高于试样上顶面的位置，继续注水一定时间，使土体完全饱和。

调整松紧螺栓26，将支撑横杆23固定在略高于试样底面的位置。将量筒27置于出流通道的硅胶管18端口正下方。在水头压力的作用下，注入的水将会在土体中发生渗透，并经过出流通道，流入量筒27。通过记录一定时间内从土体中渗流出的水量，即可按照如下公式计算渗透系数：

其中：k为渗透系数，单位为cm/s；

V为量筒中量测的渗透流量体积，单位为cm

L为试样的高度，单位为cm；

A为圆柱筒中填充土体的截面面积，单位为cm

Δh为水头差，等于上部溢流孔与下端出流口的高度差，单位为cm；

t为量测渗透流量的时间，单位为s。