模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法技术

本发明专利技术提供了一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法，包括：第一步、土体制备；第二步、土样铺设；第三步、设定初始水位；第四步、设定初始气压；第五步、设定初始荷载，土体饱和固结；第六步、水力梯度作用下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验；第七步、气压影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验；第八步、荷载影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验；第九步、不同细颗粒含量砂土渗流侵蚀试验。本发明专利技术模拟地层压力、水力梯度，以及土体内部细颗粒含量影响下深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程，从而确定深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀对含水层砂土变形的影响。

Laboratory test method for simulating seepage erosion of fine particles in sandy soil of deep aquifer

【技术实现步骤摘要】
模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法
本专利技术涉及的是一种建筑工程
的试验方法，具体是一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法。
技术介绍
随着我国基础建设的不断发展，大范围地面沉降已经成为城市化进程中无法回避的问题。根据传统土力学原理，水位降低引起弱透水层竖向有效应力增加而导致固结压缩变形是地面沉降的主要原因，而含水层本身的变形较小。但是近年来上海地区的监测数据表明，含水层砂土的变形量在总沉降量中占有较大比例，含水层砂土的变形对地面沉降的影响不可忽略，即使水位恢复，含水层砂土仍然会发生持续变形增大与变形滞后的现象。上海地区的含水层砂土中常夹有薄薄的粉质黏土类的细颗粒，开采地下水会在深部含水层中形成较大的水力梯度，水力梯度作用下水的渗透将对土骨架产生拖曳力，使细颗粒在砂土粗颗粒构成的孔隙中移动，发生渗流侵蚀造成细颗粒流失，由此引起深部含水层砂土变形的增大与滞后。这种由于砂土内部渗流侵蚀对深部含水层砂土变形的影响可通过室内试验进行观察分析。经对现有的技术文献检索发现：中国专利ZL201110242127.0，申请日2011.08.23，记载了一种“一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置”，该装置能够模拟渗流侵蚀应力状态下土体的管涌发展过程。根据该专利自述，该专利能够模拟试样沉降与时间的关系，但是该装置所用模型尺度较小，无法反应土体渗流侵蚀的空间状态及其对含水砂土变形的影响，也无法模拟深部含水层的上覆压力。中国专利ZL201210057729.3，申请日2012.03.07，记载了一种“可以模拟土体上覆压力的大尺度管涌试验装置及测试方法”；根据该专利自述，该装置能模拟深部土层的上覆压力，监测孔隙水压力分布及细颗粒流失量，但难以模拟深部含水层所受到的高水力梯度，也不能反映土体渗流侵蚀的空间状态及渗流侵蚀后土层的变形情况。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法，该方法可以用于确定深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响。本专利技术采用的技术方案具体如下：一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法，所述方法包括如下步骤：第一步、土体制备制备试验所需土体，所述土体包括含水层砂土和隔水层黏土，其中：含水层砂土为含细颗粒的砂土，隔水层黏土为粉质黏土；第二步、土样铺设(1)分层铺设含水层砂土，即将第一步中制备好的含水层砂土分层铺入土贮存槽内，且每铺完一层均夯实；(2)埋设测试监测系统：测试监测系统包括计算机自动监测设备、孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪；在铺土过程中，将孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪分层埋设于土贮存槽内的土体中；将高速摄像仪安放于土贮存槽的外部，然后将孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪与计算机自动监测设备相连；(3)铺设隔水层：将第一步中制备好的隔水层黏土分层铺设于(1)的土贮存槽内含水层砂土上方，且每铺完一层均夯实；采用移动式钢制箱型盖板，在移动式钢制箱型盖板的侧板外侧加设密封垫后放置在土贮存槽中隔水层黏土的上方；第三步、设定初始水位在土贮存槽的两侧布置上游水箱和下游水箱，并通过透水模块与土贮存槽相连，分别向上游箱体、下游箱体中缓慢加水，并控制上游箱体、下游箱体的初始水位一致，使放置在土贮存槽中的土体没入水中；第四步、设定初始气压上游水箱、下游水箱连接气压控制系统，通过气压控制系统分别向上游箱体、下游箱体加压，并控制上游箱体、下游箱体即上、下游的初始气压保持一致；第五步、设定初始荷载，并使土体饱和固结动力加压系统布置在移动式钢制箱型盖板的上方，通过动力加压系统向土贮存槽内的土体施加初始荷载，并保持初始水位、初始气压、初始荷载不变，使土体饱和固结；第六步、水力梯度作用下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验(1)保持初始气压和初始荷载不变，通过调节上游箱体、下游箱体水位分别控制上、下游水位差，进行渗流侵蚀试验；(2)试验过程中，由孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪分别实时检测记录孔隙水压力、土体应力、土层分层变形量，并绘制成与时间的曲线关系图；(3)由高速摄像仪观测采集细颗粒颗粒渗流侵蚀的动态过程图像，并采用图片处理软件对高速摄像仪采集到的图片处理分析渗流侵蚀的动态过程；(4)试验结束后，按土工试验规范从土贮存槽中取样对土体进行颗粒分析实验，得到土样的颗粒组成；第七步、气压影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验(1)保持初始水位和荷载不变，通过气压控制系统调整上游箱体、下游箱体内气压大小控制上、下游气压差，进行渗流侵蚀试验，通过调整气压大小模拟深部含水层砂土所承受的高水力梯度作用；(2)重复第六步中的(2)、(3)、(4)，确定含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响第八步、荷载影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验保持初始气压不变，通过调整动力加压系统的压力大小改变荷载，通过调整荷载大小模拟深部含水层砂土所承受的土压力，然后重复第六步进行渗流侵蚀试验；第九步、不同细颗粒含量砂土渗流侵蚀试验(1)重复第一步制备试验用土体，改变含水层砂土中的细颗粒含量；(2)重复第二步到第八步，确定砂土内部细颗粒含量影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响。优选地，所述上游水箱，用于贮存水并位于土贮存槽的一侧；上游水箱包括上游箱体和上游钢制盖板，其中：上游钢制盖板位于上游箱体顶部并与上游箱体通过固定螺栓和密封垫连接，从而使上游水箱形成一密闭空间；在上游箱体的底部放置与土体高度相同的粗颗粒砂石土，铺设厚度与土贮存槽中的土体厚度相同，用于平衡土贮存槽中土体传递的压力；在上游箱体的左侧壁沿中线从下至上依次设有上游排水口、上游溢水口、上游气压控制口；在上游箱体的右侧壁沿中线从上至下依次设有上游进水口和上游矩形槽。优选地，所述下游水箱，用于贮存水并位于土贮存槽的另一侧；下游水箱包括下游箱体和下游钢制盖板，其中：下游钢制盖板位于下游箱体顶部并与下游箱体通过固定螺栓和密封垫连接，从而使下游水箱形成一密闭空间；在下游箱体的底部放置粗颗粒砂石土，铺设厚度与土贮存槽中的土体厚度相同，用于平衡土贮存槽中土体传递的压力；在下游箱体的右侧壁沿中线从下至上依次设有下游排水口、下游溢水口、下游气压控制口，在下游箱体的左侧壁沿中线从上至下依次设有下游进水口和下游矩形槽。优选地，所述土体贮存系统：土贮存槽为包含一块底板和前后两块侧板的矩形有机玻璃槽，用于盛放土体，其尺寸根据试验要求确定；移动式钢制箱型盖板包含一块底板和四块侧板放置于土贮存槽中土体的顶部，用于试验时承受竖向荷载，其尺寸根据试验要求确定。优选地，所述透水模块，有两组且每组均由水平钢板、竖向开孔钢板和透水石组成，两组透水模块分别安装于上游矩形槽、下游矩形槽处，用于分别连接土贮存槽与上游水箱、土贮存槽与下游水箱。优选地，所述气压控制系统，有两组且每组均由空气压缩机、加压气囊、控制阀、气压表组成，其中：一组气压控制系统的空气压缩机放置在上游箱体外并通过高压软管先后与控制阀和气压表相连后，再与上游箱体的上游气压控制口相连，加压气囊放置在上游箱体内部并通过高压软管与上游气压控制口相连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：第一步、土体制备；制备试验所需土体，所述土体包括含水层砂土和隔水层黏土，其中：含水层砂土为含细颗粒的砂土，隔水层黏土为粉质黏土；第二步、土样铺设；(1)分层铺设含水层砂土，即将第一步中制备好的含水层砂土分层铺入土贮存槽内，且每铺完一层均夯实；(2)埋设测试监测系统：测试监测系统包括计算机自动监测设备、孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪；在铺土过程中，将孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪分层埋设于土贮存槽内的土体中；将高速摄像仪安放于土贮存槽的外部，然后将孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪与计算机自动监测设备相连；(3)铺设隔水层：将第一步中制备好的隔水层黏土分层铺设于(1)的土贮存槽内含水层砂土上方，且每铺完一层均夯实；采用移动式钢制箱型盖板，在移动式钢制箱型盖板的侧板外侧加设密封垫后放置在土贮存槽中隔水层黏土的上方；第三步、设定初始水位；在土贮存槽的两侧布置上游水箱和下游水箱，并通过透水模块与土贮存槽相连，分别向上游箱体、下游箱体中缓慢加水，并控制上游箱体、下游箱体的初始水位一致，使放置在土贮存槽中的土体没入水中；第四步、设定初始气压；上游水箱、下游水箱连接气压控制系统，通过气压控制系统分别向上游箱体、下游箱体加压，并控制上游箱体、下游箱体即上、下游的初始气压保持一致；第五步、设定初始荷载，并使土体饱和固结；动力加压系统布置在移动式钢制箱型盖板的上方，通过动力加压系统向土贮存槽内的土体施加初始荷载，并保持初始水位、初始气压、初始荷载不变，使土体饱和固结；第六步、水力梯度作用下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验；(1)保持初始气压和初始荷载不变，通过调节上游箱体、下游箱体水位分别控制上、下游水位差，进行渗流侵蚀试验；(2)试验过程中，由孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪分别实时检测记录孔隙水压力、土体应力、土层分层变形量，并绘制成与时间的曲线关系图；(3)由高速摄像仪观测采集细颗粒颗粒渗流侵蚀的动态过程图像，并采用图片处理软件对高速摄像仪采集到的图片处理分析渗流侵蚀的动态过程；(4)试验结束后，按土工试验规范从土贮存槽中取样对土体进行颗粒分析实验，得到土样的颗粒组成；第七步、气压影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验；(1)保持初始水位和荷载不变，通过气压控制系统调整上游箱体、下游箱体内气压大小控制上、下游气压差，进行渗流侵蚀试验，通过调整气压大小模拟深部含水层砂土所承受的高水力梯度作用；(2)重复第六步中的(2)、(3)、(4)，确定含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响；第八步、荷载影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验；保持初始气压不变，通过调整动力加压系统的压力大小改变荷载，通过调整荷载大小模拟深部含水层砂土所承受的土压力，然后重复第六步进行渗流侵蚀试验；第九步、不同细颗粒含量砂土渗流侵蚀试验；(1)重复第一步制备试验用土体，改变含水层砂土中的细颗粒含量；(2)重复第二步到第八步，确定砂土内部细颗粒含量影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：第一步、土体制备；制备试验所需土体，所述土体包括含水层砂土和隔水层黏土，其中：含水层砂土为含细颗粒的砂土，隔水层黏土为粉质黏土；第二步、土样铺设；(1)分层铺设含水层砂土，即将第一步中制备好的含水层砂土分层铺入土贮存槽内，且每铺完一层均夯实；(2)埋设测试监测系统：测试监测系统包括计算机自动监测设备、孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪；在铺土过程中，将孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪分层埋设于土贮存槽内的土体中；将高速摄像仪安放于土贮存槽的外部，然后将孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪、高速摄像仪与计算机自动监测设备相连；(3)铺设隔水层：将第一步中制备好的隔水层黏土分层铺设于(1)的土贮存槽内含水层砂土上方，且每铺完一层均夯实；采用移动式钢制箱型盖板，在移动式钢制箱型盖板的侧板外侧加设密封垫后放置在土贮存槽中隔水层黏土的上方；第三步、设定初始水位；在土贮存槽的两侧布置上游水箱和下游水箱，并通过透水模块与土贮存槽相连，分别向上游箱体、下游箱体中缓慢加水，并控制上游箱体、下游箱体的初始水位一致，使放置在土贮存槽中的土体没入水中；第四步、设定初始气压；上游水箱、下游水箱连接气压控制系统，通过气压控制系统分别向上游箱体、下游箱体加压，并控制上游箱体、下游箱体即上、下游的初始气压保持一致；第五步、设定初始荷载，并使土体饱和固结；动力加压系统布置在移动式钢制箱型盖板的上方，通过动力加压系统向土贮存槽内的土体施加初始荷载，并保持初始水位、初始气压、初始荷载不变，使土体饱和固结；第六步、水力梯度作用下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验；(1)保持初始气压和初始荷载不变，通过调节上游箱体、下游箱体水位分别控制上、下游水位差，进行渗流侵蚀试验；(2)试验过程中，由孔隙水压力计、土压力盒、分层沉降仪分别实时检测记录孔隙水压力、土体应力、土层分层变形量，并绘制成与时间的曲线关系图；(3)由高速摄像仪观测采集细颗粒颗粒渗流侵蚀的动态过程图像，并采用图片处理软件对高速摄像仪采集到的图片处理分析渗流侵蚀的动态过程；(4)试验结束后，按土工试验规范从土贮存槽中取样对土体进行颗粒分析实验，得到土样的颗粒组成；第七步、气压影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验；(1)保持初始水位和荷载不变，通过气压控制系统调整上游箱体、下游箱体内气压大小控制上、下游气压差，进行渗流侵蚀试验，通过调整气压大小模拟深部含水层砂土所承受的高水力梯度作用；(2)重复第六步中的(2)、(3)、(4)，确定含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响；第八步、荷载影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀试验；保持初始气压不变，通过调整动力加压系统的压力大小改变荷载，通过调整荷载大小模拟深部含水层砂土所承受的土压力，然后重复第六步进行渗流侵蚀试验；第九步、不同细颗粒含量砂土渗流侵蚀试验；(1)重复第一步制备试验用土体，改变含水层砂土中的细颗粒含量；(2)重复第二步到第八步，确定砂土内部细颗粒含量影响下含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的动态过程及其对含水层砂土变形的影响。2.根据权利要求1所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法，其特征在于，所述上游水箱，用于贮存水并位于土贮存槽的一侧；上游水箱包括上游箱体和上游钢制盖板，其中：上游钢制盖板位于上游箱体顶部并与上游箱体通过固定螺栓和密封垫连接，从而使上游水箱形成一密闭空间；在上游箱体的底部放置与土体高度相同的粗颗粒砂石土，铺设厚度与土贮存槽中的土体厚度相同，用于平衡土贮存槽中土体传递的压力；在上游箱体的左侧壁沿中线从下至上依次设有上游排水口、上游溢水口、上游气压控制口；在上游箱体的右侧壁沿中线从上至下依次设有上游进水口和上游矩形槽；和/或，所述下游水箱，用于贮存水并位于土贮存槽的另一侧；下游水箱包括下游箱体和下游钢制盖板，其中：下游钢制盖板位于下游箱体顶部并与下游箱体通过固定螺栓和密封垫连接，从而使下游水箱形成一密闭空间；在下游箱体的底部放置粗颗粒砂石土，铺设厚度与土贮存槽中的土体厚度相同，用于平衡土贮存槽中土体传递的压力；在下游箱体的右侧壁沿中线从下至上依次设有下游排水口、下游溢水口、下游气压控制口，在下游箱体的左侧壁沿中线从上至下依次设有下游进水口和下游矩形槽。3.根据权利要求2所述的一种模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验方法，其特征在于，包括以下特征一～特征五任一种或几种：特征一：土体贮存系统：土贮存槽为包含一块底板和前后两块侧板的矩形有机玻璃槽，用于盛放土体；移动式钢制箱型盖板包含一块底板和四块侧板放置于土贮存槽中土体的顶部，用于试验时承受竖向荷载；特征二：所述透水模块，有两组且每组均由水平钢板、竖向开孔钢板和透水石组成，两组透水模块分别安装于上游矩形槽、下游矩形槽处，用于分别连接土贮存槽与上游水箱、土贮存槽与下游水箱；特征三：所述气压控制系统，有两组且每组均由空气压缩机、加压气囊、控制阀、气压表组成，其中：一组气压控制系统的空气压缩机放置在上游箱体外并通过高压软管先后与控制阀和气压表相连后，再与上游箱体的上游气压控制口相连，加压气囊放置在上游箱体内部并通...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁垚，许烨霜，沈水龙，吕海敏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31