一种针对粗粒组或大尺度单元体试样的毛细水上升试验仪

摘要

本发明公开了一种针对粗粒组或大尺度单元体试样的毛细水上升试验仪，包括基槽，补水罐，过滤箱，抽真空装置，试样筒和试样筒固定组件；试样筒通过试样筒固定组件固定在基槽内，基槽的一端通过进水管连接补水罐，基槽的另一端通过出水管连接过滤箱，抽真空装置设置在试样筒的顶部；本发明基于单元体试样截面尺寸与粗颗粒公称上限粒径相容机制，研制了一种毛细水上升试验仪，适用于含公称上限粒径30mm的粗粒组的珊瑚礁砂土工材料毛细水上升高度与速度试验分析；装置结构简单，操作方便，试验精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种适用于含公称上限粒径30mm的粗粒组的珊瑚礁砂土工材料毛细水上升高度与速度的试验测试仪。

背景技术

目前，粉土细砂等细粒土的毛细水上升高度和速度，不仅涉及水位波动时的土体湿度动态响应及其对地下结构防排水的影响，同时也在黄土稳定、污染土污染物运移等方面，具有重要意义。目前，土体介质中的毛细水上升试验主要有竖管法和负水头法。前者机理简单直观，但试验周期长；后者属于加速加载试验范畴，但应用存在局限。目前，非饱和土体的毛细上升试验，主要用于室内单元体的试验研究，未见相关试验规程。

随着我国基础工程建设规模提升，港口、机场等大型基础工程建设中，经常遇到粗粒土填筑土工结构相关工程问题。近年来，南海岛礁吹填机场等工程建设中，绞吸或耙吸珊瑚碎屑吹填工艺成为不可或缺与替代的土工结构填筑模式。然而，上述工艺及其水力吹填方式形成了场区细颗粒粒组富集区域，类似于细粉砂存在显著毛细现象，且具有不同于其他区域的显著特征：

1)水力吹填局部细颗粒富集区域存在一定组分粗颗粒粒组，粗粒组含量对毛细现象的影响机制分析，可为工程设计控制标准提供依据；

2)珊瑚碎屑表面性质与形态毛细影响特征(浸润与联通内孔隙)影响机制，有待进一步揭示；

3)海水毛细现象可能对场区地下基础结构(尤其是钢筋混凝土构件)的耐久性能影响更加严峻，毛细作用效应研究更加重要。传统竖管法毛细上升室内单元体试验，相对含粗粒组的土工材料毛细上升试验，至今未见相关文献报道，也未见相关试验规程。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种结构简单，操作方便，试验精度高，特别适用于粗粒组或大尺度单元体试样的毛细水上升试验仪。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种针对粗粒组或大尺度单元体试样的毛细水上升试验仪，所述的试验仪包括基槽，补水罐，过滤箱，抽真空装置，试样筒和试样筒固定组件；所述的试样筒通过试样筒固定组件固定在基槽内，基槽的一端通过进水管连接补水罐，基槽的另一端通过出水管连接过滤箱，所述的抽真空装置设置在试样筒的顶部。

本发明的试样筒固定组件包括定位透水垫，固定垫块，上、下法兰盘和试样筒加强筋，所述的上法兰盘套装在试样筒的顶部，所述的下法兰盘套装在试样筒的底部，所述的定位透水垫固定安装在基槽的底部，所述的试样筒垂直安装在定位透水垫上，所述的固定垫块套装在定位透水垫的外侧，固定垫块的上表面设有多个凹陷的透水间隙，所述的下法兰盘通过螺栓将固定垫块固定安装在基槽内，上、下法兰盘之间通过试样筒加强筋固定连接。

本发明的下法兰盘上设有透气孔，所述透气孔的上部连接排气水位管，透气孔的下部连通透水间隙；通过透气孔连接的排气水位管结构，在装置内部试样筒处于真空封闭状态时，可以实现基槽注水时的底端透水垫块的排气需求；在试样筒与大气联通状态时，可以进行毛细上升测试时的试样底端稳定静水位同步动态测量。

本发明的抽真空装置包括空压机，反压阀，减压阀，真空箱和气阀，真空箱上设有三通管路，一个连通气阀，一个连通在试样筒的顶部，一个通过减压阀和反压阀连通空压机；通过真空箱和三通管路，可以选择性调节试样筒内部的压力情况，可以进行常压试验，也可以进行负压试验。

本发明的补水罐内设有液位感应器和水泵，所述的液位感应器通过水泵和回水管路连接在过滤箱的底部；补水罐与进水管之间设有流量阀；通过流量阀可以精准调控，实现外部溢流排水收集与进水流量控制补给，有利于过滤箱与补水罐循环排放补给自动循环和水质稳定控制。

本发明的试样筒为有机玻璃透明试样筒，所述的试样筒上设有刻度标尺；通过透明且带有刻度标尺的试样筒结构，可以准备辨别出试样筒内水位的上升情况，准确观察吹填珊瑚礁砂含粗颗粒粒组的组成特征及其显著的毛细工程效应。

本发明的进水口和出水口活动安装在基槽上，所述进水口的安装高度高于出水口的安装高度；通过高于出水口安装的进水口结构，避免基槽中因为直接溢流导致水面位置的变化，保证基槽中的稳定水位，同时使得试样筒内部的水位更为稳定。

本发明的试样筒的顶部通过密封结构连接真空箱，真空箱与试样筒之间设有真空阀；通过真空箱可以对试样筒内部选择性抽真空，在抽真空的状态下，试样筒的内部必须保持密封。

本发明的优点在于：

本发明提出的可含粗粒组大尺度单元体试样毛细水上升试验仪的综合特征是试样制备简单、操作方便灵活、试验精度提高，具良好的学术研究价值和工程应用前景。

本发明基于单元体试样截面尺寸与粗颗粒公称上限粒径相容机制，研制了一种带刻度尺 DN150有机玻璃透明试样筒和溢流稳定水槽底座的室内毛细现象测试装置，可适用于含公称上限粒径30mm的粗粒组的珊瑚礁砂土工材料毛细水上升高度与速度试验分析，且可为类似于南海岛礁填筑的土工结构填筑工程实践，提供相关填料颗粒控制的设计依据。

附图说明

图1为本发明的装置结构连接图；

图2为本发明的试样筒与基槽的连接原理图；

图3为本发明的实施例9中4.75-30cm颗粒占60％的毛细水上升高度与时间关系图；

图4为本发明的实施例9中4.75-30cm颗粒占60％的毛细水上升高度与时间对数关系图。

其中，1真空箱，2气阀，3试样筒加强筋，4排气水位管，5固定垫块，6定位透水垫，7法兰盘，8螺栓，9反滤垫层，10刻度标尺，11过滤箱，12流量阀，13液位感应器，14空压机，15反压阀，16减压阀，17水泵，18进水口，19出水口，20试样筒，21 补水罐，22基槽。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：如图1和2所示的一种针对粗粒组或大尺度单元体试样的毛细水上升试验仪，所述的试验仪包括基槽22，补水罐21，过滤箱11，抽真空装置，试样筒20和试样筒固定组件；所述的试样筒20通过试样筒固定组件固定在基槽22内，基槽22的一端通过进水管18连接补水罐21，基槽22的另一端通过出水管19连接过滤箱11，所述的抽真空装置设置在试样筒20的顶部。

本发明的试样筒固定组件包括定位透水垫6，固定垫块5，上、下法兰盘7和试样筒加强筋3，所述的上法兰盘7套装在试样筒20的顶部，所述的下法兰盘7套装在试样筒20的底部，所述的定位透水垫6固定安装在基槽22的底部，所述的试样筒20垂直安装在定位透水垫6上，所述的固定垫块5套装在定位透水垫6的外侧，固定垫块5的上表面设有多个凹陷的的透水间隙，所述的下法兰盘7通过螺栓8将固定垫块5固定安装在基槽22内，上、下法兰盘7之间通过试样筒加强筋3固定连接。

实施例2：如图1和2所示，本发明的下法兰盘7上设有透气孔，所述透气孔的上部连接排气水位管4，透气孔的下部连通透水间隙；通过透气孔连接的排气水位管4，在装置内部试样筒20处于真空封闭状态时，可以实现基槽22注水时的底端定位透水垫6的排气需求；在试样筒20与大气联通状态时，可以进行毛细上升测试时的试样底端稳定静水位同步动态测量。

实施例3：如图1和2所示，本发明的抽真空装置包括空压机14，反压阀15，减压阀16，真空箱1和气阀2，真空箱1上设有三通管路，一个连通气阀2，一个连通在试样筒20的顶部，一个通过减压阀16和反压阀15连通空压机14；通过真空箱1和三通管路，可以选择性调节试样筒20内部的压力情况，可以进行常压试验，也可以进行负压试验。

实施例4：如图1和2所示，本发明的补水罐21内设有液位感应器13和水泵17，所述的液位感应器13通过水泵17和回水管路连接在过滤箱11的底部；补水罐21与进水管18之间设有流量阀12；通过流量阀12可以精准调控，实现外部溢流排水收集与进水流量控制补给，有利于过滤箱11与补水罐21循环排放补给自动循环和水质稳定控制。

实施例5：如图1和2所示，本发明的试样筒20为有机玻璃透明试样筒，所述的试样筒 20上设有刻度标尺10；通过透明且带有刻度标尺10的试样筒结构20，可以准备辨别出试样筒20内水位的上升情况，准确观察吹填珊瑚礁砂含粗颗粒粒组的组成特征及其显著的毛细工程效应。

实施例6：如图1和2所示，本发明的进水口18和出水口19活动安装在基槽22上，所述进水口18的安装高度高于出水口19的安装高度；通过高于出水口19安装的进水口结构18，避免基槽22中因为直接溢流导致水面位置的变化，保证基槽22中的稳定水位，同时使得试样筒20内部的水位更为稳定。

实施例7：如图1和2所示，本发明的试样筒20的顶部通过密封结构连接真空箱1，真空箱1与试样筒20之间设有真空阀；通过真空箱1可以对试样筒20内部选择性抽真空，在抽真空的状态下，试样筒20的内部必须保持密封。

实施例8：如图1和2所示，本发明的操作步骤如下：

1)试样制备，从自然风干、松散的砂、砾石中，用筛分法将天然砾石土样进行颗粒分析试验，依据天然砾石的级配，参配成规定级配试料。

在量程1000mm的DN150带刻度标尺10有机玻璃透明试样筒20内，按照规定试样的质量，通过控制试样高度来控制式样的密实度；可采用手动击实，通过表面振动击实制样，同样通过控制试样高度来控制式样的密实度；其中制样手动击实等操作处置步骤，按规范要求执行；试样制备与预处理，不赘述。

2)设备安装，首先将固定垫块5(半径300mm)和定位透水垫6(半径150mm)固定安装在基槽22的地步，然后安装DN150有机玻璃透明试样筒20；再进行制样，振动密实与处理制备有级配珊瑚礁砂(含粗颗粒粒组)试样，加盖真空箱1连接气阀2。之后进行测试试验。

实施例9：如图1和2所示，在实施例8中装配完成后，进行有级配、含粗颗粒粒组珊瑚礁砂毛细水上升高度试验。

1)构件装配：首先在试样筒20内的定位透水垫6上方，铺三层纱布和一张滤纸后保证平整；分层放入试料，逐次进行捣震和压实，最后在试样顶面完整均匀接触面粗颗粒表面通过加少量细砂找平层，加盖真空箱1，联通大气压；外部溢流排水收集与进水流量控制补给系统保持运行。

毛细水上升高度试验初始水头可保持稳定；通过浮球液位传感器13，流量阀12和水泵 17为外部溢流排水收集与进水流量控制补给，基槽22水位稳定控制稳定。

在顶端真空箱1与大气联通状态时，可以进行毛细上升测试时的试样底端稳定静水位同步动态测量。

试验使用的水流可以进行染色，更加直观地显示试样在固定时间点毛细水上升的高度。

试验使用的水流按照试验需要加入完成浓度的盐分，模拟海水浸润环境下的珊瑚礁砂毛细水上升情况。

完成初始水头自控与数据采集准备工作。

2)试验操作：根据毛细水上升高度试验试验规程规定，观测对应时间内毛细水上高度，同一平面多视角读数求取平均值，按照对数制定读数间隔，直至毛细水高度稳定为止。

绘制毛细水上升的高度与时间的对数坐标曲线，可简单可靠测试与比较各试样毛细水上升高度与速度。

试样筒20内试样为4.75-30cm粒径颗粒占60％，当给定基槽22内水头为0.5cm时，试验毛细水上升高度与时间关系图如图3和图4所示。

需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。