CN101915721B - 一种模拟基坑降水土渗透系数变化的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟基坑降水土渗透系数变化的试验方法，具体步骤为：用环刀切取原状土试样，在试样两端贴上滤纸；将渗压容器与渗流管路及渗流计量管连通，使整个管路及渗压容器内透水石得到充分排气饱和，关闭阀门；将装有土样的环刀，刀口向上装入渗压容器内，并在环刀外面套上止水圈和定向垫片，压紧，在试样上端装上透水石和传压活塞；通过调压阀对试样进行两阶段固结，第一次固结使试样恢复土体天然自重应力状态，第二次固结模拟降水后土体应力状态；固结完成后，打开渗流阀门，开始后续渗流试验。本发明考虑了基坑降水土含水量减小、有效应力增大、土固结压密对渗透系数的影响，为基坑降水土渗透系数的准确选取提供了依据，从而为安全、经济、合理地设计与施工软土富水深基坑提供了保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种室内土工试验方法，尤其涉及一种模拟软土地层基坑降水土渗透系数变化的试验方法。
背景技术
土的渗透性指水流通过土中孔隙难易程度的性质。渗透系数是衡量土体渗透性的一项重要物理指标，它是用来分析计算地基固结沉降，评估基坑、土坝路堤的渗透稳定性，以及基坑降排水设计和地基加固设计时所必须的基本参数。然而，渗透系数的影响因素比较多，包括土的颗粒组成、密实度、饱和度、温度和结构等，它们对渗透系数都有重要影响。工程实践中，渗透系数取值的合理性直接关系到模型计算和评估的准确性以及设计施工的可靠性。
对于软土富水地层的深基坑，基坑开挖常常要采取降水措施，而基坑降水一方面会导致含水层中孔隙水压力降低，有效应力增大，含水层产生压密；另一方面，基坑降水使原有的渗流场遭到破坏，产生新的渗流，伴随着渗流作用而施加于土骨架的渗透力，使土体压密。土体压密后，其密实度、含水量、饱和度和结构都会发生改变，从而土的渗透系数也随之发生变化。在软土地层深基坑的设计、计算和施工中，目前渗透系数的选取大多采用降水前的材料参数，或仅凭经验选取，没有考虑基坑降水对土体渗透系数的影响，其结果显然不够合理。
发明内容
为克服现有软土富水基坑设计施工中土渗透系数大多采用降水前的材料参数或仅凭经验选取这一不足，本发明的目的在于提供一种模拟基坑降水土渗透系数变化的试验方法，通过模拟降水条件下的土体应力状态测得土渗透系数，为基坑降水土渗透系数的准确选取提供依据。
本发明提出的模拟基坑降水土渗透系数变化的试验方法，采用加荷式渗透试验装置进行试验，该装置由计量管1、渗压容器2、溢水孔3、三通阀门4、进气孔5等部分组成，进气孔5与计量管1连通，计量管1通过管路和三通阀门4连接于渗压容器2下部一侧，渗压容器2上部一侧通过溢水孔3接出水管；具体步骤如下：
(1)用切土环刀切取原状试验土样，在试样两端贴上滤纸；
(2)将渗压容器与渗流管路及渗流计量管连通，让计量管的水流入渗压容器，使整个管路及渗压容器内透水石得到充分排气饱和，然后关闭阀门；
(3)将装有试样的环刀，刀口向上装入渗压容器内；在环刀外面套上O型止水圈，放上定向垫片，旋上压紧螺丝；同时在试样上端装上透水石和传压活塞；
(4)通过调压阀对试样进行两阶段固结，第一次固结使试样恢复土体天然自重应力状态，第二次固结模拟降水后土体应力状态；
(5)固结完成后，打开渗流阀门，开始渗流试验；试验时，先观察渗流情况，如果渗流太慢，则先加10kPa的渗透压力，若产生渗流，待渗流比较稳定时，记下初始水头读数，同时开动秒表，当水头下降到某一读数时，记下水头读数和渗流时间，按此重复4～5次；如果10kPa渗透压力作用下渗流不明显，可继续加大渗透压力，但渗透压力不应大于固结压力。并记下渗流试验时水温，以便进行修正。
本发明中，步骤(4)中所述的两阶段固结中，第一次固结的压力等于土天然自重应力，固结时间为24小时；第二次固结压力按基坑降水后土有效应力增长进行，固结时间为24小时。
本发明中，当测定竖向渗透系数时环刀沿取土器纵向切土，当测定水平向渗透系数时环刀沿取土器横向切土。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明的试验方法考虑了基坑降水土含水量减小、有效应力增大、土固结压密对土渗透系数的影响，为基坑降水土渗透系数的准确选取提供了依据，从而为安全、经济、合理地设计与施工软土富水深基坑提供了保障。
附图说明
图1是本发明实施例的加荷式渗透试验装置结构示意图。
图2是本发明实施例1的③层土竖向渗透系数随降水深度变化关系曲线。
图3是本发明实施例2的④层土竖向渗透系数随降水深度变化关系曲线。
图4是本发明实施例3的⑤-1层土竖向渗透系数随降水深度变化关系曲线。
图5是本发明实施例4的⑤-2层土竖向渗透系数随降水深度变化关系曲线。
图6是本发明实施例5的③层土水平渗透系数随降水深度变化关系曲线。
图7是本发明实施例6的④层土水平渗透系数随降水深度变化关系曲线。
图8是本发明实施例7的⑤-1层土水平渗透系数随降水深度变化关系曲线。
图9是本发明实施例8的⑤-2层土水平渗透系数随降水深度变化关系曲线。
图中标号：1为计量管，2为渗压容器，3为溢水孔，4为三通阀门，5为进气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
具体步骤如下：
(1)用内径61.8mm、高20mm的切土环刀切取原状土试样，在试样两端贴上滤纸；
(2)将渗压容器与渗流管路及渗流计量管连通，让计量管的水流入渗压容器，使整个管路及渗压容器内透水石得到充分排气饱和，然后关闭阀门；
(3)将装有土样的环刀，刀口向上装入渗压容器内；在环刀外面套上O型止水圈，放上定向垫片，旋上压紧螺丝；同时在试样上端装上透水石和传压活塞；
(4)通过调压阀对试样进行两阶段固结，第一次固结使试样恢复土体天然自重应力状态，固结时间为24小时；第二次固结模拟降水后土体应力状态，固结时间为24小时；
(5)固结完成后，打开渗流阀门，开始渗流试验。试验时，先观察渗流情况，如果渗流太慢，则先加10kPa的渗透压力，若产生渗流，待渗流比较稳定时，记下初始水头读数，同时开动秒表，当水头下降到2.0cm左右时，记下水头读数和渗流时间，按此重复4～5次；如果在10kPa渗透压力作用下渗流不明显，可继续加大渗透压力，但渗透压力不应大于固结压力。并记下渗流试验时水温，以便进行修正。
实施例中，当测定竖向渗透系数时环刀沿取土器纵向切土，当测定水平向渗透系数时环刀沿取土器横向切土。
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为③层淤泥质粉质粘土，埋深3.2～9.5m，重度为17.5kN/m3，平均自重应力为60.0kPa。试验模拟了不降水和降1.0m、2.0m、4.0m共4种工况，对应的固结压力分别为60.0kPa、70.0kPa、80.0kPa、100.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做4组试验。按上述试验步骤测得的③层淤泥质粉质粘土在降水前后土的竖向渗透系数如表1所示。③层淤泥质粉质粘土竖向渗透系数随降水深度变化曲线见图2所示。
实施例2
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为④层灰色淤泥质粘土，埋深9.5～17.5m，重度为16.7kN/m3，平均自重应力为100.0kPa。试验模拟了不降水和降2.0m、4.0m、8m共4种工况，对应的固结压力分别为100.0kPa、120.0kPa、140.0kPa、180.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做4组试验。按上述试验步骤测得的④层灰色淤泥质粘土在降水前后土的竖向渗透系数如表1所示。④层灰色淤泥质粘土竖向渗透系数随降水深度变化曲线见图3所示。
实施例3
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为⑤-1层灰色粘土，埋深17.5～22.0m，重度为17.5kN/m3，平均自重应力为150.0kPa。试验模拟了不降水和降2.0m、4.0m、8.0m共4种工况，对应的固结压力分别为150.0kPa、170.0kPa、190.0kPa、230.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做4组试验。按上述试验步骤测得的⑤-1层灰色粘土在降水前后土的竖向渗透系数如表1所示。⑤-1层灰色粘土竖向渗透系数随降水深度变化曲线见图4所示。
实施例4
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为⑤-2层灰色粘质粉土，埋深22.0～33.6m，重度为18.1kN/m3，平均自重应力为200.0kPa。试验模拟了不降水和降2.0m、4.0m共3种工况，对应的固结压力分别为200.0kPa、220.0kPa、240.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做3组试验。按上述试验步骤测得的⑤-2层灰色粘质粉土在降水前后土的竖向渗透系数如表1所示。⑤-2层灰色粘质粉土竖向渗透系数随降水深度变化曲线见图5所示。
实施例5
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为③层淤泥质粉质粘土，埋深3.2～9.5m，重度为17.5kN/m3，平均自重应力为60.0kPa。试验模拟了不降水和降1.0m、2.0m、4.0m共4种工况，对应的水平向固结压力分别为26.0kPa、30.0kPa、34.0kPa、43.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做4组试验。按上述试验步骤测得的③层淤泥质粉质粘土在降水前后土的水平渗透系数如表2所示。③层淤泥质粉质粘土水平渗透系数随降水深度变化曲线见图6所示。
实施例6
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为④层灰色淤泥质粘土，埋深9.5～17.5m，重度为16.7kN/m3，平均自重应力为100.0kPa。试验模拟了不降水和降2.0m、4.0m、8m共4种工况，对应的水平向固结压力分别为54.0kPa、65.0kPa、76.0kPa、97.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做4组试验。按上述试验步骤测得的④层灰色淤泥质粘土在降水前后土的水平渗透系数如表2所示。④层灰色淤泥质粘土水平渗透系数随降水深度变化曲线见图7所示。
实施例7
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为⑤-1层灰色粘土，埋深17.5～22.0m，重度为17.5kN/m3，平均自重应力为150.0kPa。试验模拟了不降水和降2.0m、4.0m、8.0m共4种工况，对应的水平向固结压力分别为64.0kPa、73.0kPa、82.0kPa、98.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做4组试验。按上述试验步骤测得的⑤-1层灰色粘土在降水前后土的水平渗透系数如表2所示。⑤-1层灰色粘土水平渗透系数随降水深度变化曲线见图8所示。
实施例8
试样为取自上海市区某深基坑的原状土，样土为⑤-2层灰色粘质粉土，埋深22.0～33.6m，重度为18.1kN/m3，平均自重应力为200.0kPa。试验模拟了不降水和降2.0m、4.0m共3种工况，对应的水平向固结压力分别为101.0kPa、111.0kPa、121.0kPa；不降水试样只进行一次固结，降水试样进行二阶段固结；共做3组试验。按上述试验步骤测得的⑤-2层灰色粘质粉土在降水前后土的水平渗透系数如表2所示。⑤-2层灰色粘质粉土水平渗透系数随降水深度变化曲线见图9所示。
表1
注：表中各层土相对值指相对于各土层降水深度为0时的值。
表2
注：表中各层土相对值指相对于各土层降水深度为0时的值。
Claims (3)
1.一种模拟基坑降水土渗透系数变化的试验方法，采用加荷式渗透试验装置进行试验，该装置由计量管(1)、渗压容器(2)、溢水孔(3)、三通阀门(4)和进气孔(5)组成，进气孔(5)与计量管(1)连通，计量管(1)通过管路和三通阀门(4)连接于渗压容器(2)下部一侧，渗压容器(2)上部一侧通过溢水孔(3)接出水管；其特征在于具体步骤如下：
(1)用切土环刀切取原状试验土样，在试样两端贴上滤纸；
(2)将渗压容器与渗流管路及计量管连通，让计量管的水流入渗压容器，使整个管路及渗压容器内透水石得到充分排气饱和，然后关闭阀门；
(3)将装有试样的环刀，刀口向上装入渗压容器内；在环刀外面套上O型止水圈，放上定向垫片，旋上压紧螺丝；同时在试样上端装上透水石和传压活塞；
(4)通过调压阀对试样进行两阶段固结，第一次固结使试样恢复土体天然自重应力状态，第二次固结模拟降水后土体应力状态；
(5)固结完成后，打开渗流阀门，开始渗流试验；试验时，先观察渗流情况，如果渗流太慢，则先加10kPa的渗透压力，若产生渗流，待渗流比较稳定时，记下初始水头读数，同时开动秒表，当水头下降到某一读数时，记下水头读数和渗流时间，按此重复4～5次；如果10kPa渗透压力作用下渗流不明显，继续加大渗透压力，但渗透压力不应大于第二次固结压力；并记下渗流试验时水温，以便进行修正。
2.根据权利要求1所述模拟基坑降水土渗透系数变化的试验方法，其特征在于步骤(4)中所述的两阶段固结中，第一次固结的压力等于土天然自重应力，固结时间为24小时；第二次固结压力按基坑降水后土有效应力增长进行，固结时间为24小时。
3.根据权利要求1所述模拟基坑降水土渗透系数变化的试验方法，其特征在于当测定竖向渗透系数时环刀沿取土器纵向切土，当测定水平向渗透系数时环刀沿取土器横向切土。
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