專利名稱：一種測定土層原位滲透系數的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及土木建筑、交通工程、環境工程領域，尤其涉及一種測定土層原位滲透系數的裝置。
背景技術：
在上海、南京等沿江沿海發達地區，近年來，高層建筑的建造、大型市政設施的施工、及地鐵隧道等大量地下空間的開發促使基坑工程快速發展，基坑工程向“大、深、緊、 近”的方向發展。然而，在基坑深開挖過程中由于地下水控制不當而導致的工程事故屢屢出現，如流砂、管涌、地層沉降過大等，對周邊建筑物、地鐵隧道、大型地下管線等造成的損傷或破壞性影響，不僅會引起重大的經濟損失，更將造成嚴重的社會及政治影響，且其損失是不可挽回的，因此基坑工程降水設計與施工成為施工安全的重要環節，而如何準確確定地層滲透系數是合理進行降水設計的關鍵，也一直是工程設計中的難題之一。人們對土層滲透系數的試驗方法已進行了大量研究，開發了多種試驗設備。通常情況下，土層滲透系數是通過現場取樣運輸到室內進行滲透試驗(常水頭或變水頭)確定， 然而由于取樣、運輸及試驗過程中的擾動，試驗結果可靠性較低，特別是無粘性土由于取樣困難，試驗結果更是與實際相差較大。鑒于室內試驗的缺陷，過去也開發了孔壓靜力觸探、 旁壓等原位試驗的方法，然而這些試驗方法主要適用于粘性土，對于砂土等無粘性土不適用。為提高滲透系數確定的可靠性，對于重要工程還經常進行現場的抽水試驗或壓水試驗， 雖然可靠性較高，然而這類試驗缺陷也很明顯，一是試驗技術要求高，比如分段抽水時止水技術要求高，經驗不夠的單位往往試驗失敗；二是費時費力，需要大量經費，難以大面積開展試驗；三是試驗往往按土層分段進行，難以考慮到薄層的影響。鑒于上述原因，迫切需要研發一種能夠對土層原位滲透系數進行快速、有效地進行測試的新手段，以提高基坑工程設計的水平，減小工程事故的發生概率。
發明內容技術問題本實用新型的目的在于提供一種測定土層原位滲透系數的裝置，能有效解決基坑工程降水設計時土層滲透系數難以準確確定的難題。技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提出一種測定土層原位滲透系數的裝置，該裝置包括位于裝置下端的多功能探頭、位于地面的小型水泵及壓水控制器、數據采集器；其中所述多功能探頭分別與數據采集器和壓水控制器相連；水泵與壓水控制器相連；數據采集器與壓水控制器相連；小型水泵為孔下壓水試驗供水，壓水控制器控制水的流速及水壓，數據采集器對孔隙水壓力、壓水試驗水壓力及流速、消散試驗進行實時數據采集與存儲。優選的，所述多功能探頭通過第一數據電纜和第二數據電纜與數據采集器相連； 多功能探頭通過水管與壓水控制器相連。[0009]優選的，所述的多功能探頭包括孔隙水壓力測量模塊，設置在孔隙水壓力測量模塊上方且與孔隙水壓力測量模塊連接的壓水試驗模塊，壓水試驗模塊通過連接器與貫入設備的空心鉆桿相連接。優選的，孔隙水壓力測量模塊包括位于探頭最下端的錐尖，位于錐尖上方與錐尖相連的透水孔壓元件，穿過透水孔壓元件與透水孔壓元件相連的空心鋼立柱，位于空心鋼立柱上方且與空心鋼立柱相連的孔壓測試傳感器，位于孔壓測試傳感器上方且與孔壓傳感器相連的電纜線，電纜線穿過空心的連接頭，連接頭與上端的壓水試驗模塊相連，位于透水孔壓元件上方的探頭剛套筒及安裝在剛套筒后端的密封圈。優選的，壓水試驗模塊包括空心塑料圓柱體套筒，空心塑料圓柱體套筒中部一側設有可拆卸的注水窗口 ；所述壓水試驗模塊還包括與注水窗口相連的注水管；與注水管連接的水壓計；與水壓計及地表數據采集器相連的數據電纜；位于空心塑料圓柱體套筒內且與孔隙水壓力測量模塊相連的數據電纜；分別位于空心塑料圓柱體套筒上端部和下端部的連接頭。優選的，注水管為聚氨酯纖維增強軟管。有益效果本實用新型對土層可實現原位滲透系數的測試，不僅具有孔壓、水壓、 流速的綜合功能，可靠性高，而且不受土類型的限制，特別是可對工程勘察單位普遍擁有的常規靜探機進行適當改進即可進行現場試驗，適應性強，能滿足大規模不同深度剖面測試的要求，不需要事先埋入，操作方便快捷，特別適合于地鐵、高速公路、機場等大規模工程場地土層滲透性能的試驗研究。。
圖1為土層原位滲透系數測定裝置組成示意圖；圖2為孔隙水壓力測量模塊結構示意圖；圖3為孔下壓水試驗模塊結構示意圖；圖4為真空飽和系統。其中，1-多功能探頭；2-孔隙水壓力測量模塊；3-壓水試驗模塊；4-水泵；5-壓水控制器；6-數據采集器；7-連接器；8-數據電纜；9-數據電纜；10-水管；11-錐尖; 12-透水孔壓元件；13-空心鋼立柱；14-孔壓測試傳感器；15-電纜線；16-剛套筒；17-密封圈；18-連接頭；19-空心塑料圓柱體套筒；20-注水窗口 ；21-注水管；22-水壓計；23-數據電纜；24-數據電纜；25-連接頭；26-多功能探頭；27-真空室；28-抽氣閥；29-壓力表； 30-壓力表；31-真空泵；32-進液閥；33-儲液室。
具體實施方式
下面將參照附圖對本實用新型進行說明。以下將結合附圖對發明的構想、具體結構及測試方法、產生的技術效果做進一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。本實用新型提供的測定土層原位滲透系數的裝置，所述的試驗裝置包括了孔隙水壓力測量模塊2、孔下壓水試驗模塊3，可以同時實現對孔隙水壓力、孔下壓水試驗水壓力及流速、孔壓(或水壓)消散試驗，所述的2個模塊對土層滲透系數判斷的原理不同，利用孔壓測試及其消散試驗可以對粘性土層滲透性進行很好的判別，利用孔下壓水試驗可以對無粘性土層滲透性進行很好判別，二者的有機結合，可實現對各種類型地層滲透性的綜合判定。所述的多功能探頭1，可直接用在目前工程勘察單位現有的各種靜力觸探機上， 只要根據多功能探頭1尺寸規格加工新的夾具和中空鉆桿，用所發明多功能探頭1替代現有探頭接在中空鉆桿上即可，采用液壓將多功能探頭1勻速壓入土層之中，壓入過程中，開啟地面小型水泵4及壓水控制器5，保持勻速壓水，同步記錄孔隙水壓力、壓水的壓力、流速變化情況，在探頭貫入過程中，根據需要可停止貫入，進行孔壓消散試驗和水壓消散試驗。所述的孔隙水壓力測量模塊2，其主要技術特點在于當多功能探頭1在粘性土層中貫入時，將產生超孔隙水壓力，結合孔壓消散試驗，可對粘性土位置及其滲透性能進行判斷；多功能探頭1在砂土等無粘性土中貫入時，所測孔壓接近于靜水壓力，雖然不能進行孔壓消散試驗進而計算滲透系數，但是仍然可以對無粘性土層的剖面深度進行判斷；尤其是， 當地層受沉積環境影響，在正常地層中含有較多薄層時，如低滲透性粘性土層中含有高透水性無粘性土層夾層，或高透水性性土層中含有低透水性粘性土夾層時，根據孔壓的變化可以對薄層的位置、層厚進行精確的確定，進而為計算提供更為可靠的三維地層模型。所述的孔下壓水試驗模塊3，獨立于孔隙水壓力測量模塊2后面，并為孔隙水壓力測量模塊2提供了數據線通道，其主要技術特點在于通過注水管21、地面小型水泵4及壓水控制器5將水注入地層之中，根據注水壓力及流速變化情況，對土層的滲透性能進行判斷， 在粘性土層中具有高水壓、低流速的特點，而在無粘性土層中具有低水壓、高流速的特點。 鑒于粘性土層中注水相對困難，水壓消散緩慢的情況，特別適于無粘性土滲透性能的測試， 解決了無粘性土層原位滲透性能測試的難題。所述的地面壓水試驗輔助裝置，包括了小型水泵4和壓水控制器5，其主要技術特點在于通過壓水控制器5將水泵4與注水管21連接，通過壓水控制器5可將流速控制在一定范圍(一般200-300ml/min)，并實時監測流速，當水壓消散試驗開始時，可關閉閥門進行斷水控制。如圖1-圖4所示，本實用新型包括一種多功能探頭1，集成了孔隙水氣壓力測試模塊2、孔下壓水試驗模塊3 ；附加的地面小型水泵4和壓水控制器5、數據采集器6。整個測試系統中的各個裝置進行了模塊化設計，便于根據測試需要進行組合使用。圖2所示多功能探頭1中孔隙水壓力模塊2包括錐尖11，透水孔壓元件12，空心鋼立柱13，孔壓測試傳感器14，電纜線15，鋼套筒16，O型密封圈17。當探頭貫入土層之中時，在不同滲透性能的土層之中，將有不同的孔隙水壓力反映，結合孔壓消散試驗，實現對土層滲透性的判別。圖3所示多功能探頭1中壓水試驗模塊3包括注水窗口 20、注水管21、水壓計22 及數據電纜23。根據探頭貫入過程中，水壓變化及流速變化，并結合水壓消散試驗，對土層滲透性進行判斷。具體的土層原位滲透性能試驗實施方式如下1、對工程建設場地進行試驗前的調查工作，根據前期鉆孔等勘察資料、場地歷史應用情況等，初判場地不同深度土層滲透性能，制定試驗方案，特別是要確定進行消散試驗的深度。[0031]2、試驗前設備調試工作，具體包括孔隙水壓力測量模塊2的飽和及壓力反映試驗，可采用工程中常用的真空飽和系統(圖4)進行該項工作；壓水試驗模塊3的測試可同樣采用圖4的飽和系統(不需要抽真空)，根據水壓傳感器對實際水壓的反映，判斷工作狀態是否正常；試驗數據需要保存以進行后續測試數據的修正。3、將多功能探頭1連接在靜探機空心鉆桿上，各種測試電纜和水管通過鉆桿引出，采用液壓將探頭按2cm/s勻速貫入，貫入時，流量控制在200-300ml/min，每貫入lm，進行接桿，在貫入過程中，沿土層深度剖面連續記錄孔隙水壓力及水壓數據、地面同時記錄流速數據。4、根據(1)中計劃的消散試驗深度，貫入過程中實測孔壓及水壓、流速變化情況， 確定實際需進行消散試驗的深度，停止貫入進行孔壓消散試驗或注水壓力消散試驗，注水壓力消散試驗時需關閉地表壓水控制器的注水閥門，停止進水。5、試驗結束時，將探頭逐步拔出地面，在此過程中，一直保持注水狀態。探頭取出后同樣進行要試驗設備的性能測試，按(2)同樣的方法進行孔隙水壓力測量模塊2及壓水試驗模塊3的測試，并記錄試驗數據。6、試驗數據的整理與分析。首先繪制孔壓-深度曲線、注水壓力-深度曲線、流速-深度曲線、靜水壓力曲線。根據各曲線沿剖面深度變化情況，綜合判斷各土層的滲透性能，所根據的基本理論如下( 1) 一般情況下，在正常砂土層中，孔隙水壓力等于靜水壓力，注水壓力較小，而流速較大；粘性土層中將產生超孔隙水壓力，當土層中粘粒含量越大，超孔隙水壓力越大，對應的注水壓力較大，而流速較小。當停止貫入進行孔壓消散時，粘性土層中超孔壓消散到 50%的水平往往需要幾十分鐘以上，甚至需要幾個小時；砂土層中因不存在超孔壓，無法進行孔壓消散試驗。當取得粘性土中孔壓消散試驗數據后，按下述方法計算粘性土層的滲透系數
權利要求1.一種測定土層原位滲透系數的裝置，其特征在于該裝置包括多功能探頭(1)、水泵 (4)及壓水控制器(5)、數據采集器(6)；其中所述多功能探頭(1)分別與數據采集器(6)和壓水控制器(5)相連；水泵(4)與壓水控制器(5)相連；數據采集器(6)與壓水控制器(5)相連；水泵(4 )為孔下壓水試驗供水，壓水控制器(5 )控制水的流速及水壓，數據采集器(6 ) 對孔隙水壓力、壓水試驗水壓力及流速、消散試驗進行實時數據采集與存儲。
2.根據權利要求1所述的測定土層原位滲透系數的裝置，其特征在于所述多功能探頭(1)通過第一數據電纜(8)和第二數據電纜(9)與數據采集器(6)相連；多功能探頭(1) 通過水管(10 )與壓水控制器(5 )相連。
3.根據權利要求1所述的測定土層原位滲透系數的裝置，其特征在于所述的多功能探頭(1)包括孔隙水壓力測量模塊O)，設置在孔隙水壓力測量模塊( 上方且與孔隙水壓力測量模塊( 連接的壓水試驗模塊(3)，壓水試驗模塊C3)通過連接器(7)與貫入設備的空心鉆桿相連接。
4.根據權利要求1所述的測定土層原位滲透系數的裝置，其特征在于，孔隙水壓力測量模塊(2 )包括位于探頭最下端的錐尖(11)，位于錐尖(11)上方與錐尖(11)相連的透水孔壓元件(12)，穿過透水孔壓元件(12)與透水孔壓元件(12)相連的空心鋼立柱(13)，位于空心鋼立柱(13)上方且與空心鋼立柱相連的孔壓測試傳感器(14)，位于孔壓測試傳感器 (14)上方且與孔壓傳感器(14)相連的電纜線(15)，電纜線(15)穿過空心的連接頭(18)，連接頭(18)與上端的壓水試驗模塊(3)相連，位于透水孔壓元件(12)上方的探頭剛套筒(16) 及安裝在剛套筒(16)后端的密封圈(17)。
5.根據權利要求1所述的測定土層原位滲透系數的裝置，其特征在于，壓水試驗模塊 (3)包括空心塑料圓柱體套筒(19)，空心塑料圓柱體套筒(19)中部一側設有可拆卸的注水窗口(20)；所述壓水試驗模塊(3)還包括與注水窗口(20)相連的注水管(21)；與注水管 (21)連接的水壓計(22);與水壓計(22)及地表數據采集器(6)相連的數據電纜(23);位于空心塑料圓柱體套筒內且與孔隙水壓力測量模塊(2)相連的數據電纜(24);分別位于空心塑料圓柱體套筒(19)上端部和下端部的連接頭(25)。
6.根據權利要求1所述的測定土層原位滲透系數的裝置，其特征在于，注水管(21)為聚氨酯纖維增強軟管。
專利摘要本實用新型公開了一種測定土層原位滲透系數的裝置，該裝置包括位于裝置下端的多功能探頭(1)、位于地面的小型水泵(4)及壓水控制器(5)、數據采集器(6)；其中所述多功能探頭(1)分別與數據采集器(6)和壓水控制器(5)相連；水泵(4)與壓水控制器(5)相連；數據采集器(6)與壓水控制器(5)相連；小型水泵(4)為孔下壓水試驗供水，壓水控制器(5)控制水的流速及水壓，數據采集器(6)對孔隙水壓力、壓水試驗水壓力及流速、消散試驗進行實時數據采集與存儲。本實用新型適應性強，能滿足大規模不同深度剖面測試的要求，既方便快捷，又不受土類別的限制，使測試結果可靠準確。
文檔編號G01N15/08GK202166595SQ20112025580
公開日2012年3月14日 申請日期2011年7月20日 優先權日2011年7月20日
發明者劉松玉, 李仁民, 王強, 童立元 申請人:東南大學