U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置及其方法
【专利摘要】本发明涉及孔隙压力检测领域，特别涉及一种U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置及其方法。本发明通过装有液体的U型导管，其孔隙端导管和大气端导管液面压力与各自的气压相等，即一端等于气室压力，一端等于大气压力。通过大气压力加减液面差即可获得气室土壤孔隙压力。孔隙端浮子的浮力与测绳收缩装置、大气端浮子坠与浮子、测绳收缩装置形成平衡拉力对，保证测绳在相同拉力下绷紧，读数器通过计量测绳的偏移长度即为浮子液面的升降高度。本发明的检测装置不仅可以测定地下水位下的孔隙压力，也可测定地下水位以上的非饱和土孔隙压力，安装便捷，操作简单，检测精确度高。
【专利说明】U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及土壤孔隙压力检测领域，特别涉及一种U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置及其方法。
【背景技术】
[0002]土壤由固相(土壤颗粒)、液相(土壤水)和气相(土壤所含气体)三相构成，在土壤颗粒空隙完全由液相填充，即水占土壤空隙的比例为百分之百时该土壤称之为饱和土。反之，土壤孔隙由水和空气填充，即饱和度大于O但小于100时，该土壤为非饱和土。一般认为地下水位以下为非饱和土，地下水位以上为饱和土，其中，非饱和土和饱和土的分界由于地下水位的变化而不断变化。
[0003]孔隙压力包含孔隙水压和孔隙气压。孔隙压力通过土壤或岩石中的孔隙水而传递的压力，称孔隙水压。孔隙压力通过土壤或岩石中的孔隙气体传递的压力，称孔隙气压。就基础工程而言，孔隙压力是重要测试指标，目前工程上的仪器可以测定地下水位以下饱和土的孔隙压力，广泛使用的振弦式孔隙水压力仪也存在一定缺陷，经常发生不成活的问题。在真空预压的土体孔隙压力检测时，在连续连抽真空工况下的孔隙压力可以通过真空表测定，但无压力补偿条件下地下水位以上的非饱和土孔隙压力目前有效测定方法。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术之缺陷和不足，提供一种U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置及其方法，可测定饱和土孔隙水压和非饱和土孔隙气压。
[0005]本发明的技术方案是:
一种U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，主要由U型导管、水平导管、测绳、读数器和测绳收缩装置组成，
所述U型导管分为孔隙端导管和大气端导管，所述大气端导管顶部向上水平延伸水平导管；所述孔隙端导管的顶端设置与土壤对接的气室；
所述测绳包括孔隙端液位测绳和大气端液位测绳，所述孔隙端液位测绳一端置于孔隙端导管内部，另一端经过大气端导管、水平导管、孔隙端读数器，连接于测绳收缩装置上；所述大气端液位测绳一端置于大气端导管内部，另一端经过水平导管、大气端读数器，连接于大气端测绳收缩装置上。
[0006]优选的，所述的孔隙端液位测绳置于孔隙端导管内部的一端连接浮子；所述大气端液位测绳置于孔隙端导管内部的一端连接浮子和浮子坠。
[0007]优选的，还包括补水箱，所述补水箱通过导管连接所述水平导管；所述的所述水平导管尾端部可拆卸密封连接h型导管。
[0008]优选的，所述的孔隙端导管、大气端导管、水平导管均为可拆卸式，密封连接。
[0009]优选的，所述的孔隙端导管和大气端导管的连通部的下方向下垂直延伸形成插入部，所述插入部尾端为倒锥形。[0010]优选的，所述的孔隙端导管和大气端导管的相对侧下部，靠近连通部设置限位器。
[0011]优选的，所述气室内由顶端设置滤网，所述滤网下方设置柔性透气填充物。
[0012]优选的，所述的水平导管的起始端上设置可伸缩导管。
[0013]优选的，还包括置于各导管的弯头处的测绳限位板，所述测绳限位器板上设置若干个贯通孔。
[0014]本发明的另一个目的在于公开利用上述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的检测装置孔隙压力的方法，包含以下步骤:
(一)、非饱和土孔隙压力测定步骤及计算方法:
步骤1:敷设，通过钻孔压入或直接压入的方法将检测设备孔隙端置于预定深度，压入过程中同步接长大气端导管；
步骤2:达到预定标高安装水平导管、补水箱、读数器和测绳收缩装置；
步骤3:缓慢注水，至大气端导管内水位稳定后，向孔隙端导管上方回填粘土，填筑并捣实，记录孔隙端读数器和大气端读数器的初读数；
步骤4:在各观测时段读取孔隙端读数器和大气端读数器的读数；
孔隙端孔隙压力等于大气端压力与大气端液面相对于孔隙端液面液柱差的压力之和，计算过程如下:
1)孔隙端测绳偏离初始位置长度:
Δ L1=L1 — L10
式中，AL1为孔隙端测绳偏离初始位置长度，L1为孔隙端测绳读数，液面上升为正，下降为负，L10为孔隙端读数器的初始读数；
2)大气端测绳偏离初始位置长度:
Δ L2-L2 一 L20
式中，L2为大气端测绳读数，液面上升为正，下降为负，L2tl为初始读数，AL2S偏离初始位置长度；
3)U形管两端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ L1
4)孔隙端孔隙压力 P=P0+ Δ H* Y
其中，ΛΗ为U形管两端液面差，Ptl为大气压力，Y为U形管内液体的比重，P孔隙端压力；
(二)、饱和土孔隙压力测定步骤及计算方法:
步骤1:敷设，通过钻孔后以送管压入或直接用送管压入的方法将检测设备孔隙端置于预定深度，压入过程中同步接长大气端导管，将设备置入预定深度后测量送管顶面标高，拔出送管后记录送管长度；所述送管为中空的硬性材料制成的管，其内径大于大气端导管的外径，可将大气端导管置于送管中，利用送管壁下压U形管的连通处，将U形管下压至预定深度。
[0015]步骤2:达到预定标高安装水平导管、补水箱、读数器和测绳收缩装置；
步骤3:若孔隙端顶面在地下水位以下时，不需注水，若孔隙端顶面在地下水位以上时，缓慢注水，至大气端导管内水位稳定后，向孔隙端导管上方回填粘土，填筑并捣实，记录孔隙端和大气端读数器的初读数；
步骤4:在建、构筑物边际线外无附加荷载和地表垂直气道覆盖部位敷设水位测量装置，记录初读数，并测量、记录初始水位；
步骤5:在各观测时段读取孔隙端和大气端读数器的读数，同时测定地下水位；
孔隙端孔隙压力等于大气端压力与大气端液面相对于同位地下水无干扰自由液面液柱差的压力之和，计算过程如下:
1)地下水位变化幅度:
Δ H3=H3 — H30
式中，AH3为地下水为变化幅度(m)，H3tl为设备安装初始时水位测量装置测定的水位(m), H3为水位测量装置与大气端导管同步测定的水位(m)；
2)大气端测绳偏离初始位置长度:
Δ L2-L2 一 L20
式中，L2为大气端测绳读数，液面上升为正，下降为负，L2tl为初始读数，AL2S偏离初始位置长度；
3)U形管两端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ H3
4)孔隙端孔隙压力 P=P0+ Δ H* Y
其中，ΛΗ为U形管两端液面差，Ptl为大气压力，Y为U形管内液体的比重，P孔隙端压力；
工作原理:
含柔性透气填充物的气室与土壤孔隙对接，压力相同或相近。装有液体的U型导管，其孔隙端导管和大气端导管液面压力与各自的气压相等，即一端等于气室压力，一端等于大气压力。通过大气压力加减液面差即可获得气室土壤孔隙压力。孔隙端浮子的浮力与测绳收缩装置、大气端浮子坠与浮子、测绳收缩装置形成平衡拉力对，保证两条测绳在相同拉力下绷紧，读数器通过计量测绳的偏移长度获得浮子液面的升降高度。测绳收缩装置根据平衡力收发测绳。
[0016]读数器可以为机械读数器，转轮设置为圆周刻度盘，由测绳移动带动转轮外缘转动偏移初始位置，通过指针读数转动周数和偏移角度和滑轮半径，计算测绳移动长度；也可以为电子读数器，将转轮读盘和指针设为电子读数装置，自动定时读数和存储，通过远程数据传输系统将实时数据传至接收终端。
[0017]安装在各导管弯头处的测绳限位板，测绳穿过测绳限位板的中央孔，在保证不阻碍气流流通与测绳线滑动的前提下，使测绳在导管内沿管轴线附近固定轨迹移动。
[0018]所述的孔隙端滤网可采用海绵、无纺布或耐腐蚀性纤维滤网，其中无纺布具有密实度高、透气性好、耐泡、耐腐蚀的优点，既能保证本检测装置与地基内气流相通，不受阻碍，又可以防止地基内的泥沙流入检测装置内堵塞。
[0019]所述的柔性透气填充物，可以为海绵等可压缩材料。采用柔性填充材料使得孔隙端水位少量下降时能保持孔隙端气室压力状况与对接土壤相当。
[0020]水箱用于补充U形管中的液体，当孔隙端水位下降时，气室体积变大，孔隙气压的测量精度下降，需及时补充系统内液体量，保证测量精度，在及时补水条件下可使得△!^值为O，当测量位置始终处于地下水位以下时，不需要水箱。
[0021]在大气端导管转弯处的水平管设伸缩装置，以适应地基沉降引起的导管拉伸。
[0022]在U形管尾部用三通连接推进管，推进管底端封闭，管尖实心锥形，推进管在送管压力下可以较轻松地到达目标深度，管内空间可用于沉积孔隙端沉落泥砂。
[0023]本发明的有益效果:
本发明的检测装置不仅可以测定地下水位下的孔隙压力，也可测定地下水位以上的非饱和土孔隙压力，安装便捷，拆卸方便，操作简单，检测精确度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]附图1为本发明孔隙压力检测装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]为了能进一步了解本发明的结构、特征及其它目的，现结合所附较佳实施例详细说明如下，所说明的较佳实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
[0026]本发明的【具体实施方式】如下:
实施例1:检测非饱和土孔隙压力
一种U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，如图1所示，主要由U型导管、水平导管
1、补水箱2、测绳、读数器和测绳收缩装置组成，所述U型导管分为孔隙端导管3和大气端导管4，所述大气端导管4顶部向上水平延伸水平导管I ;所述补水箱2通过导管连接所述水平导管I ;所述水平导管I尾端部连接h型导管11 ;所述孔隙端导管3的顶端设置与土壤对接的气室31 ;所述测绳包括孔隙端液位测绳32和大气端液位测绳41，所述孔隙端液位测绳32 一端连接浮子33置于孔隙端导管3内部，另一端经过大气端导管4、水平导管1、h型导管11 一出口、孔隙端读数器51，连接于测绳收缩装置61上；所述大气端液位测绳41 一端连接浮子42和浮子坠43，置于大气端导管4内部，另一端经过水平导管1、h型导管11另一出口、大气端读数器52，连接于大气端测绳收缩装置62上。所述的孔隙端导管3、大气端导管4、水平导管I和h型导管11均为可拆卸式，密封连接。所述的孔隙端导管3和大气端导管4的连通部7的下方向下垂直延伸形成插入部8，所述插入部8尾端为倒锥形。所述的孔隙端导管3和大气端导管4的相对侧下部，靠近连通部7设置限位器9。所述气室31内由顶端向下依次设置滤网311、柔性透气填充物312。
[0027]所述读数器可以为机械读数器，转轮设置为圆周刻度盘，由测绳移动带动转轮外缘转动偏移初始位置，通过指针读数转动周数和偏移角度和滑轮半径，计算测绳移动长度；
所述的水平导管I的起始端上设置可伸缩导管13。
[0028]还包括置于各导管的弯头处的测绳限位板10，所述测绳限位器板10上设置若干个贯通孔。
[0029]非饱和土孔隙压力检测方法，包含以下步骤:
步骤1:敷设，通过钻孔压入或直接压入的方法将检测设备孔隙端置于预定深度，压入过程中同步接长大气端导管4 ；步骤2:达到预定标高安装水平导管1、补水箱2、读数器和测绳收缩装置；
步骤3:缓慢注水，至大气端导管4内水位稳定后，向孔隙端导管3上方回填粘土，填筑并捣实，记录孔隙端读数器51和大气端读数器52的初读数；
步骤4:在各观测时段读取孔隙端读数器51和大气端读数器52的读数；
孔隙端孔隙压力计算过程如下:
O孔隙端测绳偏离初始位置长度:
Δ L1=L1 — L10
式中，AL1为孔隙端测绳偏离初始位置长度，L1为孔隙端测绳读数，液面上升为正，下降为负，L10为孔隙端读数器的初始读数；
2)大气端测绳偏离初始位置长度:
Δ L2-L2 一 L20
式中，L2为大气端测绳读数，液面上升为正，下降为负，L2tl为初始读数，AL2S偏离初始位置长度；
3)U形管两端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ L1
4)孔隙端孔隙压力 P=P0+ Δ H* Y
其中，ΛΗ为U形管两端液面差，Ptl为大气压力，Y为U形管内液体的比重，P孔隙端压力；
实施例2:检测饱和土的孔隙压力
检测装置如实施例1中所述，其中可以不包括补水水箱。
[0030]步骤1:敷设，通过钻孔后以送管压入或直接用送管压入的方法将检测设备孔隙端置于预定深度，压入过程中同步接长大气端导管4，将设备置入预定深度后测量送管顶面标闻，拔出送管后记录送管长度；
步骤2:达到预定标高安装水平导管1、补水箱2、读数器和测绳收缩装置；
步骤3:若孔隙端顶面在地下水位以下时，不需注水，若孔隙端顶面在地下水位以上时，缓慢注水，至大气端导管4内水位稳定后，向孔隙端导管3上方回填粘土，填筑并捣实，记录孔隙端读数器51和大气端读数器52的初读数；
步骤4:在建、构筑物边际线外无附加荷载和地表垂直气道覆盖部位敷设水位测量装置，记录初读数，并测量、记录初始水位；
步骤5:在各观测时段读取孔隙端读数器51和大气端读数器52的读数，同时测定地下水位；
孔隙端孔隙压力计算过程如下:
1)地下水位变化幅度:
Δ H3=H3 — H30
式中，AH3为地下水为变化幅度(m)，H3tl为设备安装初始时水位测量装置测定的水位(m), H3为水位测量装置与大气端导管同步测定的水位(m)；
2)大气端测绳偏离初始位置长度:
Δ L2-L2 一 L20式中，L2为大气端测绳读数，液面上升为正，下降为负，L2tl为初始读数，AL2S偏离初始位置长度；
3)U形管两端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ H3
4)孔隙端孔隙压力 P=P0+ Δ H* Y
其中，ΛΗ为U形管两端液面差，Ptl为大气压力，Y为U形管内液体的比重，P孔隙端压力。
【权利要求】
1.一种U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，其特征在于，主要由U形导管、水平导管、测绳、读数器和测绳收缩装置组成， 所述U型导管分为孔隙端导管和大气端导管，所述大气端导管顶部向上水平延伸水平导管；所述孔隙端导管的顶端设置与土壤对接的气室； 所述测绳包括孔隙端液位测绳和大气端液位测绳，所述孔隙端液位测绳一端置于孔隙端导管内部，另一端经过大气端导管、水平导管、孔隙端读数器，连接于孔隙端测绳收缩装置上； 所述大气端液位测绳一端置于大气端导管内部，另一端经过水平导管、大气端读数器，连接于大气端测绳收缩装置上。
2.根据权利要求1所述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，其特征在于所述的孔隙端液位测绳置于孔隙端导管内部的一端连接浮子；所述大气端液位测绳置于孔隙端导管内部的一端连接浮子和浮子坠。
3.根据权利要求1所述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，其特征在于还包括补水箱，所述补水箱通过导管连接所述水平导管；所述的所述水平导管尾端部可拆卸密封连接h型导管。
4.根据权利要求1所述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，其特征在于所述的孔隙端导管、大气端导管、水平导管均为可拆卸式，密封连接。
5.根据权利要求1所述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，其特征在于所述的孔隙端导管和大气端导管的连通部的下方向下垂直延伸形成插入部，所述插入部尾端为倒锥形。
6.根据权利要求1所述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，其特征在于所述的孔隙端导管和大气端导管的相对侧下部，靠近所述孔隙端导管和大气端导管的连通部设置限位器。
7.根据权利要求1所述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，其特征在于所述气室内由顶端设置滤网，所述滤网下方设置柔性透气填充物。
8.根据权利要求1所述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，其特征在于所述的水平导管的起始端上设置可伸缩导管。
9.根据权利要求1所述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，其特征在于，还包括置于各导管的弯头处的测绳限位板，所述测绳限位器板上设置若干个贯通孔。
10.一种孔隙压力检测方法，其特征在于利用权利要求1-9所述的U形管液压差绳法检测孔隙压力的装置，包含以下步骤: (一)、非饱和土孔隙压力测定步骤及计算方法: 步骤1:敷设，通过钻孔压入或直接压入的方法将检测设备孔隙端置于预定深度，压入过程中同步接长大气端导管； 步骤2:达到预定标高安装水平导管、补水水箱、读数器和测绳收缩装置； 步骤3:缓慢注水，至大气端导管内水位稳定后，向孔隙端导管上方回填粘土，填筑并捣实，记录孔隙端读数器和大气端读数器的初读数； 步骤4:在各观测时段读取孔隙端读数器和大气端读数器的读数； 孔隙端孔隙压力计算过程如下:1)孔隙端测绳偏离初始位置长度:
Δ L1=L1 — L10 式中，AL1为孔隙端测绳偏离初始位置长度，L1为孔隙端测绳读数，液面上升为正，下降为负，L10为孔隙端读数器的初始读数； 2)大气端测绳偏离初始位置长度:
Δ L2-L2 一 L20 式中，L2为大气端测绳读数，液面上升为正，下降为负，L2tl为初始读数，AL2S偏离初始位置长度； 3)U形管两端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ L1 4)孔隙端孔隙压力 P=P0+ Δ H* Y 其中，ΛΗ为U形管两端液面差，Ptl为大气压力，Y为U形管内液体的比重，P孔隙端压力； (二)、饱和土孔隙压力测定步骤及计算方法: 步骤1:敷设，通过钻孔后以送管压入或直接用送管压入的方法将检测设备孔隙端置于预定深度，压入过程中同步接长大气端导管，将设备置入预定深度后测量送管顶面标高，拔出送管后记录送管长度； 步骤2:达到预定标高安装水平导管、补水水箱、读数器和测绳收缩装置； 步骤3:若孔隙端顶面在地下水位以下时，不需注水，若孔隙端顶面在地下水位以上时，缓慢注水，至大气端导管内水位稳定后，向孔隙端导管上方回填粘土，填筑并捣实，记录孔隙端和大气端读数器的初读数； 步骤4:在建、构筑物边际线外无附加荷载和地表垂直气道覆盖部位敷设水位测量装置，记录初读数，并测量、记录初始水位； 步骤5:在各观测时段读取孔隙端和大气端读数器的读数，同时测定地下水位； 孔隙端孔隙压力计算过程如下: 1)地下水位变化幅度:
Δ H3=H3 — H30 式中，AH3为地下水为变化幅度(m)，H3tl为设备安装初始时水位测量装置测定的水位(m), H3为水位测量装置与大气端导管同步测定的水位(m)； 2)大气端测绳偏离初始位置长度:
Δ L2-L2 一 L20 式中，L2为大气端测绳读数，液面上升为正，下降为负，L2tl为初始读数，AL2S偏离初始位置长度； 3)U形管两端水位差:
Δ H= Δ L2 — Δ H3 4)孔隙端孔隙压力 P=P0+ Δ H* Y 其中，ΛΗ为U形管两端液面差，Ptl为大气压力，Y为U形管内液体的比重，P孔隙端压力。
【文档编号】G01N15/08GK104020096SQ201410281001
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】王俊刚, 解潇, 王璐 申请人:青岛理工大学