一种可连续测量围护桩桩身不同位置渗透性能的装置及方法与流程

本发明提出一种能够连续测量围护桩桩身不同位置渗透性能的装置和方法，属于岩土工程现场监测。

背景技术：

1、房屋建筑工程、地下车站工程等在建造时均需要进行基坑开挖工作，而基坑在开挖前需在基坑周边进行围护桩施工，围护桩主要作用是用于支护作用，防止在开挖过程中周边土体向基坑内倒塌。此外，在一些地下水位较浅地区，围护桩还起到隔绝地下水作用，防止周边地下水向基坑内部渗透，造成潜在危险。围护桩在施工完毕之后需进行相关检测，目前关于围护桩强度的检测已经有很多研究，而对于围护桩桩身渗透性能的检测还较少，尤其是缺少能够连续测量围护桩桩身不同位置渗透性能的方法。因此，为了能够对围护桩桩身的渗透性能进行评估，有必要研究一种能够实现对围护桩桩身不同位置渗透性能进行检测的装置和方法。

2、现有技术方案一：《高压旋喷桩防渗墙钻孔注水和压水试验检测对比研究》.水运工程,2019(10):197-203.钻孔注水试验分为钻孔常水头注水试验和，钻孔降水头注水试验。钻孔常水头注水试验适用于渗透性较大的粉土、砂土和砂卵砾石层，或不能进行压水试验的风化、破碎岩体、断层破碎带等透水性较强的岩体。试验原理为保持钻孔内的液面高度不变，量测在一定时间内的注水量直至测得稳定的流量，取最后一次注入流量作为计算值，然后计算其渗透系数。钻孔降水头注水试验适用于地下水位以下的粉土、黏性土层或渗透系数较小的岩层。试验原理为试验时将钻孔内灌满水，记录钻孔内的水位和地下水位的差值，通过测量钻孔内水位下降速率来计算渗透系数。该方法主要用于测量注水段整体的渗透性，无法连续测量不同深度处的渗透性能，当土层渗透性能较差时，所需测量时间较长，土体经过注水浸泡，孔隙发生变化，渗透性能改变，所测渗透性不是真实渗透性；而当土层中存在着裂隙时，该方法所测渗透性偏大，且不能识别裂隙具体位置。

3、现有技术方案二：水利部水利水电规划设计总院.水利水电工程注水试验规程:sl345—2007[s].北京:中国水利水电出版社，2007.钻孔压水试验主要用于岩体的渗透性检测，试验原理为用栓塞将钻孔隔离出不大于5m的孔段，并向该孔段压水，根据一定时间内压入水量和施加压力大小的关系来确定透水性。该方法主要用于测量岩体的渗透性能，可以实现不同深度处的岩体的透水性能，但是其需要先布设栓塞，栓塞和孔壁的密封性能无法保证，影响试验结果；在利用该方法测量围护桩渗透性能时，由于围护结构的强度要低于岩体，在压水过程中经常会出现将围护结构挤裂的情况，且其布设的栓塞和钻孔壁面的密封性能也无法保证。

技术实现思路

1、针对目前围护桩桩身渗透性能现场难以有效检测及无法连续测量的问题，本发明提出的是一种能够连续测量围护桩桩身不同位置渗透性能的装置和方法，通过在单根围护桩中心钻孔，根据测量液体排除量和液体注入量，换算获得围护桩桩身不同位置处的渗透性能。

2、为了实现本发明的目的，本发明提供了一种可连续测量围护桩桩身不同位置渗透性能的装置，包括测试钻孔系统、监测系统、注水系统、液体回收系统；

3、所述测试钻孔系统由设置于围护桩中心的钻孔a、分别设置于围护桩两侧土层中的钻孔b及钻孔c、密封胶、密封塞、抽水管a及抽水管b、抽水泵a及抽水泵b组成；所述密封胶通过注胶设备涂满钻孔a底部；所述密封塞设置于钻孔a顶部，且与钻孔a壁面完全贴合，不透气、不透水，密封塞带有可密封的三个管线孔；所述抽水管a进水端设置于钻孔b孔底、出水端连接抽水泵a；所述抽水管b进水端设置于钻孔c孔底、出水端连接抽水泵b；所述钻孔b、钻孔c尺寸与钻孔a一致，且对称布置在围护桩两侧土层中，钻孔b、钻孔c与围护桩边缘距离小于1倍的围护桩直径；

4、所述监测系统由液面传感器、信号线、电脑组成；所述液面传感器设置于密封塞底部，通过信号线与电脑连接，用于测量液面位置，信号线穿过密封塞的其中一个管线孔b，信号线与管线孔b之间实现密封，液面传感器将数据信号通过信号线传递给电脑，实时显示液面位置；

5、所述注水系统由两个电子称a及b、两个蓄水桶a及b、量杯a及注水管组成；所述蓄水桶a底部设有出水阀a，出水阀a能够以一定速率控制蓄水桶a中液体稳定流出，蓄水桶a放置于电子秤a上，电子秤a可记录蓄水桶a中液体的流出质量，蓄水桶a流出液体全部进入蓄水桶b内部；所述蓄水桶b上部设有出水孔，底部设有出水阀b，出水阀b可控制注水速率，出水阀b与注水管进水端连接；所述注水管穿过密封塞的其中一个管线孔a，注水管的出水端部设置于钻孔a的底部；所述蓄水桶a流出液体速率大于蓄水桶b的出水阀b的流出速率，蓄水桶b中液体液面达到蓄水桶b的上部出水孔的位置时，多余液体从蓄水桶b的上部出水孔流出到量杯a中；量杯a放置于电子秤b上，电子秤b能够实时记录量杯a中液体质量变化；

6、所述液体回收系统由抽水管c、抽水泵c、量杯b、电子秤c组成；所述抽水管c进水端穿过密封塞的其中一个管线孔c设置于钻孔a内部，抽水管c与抽水泵c连接，抽水管c出水端设置于量杯b上部，且抽水管c出水端的高度与蓄水桶b的上部出水孔处于同一高度位置；所述量杯b放置于电子秤c上，可用于测量抽水管c抽出的液体质量。

7、进一步地，本发明所述围护桩由钢筋混凝土组成，设置于土层之中，围护桩顶部与地层表面齐平，围护桩长度根据设计设定，不作具体要求。

8、进一步地，本发明所述钻孔a深度略小于围护桩长度，钻孔a直径小于1/5倍围护桩直径。

9、进一步地，本发明所述抽水管c进水端可随意调节长短，抽水管c进水端可根据试验需求布设于钻孔a内部的任意位置。

10、本发明还提供了上述一种可连续测量围护桩桩身不同位置渗透性能的方法，具体步骤如下：

11、(1)选取一根围护桩，围护桩直径d，长度为l，在围护桩中心钻取钻孔a，记录钻孔深度l，钻孔直径d，在围护桩两侧不大于1倍围护桩直径d位置对称钻取钻孔b、钻孔c，钻孔b和钻孔c尺寸与钻孔a保持一致；将抽水管a进水端设置于钻孔b孔底、出水端连接抽水泵a，抽水管b进水端设置于钻孔c孔底、出水端连接抽水泵b，启动抽水泵a和抽水泵b，将钻孔b和钻孔c中的水抽离试验范围区域，确保水不回流，保证钻孔b和钻孔c中一直处于不积水状态；然后通过注胶设备将密封胶涂满钻孔a底部，确保钻孔a底部不渗水，将钻孔a内部注满水，将密封塞安装于钻孔a顶部，由于负压作用，钻孔a中水不会渗入到围护桩中；钻孔b与钻孔c能够确保钻孔a中水向地层中渗透时不造成地下水位线的变化，保证围护桩渗入进地层的水对后续钻孔a中的水渗入进地层不产生影响；

12、(2)事先将液面传感器安装在密封塞底部，将信号线穿过密封塞的管线孔b与电脑连接；

13、(3)将蓄水桶a放置在电子称a上，关闭蓄水桶a的出水阀a，电子称a去皮清零，在蓄水桶a中加入水，记录电子秤a数值为m1；将蓄水桶b的出水阀b关闭，在蓄水桶b中灌水至与蓄水桶b上部的出水孔齐平，将量杯a放置于电子秤b上部，电子秤b清零去皮，此时电子称b数值显示为0；将注水管进水端与出水阀b连接，将注水管出水端穿过密封塞的管线孔a设置于钻孔a的底部；

14、(4)将抽水管c的进水端穿过密封塞的管线孔c设置于钻孔a内部，抽水管c的进水端初始位置与钻孔a内部液面持平；抽水管c与抽水泵c连接，抽水管c出水端设置于量杯b上部，量杯b放置于电子秤c上，将电子秤c去皮清零，此时电子称c数值显示为0；

15、(5)同时打开蓄水桶a底部的出水阀a、蓄水桶b底部的出水阀b和抽水泵c，由于钻孔b和钻孔c中一直处于无水状态，钻孔a中处于满水状态，钻孔a与钻孔b、钻孔c之间形成了水头差，钻孔a中水向外渗透；由于抽水管c的出水端与蓄水桶b的上部出水孔处于同一高度，两者之间未形成高度差，钻孔a中水不会进入抽水管c中，因此，钻孔a中的水主要向土层中渗透；

16、(6)由于设定了蓄水桶a底部的出水阀a的出水速率大于蓄水桶b底部的出水阀b的出水速率，蓄水桶b的液面一直保持在蓄水桶b的上部出水孔位置，多余的水从蓄水桶b的上部出水孔流入到量杯a中，经过t时间后，电子秤a上数值变为m1-1，则流出水的质量为m1-m1-1，电子称b上数值为m2，电子秤c上数值为0，根据基本物理知识，水在常温下质量密度为1，因此通过换算可认为蓄水桶a流出水的体积为(m1-m1-1)/1＝q，量杯a流入的水的体积为m2/1＝q1，蓄水桶b底部的出水阀b流出水量为q2，渗入地层中的水的体积为(m1-m1-1)/1-m2/1＝q3，此时q2＝q3，所以q3可由公式(1)表示：

17、q3＝ q - q1                                  (1)

18、绘制q3与时间t的关系曲线，当q3数值在图形上显示为稳定增长直线时，可认为水在围护桩中已形成稳定渗流，此时截取直线线段上任意δt时间段，获得渗流量δq3，定义新参数k为围护桩的渗透性能评价参数，则k＝δq3/δt，k为q3稳定增长直线段斜率，此时的k为整个围护桩钻孔深度l范围内的渗透性能评价参数；

19、(7)待q3值在图形上显示为稳定增长直线后，将抽水管c进水端以一定稳定的速度v向钻孔a内部由上向下位移(v≤1mm/s)，抽水管c进水端进入钻孔a内部液面以下位置时，将抽出高于抽水管c进水端以上的水，通过电子称c获得经过时间t1抽出水的质量，换算获得抽出水的体积为q4，q4既包括了钻孔a内本身的水，也包括了从注水管中进入钻孔a中的部分水，所以q4的可由公式(2)表示：

20、q4＝q-q1-q3+v·t1·πd2/4                         (2)

21、换算得到q3的表达式：

22、q3＝q-q1- q4+v·t1·πd2/4                         (3)

23、此时围护桩的渗透性能评价参数k值表达式为：

24、k＝ δq3/δt1＝δ(q-q1- q4+v·t1·πd2/4)/ δt1                 (4)

25、钻孔a内液面高度初始值为l，经过t1时间后变为h，h范围为0～l之间，h可由监测传感器获得，也可通过公式h＝l-v·t1计算获得，因此围护桩的桩身渗透范围用h表示，围护桩桩身不同深度范围h的渗透性能评价参数k可表示为：

26、k＝ δq3/δt1＝δ[q-q1- q4+(l-h)·πd2/4]/ δt1                 (5)

27、k为q3曲线的斜率，根据公式(5)即可连续获得围护桩桩身不同深度范围h的渗透性能，由于h范围为0～l之间，进而能够达到本发明的目标，实现连续测量围护桩不同深度处渗透性能。

28、本发明的有益效果：

29、通过采用本发明所述测量装置及方法能够实现对围护桩桩身不同位置渗透性能进行连续检测及评价。