一种土体沉积固结及双向渗透系数测试装置的制作方法

1.本发明涉及土木工程学科岩土工程、矿物加工技术工程领域，属于土工室内试验测试的技术领域，更具体地说，尤其涉及一种土体沉积固结及双向渗透系数测试装置。


背景技术：

2.尾矿材料物理力学特征和尾矿坝沉积规律是研究尾矿坝性能演化以及坝体安全评价的基础课题，然而尾矿库堆填过程复杂，理解和预测尾矿的沉积特征是当前面临的挑战。
3.尾矿库堆存的过程中，尾矿浆排入库内后，浆体中的固体颗粒发生自重落淤，逐渐沉降形成新近沉积的覆盖层，并且在自重作用下固结。这种自重作用下的沉降－固结过程称为自重沉积。在分析土体的沉积特征时，通常采用沉降柱进行试验。
4.在尾矿坝的堆筑过程以及整个服役期内，坝体的性能始终处于不断演化之中。由于尾矿料的固结和强度始终在其自重以及上层新沉积的尾矿荷载作用下进行，其渗透特性也随着孔隙比和土体结构发生变化。
5.因此，有必要提供一种测试装置，用于解决尾矿土体在沉积过程中双向渗透系数的测量。


技术实现要素：

6.根据上述提出尾矿库堆填过程复杂，理解和预测尾矿的沉积特征存在难以测量的技术问题，而提供一种土体沉积固结及双向渗透系数测试装置。本发明主要在传统沉降柱的基础之上作出改进，在测试土体沉积固结性质的同时对在此过程中的双向渗透系数进行测量，揭示土体沉积固结过程中渗透系数的变化情况，为尾矿坝的稳定性分析提供更为准确的参数。
7.本发明采用的技术手段如下：
8.一种土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，包括：
9.土样筒，用于尾矿料的分层装样，为上端敞口下端密封的圆筒，在土样筒的侧边过圆心的相对位置设有连接法兰ⅰ；
10.垂直加载系统，由测控系统控制，用于对所述土样筒中的土样施加垂直方向的加载力，使轴向力达到预定值进行土样的排水固结；
11.供水和水头控制系统，用于为测试提供水源，包括供水箱和马氏瓶，通过管阀与所述土样筒相连；
12.垂直渗透集水和流量测量装置，用于承接所述土样筒内渗出的水，设置在所述土样筒的底部，包括量水筒ⅰ和天平ⅰ；
13.水平渗透试验旋进系统，用于对所述土样筒中的土样水平渗透系数的切样；
14.水平渗透集水和流量测量装置，用于承接所述水平渗透试验旋进系统中土样渗出的水，设置在所述水平渗透试验旋进系统的一侧，包括量水筒ⅱ和天平ⅱ。
15.进一步地，所述土样筒为有机玻璃圆筒，高度是直径的五倍以上，在土样筒的侧边过圆心的相对位置，切去直径小于圆筒的直径的圆孔安装连接法兰ⅰ，在模拟土样固结沉积过程及测试土样竖直渗透系数时，所述连接法兰ⅰ与密封法兰连接。
16.进一步地，所述垂直加载系统包括气压缸、活塞、加载杆、气源、气压力控制器、轴向力传感器、轴向位移传感器、支撑框架和加载板，所述加载板与所述加载杆连接，所述加载板上布置有进水孔，通过所述气压力控制器推动气压缸中的活塞运动，带动加载杆向下运动带动加载板向下压住土样筒内的土样，使轴向力达到预定值进行土样的排水固结。
17.进一步地，所述测控系统分别与所述气压力控制器和所述轴向力传感器相连，通过接收所述轴向力传感器的信号控制调节所述气压力控制器的气体输出。
18.进一步地，所述水平渗透试验旋进系统包括旋转把手、卡轴、套筒、旋进接头、连接法兰ⅱ、内螺纹、进水管、接有出水管的连接法兰ⅲ，用于水平渗透试验的试样筒在所述套筒内，与所述套筒内表面的内螺纹螺接。
19.进一步地，在测试土样竖直渗透系数结束后，将密封法兰更换为水平渗透试验旋进系统，通过连接法兰ⅱ与土样筒上的连接法兰ⅰ连接，用卡轴将旋转把手固定于旋进接头上，通过扭转旋转把手使试样筒从套筒中旋转进入试样，当试样筒完全贯穿进入土样并从另一端边缘伸出，完成土样水平渗透系数的切样过程。
20.进一步地，完成切样后，取下旋转把手，将进水管连接至马氏瓶，右侧连接法兰ⅰ与设置有出水管的连接法兰ⅲ连接，出水管与水平渗透和流量测量装置相连接。
21.进一步地，在所述加载板的下方、所述土样筒的底部和两侧连接法兰ⅰ的筒壁内侧均设有滤水板。
22.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
23.本发明提供的是以有机玻璃圆筒为实验主体，中空且底部密封，将尾矿料进行分层装样，承装主体结构简单，方便操作。
24.本发明提供的垂直加载系统，由测控系统控制，通过气源施加压力，测控系统通过接收所述轴向力传感器的信号控制调节气压力控制器的气体输出，根据实际尾矿沉积深度确定土样上覆荷载，对土样筒中的土样施加垂直方向的加载力，使轴向力达到预定值进行土样的排水固结。
25.本发明提供的水平渗透试验旋进系统，通过扭转旋转把手使试样筒从套筒中旋转进入试样，当试样筒完全贯穿进入土样并从另一端滤水板边缘伸出，完成土样水平渗透系数的切样过程，实现采样土质均匀可控。
26.综上，本发明可以实现在有机玻璃圆筒内进行土的一维沉积固结试验，实现了在侧限应力状态、不同上覆荷载条件下土的沉积固结过程模拟测试，同时，可以进行垂直和水平两个方向的渗透试验，为尾矿坝的稳定性分析提供更为准确的参数。
27.基于上述理由本发明可在土工室内试验测试领域广泛推广。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明土样筒的整体构造图。
30.图2为图1的俯视图。
31.图3为本发明土体沉积固结及双向渗透仪整体结构图。
32.图4为本发明水平渗透试验旋进系统图(试样筒旋进前位置)。
33.图5为本发明水平渗透试验旋进系统图(试样筒旋进后位置)。
34.图中：1.土样筒；5.密封法兰；8.滤水板；9.管阀；10.测控系统；11.连接法兰ⅰ；12.水平渗透试验试样筒；21.气压缸；22.活塞；23.加载杆；24.气源；25.气压力控制器；26.轴向力传感器；27.轴向位移传感器；28.支撑框架；29.加载板；31.供水箱；32.马氏瓶；41.量水筒ⅰ；42.天平ⅰ；61.旋转把手；62.卡轴；63.套筒；64.旋进接头；65.连接法兰ⅱ；66.内螺纹；67.进水管；68.出水管；69.连接法兰ⅲ；71.量水筒ⅱ；72.天平ⅱ。
具体实施方式
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
38.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
40.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
41.结合附图对本发明的一种土体沉积固结及双向渗透系数测试装置加以说明。
42.如图1和图2所示，土样筒1为有机玻璃圆筒，上端敞口下端密封，高度是直径的五倍以上，在土样筒的侧边过圆心的相对位置，切去直径小于圆筒直径的圆孔，并安装有连接法兰ⅰ11，连接法兰ⅰ11与土样筒1之间设有滤水板8。
43.如图3所示，垂直加载系统主要包括气压缸21、活塞22、加载杆23、气源24、气压力控制器25、轴向力传感器26、轴向位移传感器27、支撑框架28和加载板29，加载板29与加载杆23连接，加载杆23上套设有轴向力传感器26，加载板29上布置有进水孔，加载板29与土样筒1之间设有滤水板8，根据实际尾矿沉积深度确定土样上覆荷载，气源24提供动力源，通过气压力控制器25推动气压缸21中的活塞22运动，带动加载杆23向下运动带动加载板29向下压住土样筒1内的土样，使轴向力达到预定值进行土样的排水固结。
44.供水和水头控制系统主要包括供水箱31和马氏瓶32，通过管路连接输送到土样筒1内或者连接到水平旋进系统的进水管。
45.垂直渗透集水和流量测量装置主要包括量水筒ⅰ41和天平ⅰ42，用于承接从土样筒1内渗出的水，天平ⅰ42用于称量竖直渗透系数测试过程中的渗水量。
46.如图4和图5所示，水平渗透试验旋进系统主要包括旋转把手61、卡轴62、套筒63、旋进接头64、连接法兰ⅱ65、内螺纹66、进水管67、接有出水管68的连接法兰ⅲ69。
47.用于水平渗透试验的试样筒12在套筒63内，通过套筒内表面的内螺纹66旋进旋出。
48.如图1所示，在模拟土样固结沉积过程及测试土样竖直渗透系数时，连接法兰ⅰ11与密封法兰5连接，从而保证土样沉积固结及孔隙水流均为竖直方向。如图4所示，在测试土样竖直渗透系数结束后，将密封法兰5更换为水平渗透试验旋进系统，通过连接法兰ⅱ65与土样筒1上的连接法兰ⅰ11连接，用卡轴62将旋转把手61固定于旋进接头64上，扭转旋转把手61，使试样12筒从套筒63中旋转进入试样，当试样筒完全贯穿进入土样并从另一端滤水板8(透水石)边缘伸出，完成土样水平渗透系数的切样过程。取下旋转把手61，将进水管67连接至马氏瓶32，右侧连接法兰ⅰ11与设置有出水管68的连接法兰ⅲ69连接，出水管68与水平渗透和流量测量装置相连接。
49.水平渗透集水和流量测量装置主要由量水筒ⅱ71和天平ⅱ72，量水筒ⅱ71，用以承接渗出的水，天平ⅱ72用以称量水平渗透系数测试过程中的渗水量。
50.上述的滤水板8(透水石)分别布置于加载板29的下方、土样筒1的底部和两侧连接法兰ⅰ11的筒壁内。
51.根据图面说明的结构组成，对试验测试过程简述如下。
52.实施例1-土样竖直渗透系数测试
53.首先，对于尾矿料进行分层装样，垂直加载系统组装完成，打开土样筒1底部排水阀。
54.然后，根据实际尾矿沉积深度确定土样上覆荷载，通过气压力控制器25推动气压缸21中的活塞22，使轴向力达到预定值进行土样的排水固结。
55.待土样固结完成后，打开土样筒1上部管阀9，通过马氏瓶32控制土样竖向渗透水头高度，开始测试后记录土样筒1下部量水筒41的重量，求得土样的竖直渗透系数。
56.实施例2-土样水平饱和系数测试
57.待土样竖直渗透系数测试结束后，关闭土样筒1上下的管阀9，将土样筒1两侧的密封法兰5更换为水平渗透试验旋进系统，通过旋进系统的连接法兰ⅱ65与土样筒1上的连接法兰ⅰ11连接，用卡轴62将旋转把手61固定于旋进接头64上，扭转旋转把手61，使试样筒12从套筒63中旋转进入试样，当试样筒12完全贯穿进入土样并从另一端滤水板8(透水石)边缘伸出，完成土样水平渗透系数的切样过程。
58.将水平旋进系统的进水管67连接至马氏瓶32，控制测试过程的水头高度，右侧连接法兰ⅰ11与设置有出水管68的连接法兰ⅲ69连接，出水管68与水平渗透和流量测量装置相连接，打开马氏瓶32的管阀的同时记录量水筒71重量，求解土样水平饱和渗透系数。
59.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，其特征在于，包括：土样筒，用于尾矿料的分层装样，为上端敞口下端密封的圆筒，在土样筒的侧边过圆心的相对位置设有连接法兰ⅰ；垂直加载系统，由测控系统控制，用于对所述土样筒中的土样施加垂直方向的加载力，使轴向力达到预定值进行土样的排水固结；供水和水头控制系统，用于为测试提供水源，包括供水箱和马氏瓶，通过管阀与所述土样筒相连；垂直渗透集水和流量测量装置，用于承接所述土样筒内渗出的水，设置在所述土样筒的底部，包括量水筒ⅰ和天平ⅰ；水平渗透试验旋进系统，用于对所述土样筒中的土样水平渗透系数的切样；水平渗透集水和流量测量装置，用于承接所述水平渗透试验旋进系统中土样渗出的水，设置在所述水平渗透试验旋进系统的一侧，包括量水筒ⅱ和天平ⅱ。2.根据权利要求1所述的土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，其特征在于，所述土样筒为有机玻璃圆筒，高度是直径的五倍以上，在土样筒的侧边过圆心的相对位置，切去直径小于圆筒的直径的圆孔安装连接法兰ⅰ，在模拟土样固结沉积过程及测试土样竖直渗透系数时，所述连接法兰ⅰ与密封法兰连接。3.根据权利要求1所述的土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，其特征在于，所述垂直加载系统包括气压缸、活塞、加载杆、气源、气压力控制器、轴向力传感器、轴向位移传感器、支撑框架和加载板，所述加载板与所述加载杆连接，所述加载板上布置有进水孔，通过所述气压力控制器推动气压缸中的活塞运动，带动加载杆向下运动带动加载板向下压住土样筒内的土样，使轴向力达到预定值进行土样的排水固结。4.根据权利要求3所述的土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，其特征在于，所述测控系统分别与所述气压力控制器和所述轴向力传感器相连，通过接收所述轴向力传感器的信号控制调节所述气压力控制器的气体输出。5.根据权利要求1所述的土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，其特征在于，所述水平渗透试验旋进系统包括旋转把手、卡轴、套筒、旋进接头、连接法兰ⅱ、内螺纹、进水管、接有出水管的连接法兰ⅲ，用于水平渗透试验的试样筒在所述套筒内，与所述套筒内表面的内螺纹螺接。6.根据权利要求5所述的土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，其特征在于，在测试土样竖直渗透系数结束后，将密封法兰更换为水平渗透试验旋进系统，通过连接法兰ⅱ与土样筒上的连接法兰ⅰ连接，用卡轴将旋转把手固定于旋进接头上，通过扭转旋转把手使试样筒从套筒中旋转进入试样，当试样筒完全贯穿进入土样并从另一端边缘伸出，完成土样水平渗透系数的切样过程。7.根据权利要求6所述的土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，其特征在于，完成切样后，取下旋转把手，将进水管连接至马氏瓶，右侧连接法兰ⅰ与设置有出水管的连接法兰ⅲ连接，出水管与水平渗透和流量测量装置相连接。8.根据权利要求3所述的土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，其特征在于，在所述加载板的下方、所述土样筒的底部和两侧连接法兰ⅰ的筒壁内侧均设有滤水板。

技术总结
本发明提供一种土体沉积固结及双向渗透系数测试装置，包括：土样筒，用于尾矿料的分层装样；垂直加载系统由测控系统控制，用于对土样筒中的土样施加垂直方向的加载力，使轴向力达到预定值进行土样的排水固结；供水和水头控制系统；垂直渗透集水和流量测量装置，用于承接土样筒内渗出的水；水平渗透试验旋进系统，用于对土样筒中的土样水平渗透系数的切样；水平渗透集水和流量测量装置，用于承接水平渗透试验旋进系统中土样渗出的水。本发明可以实现在土样筒内进行土的一维沉积固结试验，实现了在侧限应力状态、不同上覆荷载条件下土的沉积固结过程模拟测试，同时可以进行垂直和水平两个方向的渗透试验，为尾矿坝的稳定性分析提供更为准确的参数。更为准确的参数。更为准确的参数。


技术研发人员：任晓行 张子斌 李庚辉 肖启飞
受保护的技术使用者：本溪钢铁（集团）矿业有限责任公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/13