(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221079496 0.4 (22)申请日 2022.07.07 (71)申请人 中铁南方投资集团有限公司 地址 518000 广东省深圳市南 山区中心路 3333号中铁大厦 申请人 中铁南方 （东莞） 投资有限公司 　 华南理工大 学 (72)发明人 刘继强　郑文曦　罗兴财　兰作火　 刘厚朴　肖自卫　乔世杰　赵余　 周小文　陈议城　万恬　 (74)专利代理 机构 广州科捷知识产权代理事务 所(普通合伙) 44560 专利代理师 陈慧文 (51)Int.Cl. G01N 13/04(2006.01)G01N 15/08(2006.01) G01N 15/06(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种多功能渗透管涌测试装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种多功能渗透管涌测试装 置及方法， 测试装置包括试验箱系统、 供水调节 系统、 加载系统、 测量系统和出水系统， 试验箱系 统包括试样筒、 顶盖、 透水板和下移板， 待测土样 放置于透 水板与下移板 之间， 加载系统与下移板 相连给试样筒中的土样加压； 出水系统包括导流 管、 固液分离箱、 下游水箱和量杯， 观察 室通过导 流管与依次串联的若干固液分离箱、 下游水箱、 量杯依次相连通； 测量系统包括流量计、 孔压传 感器、 位移传感器、 重量传感器、 浊度传感器和数 据采集器。 本发 明能够在土体接近实际工程状态 下更加省时省力获取土体的渗透系数、 土体发生 相变的临界水力梯度以及管涌发生过程中各类 参数指标， 有利于 土体管涌破坏机理的研究。 权利要求书4页 说明书10页 附图4页 CN 115112531 A 2022.09.27 CN 115112531 A 1.一种多功能渗透管涌测试装置， 其特征在于， 包括试验箱系统、 供水调节系统、 加载 系统、 测量系统和出 水系统； 所述试验箱系统包括试样筒、 顶盖、 透水板和下移板， 所述试样筒用于装载试验土样， 所述顶盖固定在所述试样筒的顶部， 所述顶盖上设置有排气孔， 用于前期管路及试样 中残 留气体排出； 所述透水板设置在所述试样筒内且位于所述顶盖的下方， 透水板上均布有若 干透水孔， 试样筒内顶盖与透水板之间的空间形成观察室， 用于观察管涌 过程中的水砂涌 出情况， 所述观察室的侧 壁上设置有溢水 口； 所述下移板设置在所述试样筒的底部且可沿 试样筒上下移动， 待测土样放置于所述透水板与下移板之间， 土样的上表面与透水板相 接 触， 土样的下表面与下移板相接触， 下移板与试样筒的内壁紧密贴合； 所述供水调节系统通过管道与所述下移板上的进水口相连通， 以向试样筒中供给设定 压力的试验用水； 所述加载系统与所述下移板相连， 用于推动下移板沿着试样筒 上移， 以给 试样筒中的土样施加轴向压力； 所述出水系统包括导流管、 固液分离箱、 下游水箱和量杯， 所述导流管的一端与所述观 察室的溢水 口相连通， 另一端与依 次串联的若干固液分离箱相连通， 所述固液分离箱的进 水口设置在上部， 出水口设置在下部， 固液分离箱内设置有过滤网， 若干串联的固液分离箱 中过滤网的孔径依 次减小； 最后一个固液分离箱的出水 口与所述下游水箱相连， 下游水箱 的上部设置有溢流口， 所述溢流口通过 管道与所述 量杯相连通； 所述测量系统包括流量计、 孔压传感器、 摄像头和数据采集器， 所述流量计设置在下游 水箱与量杯之间的管道上， 用于测 量试验过程中某一时间段内涌 出的水量； 若干所述的孔 压传感器沿试样筒的高度方向间隔布置， 用于测量试样筒内不同高度 处的孔隙水压力； 所 述摄像头设置在所述试验箱系统和出水系统处， 用于监测试验过程中试验箱系统和出水系 统的变化情况； 所述数据采集器通过数据线分别与孔压传感器、 流量计、 摄像头连接， 以采 集数据信息 。 2.根据权利要求1所述的一种 多功能渗透管涌测试装置， 其特征在于， 所述测量系统还 包括位移传感器、 重量传感器和浊度传感器， 所述位移传感器设置于所述下移板处， 用于测 量下移板移动的距离； 所述重量传感器设置在各所述的固液分离箱和下游水箱的底部， 用 于实时测量管涌过程中涌出的不同粒径颗粒流失情况； 所述浊度传感器通过所述排气孔进 入所述观察室中， 用于测量试验过程中涌出水的浑浊度变化， 以判别土体相变的发生； 所述 位移传感器、 重量传感器和浊度传感器分别通过 数据线与所述数据采集器相连。 3.根据权利要求1所述的一种 多功能渗透管涌测试装置， 其特征在于， 所述固液分离箱 有相互串联的四个， 孔径依次为0.5mm、 0.25mm、 0.075mm、 0.005mm； 所述试样筒的内径大于 或等于待测土体最大粒径的10倍， 试样筒的高度大于或等于试样筒内径的两倍； 所述透水 孔的孔径为8m m。 4.根据权利要求1所述的一种 多功能渗透管涌测试装置， 其特征在于， 所述加载系统包 括气缸、 第一空气 压缩机和加载调压阀， 所述气缸的伸缩杆与所述下移板相连， 所述第一空 气压缩机通过所述加载调压阀与气缸 的进气孔相连， 气缸推动下移板沿着试样筒上移， 以 给试样筒中的土样施加目标轴压 。 5.根据权利要求4所述的一种多功能渗透管涌测试装置， 其特征在于， 还包括固定支 架， 所述固定支架包括上顶板、 下底板、 立柱、 支撑架和固定螺栓， 所述上顶板和下底板 分别权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115112531 A 2通过所述固定螺栓与竖直设置的两条所述立柱连接， 所述气缸设置在所述下底板上； 所述 顶盖上设置有定位柱， 所述上顶板上设置有与所述定位柱相适配的定位孔， 所述试验箱系 统通过顶盖上的定位柱与上顶板上的定位孔的配合而定位； 所述试样筒固定在所述支撑架 上， 所述支撑架通过固定 螺栓固定在两条 所述立柱上。 6.根据权利要求1所述的一种 多功能渗透管涌测试装置， 其特征在于， 所述供水调节系 统包括供水箱、 第二空气压缩机和压力罐， 所述压力罐用于 向试样筒中供给设定压力的试 验用水， 所述供水箱的出水 口通过管道与所述压力罐 的进水口相连通， 压力罐 的出水口通 过管道与所述下移板的进 水口相连通， 所述第二空气 压缩机通过供气调压阀与压力罐的进 气孔相连通； 所述供水箱与压力罐之间的管道、 压力罐与下移板之间的管道上均设置有进 出水控制阀， 用于控制进出水 的开合和 流速； 所述压力罐与下移板之间的管道上还设置有 压力表、 降压阀和供水调压阀， 所述压力表用于检测压力罐输出的水压大小， 所述降压阀用 于使压力罐输出的水压降低以保持稳压供应， 所述供水调压阀用于调节水压至准确的目标 水压。 7.根据权利要求1所述的一种 多功能渗透管涌测试装置， 其特征在于， 所述顶盖为上部 封闭、 下部开口的筒体状， 筒体开口端靠近中空内侧设置有环形的下沉台阶， 筒体开口端的 外侧设置有法兰盘， 所述试样筒上与顶盖相连的位置处亦设置有法兰盘， 顶盖与试样筒通 过所述法兰盘密封相连， 所述透水板的边缘嵌设于所述下沉台阶内， 透水板的下表面与试 样筒中试验土样的上表面接触； 所述观察室为透水板与顶盖 围合的空间， 所述溢水 口设置 在顶盖筒体的筒壁上。 8.根据权利要求1所述的一种 多功能渗透管涌测试装置， 其特征在于， 所述下移板为上 端开口的筒体状， 筒体内填充砾石， 用于缓冲加压水体， 下移板筒体的开口端用透水隔砂网 封闭， 所述透水隔砂 网可透过加压水体并与试验土样底部直接接触； 下移板的进水 口设置 在其封闭下端上， 加载系统与下移板的封闭下端相连； 下移板筒体的外侧 壁上设置有密封 圈或密封气囊， 使下移板与试样筒紧密贴合。 9.一种多功能渗透管涌测试方法， 应用如权利要求1至8任一项所述的多功能渗透管涌 测试装置， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 制备试样： 往试样筒中装入原状或者重塑粘性土， 分别在试样筒两端贴上滤纸和透 水石， 固定后置于真空缸中抽真空饱和， 得到饱和土样； 根据如下公式计算土样的初始 孔隙 率n0， 单位为％： 其中， ρw为试验用水的密度， 单位为g/cm3； wsat为土样的饱和含水率， 单位为％； ρd为土 样干密度， 单位 为g/cm3； Gs为土样的比重， 无量纲； S2、 安装土样及装置： 将装有饱和土样的试样筒连接在下移板上， 将透水板、 顶盖固定 在试样筒的上部， 使饱和土样的上表 面与透水板接触， 下表 面与下移板接触， 连接供水调节 系统、 加载系统、 测量系统和出水系统； 测得土样初始高度为L， 底 面积为A， 土样顶部至 溢水 口的垂直距离为h； S3、 排空系统管路及土样中残留气体： 打开顶盖上的排气孔， 开启供水调节系统使一定 压力的水缓慢流过土样， 直至从排气孔溢出， 持续一段时间以排空管路中及土样 中的残留权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115112531 A 3