CN101813603B - 基于电渗的土体渗透系数测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
基于电渗的土体渗透系数测量方法及装置涉及土体渗透系数的测量技术领域。其特征是，将饱和试样装在绝缘材料圆筒状容器中，饱和试样一端用阴极密封电极板密封，另一端用阳极透水电极板与储水箱隔离，将储水箱中注满水，在阴极电极板和阳极电极板之间施加直流电压，饱和试样在电渗作用下快速形成反向水力梯度，水力梯度与电势梯度快速达到平衡，测得平衡状态下的电势梯度ie和水力梯度ih，电渗系数ke已知，根据平衡状态下耦合出流keie+khih＝0，计算得到土体渗透系数kh。本发明可极大减少低渗透性粘性土渗透系数的量测时间，提高量测效率和量测结果的准确性，并有效降低成本，量测装置自动化程度高，试验简便易行，利于推广。
Description
技术领域
本发明涉及土体渗透系数的测量技术领域，尤其适用于低渗透性土体渗透系数的测量。
背景技术
土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性，渗透性是土体的主要力学性质之一。土体的渗透性直接关系到工程的经济效益和安全特性。自从一百多年前法国工程师达西通过大量的均匀砂渗流试验得出达西定律之后，土体的渗透系数就成为描述土体渗透性的基本参数。
一直以来，对于土体渗透系数的测量，原理上基本没有变化，都是通过量测一定时间和水力坡降下渗透通过土体的水量来计算渗透系数。首先制作均匀的饱和试样，通常制成圆柱形，横截面积和长度可以方便测量。然后在试样两端加上一定的水头差，使水从高水头处流向低水头处，记录一定时间内流经试样的水量和水头的变化量，进而计算得到渗透系数。目前有2种测量渗透系数的方法，分别为常水头方法和变水头方法。
19世纪人们发现了电渗现象并对其产生机理进行了研究，到20世纪之后，电渗已经应用于实际工程中，包括加固铁路地基、斜坡、堤岸和水坝等。国内在20世纪50年代末期对电渗降水和地基加固进行了试验研究，并在实践方面也取得了良好的效果。
电渗是指在湿的土体上施加电势差，阳离子被水分子包裹着吸引到阴极，阴离子被水分子包裹着吸引到阳极，平衡后一般产生阴极的电渗净流现象。电渗处理可以加速土体的排水固结，对于提高细粒土的抗剪强度和稳定性非常有效。
电渗系数与土体颗粒大小无关，其数值落在10-5-10-4cm2/v·s范围内。土体的水力渗透系数则主要取决于土体颗粒粒径大小。从细砂、粉质粘土到钠蒙脱土，土体渗透系数变化达5～7个数量级，而且渗透系数常规测量方法误差较大，一般可达1个数量级。
通过测量透水量来计算土体渗透系数的方法简便易行，但对于渗透性非常小的粘性土，其渗透过程非常缓慢，导致测量过程历经的时间非常长，效率低，测量成本大，同时测量结果也不准确。
发明内容
为了解决粘性土渗透系数测量时间过长以及测量结果不准确的问题，本发明提供了一种基于电渗的土体渗透系数测量方法和相应测量装置。使用本方法测量土体渗透系数，无需经历缓慢的渗透过程，因而可大大缩短测量时间、提高效率以及提高测量结果的准确性。
基于电渗的土体渗透系数测量方法，其特征在于，将饱和试样(7)装在绝缘材料圆筒状容器(4)中，饱和试样一端用阴极不透水电极板(10)密封，另一端用阳极透水电极板(3)与储水箱(13)隔离，将储水箱(13)中注满水，在阴极不透水电极板(10)和阳极透水电极板(3)之间施加直流电压，饱和试样(7)在电渗的作用下快速形成反向水力梯度，水力梯度与电势梯度快速达到平衡状态，测得平衡状态下的电势梯度ie和水力梯度ih，电渗系数ke已知，根据平衡状态下耦合出流keie+khih＝0，计算得到土体渗透系数kh。
基于电渗的土体渗透系数测量装置，其特征在于，含有一个绝缘材料圆筒状容器(4)，其一端用不透水绝缘盖(12)密封，另一端用阴极不透水电极板(10)密封，所述绝缘材料圆筒状容器(4)内装饱和试样(7)，饱和试样(7)一端以所述阴极不透水电极板(10)密封，另一端用一块阳极透水电极板(3)隔离，在所述阳极透水电极板(3)上开有透水孔；所述阳极透水电极板(3)与绝缘盖(12)之间形成储水箱(13)，储水箱(13)上开有注水孔(14)；所述阴极不透水电极板(10)和阳极透水电极板(3)连接直流电源；沿绝缘材料圆柱体的轴向两边分别开有电势量测孔(5)和孔隙水压力量测孔(8)，电势量测导线(6)通过电势量测孔(5)插入饱和试样(7)中，孔压传感器(9)通过孔隙水压力量测孔(8)布置进入饱和试样(7)中，电势量测导线(6)和孔压传感器(9)在饱和试样(7)中布置的方向与有绝缘圆柱体的轴向垂直；电势量测导线(6)与孔压传感器(9)的输出端均通过数据采集卡与计算机相连。
所述阳极透水电极板(3)上的透水孔，紧贴饱和试样的一侧的孔径小于靠储水箱(13)一侧的孔径。
所述电势量测导线(6)插入饱和试样(7)的深度以到达饱和试样(7)中心处最佳。
所述孔压传感器(9)在饱和试样(7)中的深度以没入饱和试样(7)为最佳。
所述电势量测孔(5)之间等距。
所述孔隙水压力量测孔(8)之间等距。
本发明的有益效果是，可以极大的减少低渗透性粘性土渗透系数的量测时间，提高量测效率和量测结果的准确性，并有效降低了成本，量测装置自动化程度较高，试验简便易行，利于推广。
附图说明
图1是基于电渗的土体渗透系数量测装置示意图；
图2是透水电极板正反面详图；
图3是量测孔详图。
图中1.直流电源，2.导线，3.阳极透水电极板，4.绝缘材料圆筒状容器，5.电势量测孔，5-1.玻璃胶封口，5-2.止水橡胶垫圈，6.电势量测导线，7.饱和试样，8.孔隙水压力量测孔，9.孔压传感器，10.阴极不透水电极板，11.多功能数据采集卡，12.不透水绝缘盖，13.储水箱， 14.注水孔。
具体实施方式
本发明的技术方案是：对饱和试样两端施加电压，试样在电渗的作用下快速形成反向水力梯度，水力梯度与电渗流很快达到平衡状态，此状态下耦合出流keie+khih＝0，式中ke和kh分别为电渗系数和土体水力渗透系数，ie和ih分别为电势梯度和水力梯度。测量平衡状态下不同位置的电势和孔隙水压力可以计算得到电势梯度和水力梯度，ke变化范围较小，可以通过文献资料或常规电渗试验获得，在获知ie、ih和ke后，根据此方程可计算得土体渗透系数kh。ie和ih
详细方案为，采用绝缘材料制成圆筒状容器，在容器中制成圆柱形试样后饱和，在试样两端加上圆形电极板并施加一定直流电压，其中阳极端的电极板为透水电极，阴极端的电极板为不透水电极。饱和土体在电势梯度作用下产生电渗现象，由于阴极端不透水土体中将形成孔隙水压力梯度，电渗流和水力梯度作用下的渗流达到平衡状态。试样容器沿轴向设有电势量测孔和孔隙水压力量测孔，量测孔均用玻璃胶封闭使孔隙水不发生泄漏。量测沿程电势分布和水压力分布，即可根据平衡方程计算得出土体渗透系数。土体沿程的孔隙水压力和电势的测量通过与计算机相连的多功能数据采集卡(11)进行数据自动采集实现，水力梯度、电势梯度和渗透系统的计算通过计算机软件实现。
下面结合附图进一步说明。
在图1中，绝缘材料采用有机玻璃，绝缘材料圆筒状容器(4)左右两端通透，沿其轴向两边等距离开有电势量测孔(5)和孔隙水压力量测孔(8)，孔体本身由有机玻璃管加工而成，量测孔(5)、(8)体底部与有机玻璃圆柱体(4)内表面平齐，将对土体试样的影响降到最低。电势量测孔和水压力量测孔的位置是否等距不影响电势梯度和水力梯度计算结果，但一般设计制作时可以采用等距分布以便于测量和计算。
在-绝缘材料圆筒状容器(4)中制成土体试样，以蒸馏水饱和，并在两端加上电极板。饱和试样(7)左端为阳极透水电极板(3)，透水电极板正反面透水孔大小不一样，以孔径小的一面贴着饱和试样(7)。右端为阴极不透水电极板(10)，电极板与绝缘材料圆筒状容器(4)之间采用玻璃胶止水。
在图1中，绝缘材料圆筒状容器(4)的阳极透水电极板(3)侧由不透水绝缘盖(12)密封，与阳极透水电极板(3)留有一定空间，形成储水箱(13)，由注水孔(14)注满蒸馏水。
在图1中，量测导线(6)通过电势量测孔(5)插入饱和试样(7)中，插入深度以饱和试样(7)半径为宜，插入过程中应保持量测导线(6)与饱和试样(7)轴向垂直。孔压传感器(9)通过孔隙水压力量测孔(8)布置进入饱和试样(7)中，深度以没入试样(7)为宜，布置过程应保持孔压传感器(9)与量测孔(8)垂直于饱和试样(7)轴向。量测导线(6)与孔压传感器(9)布置完成后，量测孔(5)、(8)应采用玻璃胶和止水橡胶垫圈封闭止水。
在图1中，量测电势与孔压的导线(6)通过多功能数据采集卡(11)与计算机相连，试验过程中，电势与孔隙水压力可以自动读数并保存于计算机中。
在图1中，通过直流电源(1)在阳极透水电极板(3)和阴极不透水电极板(10)之间施加一电压(为保证安全，直流电压一般小于30V)。电压通过两电极板(3)和(10)在饱和试样(7)中形成一电场。在电场作用下，土体中会产生孔隙水压力梯度，从而与电势梯度引起的电渗流平衡。量测试验过程中量测孔位置的电势和孔隙水压力，可计算得到电势梯度ie和水力梯度ih，平衡状态下有keie+khih＝0，电渗系数ke基本不变，由此可计算得到土体渗透系数kh。
在图2中，阳极透水电极板(3)通过一端大一端小的孔隙透水，一方面保证了其渗透性良好，一方面又防止了土体颗粒流出。此电极板(3)在安装时使孔径小的一面贴着土体试样。
在图3中，量测孔(5)、(8)与量测导线(6)之间的空隙使用玻璃胶(5-1)和橡胶垫圈(5-2)止水。
实测例子：以高岭土制成20cm长饱和试样，两端加电压10V，电势梯度为ie＝0.5V/cm，经试验装置测量得两端水头差为89.4cm，计算可得水力梯度为ih＝4.47，高岭土电渗系数ke为10-5cm2/v·s，根据水流平衡公式计算可得kh＝(10-5cm2/v·s×0.5v/cm)/4.47＝1.1×10-6cm/s。
Claims (7)
1.基于电渗的土体渗透系数测量方法，其特征在于，将饱和试样(7)装在绝缘材料圆筒状容器(4)中，饱和试样一端用阴极不透水电极板(10)密封，另一端用阳极透水电极板(3)与储水箱(13)隔离，将储水箱(13)中注满水，在阴极不透水电极板(10)和阳极透水电极板(3)之间施加直流电压，饱和试样(7)在电渗的作用下快速形成反向水力梯度，水力梯度与电势梯度快速达到平衡状态，测得平衡状态下的电势梯度ie和水力梯度ih，电渗系数ke已知，根据平衡状态下耦合出流keie+khih＝0，计算得到土体渗透系数kh。
2.基于电渗的土体渗透系数测量装置，其特征在于，含有一个绝缘材料圆筒状容器(4)，其一端用不透水绝缘盖(12)密封，另一端用阴极不透水电极板(10)密封，所述绝缘材料圆筒状容器(4)内装饱和试样(7)，饱和试样(7)一端以所述阴极不透水电极板(10)密封，另一端用一块阳极透水电极板(3)隔离，在所述阳极透水电极板(3)上开有透水孔；所述阳极透水电极板(3)与绝缘盖(12)之间形成储水箱(13)，储水箱(13)上开有注水孔(14)；所述阴极不透水电极板(10)和阳极透水电极板(3)连接直流电源；沿绝缘材料圆柱体的轴向两边分别开有电势量测孔(5)和孔隙水压力量测孔(8)，电势量测导线(6)通过电势量测孔(5)插入饱和试样(7)中，孔压传感器(9)通过孔隙水压力量测孔(8)布置进入饱和试样(7)中，电势量测导线(6)和孔压传感器(9)在饱和试样(7)中布置的方向与有绝缘圆柱体的轴向垂直；电势量测导线(6)与孔压传感器(9)的输出端均通过数据采集卡与计算机相连。
3.如权利要求2所述的基于电渗的土体渗透系数测量装置，其特征在于，所述阳极透水电极板(3)上的透水孔，紧贴饱和试样的一侧的孔径小于靠储水箱(13)一侧的孔径。
4.如权利要求2所述的基于电渗的土体渗透系数测量装置，其特征在于，所述电势量测导线(6)插入饱和试样(7)的深度以到达饱和试样(7)中心处最佳。
5.如权利要求2所述的基于电渗的土体渗透系数测量装置，其特征在于，所述孔压传感器(9)在饱和试样(7)中的深度以没入饱和试样(7)为最佳。
6.如权利要求2所述的基于电渗的土体渗透系数测量装置，其特征在于，所述电势量测孔(5)之间等距。
7.如权利要求2所述的基于电渗的土体渗透系数测量装置，其特征在于，所述孔隙水压力量测孔(8)之间等距。
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2010
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