CN101813606B - 用于测定土体饱和非饱和渗透系数的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明是用于测定土体饱和非饱和渗透系数的试验方法，其特征是采用一种试验装置测定土体的饱和非饱和渗透系数，该装置由压力室2、上底座5、上陶土板6、不锈钢侧限环7、下陶土板19、下底座20、垂直压力升降轴13组成，分别将上陶土板6、下陶土板19抽气饱和，将试样17放在上陶土板6与下陶土板19之间，通过施加孔隙水压力和孔隙气压力控制试样17内部的吸力平衡，利用该装置可以较精确量测土体饱和非饱和渗透系数。该方法应用简单，测量精度高，满足一维垂直应力加载要求，可以量测土木工程中遇到的各种土质在饱和状态或非饱和状态下的渗透系数。

Description

用于测定土体饱和非饱和渗透系数的试验方法

技术领域

本发明是一种用于测定土体饱和非饱和渗透系数的试验方法，属于土木工程测试领域。

背景技术

非饱和土在我国分布广泛，地球表面广泛分布的天然沉积土，以及工程建设中遇到的土体问题，几乎都是非饱和土问题，真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到，这使得非饱和土力学的研究具有非常现实和实际的意义。水力滞后是非饱和土的一个重要特征，水力滞后通常表现在土水保持曲线的滞后性，且土水保持曲线的滞后性受到多种因素影响，如土结构，温度尤其是应力状态的影响。用来描述非饱和土水力特性的一个重要参数就是非饱和渗透系数。直接测量非饱和土渗透系数是很费时间的，目前确定非饱和土的渗透系数是通过间接方法，即由直接测出的水分特征曲线，再用经验公式计算非饱和土渗透系数的近似值。用间接方法得到的非饱和土渗透系数的近似值对所用经验公式的依赖性很大，由不同的经验公式得到的同样条件土体的渗透系数差别很大。虽然大家都知道非饱和土的渗透系数受土体的应力状态影响，但直接测量应力状态对非饱和上渗透系数影响的试验结果还未见报导，且目前国内外还没有用来专门量测非饱和渗透系数的试验方法。本发明就是一种用于测定土体在一维侧限条件下的饱和非饱和渗透系数的试验方法。

发明内容

本发明目的是提供一种用于测定土体饱和非饱和渗透系数的试验方法，用于解决土体在饱和或非饱和土条件，在一维垂直压力及侧限应力状态下的渗透系数量测问题。

本发明的技术解决方案，其特征是利用一种试验装置量测土体饱和非饱和渗透系数，该试验装置主要由压力室2、上底座5、上陶土板6、不锈钢侧限环7、下陶土板19、下底座20、垂直压力升降轴13组成。其中压力室底座21上安装有下底座20，下底座20上面安装有下陶土板19，下陶土板上面安装试样17，试样17上面是上陶土板6，上陶土板6上面安装上底座5，上底座5上面安装上顶盖4，试样17周围套有不锈钢侧限环7，不锈钢侧限环7安装在上顶盖4与压力室底座21之间，不锈钢侧限环7上下端有橡胶垫16，不锈钢侧限环7左侧上面安装有第一微型气压传感器8，下面安装有第二微型水压传感器25，右侧上面安装有第一微型水压传感器18，下面安装有第二微型气压传感器26。上底座5连接孔隙水排水管路9和孔隙气进气管路15，孔隙水排水管路9连接有第一孔隙水压传感器28和第一控制阀门27，孔隙气进气管路15连接有第二孔隙气压传感器35和第五控制阀门36，下底座20连接孔隙气排气管路12和孔隙水进水管路23，孔隙气排气管路12连接第一孔隙气压传感器30和第二控制阀门29，孔隙水进水管路23连接第二孔隙水压传感器34和第四控制阀门33，压力室连接压力室气压进气管路22，压力室气压进气管路22连接有第三孔隙气压传感器37和第六控制阀门38。压力室2安装在压力室底座21上，通过螺栓3固定，垂直加压轴1可以上下移动，并可以顶在上顶盖4上，压力室底座21一侧安装有垂直位移传感器10，压力室底座21下面的垂直压力升降轴13，通过垂直压力进水管路24为试样17提供垂直压力，通过连接的垂直位移升降翼11，由位移传感器10量测试样17的垂直位移变形量，垂直压力进水管路24连接有第三孔隙水压力传感器31和第三控制阀门32。

本发明优点：

该方法应用简单，测量精度高，满足一维垂直应力加载要求，可以量测非饱和土渗透系数，亦可量测饱和土渗透系数。

本发明适用范围：

适用于土木工程中遇到的各种土质在饱和状态下尤其是非饱和状态下渗透系数的量测。

附图说明：

图1是测定土体饱和非饱和渗透系数的方法所用试验装置的结构示意图。其中有：垂向加压轴1、压力室2、压力室螺栓3、上顶盖4、上底座5、上陶土板6、不锈钢侧限环7、第一微型气压传感器8、孔隙水排水管路9、垂直位移传感器10、垂直位移升降翼11、孔隙气排气管路12、垂直压力升降轴13、仪器底座14、孔隙气进气管路15、橡胶垫16、试样17、第一微型水压传感器18、下陶土板19、下底座20、压力室底座21、压力室气压进气管路22、孔隙水进水管路23、垂直压力进水管路24、第二微型水压传感器25、第二微型气压传感器26、第一控制阀门27、第一孔隙水压传感器28、第二控制阀门29、第一孔隙气压传感器30、第三孔隙水压传感器31、第三控制阀门32、第四控制阀门33、第二孔隙水压传感器34、第二孔隙气压传感器35、第五控制阀门36、第三孔隙气压传感器37、第六控制阀门38。

具体实施方式：

实施例：量测土体饱和与非饱和渗透系数的方法如下所示，

(1)土体饱和渗透系数的测定方法：

①分别将上陶土板6、下陶土板19和试样17抽气饱和，然后将下陶土板19安装在下底座20上，将横截面积为a高度为h₁的试样17安装在下陶土板19上，试样17上面安装上陶土板6，将不锈钢侧限环7通过橡胶垫16卡在上顶盖4和压力室底座21之间，不锈钢侧限环7左侧下面安装第二微型水压传感器25，不锈钢侧限环7右侧上面安装第一微型水压传感器18；

②将压力室2安装在压力室底座21上，拧紧压力室螺栓3，将垂直加压轴1拧下来对准上顶盖4，将垂直位移传感器10安装在垂直位移升降翼11上，并将读数归零；

③关闭第一控制阀门27、第二控制阀门29、第五控制阀门36和第六控制阀门38，打开第三控制阀门32和第四控制阀门33，通过垂直压力进水管路24施加压力，使垂直压力升降轴13上升，对试样17进行一维垂直固结，通过第三孔隙水压传感器31控制压力大小，通过垂直位移传感器10控制固结位移，待垂直位移传感器10读数每小时小于0.01mm时固结稳定，测得垂直位移量h₂，试样17高度为h＝h₁-h₂；

④打开第一控制阀门27，通过孔隙水进水管路23施加孔隙水压力p_1水，通过孔隙水排水管路9施加孔隙压力p_2水，使得差值p＝p_1水-p_2水达到试验要求的压力水头，当孔隙水进水管路23的进水量与孔隙水排水管路9的出水量差值小于或等于5mm³时，认为试样17在该状态下达到渗流稳定状态，此时测得单位时间t内流过试样17的水量为q_w，可计算得试样17在该状态下的饱和水力渗透系数k_w＝q_wh/(apt)。

(2)土体非饱和渗透系数的测定方法：

①分别将上陶土板6和下陶土板19抽气饱和，然后将下陶土板19安装在下底座20上，将横截面积为A高度为H₁的试样17安装在下陶土板19上，试样17上面安装上陶土板6，将不锈钢侧限环7通过橡胶垫16卡在上顶盖4和压力室底座21之间，不锈钢侧限环7左侧上面安装第一微型气压传感器8，下面安装第二微型水压传感器25，不锈钢侧限环7右侧上面安装第一微型水压传感器18，下面安装第二微型气压传感器26；

②将压力室2安装在压力室底座21上，拧紧压力室螺栓3，将垂直加压轴1拧下来对准上顶盖4，将垂直位移传感器10安装在垂直位移升降翼11上，并将读数归零；

③关闭第一控制阀门27、第二控制阀门29、第五控制阀门36和第六控制阀门38，打开第三控制阀门32和第四控制阀门33，通过垂直压力进水管路24施加压力，使垂直压力升降轴13上升，对试样17进行一维垂直压力固结，通过第三孔隙水压传感器31控制压力大小，通过垂直位移传感器10控制固结位移，待垂直位移传感器10读数每小时小于0.01mm时固结稳定，测得垂直位移量H₂，试样17高度为H＝H₁-H₂；

④打开第一控制阀门27、第二控制阀门29、第五控制阀门36和第六控制阀门38，通过压力室气压进气管路22施加气压P_1气，通过孔隙水进水管路23和孔隙气进气管路15同时施加孔隙压力P_1水和P_1气，通过孔隙水排水管路9施加孔隙水压力P_2水，使得差值S＝P_1气-P_1水+P_2水达到试验要求的基质吸力值，待孔隙气排气管路12有气体排出时关闭第二控制阀门29；

⑤当孔隙水进水管路23的进水量与孔隙水排水管路9的出水量差值小于或等于5mm³，第一微型气压传感器8、第一微型水压传感器18、第二微型水压传感器25和第二微型气压传感器26读数变化均小于或等于3kPa时，认为该状态为渗流稳定状态；

⑥改变孔隙水进水管路23水压力到P’_1水值，使得试样内部基质吸力值达到S’＝P_1气-P’_{1 水}+P_2水，按照步骤⑤达到渗流稳定状态后，测得单位时间T内流过试样17的水量为Q_w，可计算得试样17在该状态下的非饱和水力渗透系数K_w＝10*ln(S’/S)*Q_wH/(TA(S’-S))。

Claims (2)

1.用于测定土体饱和渗透系数的试验方法，其特征是采用一种试验装置测定土体饱和渗透系数，该装置由垂直加压轴(1)、压力室(2)、螺栓(3)、上顶盖(4)、上底座(5)、上陶土板(6)、不锈钢侧限环(7)、第一微型气压传感器(8)、孔隙水排水管路(9)、垂直位移传感器(10)、垂直位移升降翼(11)、孔隙气排气管路(12)、垂直压力升降轴(13)、孔隙气进气管路(15)、橡胶垫(16)、试样(17)、第一微型水压传感器(18)、下陶土板(19)、下底座(20)、压力室底座(21)、压力室气压进气管路(22)、孔隙水进水管路(23)、垂直压力进水管路(24)、第二微型水压传感器(25)、第二微型气压传感器(26)、第一控制阀门(27)、第二控制阀门(29)、第三孔隙水压力传感器(31)、第三控制阀门(32)、第四控制阀门(33)、第五控制阀门(36)和第六控制阀门(38)组成，利用该装置测定土体饱和渗透系数的试验方法如下，

①分别将上陶土板(6)、下陶土板(19)和试样(17)抽气饱和，然后将下陶土板(19)安装在下底座(20)上，将横截面积为a高度为h₁的试样(17)安装在下陶土板(19)上，试样(17)上面安装上陶土板(6)，将不锈钢侧限环(7)通过橡胶垫(16)卡在上顶盖(4)和压力室底座(21)之间，不锈钢侧限环(7)左侧下面安装第二微型水压传感器(25)，不锈钢侧限环(7)右侧上面安装第一微型水压传感器(18)；

②将压力室(2)安装在压力室底座(21)上，拧紧压力室螺栓(3)，将垂直加压轴(1)拧下来对准上顶盖(4)，将垂直位移传感器(10)安装在垂直位移升降翼(11)上，并将读数归零；

③关闭第一控制阀门(27)、第二控制阀门(29)、第五控制阀门(36)和第六控制阀门(38)，打开第三控制阀门(32)和第四控制阀门(33)，通过垂直压力进水管路(24)施加压力，使垂直压力升降轴(13)上升，对试样(17)进行一维垂直固结，通过第三孔隙水压传感器(31)控制压力大小，通过垂直位移传感器(10)控制固结位移，待垂直位移传感器(10)读数每小时小于0.01mm时固结稳定，测得垂直位移量h₂，试样(17)高度为h＝h₁-h₂；

④打开第一控制阀门(27)，通过孔隙水进水管路(23)施加孔隙水压力p_1水，通过孔隙水排水管路(9)施加孔隙压力p_2水，使得差值p＝p_1水-p_2水达到试验要求的压力水头，当孔隙水进水管路(23)的进水量与孔隙水排水管路(9)的出水量差值小于或等于5mm³时，认为试样(17)在该状态下达到渗流稳定状态，此时测得单位时间t内流过试样(17)的水量为q_w，可计算得试样(17)在该状态下的饱和水力渗透系数k_w＝q_wh/(apt)。

2.用于测定土体非饱和渗透系数的试验方法，其特征是采用如权利要求1中所述的试验装置测定土体非饱和渗透系数，利用该装置测定非饱和渗透系数的试验方法如下，

①分别将上陶土板(6)和下陶土板(19)抽气饱和，然后将下陶土板(19)安装在下底座(20)上，将横截面积为A高度为H₁的试样(17)安装在下陶土板(19)上，试样(17)上面安装上陶土板(6)，将不锈钢侧限环(7)通过橡胶垫(16)卡在上顶盖(4)和压力室底座(21)之间，不锈钢侧限环(7)左侧上面安装第一微型气压传感器(8)，下面安装第二微型水压传感器(25)，不锈钢侧限环(7)右侧上面安装第一微型水压传感器(18)，下面安装第二微型气压传感器(26)；

②将压力室(2)安装在压力室底座(21)上，拧紧压力室螺栓(3)，将垂直加压轴(1)拧下来对准上顶盖(4)，将垂直位移传感器(10)安装在垂直位移升降翼(11)上，并将读数归零；

③关闭第一控制阀门(27)、第二控制阀门(29)、第五控制阀门(36)和第六控制阀门(38)，打开第三控制阀门(32)和第四控制阀门(33)，通过垂直压力进水管路(24)施加压力，使垂直压力升降轴(13)上升，对试样(17)进行一维垂直压力固结，通过第三孔隙水压传感器(31)控制压力大小，通过垂直位移传感器(10)控制固结位移，待垂直位移传感器(10)读数每小时小于0.01mm时固结稳定，测得垂直位移量H₂，试样(17)高度为H＝H₁-H₂；

④打开第一控制阀门(27)、第二控制阀门(29)、第五控制阀门(36)和第六控制阀门(38)，通过压力室气压进气管路(22)施加气压P_1气，通过孔隙水进水管路(23)和孔隙气进气管路(15)同时施加孔隙压力P_1水和P_1气，通过孔隙水排水管路(9)施加孔隙水压力P_{2 水}，使得差值S＝P_1气-P_1水+P_2水达到试验要求的基质吸力值，待孔隙气排气管路(12)有气体排出时关闭第二控制阀门(29)；

⑤当孔隙水进水管路(23)的进水量与孔隙水排水管路(9)的出水量差值小于或等于5mm³，第一微型气压传感器(8)、第一微型水压传感器(18)、第二微型水压传感器(25)和第二微型气压传感器(26)读数变化均小于或等于3kPa时，认为该状态为渗流稳定状态；

⑥改变孔隙水进水管路(23)水压力到P′_1水值，使得试样内部基质吸力值达到S′＝P_1气-P′_1水+P_2水，按照步骤⑤达到渗流稳定状态后，测得单位时间T内流过试样(17)的水量为Q_w，可计算得试样(17)在该状态下的非饱和渗透系数K_w＝10*ln(S′/S)*Q_wH/(TA(S′-S))。

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