CN101813607B - 一维侧限加载水力渗透系数测试仪 - Google Patents

一维侧限加载水力渗透系数测试仪 Download PDF

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Abstract

本发明是一维侧限加载水力渗透系数测试仪，其特征是该测试仪由垂向加压轴(1)、压力室(2)、上底座(5)、上陶土板(6)、第一微型气压传感器(8)、垂直位移传感器(10)、垂直位移升降翼(11)、第一微型水压传感器(18)、下陶土板(19)、下底座(20)、第二微型水压传感器(25)、第二微型气压传感器(26)组成，其中压力室(2)、仪器底座(14)、垂直位移升降翼(11)、下底座(20)均采用不锈钢材料，上底座(5)采用高强度树脂材料，上底座(5)和下底座(20)均采用螺旋线型的排水槽结构，上陶土板(6)与下陶土板(19)的进气值均要求大于1500kPa。该仪器制造简单，测量精度高，满足一维垂直应力加载要求，适用于土木工程中遇到的各种土质在非饱和状态下的渗透系数量测。

Description

一维侧限加载水力渗透系数测试仪
技术领域
本发明是一种土工测试仪器，属于土木工程仪器测试领域。
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仪器。本发明就是用来测定土体在一维侧限条件下的非饱和土渗透系数的试验仪器。
发明内容
本发明目的是提供一种一维侧限加载水力渗透系数测试仪，用于解决非饱和土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，其特征是一种水力渗透系数测试仪主要由垂向加压轴1、压力室2、上底座5、上陶土板6、第一微型气压传感器8、垂直位移传感器10、垂直位移升降翼11、第一微型水压传感器18、下陶土板19、下底座20、第二微型水压传感器25、第二微型气压传感器26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。
压力室2、仪器底座14、垂直位移升降翼11、下底座20均采用不锈钢材料，上底座5采用高强度树脂材料，上底座5和下底座20均采用螺旋线型的排水槽结构。上陶土板6与下陶土板19的进气值均要求大于1500kPa，渗透系数均大于10-8cm/s，孔隙水排水管路9、孔隙气排气管路12、孔隙气进气管路15、孔隙水进水管路23均采用尼龙管材料，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、第二微型气压传感器26的外壳均采用钛合金材料，内部过滤片均采用陶瓷材料，测量介质均采用与硅、钛、环氧粘合剂兼容的液体，量程均要求大于1.5MPa，测量精度均要求达到±5kPa，重量均要求小于10g。垂直位移传感器10量程要求大于70mm，精度要求达到±0.01mm。
本发明优点：
仪器制造简单，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。
本发明适用范围：
适用于土木工程中遇到的各种土质在非饱和状态下渗透系数的量测。
附图说明：
图1是一维侧限加载水力渗透系数测试仪结构示意图。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。
图2是上底座5与下底座20的螺旋线型排水槽结构示意图。
具体实施方式：
实施例：量测非饱和土渗透系数的方法如下所示，
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，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、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、第六控制阀门38，通过压力室气压进气管路22施加气压P1气，通过孔隙水进水管路23和孔隙气进气管路15同时施加孔隙水压力P1水和P1气，通过孔隙水排水管路9施加孔隙水压力P2水，使得差值S＝P1气-P1水+P2 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的出水量差值在5mm3范围内，此时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、第二微型气压传感器26读数稳定时，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’＝P1气-P’1 水+P2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Qw，可计算得试样17在该状态下的非饱和水力渗透系数Kw＝10*ln(S’/S)*QwH/(TA(S’-S))。

Claims (1)

1.一维侧限加载水力渗透系数测试仪，其特征是该测试仪由垂向加压轴(1)、压力室(2)、上底座(5)、上陶土板(6)、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)、仪器底座(14)、孔隙气进气管路(15)、第一微型水压传感器(18)、下陶土板(19)、下底座(20)、孔隙水进水管路(23)、第二微型水压传感器(25)、第二微型气压传感器(26)组成；其中压力室(2)、仪器底座(14)、垂直位移升降翼(11)和下底座(20)均采用不锈钢材料；上底座(5)采用高强度树脂材料，上底座(5)和下底座(20)均采用螺旋线型的排水槽结构；上陶土板(6)与下陶土板(19)的进气值均要求大于1500kPa，渗透系数均要求大于10-8cm/s；孔隙水排水管路(9)、孔隙气排气管路(12)、孔隙气进气管路(15)和孔隙水进水管路(23)均采用尼龙管材料；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)的外壳均采用钛合金材料，内部过滤片均采用陶瓷材料，测量介质均采用与硅、钛、环氧粘合剂兼容的液体，量程均要求大于1.5MPa，测量精度均要求达到±5kPa，重量均要求小于10g；垂直位移传感器(10)量程要求大于70mm，测量精度要求达到±0.01mm。
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