CN103061321B - 一种用于评价非饱和土渗透特性的圆锥贯入仪 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于评价非饱和土渗透特性的圆锥贯入仪，该贯入仪采用同轴电缆（1）传递信号和数据，贮水箱（2）和输水管（3）提供测试所需的水源，探头上部设有模数转换器（4）和测斜仪（5）；中部设有第一多孔不锈钢过滤环（6.1）、第二多孔不锈钢过滤环（6.2）和第三多孔不锈钢过滤环（6.3），两个压力传感器（7.1、7.2）分别安装在第一多孔不锈钢过滤环（6.1）和第二多孔不锈钢过滤环（6.2）的内部；探头的下部为侧壁摩擦筒（8）、孔隙水压力传感器（9）、孔压过滤环（10）和圆锥探头（11）。该探头具有方便、快速、准确以及可重复性高、质量控制良好等特点，为污染场地评估与岩土工程勘察实践提供有力的测试工具。

Description

一种用于评价非饱和土渗透特性的圆锥贯入仪

技术领域

本发明涉及一种非饱和土渗透特性的测定新方法，属于岩土工程和环境岩土工程测试领域中一种能够原位评价非饱和土渗透特征的多功能孔压静力触探装置。

背景技术

静力触探是指利用压力装置将有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的贯入阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测静力触探并应用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能够快速、准确地获得土层的孔隙水压力、电阻率、污染物性状、温度、甚至影像。国外已将之大量应用于环境岩土工程领域。随着我国经济的发展，城市地下水资源污染问题日益严重。污染物往往由地表浅部非饱和土往饱和土运移，因此，污染物运移规律的研究首先需要确定非饱和土的渗流特征。非饱和土中渗流特征通常采用体积含水量函数θ(h)和渗透系数函数K(h)来描述，可通过直接试验方法和间接方法获得。直接试验方法包括现场试验和室内试验。传统的现场试验如张力入渗仪试验适用范围局限在地表以上较浅的区域，且测试时间长，工作量大。室内试验方法依赖于取样技术，因此受到取样扰动和尺寸效应的影响，给出的渗透特征可靠性不强，且对污染土而言还需防止试验过程中的二次污染。因此最新的研究趋势为采用间接方法来评价非饱和土的渗透特征，其中最为常用和简便的是数值反演方法。

数值反演方法首先假定体积含水量函数θ(h)和渗透系数函数K(h)可以近似采用若干个有限未知参数的解析式来表达，赋予这些未知参数初值，然后把赋予了初值的θ(h)和K(h)代入表征瞬时流的控制方程，并联合试验可控制的边界条件和初始条件，形成可完整描述渗流状态的数学模型，最终求解该数学模型。将渗流方程的解与试验观测值进行对比和分析，改进和优化未知参数的赋值，重复上述步骤，直至模拟值与实测值之间的误差达到最小，从而确定θ(h)和K(h)。利用这一原理，结合常规孔压静力触探（CPTU）探头，本发明提出了一个可利用数值反演方法来评价非饱和土渗流特征的环境孔压静力触探探头。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对国内现有单双桥静力触探技术存在的缺陷，提出一种可用于评价非饱和土渗透特性的圆锥贯入仪。

技术方案：本发明的用于评价非饱和土渗透特性的圆锥贯入仪采用同轴电缆传递信号和数据，贮水箱和输水管提供测试所需的水源，在探头内的上部设有模数转换器和测斜仪；在探头内的中部从上至下顺序设有第一多孔不锈钢过滤环、第二多孔不锈钢过滤环和第三多孔不锈钢过滤环，第一压力传感器、第二压力传感器分别安装在第一多孔不锈钢过滤环和第二多孔不锈钢过滤环的内部；在探头内的下部为侧壁摩擦筒，在侧壁摩擦筒内设有孔隙水压力传感器，在侧壁摩擦筒的下部设有孔压过滤环，孔压过滤环的下部设有圆锥探头；贮水箱的出水口接输水管，输水管的另一端从探头上部穿入到第三多孔不锈钢过滤环。

第一多孔不锈钢过滤环、第二多孔不锈钢过滤环和第三多孔不锈钢过滤环的外径尺寸相同，第三多孔不锈钢过滤环的高度为第一多孔不锈钢过滤环、第二多孔不锈钢过滤环高度之和。

本发明的可用于评价非饱和土渗透特性的圆锥贯入仪，其渗透特征测试部分主要由贮水箱、输水管、模数转换器、多孔不锈钢过滤环、压力传感器及其内部的电路系统组成。探头贯入土层后，到达试验所需的测试点时停止贯入，打开贮水箱阀门，水经过输水管进入探头内部，探头内的水从探头中部的第三多孔不锈钢过滤环流出，进入探头周围的非饱和土中。第一多孔不锈钢过滤环和第二多孔不锈钢过滤环内部的压力传感器记录周围非饱和土在不同时刻的孔隙水压力。地表微机伺服控制系统保持第三多孔不锈钢过滤环中水头压力为常量，采集系统记录不同时刻贮水箱中累计流出的水量，以提供数值反演计算所需的参考值。通过数值模拟技术结合反演分析得到非饱和土的体积含水量函数θ(h)和渗透系数函数K(h)。

有益效果：污染物往往为由地表浅部非饱和土朝饱和土方向运移，因此，污染物运移规律的研究首先需要确定非饱和土的渗流特征。本发明解决了国内现有的单双桥静探技术不能评价地下非饱和土渗流特征的缺陷，通过贯入过程中注水试验记录的累计流出水量和一定间距处非饱和土中水压力的变化规律，能廉价、方便、快捷、原位的评价非饱和土的原位渗流特征，使得静力触探技术能更准确、全面地服务于岩土工程领域。该项技术具有可靠性和可重复性的特点。

附图说明

图1是本发明的元件装置图；

其中有：同轴电缆1、贮水箱2、输水管3、模数转换器4、测斜仪5、第一多孔不锈钢过滤环6.1、第二多孔不锈钢过滤环6.2、第三多孔不锈钢过滤环6.3、第一压力传感器7.1、第二压力传感器7.2、侧壁摩擦筒8、孔隙水压力传感器9、孔压过滤环10、圆锥探头11。

具体实施方式

本发明的可用于评价非饱和土渗流特征的环境孔压静力触探装置，其特征在于该装置采用同轴电缆1传递信号和数据，贮水箱2和输水管3提供测试所需的水源，探头上部设有模数转换器4和测斜仪5；中部设有第一多孔不锈钢过滤环6.1、第二多孔不锈钢过滤环6.2和第三多孔不锈钢过滤环6.3，第一压力传感器7.1、第二压力传感器7.2分别安装在第一多孔不锈钢过滤环6.1和第二多孔不锈钢过滤环6.2的内部；探头的下部为侧壁摩擦筒8、孔隙水压力传感器9、孔压过滤环10和圆锥探头11。

第一多孔不锈钢过滤环和第二多孔不锈钢过滤环外径尺寸为35.7mm，高为10mm，与第三多孔不锈钢过滤环的距离分别为5cm和9cm。。

第三多孔不锈钢过滤环外径尺寸为35.7mm，高为20mm。

贮水箱容积为15L。

输水管的长度为60m。

本发明的可用于评价非饱和土渗透特性的圆锥贯入仪，其渗透特征测试部分主要由贮水箱、输水管、模数转换器、多孔不锈钢过滤环、压力传感器及其内部的电路系统组成。探头贯入土层后，到达试验所需的测试点时停止贯入，打开贮水箱阀门，水经过输水管进入探头内部，探头内的水从探头中部的第三多孔不锈钢过滤环流出，进入探头周围的非饱和土中。第一多孔不锈钢过滤环和第二多孔不锈钢过滤环内部的压力传感器记录周围非饱和土在不同时刻的孔隙水压力。地表微机伺服控制系统保持第三多孔不锈钢过滤环中水头压力为常量，采集系统记录不同时刻贮水箱中累计流出的水量，以提供数值反演计算所需的参考值。通过数值模拟技术结合反演分析得到非饱和土的体积含水量函数θ(h)和渗透系数函数K(h)。

Richard方程描述了非饱和、不膨胀土中水分的运移规律，写成柱坐标形式为：

$\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂t}=\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left[\mathrm{rK}\left(h\right)\frac{\∂h}{\∂r}\right]+\frac{\∂}{\∂z}[K\left(h\right)\left(\frac{\∂h}{\∂z}\right)+1]$

式中r为径向坐标；z为竖向坐标，以向上为正；h为压力水头；t为时间；K(h)为渗透系数函数；θ(h)为体积含水量。

给定初始条件和边界条件如下：

h(r,z,t)＝h_i(r,z)t＝0

h(r,z,t)＝h₀-(z-z₀)r＝r₀z₀＜z＜z₀+L

式中h_i为土中的初始水压力；h₀为第三多孔不锈钢过滤环处给定的水头压力；z₀为第三多孔不锈钢过滤环底面坐标；L为第三多孔不锈钢过滤环高度；r₀为第三多孔不锈钢过滤环外径。

Van Genuchten推导了体积含水量函数θ(h)和渗透系数函数K(h)的表达式：

${\mathrm{\θ}}_e=\frac{\mathrm{\θ}\left(h\right)-{\mathrm{\θ}}_r}{{\mathrm{\θ}}_s-{\mathrm{\θ}}_r}=\frac{1}{{(1+{\left|\mathrm{\αh}\right|}^n)}^m}$ h＜0

θ_e＝1h≥0

$K\left(\mathrm{\θ}\right)=K_s\·{\mathrm{\θ}}_e^{0.5}{[1-{(1-{\mathrm{\θ}}_e^{1/m})}^m]}^2$ h＜0

K(θ)＝K_s h≥0

式中K(θ)即为K(h)；θ_e为有效体积含水量；K_s为土饱和时的渗透系数；θ_r为剩余体积含水量；θ_s为饱和体积含水量；α、n和m为经验系数，其中m=1-1/n。

上述模型所给出的未知量为K_s、θ_r、θ_s、α和n五个参数。采用数值模拟探头贯入试验，得到渗流量的模拟值，然后与实际贮水箱中观测到的渗流量进行对比，通过目标函数Φ(b)表征渗流量模拟值与观测值的区别。

Φ(b)＝(e^T/V_m)·e

式中V_m为观测的渗流量矢量；b为参数矢量，b=b(K_s,θ_r,θ_s,α,n)；e为误差，e=V_m-V_s；V_s为数值模拟的渗流量矢量；T表示转置。当Φ(b)最小时，可以得到非饱和土的体积含水量函数θ(h)和渗透系数函数K(h)。目前已有许多方法可使目标函数达到最小值，如最速下降法、牛顿法、高斯法以及LM法(Levenberg-Marquardt法)等，其中LM法作为标准方法而最广泛使用。

Claims (1)

1.一种用于评价非饱和土渗透特性的圆锥贯入仪，其特征在于该圆锥贯入仪采用同轴电缆(1)传递信号和数据，贮水箱(2)和输水管(3)提供测试所需的水源，在探头内的上部设有模数转换器(4)和测斜仪(5)；在探头内的中部从上至下顺序设有第一多孔不锈钢过滤环(6.1)、第二多孔不锈钢过滤环(6.2)和第三多孔不锈钢过滤环(6.3)，第一压力传感器(7.1)、第二压力传感器(7.2)分别安装在第一多孔不锈钢过滤环(6.1)和第二多孔不锈钢过滤环(6.2)的内部；在探头内的下部为侧壁摩擦筒(8)，在侧壁摩擦筒(8)内设有孔隙水压力传感器(9)，在侧壁摩擦筒(8)的下部设有孔压过滤环(10)，孔压过滤环(10)的下部设有圆锥探头(11)；贮水箱(2)的出水口接输水管(3)，输水管(3)的另一端从探头上部穿入到第三多孔不锈钢过滤环(6.3)；

第一多孔不锈钢过滤环(6.1)、第二多孔不锈钢过滤环(6.2)和第三多孔不锈钢过滤环(6.3)的外径尺寸相同，第三多孔不锈钢过滤环(6.3)的高度为第一多孔不锈钢过滤环(6.1)、第二多孔不锈钢过滤环(6.2)高度之和。