CN104458529B - 一种多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置 - Google Patents

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Abstract

一种多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置，实验装置平台的中部设有若干个透水孔，对应透水孔上的实验装置平台的上表面连有长方体可拆卸式刚性护壁，下表面装有水压可调的密闭式承压水容器，所述长方体可拆卸式刚性护壁的外壁设有若干个预留孔，所述承压水容器和密闭供水箱通过气压阀连接加压泵。本发明采用上述技术方案之后，取得的有益效果包括：通过调节加压泵、流量控制阀，控制雨强与降雨历时实现对各类降雨工况的模拟，通过刚性护壁预留孔插入的传感器可实时监测雨水或地下水位抬升过程中非饱和土含水量、基质吸力等物理力学参数。

Description

一种多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置
技术领域
本发明涉及到一种雨水入渗模拟试验装置，尤其涉及一种多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置。
背景技术
工程中常接触的第四纪土大多是低含水量土，其性状并不符合经典饱和土力学的原理和概念。多年来，相关领域的科研以及工程实践人员从不同方面对非饱和土的性质、性质的测定方法等投入了大量的精力并取得了丰硕的成果。然而，当水在非饱和土体中渗透时，水的渗透变化过程也伴随着非饱和土的吸力、渗透系数等发生着变化，且这些变化难以直接观测。然而使用室内模拟试验却可以有效地进行测定，它是非饱和土研究不可或缺的手段。所以，水在非饱和土体中的渗透试验对于非饱和土基础理论的研究和工程应用研究，特别是对入渗过程中非饱和土的物理力学参数的测定，无疑是非常重要的。
目前，大多数非饱和土渗透试验装置，其设备只能模拟稳态渗流情形，即只考虑向非饱和土试样中直接注水以实现水由高到低的渗透，模拟工况为水从饱和状态向非饱和状态渗透，这与雨水在土体中从高含水量的非饱和状态向低含水量的非饱和状态渗透存在显著著差异；此外，现有模拟试验设备并不能模拟不同强度的降雨及承压水在非饱和土中的渗透情况；再者，目前大多数非饱和土渗透试验装置采用的试验方式单一、所得数据代表性不强，不能很好地满足试验目的和要求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是设计一种多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置，该装置可以模拟更加贴合实际工况的瞬态流；可以测定各类降雨工况或承压水升降导致的非饱和土渗流情况，并能够通过试验测定与数学计算相结合的方法定量计算各测点的相关渗透参数。
为实现上述目的，本发明是这样实现的，一种多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置，它包括流量计、喷头、排水板、实验装置平台、输水管、密闭供水箱、气压阀、加压泵、承压水容器、吸力计、土壤水分传感器、透水石、透水土工布、非饱和土试样、减震器、透水土工布二、长方体可拆卸式刚性护壁，其特征在于：实验装置平台的中部设有若干个透水孔，对应透水孔上的实验装置平台的上表面连有长方体可拆卸式刚性护壁，所述长方体可拆卸式刚性护壁的外壁设有若干个预留孔，所述对应透水孔上的实验装置平台的下表面连有承压水容器，所述长方体可拆卸式刚性护壁内自下而上依次设置有减震器、透水土工布二、非饱和土试样、透水土工布和透水石，正对透水石的上方连有喷头，所述长方体可拆卸式刚性护壁的预留孔布置吸力计和土壤水分传感器，所述喷头通过输水管连接密闭供水箱，所述承压水容器和密闭供水箱通过气压阀连接加压泵。
所述长方体可拆卸式刚性护壁的顶端一圈连有排水板，排水板的底端通过导流管连接集水容器。
所述输水管固定在可伸缩中空支架内，可伸缩中空支架的竖直固定在实验装置平台上。
所述减震器紧靠实验装置平台，减缓振动的目的在于防止装样击实时造成的过大振动或可能对试验平台造成的损害。
所述喷头上还设有流量计，流量可通过气压阀进行调整。
所述长方体可拆卸式刚性护壁、承压水容器与实验装置平台连接处都设有防漏水橡胶垫圈。
所述的长方体可拆卸式刚性护壁的槽体横截面为方形，可使非饱和土试样更加均匀，所述槽体较长面的高度为80-120cm。
喷头与可调高度的中空管内的输水管相连，输水管起始位置配置压力可调的增压泵，以便模拟不同的降雨工况。
所述吸力计、土壤水分传感器传输检测数据，以便实时地监测非饱和土体的渗透过程，并通过数据采集得到相关的渗透参数。同时可通过扩展其它传感器，实现对试样内部轴压、围压及轴向变形等参数的测量。
本发明采用上述技术方案之后，取得的有益效果包括：1.通过调节加压泵、流量控制阀，控制雨强与降雨历时实现对各类降雨工况的模拟；2.通过承压水控制系统，可以模拟因承压水升降或承压水压力变化造成的孔隙水自下而上渗透；3.可以实现对非饱和土渗透过程进行监测；4.实时测定非饱和土的渗透参数。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的俯视图。
在图中，1- 流量计 2- 喷头 3- 排水板 4- 导流管 5- 集水容器 6- 实验装置平台 7- 滚动支座 8- 可伸缩中空支架 9- 输水管 10- 伸缩节 11- 密闭供水箱 12- 气压阀 13- 加压泵 14- 承压水容器 15- 紧固螺栓 16- 吸力计 17- 土壤水分传感器 18-透水石 19- 透水土工布 20- 非饱和土试样 21- 减震器 22- 透水土工布二 23- 长方体可拆卸式刚性护壁 24- 击实器。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明是这样实现的，实验装置平台6的中部设有若干个透水孔，对应透水孔上的实验装置平台6的上表面连有长方体可拆卸式刚性护壁23，所述长方体可拆卸式刚性护壁23的外壁设有若干个预留孔，所述对应透水孔上的实验装置平台的下表面连有承压水容器14，所述长方体可拆卸式刚性护壁23内自下而上依次设置有减震器21、透水土工布二22、非饱和土试样20、透水土工布19和透水石18，正对透水石18的上方连有喷头2，所述长方体可拆卸式刚性护壁23的预留孔布置吸力计16和土壤水分传感器17，所述喷头2通过输水管9连接密闭供水箱11，所述承压水容器14和密闭供水箱11通过气压阀12连接加压泵13。所述长方体可拆卸式刚性护壁23的顶端一圈连有排水板3，排水板3的底端通过导流管4连接集水容器5。所述输水管9固定在可伸缩中空支架8内，可伸缩中空支架的竖直固定在实验装置平台上，可伸缩中空支架8由若干个伸缩节10组成。所述减震器21紧靠实验装置平台6，减缓振动的目的在于防止装样击实时造成的过大振动或可能对试验平台造成的损害。所述喷头2上还设有流量计1。所述长方体可拆卸式刚性护壁、承压水容器与实验装置平台连接处都设有防漏水橡胶垫圈。所述的长方体可拆卸式刚性护壁的槽体横截面为方形，可使非饱和土试样更加均匀，所述槽体较长面的高度为80-120cm。
本发明所需要的设备中，击实器24应该做成底面边长与刚性护壁尺寸相符，击锤底部横截面亦为方形，击锤质量为2.5~6.5kg，落距0.60m。
本发明采用的试样尺寸较大，这样可以更好的模拟实际工况，并且可以使试样更具代表性。所述的可拆卸式刚性护壁23组成的槽体横截面为方形。方形设计可实现水平状态下制样，并使非饱和土试样20更加均匀。所述槽体较长面的高度为80-120cm，本例中采用高度为105cm，槽体内表面横截面方形边长为60cm。
排水板3要固定在可拆卸式刚性护壁23上，装非饱和土试样之前，将刚性护壁23、实验装置平台6、承压水容器14用紧固螺栓15拧紧。刚性护壁23与试验装置平台6之间，试验装置平台6与承压水容器14之间均应有橡胶垫圈，以保证此三个构件之间紧密接触。
在由刚性护壁23构成的槽内，先放入减震器21，以免在接下来非饱和土试样装样过程中击实器的击实造成过大的振动或实验装置平台6的损伤。减震器21之上放透水土工布22，之后装非饱和土试样。最后在非饱和土试样20上自下而上放置透水土工布19和透水石18。在刚性护壁23上的预留孔内间隔布置吸力计16和土壤水分传感器17。
制备非饱和土试样时，首先根据装在系统容积，通过试算的方式确定土样质量，进而通过夯实确定试验所需土样的干密度和初始含水量。击实过程参照《土工试验规程》（SL237-1999）。
在模拟降雨在非饱和土体中的入渗时，装好试样后，关闭阀门12，关闭流量计1，加压泵13处于关闭状态，根据雨强选用合适的喷头2，通过调节伸缩节10，将降雨装置调整到合适的高度。之后依次打开流量计1、连接降雨系统的阀门12（提供承压水的阀门仍然处于关闭状态），之后打开加压泵13并调至适当的压力。实验过程中，可根据降雨强度与降雨时间对试验进行控制。
在模拟承压水在非饱和土体中的渗透时，装好试样后，先打开连接承压水容器14的阀门12 （连接降雨系统的阀门处于关闭状态）再打开压力泵13。
无论模拟降雨在非饱和土体中的入渗或模拟承压水在非饱和土体中的渗透，从试验开始至结束，吸力计16、土壤水分传感器17以及数据采集与处理系统始终处于工作状态。由计算机实时采集相关试验参数，该试验最终需获取的瞬态渗透系数、土-水特征曲线可通过数值计算得到。

Claims (5)

1.一种多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置，它包括流量计、喷头、排水板、实验装置平台、输水管、密闭供水箱、气压阀、加压泵、承压水容器、吸力计、土壤水分传感器、透水石、透水土工布、非饱和土试样、减震器、透水土工布二和长方体可拆卸式刚性护壁，其特征在于：实验装置平台的中部设有若干个透水孔，对应透水孔上的实验装置平台的上表面连有长方体可拆卸式刚性护壁，下表面连有水压可调的密闭式承压水容器；所述长方体可拆卸式刚性护壁的外壁设有若干个预留孔；所述对应透水孔上的实验装置平台的下表面连有承压水容器；所述长方体可拆卸式刚性护壁内自下而上依次设置有减震器、透水土工布二、非饱和土试样、透水土工布和透水石；正对透水石的上方连有降雨模拟喷头；所述长方体可拆卸式刚性护壁的预留孔布置吸力计和土壤水分传感器；所述喷头通过输水管连接密闭供水箱；所述承压水容器和密闭供水箱通过气压阀连接加压泵；喷头上设有流量计；所述长方体可拆卸式刚性护壁、承压水容器与实验装置平台连接处都设有防漏水橡胶垫圈。
2.根据权利要求1所述的所述多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置，其特征在于：所述长方体可拆卸式刚性护壁的顶端一圈连有排水板，排水板的底端通过导流管连接集水容器。
3.根据权利要求1所述的所述多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置，其特征在于：输水管固定在可伸缩中空支架内，可伸缩中空支架的竖直固定在实验装置平台上。
4.根据权利要求1所述的所述多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置，其特征在于：减震器紧靠实验装置平台，用于降低非饱和土制样过程中击实器对平台的冲击。
5.根据权利要求1所述的所述多功能室内非饱和土雨水入渗模拟试验装置，其特征在于：所述的长方体可拆卸式刚性护壁的槽体横截面为方形，可使非饱和土试样更加均匀，所述槽体较长面的高度为80-120cm。
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