CN104568696A - 一种快速测定粗粒土渗透系数的装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

一种快速测定粗粒土渗透系数的装置及测定方法,其装置的组成是：圆柱形的且无底无盖的土样筒(1)，土样筒(1)置于圆形透水板(2)上，圆形透水板(2)通过支撑架(3)置于集水容器(4)内。该装置易于构造，可快速、方便的测定出粗粒土的渗透系数，尤其适合施工现场使用。

Description

一种快速测定粗粒土渗透系数的装置及测定方法

技术领域

本发明涉及一种测定粗粒土渗透系数的装置及方法，属于土工试验技术领域。

背景技术

土中孔隙相互连通时可形成透水通道，虽然这些通道很不规则，且往往很狭窄，但水可以靠重力沿着这些通道在土中流动。水在土孔隙通道中流动的现象，叫做水的渗流；土可以被水透过的性质，称为土的渗透性或透水性，它是土的力学性质之一。土的渗透系数是评定土渗透性大小的参数，土的渗透系数越大，则透水性越强；反之，则越弱。

粗粒土的渗透系数约为10^-2～10^-4cm/s，是一种透水性较好的材料，可以通过渗透仪渗水的方式直接测定其渗透系数，即常水头渗透测试试验：粗粒土在圆柱形的渗透仪内分层制样饱和后，水由上部注入渗透仪，调整渗透仪下部出水口高度以施加常水头(常水压)，读取渗透仪侧壁上的两个测压管的水位差(水压差)Δh，将该水位差Δh除以两个测压管在渗透仪侧壁上的垂直间距L得到单位流程的水头损失即水力梯度i；同时用量筒接取、测量出渗透仪下部出水口单位时间流出的渗透水量q，由达西定律q＝k·i·A算出其渗透系数k。(式中A为渗透仪内腔的横截面面积)。这种方法测试结果精确，在室内的实验室测试中使用广泛。但其存在以下问题：需要专门的渗透仪，测试不方便。由于侧壁上的两个测压管孔径小，渗透水渗入测压管缓慢、两个测压管的的水位上升至达到平衡的稳定水位点的时间长，导致测试时间长。无法满足野外工程现场，简单、快速测定粗粒土的渗透系数的要求。

发明内容

本发明的第一发明目的是提供一种快速测定粗粒土渗透系数的装置，该装置易于构造，可快速、方便的测定粗粒土的渗透系数，尤其适合施工现场使用。

本发明实现其第一发明目的所采取的技术方案是：一种快速测定粗粒土渗透系数的装置，其组成是：圆柱形的且无底无盖的土样筒，土样筒置于圆形透水板上，圆形透水板通过支撑架置于集水容器内。

本发明的第二发明目的是提供一种使用上述快速测定粗粒土渗透系数的装置，测定粗粒土渗透系数的方法，该方法操作简便，可快速、方便的测定出粗粒土的渗透系数，尤其适合施工现场使用。

本发明实现其第二发明目的所采取的技术方案是，一种使用上述快速测定粗粒土渗透系数的装置，测定粗粒土渗透系数的方法，其步骤为：

a、试验准备

将粗粒土在土样筒内分层制样、饱和，在土样筒内得到饱和的待测的粗粒土样；随即将土样筒置于圆形透水板上，同时，圆形透水板通过支撑架置于集水容器内；

b、渗透试验

用滴管向土样筒内的粗粒土样上表面均匀滴水，直至粗粒土样上表面形成水膜，并通过不断滴水使水膜保持；同时，土样筒内的水不断经粗粒土样向下渗透，经圆形透水板滴入集水容器；

c、渗透系数测定

渗透试验进行的同时，在规定的时间t内，收集并测量集水容器内的水量；如此操作重复进行，直至连续四次测量出的水量相互间的差值小于设定的阈值；然后，将四次测量出的水量取平均值Q，通过k＝Q/(A·t)，即测得粗粒土样的渗透系数k，式中：A为土样筒内腔的横截面面积。

进一步，本发明的土样筒置于圆形透水板上的方式为土样筒的底部与圆形透水板固定连接；所述的支撑架为固定连接在圆形透水板上的三角架。

这种部件相互固定连接的测定装置相对于部件相互分离的测定装置，制样时土样筒会和其他部件一起移动，不够方便灵活，便携性不足；但操作时省去了组装部件的步骤，节省了测量时间，重复性和再现性更好。

本发明的原理是：

水在土中流动遵从水力学的能量方程，即著名的伯努利方程。根据该方程，相对于任意确定的基准面，土中一点的总水头h为：

h＝z+h_w+h_v

式中：z——位置水头，即该点与基准面的高度；

h_w——压力水头，即该点处开口测压管的液柱高度；

h_v——动水头，即该点处水垂直向上喷射到空气中所达到高度。

动水头h_v与速度平方成正比，由于水在土中渗流的速度一般很小，h_v可以忽略不计，这样，总水头h≈z+h_w。

如果土中存在总水头差，即水头损失，则水将从总水头高处沿着土中孔隙通道向总水头低处流动，单位流程的水头损失即为渗流水力梯度i，可按式(1)计算。

$i=\frac{\mathrm{\Δh}}{L}---\left(1\right)$

式中：Δh——水头损失；

L——流程。

水在土中的流动大多缓慢，属于层流,符合达西定律，满足式(2)的关系。

q＝k·A·i  (2)

式中：q——单位时间通过土体横截面的水量；

A——土体截面积；

i——水力梯度；

k——渗透系数。

故可以通过达西定律测定粗粒土的渗透系数k＝q/(A·i)。

在本发明中，由于试样上表面的自由液面厚度只有1mm，几乎没有静水压力，则上表面压力水头h_w1≈0，上表面总水头h₁近似等于位置水头z₁，即h₁≈z₁；在试样下表面由于液体自由流出，也几乎没有静水压力，则下表面压力水头h_w2≈0，下表面总水头h₂近似等于位置水头z₂，即h₂≈z₂。故试样上下表面的水头损失Δh＝h₁-h₂≈z₁-z₂＝H，水力梯度其中，H为试样高度，又为本试验中渗流的流程。由此可见，在本装置中，沿土样渗流路径的水力梯度i＝1为恒定值，且与土样性质无关。待渗流稳定，渗流流量q可通过一定时间t内收集的渗流水的体积Q得出：q＝Q/t，再由达西定律计算出试样的渗透系数：

$k=\frac{q}{A\·i}=\frac{Q}{A\·i\·t}\≈\frac{Q}{A\·t}$

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、试验装置中土样筒为上下无底圆筒，其侧壁不设测压孔和测压管，也无需设置试样的进出水位调节机构，试验准备及其试验操作非常简单。仅仅需要一个无底无盖的筒状器具、一个可透水的板材、一个集水容器及一个可将板材支撑于集水容器内的支撑架即可，甚至可以在现场临时组装、构造，使野外工程现场在没有专用器具的情况下，也能测定粗粒土渗透系数。

二、现有设备及方法需要通过测压管测定沿流程的水力梯度i，而本发明中，基于土样顶面和底面均没有压力水头，只有位置水头，渗流路径又为土样的整体高度，故推出其水力梯度i≈1，而无需通过测压管读取渗流过程中土样内两点的水头损失，试验操作更加简便；同时，由于无需等待侧壁上的两个小孔径测压管内的渗透水的缓慢渗入、水位上升至达到平衡的稳定水位点过程，使得测试时间大大缩短，满足野外工程快速测定粗粒土渗透系数的要求。本发明基于土样顶面和底面无紊流的、层流水力学计算，大大简化了试验装置和试验方法，测定结果与现有方法的测量结果在同一个评定级内，其测定误差满足工程要求。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例的剖视结构示意图。

具体实施方式

实施例一

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种快速测定粗粒土渗透系数的装置，其组成是：圆柱形的且无底无盖的土样筒1，土样筒1置于圆形透水板2上，圆形透水板2通过支撑架3置于集水容器4内。

使用本例的用于快速测定粗粒土渗透系数的装置，测定粗粒土渗透系数的方法，其步骤为：

a、试验准备

将粗粒土在土样筒1内分层制样、饱和，在土样筒1内得到饱和的待测的粗粒土样5；随即将土样筒1置于圆形透水板2上，同时，圆形透水板2通过支撑架3置于集水容器4内；

b、渗透试验

渗水随后，用滴管向土样筒1内的粗粒土样5上表面均匀滴水，直至粗粒土样5上表面形成水膜，并通过不断滴水使水膜保持；同时，土样筒1内的水不断经粗粒土样5向下渗透，经圆形透水板2滴入集水容器4；

c、渗透系数测定

渗透试验进行的同时，在规定的时间t内，收集并测量集水容器4内的水量；如此操作重复进行，直至连续四次测量出的水量相互间的差值小于设定的阈值；然后，将四次测量出的水量取平均值Q，通过k＝Q/(A·t)，即测得粗粒土样5的渗透系数k，式中：A为土样筒1内腔的横截面面积。

试验验证：

采用以上实施例的装置及测定方法，对某粗粒土样的渗透系数进行了测定，测试结果见表3。该粗粒土试样参数见表1，粒径组成见表2。

采用现有的标准常水头渗透试验测定同种粗粒土样渗透系数的试验数据以及结果见表4。

由于土的透水性强弱是通过渗透系数的数量级的量级差异来判定，本发明测定出的渗透系数为4.60×10^-4cm/s，而现有方法测出的渗透系数为5.62×10^-4cm/s。两种方法测定结果属于同一个评定级(数量级)，其测定误差满足工程要求。

表1试样及渗透试验参数

表2试样粒径组成

表3本发明的试验数据及结果

表4标准常水头试验数据及结果

实施例二

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种快速测定粗粒土渗透系数的装置，其组成是：圆柱形的且无底无盖的土样筒1，土样筒1置于圆形透水板2上，圆形透水板2通过支撑架3置于集水容器4内。

本例的土样筒1置于圆形透水板2上的方式为：土样筒1的底部与圆形透水板2固定连接；所述的支撑架3为固定连接在圆形透水板2上的三角架。

使用本例的用于快速测定粗粒土渗透系数的装置，测定粗粒土渗透系数的方法，其步骤为：

a、试验准备

将粗粒土在土样筒1内分层制样、饱和，在土样筒1内得到饱和的待测的粗粒土样5；

b、渗透试验

渗水随后，用滴管向土样筒1内的粗粒土样5上表面均匀滴水，直至粗粒土样5上表面形成水膜，并通过不断滴水使水膜保持；同时，土样筒1内的水不断经粗粒土样5向下渗透，经圆形透水板2滴入集水容器4；

c、渗透系数测定

渗透试验进行的同时，在规定的时间t内，收集并测量集水容器4内的水量；如此操作重复进行，直至连续四次测量出的水量相互间的差值小于设定的阈值；然后，将四次测量出的水量取平均值Q，通过k＝Q/(A·t)，即测得粗粒土样5的渗透系数k，式中：A为土样筒1内腔的横截面面积。

Claims (3)

1.一种快速测定粗粒土渗透系数的装置，其组成是：圆柱形的且无底无盖的土样筒(1)，土样筒(1)置于圆形透水板(2)上，圆形透水板(2)通过支撑架(3)置于集水容器(4)内。

2.根据权利要求1所述的一种快速测定粗粒土渗透系数的装置，其特征在于：所述的土样筒(1)置于圆形透水板(2)上的方式为：土样筒(1)的底部与圆形透水板(2)固定连接；所述的支撑架(3)为固定连接在圆形透水板(2)上的三角架。

3.一种使用权利要求1所述的快速测定粗粒土渗透系数的装置，测定粗粒土渗透系数的方法，其步骤为：

a、试验准备

将粗粒土在土样筒(1)内分层制样、饱和，在土样筒(1)内得到饱和的待测的粗粒土样(5)；随即将土样筒(1)置于圆形透水板(2)上，同时，圆形透水板(2)通过支撑架(3)置于集水容器(4)内；

b、渗透试验

用滴管向土样筒(1)内的粗粒土样(5)上表面均匀滴水，直至粗粒土样(5)上表面形成水膜，并通过不断滴水使水膜保持；同时，土样筒(1)内的水不断经粗粒土样(5)向下渗透，经圆形透水板(2)滴入集水容器(4)；

c、渗透系数测定

渗透试验进行的同时，在规定的时间t内，收集并测量集水容器(4)内的水量；如此操作重复进行，直至连续四次测量出的水量相互间的差值小于设定的阈值；然后，将四次测量出的水量取平均值Q，通过k＝Q/(A·t)，即测得粗粒土样(5)的渗透系数k，式中：A为土样筒(1)内腔的横截面面积。