CN105043960A - 一种改进型土体联合固结渗透仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进型土体联合固结渗透仪，包括分别与土样(6)连接的加荷系统、渗压加载系统、应变测试系统以及与渗压加载系统和应变测试系统连接的控制系统，土样(6)置于加荷系统内，所述的加荷系统通过气压移动渗压容器(11)压缩土样(6)，使土样(6)固结，所述的渗压加载系统为土样(6)加载渗透压力，所述的应变测试系统测试土样(6)变形数据，所述的控制系统控制渗透压力，存储试验数据。与现有技术相比，本发明除了渗透系数测定，还可进行固结试验、渗透固结联合影响、模拟地下水压力对固结影响等实验，实现了装置的多用途，弥补了传统渗压仪无法测量高密度材料的不足，自动储存数据，有利于误差分析。

Description

一种改进型土体联合固结渗透仪

技术领域

本发明涉及土木工程实验室研究领域，尤其是涉及一种改进型土体联合固结渗透仪。

背景技术

渗透性是了解土体的重要性质。如基坑开挖排水，排水设备需根据土体渗透性配置；修筑土石坝、边坡时，要考虑填料的渗透性；计算土体地面沉降，要掌握渗透性影响。土的渗透性还会引发流沙、管涌等现象，对地下水资源保护和工程的安全等有不可忽视的作用。

因此，在现代土木工程研究过程中，渗透系数被作为土壤材料的重要物理性质参数被测试。传统的渗透系数测量方法主要为常水头和变水头渗透实验法，这是一种标准的稳态测量方法。而后，许多学者对改进渗透仪的性能作了大量研究工作。尽管如此，现有渗透仪普遍存在装置粗糙、测试时间长、效率低、精度差、不利于误差分析、实验操作步骤繁杂、自动化程度低等缺点。

公开号为CN1841042A的中国专利公开了一种土壤渗透仪，该渗透仪可以在渗透试验过程中改变土样所承受的竖向荷载，采用GDS压力控制器实现流体压力和体积的控制与测量，以获得土壤在不同孔隙比和应力条件下的渗透性。然而该装置施加竖向荷载时无法模拟土体天然状态的固结过程，且不能记录土体的变形情况，仅能够测定一般压缩土体的渗透系数，因此不能用于研究固结和渗透两过程间的内在联系。在功能和精度方便，没有计算机控制和采集，数字化程度低。

申请公布号为CN103149341A的中国专利公开了一种固结渗透测定装置，该装置包括加压筒，其特点是在加压筒内设置有加压活塞，加压活塞能在加压筒的内腔上下运动，且加压活塞与加压筒的筒壁之间留有间隙；在加压筒的底座内设置有进水口，在加压筒的上部筒壁处设置有溢水口。该装置可以在不同固结压力下进行渗透试验，加压活塞与加压筒的筒壁之间的间隙，使水在加压活塞与加压筒的筒壁之间自由通过，密封性能好，摩擦力对实验结果影响小。然而该装置仅通过百分表读取轴向变形，使用量筒测量渗流体积，实验精度受人为主观因素影响大，自动化程度低。功能上比较单一，仅能够测定不同固结压力下土体的渗透系数，不能用于研究固结和渗透两过程间的内在联系。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种固结和渗透试验同时进行的改进型土体联合固结渗透仪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，包括分别与土样连接的加荷系统、渗压加载系统和应变测试系统，以及分别与渗压加载系统和应变测试系统连接的控制系统，所述的土样置于加荷系统内，所述的加荷系统通过压缩土样，使土样固结，所述的渗压加载系统为土样加载渗透压力，所述的应变测试系统测试土样变形数据，所述的控制系统控制渗压加载，存储试验数据。

所述的土样装在环刀中，土样上、下表面贴有滤纸。

所述的环刀外周套有“O”型止水圈。

所述的加荷系统包括加压泵、支架和渗压容器，所述的支架与渗压容器活动连接，所述的渗压容器上表面设有与土样形状匹配的开口，土样从所述开口放入渗压容器中，土样顶部露出，所述的支架底部凹陷形成气腔，气腔的上盖沿气腔内壁上下滑动且与渗压容器底部连接，所述的加压泵通过进气管与气腔连通，固结试验时，加压泵对气腔施加气压，气腔内气体膨胀使气腔的上盖和渗压容器上移，使土样有上移趋势，支架阻碍土样向上运动而使土样压缩固结。

所述的渗压加载系统包括进水管和液压控制器，所述的进水管上设有控制器阀门，所述的液压控制器与控制系统连接，同时通过进水管与土样底部连接，为土样加载渗透压力。

所述的液压控制器为GDS控制器。

所述的渗压加载系统还包括给水管和水箱，所述的给水管上设有水箱阀门，所述的水箱水平高度在土样之上，水箱通过给水管与进水管连接，为土样和加荷系统排气。

所述的水箱和液压控制器为土样注入的水均为去离子水。

所述的应变测试系统包括位移表和应变测试仪，土样上表面和位移表位置固定，位移表的测头与土样下表面同步移动，所述的应变测试仪与控制系统连接，土样固结时，位移表读取土样上表面和下表面的相对位移量并将数据传输给应变测试仪。

所述的控制系统包括计算机，所述的计算机分别与渗压加载系统和应变测试系统连接，计算机通过数据采集卡存储应变测试系统检测到的土样变形数据和渗压加载系统施加的渗透压力，采集并存储渗流体积数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)由QY1-3型渗压仪的渗压容器作为加荷系统，QY1-3型渗压仪具有将标准环刀与渗透试验结合，密闭性良好，提高渗透试验的精度的优点，同时采用GDS液压控制器进行渗透压力的加载，GDS液压控制器高效、精准、便捷、可控性强的优点，二者的结合使用提高了仪器的性能以及应用范围，除了渗透系数测定，还可以进行固结试验、渗透固结联合影响、模拟地下水压力对固结影响、固结过程中土体水压力改变等实验，真正实现了装置的多用途，也发挥了操作者的主观能动性。

(2)GDS液压控制器的加压范围为0～2MPa，渗透系数测量范围广，弥补了传统渗压仪无法测量高密度材料的不足。

(3)通过控制系统中的计算机软件模块进行试验参数控制，压力加载既可以是瞬间压力增大，也可以输入加载时间进行缓慢线性加载，丰富了仪器的应用范围；计算机显示器实时显示试样轴向变形、渗透压力和流量，并自动储存数据，有利于误差分析。

(4)土样上、下表面贴有滤纸，使土样全截面上渗流均匀稳定，同时防止渗流将土中细微颗粒冲掉堵塞透水石。

(5)水箱和液压控制器为土样注入的水均为去离子水，排除了水中复杂离子对测试的干扰。

附图说明

图1为本发明改进型土体联合固结渗透仪的结构示意图；

图2为本发明改进型土体联合固结渗透仪的控制系统原理示意图；

图3(a)为本发明控制系统对渗透压力实时采集的数据图；

图3(b)为本发明控制系统对渗流体积实时采集的数据图；

附图标号：1为加压泵，2为气压控制阀，3为进气管，4为气压表，5为气腔，6为土样，7为透水石，8为环刀，9为传压帽，10为支架，11为渗压容器，12为位移表，13为进水管，14为控制器阀门，15为给水管，16为水箱阀门，17为水箱，18为液压控制器，19为应变测试仪，20为计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本装置主要由加荷系统、渗压加载系统、应变测试系统和控制系统四部分组成，其原理与实物如图1所示。

(1)加荷系统

加荷系统主要包括加压泵1、气压控制阀2、气压表4和QY1-3型渗压仪的传压帽9、支架10、渗压容器11，渗压容器11上表面设有与土样6形状匹配的开口，被两片圆形透水石7夹住的土样6放置在渗压容器11中，土样6顶部露出，支架10底部凹陷形成气腔5，气腔5的上盖与渗压容器11底部连接，加压泵1通过进气管3与气腔5连通，传压帽9设置在土样6顶部，固结试验时，土样6加压泵1对气腔5施加气压，气腔5内气体膨胀使渗压容器11和土样6底部上移，通过进气管3上的气压控制阀2、气压表4调节并显示气压。

(2)渗压加载系统

使用液压控制器18进行渗透压力的加载。液压控制器18为GDS控制器，通过进水管13与渗压容器11中土样6底部的透水石7连接，进水管13上设有控制器阀门14。渗透过程中，进水管13为下部透水石7供水施加渗透压力。液压控制器18与控制系统中的计算机20相连，因此液压控制器18可以通过自行输入目标值的方式控制压力，也可以通过计算机20实现计算机模块的数字化控制。GDS控制器的加压范围为0～2MPa，扩大了渗透系数的测量范围，弥补了传统渗压仪无法测量高密度材料的不足。

渗压加载系统还包括给水管15和水箱17，给水管15上设有水箱阀门16，水箱17水平高度在土样之上，水箱17通过给水管15与进水管13连接，可为渗压容器11及其内部物体注水排气。

(3)应变测试系统

应变测试系统可以实时汇总位移表12采集到的土样6变形数据，并将数据传输到控制系统并显示。常规固结过程通过人工采集，误差大，而应变测试系统提高了固结试验的效率和精确性。应变测试系统包括传压帽9、支架10、位移表12和应变测试仪19，传压帽9设置在土样6顶部，传压帽9顶部与位置固定的支架10接触，位移表12固定在支架10上，位移表12的下端测头与渗压容器11上端接触，应变测试仪19与控制系统连接，土样6固结时，位移表12读取支架10与渗压容器11的相对位移量，得到土样6的轴向变形数据，并将数据传输给应变测试仪19。

(4)控制系统

控制系统为一台加入编程模块的计算机20，分别与渗压加载系统和应变测试系统连接，具备渗压控制和数据采集功能。计算机20通过数据采集卡存储应变测试系统检测到的土样6变形数据、渗压加载系统施加的渗透压力和渗流体积数据，如图3所示；并通过与GDS控制器相连，可以自动控制渗透压力的加载和渗流体积的大小，原理如图2所示，其中压力加载既可以是瞬间压力增大，也可以输入加载时间进行缓慢线性加载。

本发明的使用方法包括以下步骤：

(1)制样：使用环刀8切取有代表性的原状或重塑土体，土样6高度为20mm，直径为61.8mm，并抽真空饱和。为了排除水中复杂离子对测试的干扰，实验中均使用去离子水。

(2)排气：将水导入渗压容器11，使整个管路及渗压容器11内的透水石7得到充分排气并饱和。排气的方式有两种：一是仅打开水箱阀门16，利用大气压力进行降水排气；二是通过GDS控制器的排水操作进行排气。排气结束后，关闭所有阀门。

(3)装样：将装有饱和的土样6的环刀8，刀口朝上装入渗压容器11内，装入之前，土样6的上下两面贴上与环刀8刀口面积相等的滤纸，使土样6全截面上渗流均匀稳定，同时防止渗流将土中细微颗粒冲掉堵塞透水石7。环刀8外面套上“O”型止水圈，放上垫环，拧紧螺环，防止水从环刀8与渗压容器11之间的缝隙溢出。在土样6上下两端装透水石7，上部透水石7上装传压帽9。

(4)固结过程：安装位移表12并与应变测试仪19相连，打开计算机20的位移采集模块。根据实验要求施加固结压力，同步进行位移采集，完成固结实验。

装置固结原理：土样6放置在渗压容器11内，顶部的传压帽9与支架10上梁的下表面接触，使传压帽9紧贴支架10，无法上移。加压泵1给渗水容器11底部的气腔5加气压，使气腔5内压力增大，体积膨胀，从而给气腔5上盖一个向上的作用力使其上移，从而带动与其连接的渗压容器11向上移动，同时给渗压容11内的土样6向上移动的趋势。由于传压帽9位置固定，使得土样6上表面位置不变，下表面向上表面挤压，达到压缩固结的目的。

(5)渗透过程：待土样6固结稳定后，储存位移采集数据，关闭位移采集模块。打开渗透模块，并输入渗透压力(可以是瞬间加载，也可以缓慢线性加载)，点击开始键施加压力，同时模块自动采集渗透压力和流量并储存。图3(a)所示为控制系统对线性加载的渗透压力实时采集的数据，图3(b)所示为控制系统对线型加载的渗流体积实时采集的数据。

如果需要测量土样6在固结过程中的渗透系数，或者施加不同渗透压力过程中的固结影响，可以按照上述试验方法，将固结过程和渗透过程组合操作。

Claims (10)

1.一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，包括分别与土样(6)连接的加荷系统、渗压加载系统和应变测试系统，以及分别与渗压加载系统和应变测试系统连接的控制系统，所述的土样(6)置于加荷系统内，所述的加荷系统通过压缩土样(6)，使土样(6)固结，所述的渗压加载系统为土样(6)加载渗透压力，所述的应变测试系统测试土样(6)变形数据，所述的控制系统控制渗压加载，存储试验数据。

2.根据权利要求1所述的一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，所述的土样(6)装在环刀(8)中，土样(6)上、下表面贴有滤纸。

3.根据权利要求2所述的一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，所述的环刀(8)外周套有“O”型止水圈。

4.根据权利要求1所述的一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，所述的加荷系统包括加压泵(1)、支架(10)和渗压容器(11)，所述的支架(10)与渗压容器(11)活动连接，所述的渗压容器(11)上表面设有与土样(6)形状匹配的开口，土样(6)从所述开口放入渗压容器(11)中，土样(6)顶部露出，所述的支架(10)底部凹陷形成气腔(5)，气腔(5)的上盖沿气腔内壁上下滑动且与渗压容器(11)底部连接，所述的加压泵(1)通过进气管(3)与气腔(5)连通，固结试验时，加压泵(1)对气腔(5)施加气压，气腔(5)内气体膨胀使气腔(5)的上盖和渗压容器(11)上移，使土样(6)有上移趋势，支架(10)阻碍土样(6)向上运动而使土样(6)压缩固结。

5.根据权利要求1所述的一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，所述的渗压加载系统包括进水管(13)和液压控制器(18)，所述的进水管(13)上设有控制器阀门(14)，所述的液压控制器(18)与控制系统连接，同时通过进水管(13)与土样(6)底部连接，为土样(6)加载渗透压力。

6.根据权利要求5所述的一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，所述的液压控制器(18)为GDS控制器。

7.根据权利要求5或6所述的一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，所述的渗压加载系统还包括给水管(15)和水箱(17)，所述的给水管(15)上设有水箱阀门(16)，所述的水箱(17)水平高度在土样(6)之上，水箱(17)通过给水管(15)与进水管(13)连接，为土样(6)和加荷系统排气。

8.根据权利要求7所述的一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，所述的水箱(17)和液压控制器(18)为土样(6)注入的水均为去离子水。

9.根据权利要求1所述的一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，所述的应变测试系统包括位移表(12)和应变测试仪(19)，土样(6)上表面和位移表(12)位置固定，位移表(12)的测头与土样(6)下表面同步移动，所述的应变测试仪(19)与控制系统连接，土样(6)固结时，位移表(12)读取土样(6)上表面和下表面的相对位移量并将数据传输给应变测试仪(19)。

10.根据权利要求1所述的一种改进型土体联合固结渗透仪，其特征在于，所述的控制系统包括计算机(20)，所述的计算机(20)分别与渗压加载系统和应变测试系统连接，计算机(20)通过数据采集卡存储应变测试系统检测到的土样(6)变形数据和渗压加载系统施加的渗透压力，采集并存储渗流体积数据。