CN106153521A - 一种砂、土二维非饱和渗流实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种砂、土二维非饱和渗流实验装置及方法，装置包括实验箱体和水位调节容器，实验箱体分为储水腔室和储料腔室，二者通过隔档立板分隔，水位调节容器与储水腔室之间通过虹吸管相导通；隔档立板上开设有水平渗水孔，储料腔室底板上开设有竖直漏水孔，储料腔室侧板上开设有水平漏水孔；储水、储料腔室正向面板采用透明面板，其表面具有方格网络标线。方法为：向储料腔室装填实验砂土料，设定储水腔室水位，观察渗流区的润锋变化过程并拍照记录；观察竖直、水平漏水孔出水情况；当润锋不再变化且进入渗流稳定状态，开始测量非饱和水含水率的空间分布，在方格网络标线交汇点处取样，计算质量、体积含水率，绘制竖直、水平方向体积含水率分布规律图。

Description

一种砂、土二维非饱和渗流实验装置及方法

技术领域

本发明属于砂、土非饱和渗流实验技术领域，特别是涉及一种砂、土二维非饱和渗流实验装置及方法。

背景技术

砂、土非饱和渗流问题直接关乎到实际工程的安全性，而通过实验手段获取的实验数据，便可以作为实际工程在解决安全性问题时的理论依据。

目前，国内外开展的砂、土非饱和渗流研究已有许多，其中就包括对砂、土体中非饱和水含水率的空间分布情况的研究，而通过准确测量非饱和水的空间分布，对解决实际工程中的安全性问题至关重要。

现阶段，已开展的砂、土非饱和渗流研究仍停留在单一维度，即非饱和渗流均局限于竖直方向，而在竖直方向上的非饱和水也被称为毛细水，通过查阅领域内的大量研究文献后，发现绝大多数的研究项目都是以毛细水展开的。在绝大多数的实际工程中，确实以砂、土一维非饱和渗流为主，且通过相关的砂、土一维非饱和渗流实验获取的实验数据，就可满足实际工程的安全性需要。

但是，随着研究的不断深入，发现仅靠砂、土一维非饱和渗流实验已经难以满足实际工程的安全性需要了，由于实际工程存在的复杂性，特别是对于边坡工程来说，非饱和渗流已不单单局限于竖直方向，在水平方向上也具有非饱和渗流。因此，非常有必要将砂、土非饱和渗流研究提升到二维，对于复杂条件下的非饱和渗流问题，已经不再适合用砂、土一维非饱和渗流实验的数据进行分析了。

当面对二维条件下的砂、土非饱和渗流研究时，现阶段用于砂、土一维非饱和渗流实验的装置和方法显然已不再适用，而且目前又没有现成的实验装置和方法可以利用。因此，有必要设计一种全新的用于砂、土二维非饱和渗流实验的装置和方法，其应能够准确测量出二维条件下的非饱和水含水率的空间分布情况，以满足二维条件下的砂、土非饱和渗流研究需要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种砂、土二维非饱和渗流实验装置及方法，能够准确测量出二维条件下的非饱和水含水率的空间分布情况，有效满足二维条件下的砂、土非饱和渗流研究需要。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，包括实验箱体和水位调节容器，所述实验箱体分为左右两个腔室，实验箱体的一侧腔室设为储水腔室，储水腔室用于存储清水，实验箱体的另一侧腔室设为储料腔室，储料腔室用于存储实验砂土料，储水腔室与储料腔室通过隔档立板进行分隔；所述水位调节容器位于实验箱体的侧部，在水位调节容器内装有清水，水位调节容器与储水腔室之间通过虹吸管相导通；在所述储水腔室与储料腔室的隔档立板上开设有水平渗水孔，在储料腔室的底板上开设有竖直漏水孔，在储料腔室的侧板上开设有水平漏水孔；所述储水腔室和储料腔室的正向面板均采用透明面板。

所述透明面板的表面具有方格网络标线。

在所述隔档立板、储料腔室底板及储料腔室侧板的表面均设置有透水阻料覆层。

在所述水位调节容器下方设置有升降底座。

所述水平渗水孔的数量若干，若干水平渗水孔沿隔档立板的高度方向均布设置。

在所述竖直漏水孔及水平漏水孔上均连接有导水管，在导水管的出水口设置有接水的量杯。

所述竖直漏水孔的数量若干，若干竖直漏水孔沿储料腔室底板的长度方向均布设置。

所述水平漏水孔的数量若干，若干水平漏水孔沿储料腔室侧板的高度方向均布设置。

一种砂、土二维非饱和渗流实验方法，采用了所述的砂、土二维非饱和渗流实验装置，包括如下步骤：

步骤一：将实验砂土料装填入储料腔室内；

步骤二：首先向水位调节容器内注入清水，再向储水腔室中注入少量清水，然后通过虹吸管将水位调节容器与储水腔室中的清水进行导通，最后对水位调节容器中的水位进行设定，进而实现对储水腔室中水位的设定；

步骤三：储水腔室中的清水通过水平渗水孔渗入储料腔室的实验砂土料中，实验砂土料逐渐出现渗流区，开始观察渗流区的润锋变化过程；

步骤四：在观察润锋的变化过程中，需要对润锋的变化过程进行拍照记录，并根据润锋的变化速度设定拍照记录的时间间隔；

步骤五：观察各个竖直漏水孔及水平漏水孔中的出水情况；

步骤六：当润锋在较长时间内不再发生变化时，说明渗流进入稳定状态，开始测量非饱和水含水率的空间分布；

步骤七：以方格网络标线为参照，在方格网络标线的交汇点处进行取样，并对取样的样品依次进行编号；

步骤八：先将样品进行称重，记录下含水样品的质量，然后对含水样品进行烘干，再对烘干后的样品进行称重，并记录下样品烘干后的质量，将前后两次称得的样品质量求差值，得到样品中水的质量；

步骤九：按照公式计算出质量含水率，式中，m_w为样品中水的质量，m_d为样品烘干后的质量；

步骤十：按照公式计算出体积含水率，式中，θ_v为体积含水率，θ_g为质量含水率，ρ_d为样品干密度，ρ_w为水密度；

步骤十一：根据计算得到的体积含水率结果，绘制出竖直方向体积含水率分布规律图及水平方向体积含水率分布规律图。

本发明的有益效果：

本发明首次设计了一种全新的用于砂、土二维非饱和渗流实验的装置和方法，其能够准确测量出二维条件下的非饱和水含水率的空间分布情况，有效满足二维条件下的砂、土非饱和渗流研究需要。

附图说明

图1为本发明的一种砂、土二维非饱和渗流实验装置结构示意图；

图2为竖直方向体积含水率分布规律图；

图3为水平方向体积含水率分布规律图；

图4为渗流实验初期的细尾矿砂润锋状态示意图；

图5为渗流实验初期的细尾矿砂润锋实际拍照图；

图6为渗流实验中后期的细尾矿砂润锋状态示意图；

图7为渗流实验中后期的细尾矿砂润锋实际拍照图；

图8为渗流实验稳定状态下的细尾矿砂润锋状态示意图；

图9为渗流实验稳定状态下的细尾矿砂润锋实际拍照图；

图中，1—水位调节容器，2—储水腔室，3—储料腔室，4—隔档立板，5—虹吸管，6—水平渗水孔，7—竖直漏水孔，8—水平漏水孔，9—透明面板，10—清水，11—实验砂土料，12—方格网络标线，13—透水阻料覆层，14—升降底座，15—导水管，16—量杯，17—渗流区，18—润锋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，包括实验箱体和水位调节容器1，所述实验箱体分为左右两个腔室，实验箱体的一侧腔室设为储水腔室2，储水腔室2用于存储清水10，实验箱体的另一侧腔室设为储料腔室3，储料腔室3用于存储实验砂土料11，储水腔室2与储料腔室3通过隔档立板4进行分隔；所述水位调节容器1位于实验箱体的侧部，在水位调节容器1内装有清水10，水位调节容器1与储水腔室2之间通过虹吸管5相导通；在所述储水腔室2与储料腔室3的隔档立板4上开设有水平渗水孔6，在储料腔室3的底板上开设有竖直漏水孔7，在储料腔室3的侧板上开设有水平漏水孔8；所述储水腔室2和储料腔室3的正向面板均采用透明面板9。

所述透明面板9的表面具有方格网络标线12。

为了防止实验砂土料11通过水平渗水孔6、竖直漏水孔7、水平漏水孔8分别泄漏到储水腔室2内和储料腔室3外，在所述隔档立板4、储料腔室3底板及储料腔室3侧板的表面均设置有透水阻料覆层13。

在所述水位调节容器1下方设置有升降底座14，通过控制升降底座14的高度来调节水位调节容器1内水面的高度。

所述水平渗水孔6的数量若干，若干水平渗水孔6沿隔档立板4的高度方向均布设置。

在所述竖直漏水孔7及水平漏水孔8上均连接有导水管15，在导水管15的出水口设置有接水的量杯16。

所述竖直漏水孔7的数量若干，若干竖直漏水孔7沿储料腔室3底板的长度方向均布设置。

所述水平漏水孔8的数量若干，若干水平漏水孔8沿储料腔室3侧板的高度方向均布设置。

本实施例中，储水腔室2的型腔尺寸为1000mm×100mm×240mm，储料腔室3的型腔尺寸为1000mm×1000mm×240mm，实验砂土料11选用的为细尾矿砂(性状与土比较相似)，方格网络标线12的单位方格尺寸为100mm×100mm。

一种砂、土二维非饱和渗流实验方法，采用了所述的砂、土二维非饱和渗流实验装置，包括如下步骤：

步骤一：将实验砂土料11装填入储料腔室3内；

步骤二：首先向水位调节容器1内注入清水10，再向储水腔室2中注入少量清水，然后通过虹吸管5将水位调节容器1与储水腔室2中的清水进行导通，最后对水位调节容器1中的水位进行设定，进而实现对储水腔室2中水位的设定；本实施例中，储水腔室2中水位的设定高度为5mm；

步骤三：储水腔室2中的清水10通过水平渗水孔6渗入储料腔室3的实验砂土料11中，实验砂土料11逐渐出现渗流区17，开始观察渗流区17的润锋18变化过程；

步骤四：在观察润锋18的变化过程中，需要对润锋18的变化过程进行拍照记录，并根据润锋18的变化速度设定拍照记录的时间间隔；本实施例中，在实验初期，润锋18的变化速度最快，拍照记录的时间间隔设定为1小时，而在实验中后期，润锋18的变化速度逐渐变慢，拍照记录的时间间隔则可适当延长；如图4所示，为渗流实验初期的细尾矿砂润锋状态示意图，如图5所示，为渗流实验初期的细尾矿砂润锋实际拍照图；如图6所示，为渗流实验中后期的细尾矿砂润锋状态示意图，如图7所示，为渗流实验中后期的细尾矿砂润锋实际拍照图；

步骤五：观察各个竖直漏水孔7及水平漏水孔8中的出水情况，具体通过各个量杯16测量出水量；

步骤六：当润锋18在较长时间内不再发生变化时，说明渗流进入稳定状态，开始测量非饱和水含水率的空间分布；如图8所示，为渗流实验稳定状态下的细尾矿砂润锋状态示意图，如图9所示，为渗流实验稳定状态下的细尾矿砂润锋实际拍照图；

步骤七：以方格网络标线12为参照，在方格网络标线12的交汇点处进行取样，并对取样的样品依次进行编号；

步骤八：先将样品进行称重，记录下含水样品的质量，然后对含水样品进行烘干，再对烘干后的样品进行称重，并记录下样品烘干后的质量，将前后两次称得的样品质量求差值，得到样品中水的质量；

步骤九：按照公式计算出质量含水率，式中，m_w为样品中水的质量，m_d为样品烘干后的质量；

步骤十：按照公式计算出体积含水率，式中，θ_v为体积含水率，θ_g为质量含水率，ρ_d为样品干密度，ρ_w为水密度；

步骤十一：根据计算得到的体积含水率结果，绘制出竖直方向体积含水率分布规律图及水平方向体积含水率分布规律图，具体如图2、图3所示；在图中可以看出，无论是竖直方向还是水平方向，体积含水率都是在逐渐降低的，降低的趋势具有明显的非线性。

通过本发明不但可以准确测量出二维条件下的非饱和水含水率的空间分布情况，而且在实验过程中还可以观察到诸多物理现象，通过这些物理现象可以更好的帮助技术人员了解非饱和渗流。

以实施例中的细尾矿砂为例，其渗流速度相对较慢，从实验开始直到渗流达到稳定状态，整个实验时间接近两个月。在实验初期，从图5中的润锋形状可以看出，在细尾矿砂中，水平方向的渗流速度要远大于竖直方向的渗流速度，而随着渗流不断发展，从图7中的润锋形状可以看出，水平方向与竖直方向的渗流速度差别越来越小。在图5和图7中还可以看见，在渗流过程中会在渗流区和干砂区中出现明显的裂缝，而在干砂区中的裂缝还会出现错层，错层距离最大处可达到20mm左右；但是在渗流区没有出现错层，且渗流区的裂缝深度和宽度都要大于干砂区，在图9中可以看见，当渗流进入稳定状态时，在渗流区中最大裂缝深度已达400mm左右。对于裂缝产生的原因，在非饱和渗流过程中，细尾矿砂会不断沉降，导致细尾矿砂的干密度不断增大，而总体积在不断减小，细尾矿砂与储料腔室3内表面在粘合力作用下并没有发生分离，则只能在细尾矿砂内部发生开裂了。随着渗流不断发展，裂缝的深度和宽度也在不断增加，说明细尾矿砂干密度的增加是一个渐进的过程。

关于各个竖直漏水孔7及水平漏水孔8中的出水情况，在渗流实验过程中，只有靠近水平渗水孔6的两个竖直漏水孔7有水流出，渗流速度在实验初期较大，然后逐渐减小，最后趋于恒定值，其中，最靠近水平渗水孔6的竖直漏水孔7在实验过程中出水逐渐停止，只有第二处的竖直漏水孔7直到实验最后还有水流出。

利用本发明的渗流实验装置，还具备了扩展实验范围的能力，比如将清水进行染色，作为示踪液体使用，还能够观察到水分的渗流路线。在渗流实验过程中，可以在实验砂土料11中插入测压管，通过测压管可以观察到实验砂土料11各部位孔隙水压力的变化情况。通过更改水位高度和实验砂土料11，还可以观察到饱和部分的砂粒移动现象或管涌现象，当实验砂土料11选用粗砂时，还可以观测到任意时刻的渗流区的润锋。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，其特征在于：包括实验箱体和水位调节容器，所述实验箱体分为左右两个腔室，实验箱体的一侧腔室设为储水腔室，储水腔室用于存储清水，实验箱体的另一侧腔室设为储料腔室，储料腔室用于存储实验砂土料，储水腔室与储料腔室通过隔档立板进行分隔；所述水位调节容器位于实验箱体的侧部，在水位调节容器内装有清水，水位调节容器与储水腔室之间通过虹吸管相导通；在所述储水腔室与储料腔室的隔档立板上开设有水平渗水孔，在储料腔室的底板上开设有竖直漏水孔，在储料腔室的侧板上开设有水平漏水孔；所述储水腔室和储料腔室的正向面板均采用透明面板。

2.根据权利要求1所述的一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，其特征在于：所述透明面板的表面具有方格网络标线。

3.根据权利要求1所述的一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，其特征在于：在所述隔档立板、储料腔室底板及储料腔室侧板的表面均设置有透水阻料覆层。

4.根据权利要求1所述的一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，其特征在于：在所述水位调节容器下方设置有升降底座。

5.根据权利要求1所述的一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，其特征在于：所述水平渗水孔的数量若干，若干水平渗水孔沿隔档立板的高度方向均布设置。

6.根据权利要求1所述的一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，其特征在于：在所述竖直漏水孔及水平漏水孔上均连接有导水管，在导水管的出水口设置有接水的量杯。

7.根据权利要求6所述的一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，其特征在于：所述竖直漏水孔的数量若干，若干竖直漏水孔沿储料腔室底板的长度方向均布设置。

8.根据权利要求6所述的一种砂、土二维非饱和渗流实验装置，其特征在于：所述水平漏水孔的数量若干，若干水平漏水孔沿储料腔室侧板的高度方向均布设置。

9.一种砂、土二维非饱和渗流实验方法，采用了权利要求1所述的砂、土二维非饱和渗流实验装置，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将实验砂土料装填入储料腔室内；

步骤二：首先向水位调节容器内注入清水，再向储水腔室中注入少量清水，然后通过虹吸管将水位调节容器与储水腔室中的清水进行导通，最后对水位调节容器中的水位进行设定，进而实现对储水腔室中水位的设定；

步骤三：储水腔室中的清水通过水平渗水孔渗入储料腔室的实验砂土料中，实验砂土料逐渐出现渗流区，开始观察渗流区的润锋变化过程；

步骤四：在观察润锋的变化过程中，需要对润锋的变化过程进行拍照记录，并根据润锋的变化速度设定拍照记录的时间间隔；

步骤五：观察各个竖直漏水孔及水平漏水孔中的出水情况；

步骤六：当润锋在较长时间内不再发生变化时，说明渗流进入稳定状态，开始测量非饱和水含水率的空间分布；

步骤七：以方格网络标线为参照，在方格网络标线的交汇点处进行取样，并对取样的样品依次进行编号；

步骤八：先将样品进行称重，记录下含水样品的质量，然后对含水样品进行烘干，再对烘干后的样品进行称重，并记录下样品烘干后的质量，将前后两次称得的样品质量求差值，得到样品中水的质量；

步骤九：按照公式计算出质量含水率，式中，m_w为样品中水的质量，m_d为样品烘干后的质量；

步骤十：按照公式计算出体积含水率，式中，θ_v为体积含水率，θ_g为质量含水率，ρ_d为样品干密度，ρ_w为水密度；

步骤十一：根据计算得到的体积含水率结果，绘制出竖直方向体积含水率分布规律图及水平方向体积含水率分布规律图。