CN106501159A - 基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置及其方法，涉及岩土模型试验技术。本装置包括试验土样，设置有压力流量控制单元、渗透单元、测量单元和紧固支撑单元；在紧固支撑单元上托举有渗透单元，在渗透单元内设置有试验土样，压力流量控制单元和测量单元分别与渗透单元连接。本发明在试验完毕后，能够对开渗透管选取完整无扰动的试验土样供组构和细观试验；多要素测试元件能够及时获取试验过程中孔隙水压力和土体的体积含水量变化，以及渗出液的泥沙含量和浑浊度情况，分析渗透过程中细粒成分的迁移过程。整套装置各部件独立拆卸组装更换，结构简单，操作方便，精确度高。
Description
技术领域
本发明涉及岩土模型试验技术，尤其涉及一种基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置及其方法。
技术背景
土的渗透破坏会使土体颗粒流失或者土体产生局部移动，造成土体变形失稳，主要表现为流沙和管涌。探究影响渗透性的因素以及如何预防渗透破坏，是岩土工程领域中学者们一直研究的重要课题。
在户外进行的原位渗透试验（如钻孔抽水试验）需钻机、发电机等大型机械配合，人力、物力和财力耗费大，且现场地质条件复杂，测试结果具有较大的离散性，不便于揭示渗透规律。而室内渗透试验由于试样配置，试验条件控制以及试验重复性方面均具有较强的优势。因此，模型试验成为揭示渗透规律、分析渗透影响因素和渗透试验完毕的渗透土体后期分析的有力手段。
现有的渗透模型试验多关注试验的渗透系数；而对于试验过程中的土体，尤其是具有强烈分散性的土体（如砾石土），渗透过程其组构和粗细粒充填咬合嵌固状态可能发生破化，细粒释放运移，引发土体渗透性的改变，则是传统渗透试验所忽视的；一般的渗透试验在试验完毕后，涉及渗透后的土样分析的不多，且在取得较为完整无扰动的试样方面存在一定的难度。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置及其方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明在传统的渗透模型试验基础上，增加了试验过程的土体含水量、孔隙水压力的同步实时监测；在试验结束后对开亚克力渗透管，取得较为完整和无扰动的试验土样供后期组构、细观结构等对比分析；在渗透试验时同步获取细粒释放运移引起的孔隙水压力和土体含水量变化以及渗出水泥沙含量变化，揭示渗透性以及影响因素的作用和效果。
具体地说：
一、基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置（简称装置）
本装置包括试验土样，设置有压力流量控制单元、渗透单元、测量单元和紧固支撑单元；
其位置和连接关系是：
在紧固支撑单元上托举有渗透单元，在渗透单元内设置有土样，压力流量控制单元和测量单元分别与渗透单元连接。
本发明具有下列优点和积极效果：
①该装置在进行试验时，将多孔隔板置于反滤料和试验土样之间用以阻隔反滤料向试验土体移动并使渗透水样流速缓慢均匀，而且水样均匀流入土体内部，从而更加接近真实情况。
②亚克力渗透管是透明的，能够通过人眼观察到试样的湿润过程；亚克力渗透管是对开的，试验完毕后，拆掉紧固装置，打开亚克力渗透管，可以选取完整无扰动的试样供组构和细观试验。
③该装置的亚克力渗透管管身带有多个不同直径的圆孔，时域反射计安装在渗透管壁上的时域反射TDR探针孔内，孔隙水压力传感器安装在渗透管壁上的孔隙水压力传感器安装孔上，通过传感器能够及时获取试验过程中土体孔隙水压力和体积含水量的变化情况。
④烧杯里的浊度仪能够实时监测渗出液的浑浊度，并且能够定量分析渗出液中悬浮物或不溶物的含量。
⑤溢水桶本身带有相同大小，相同水平高度的溢流孔，因此只要知道从一个溢流孔流出水样的浑浊度，则可判断整个溢水桶的浑浊度情况，实现了自动测试水样的采集，避免人为采样的扰动和不均匀性。
总之，本发明在试验完毕后，能够对开渗透管选取完整无扰动的试验土样供组构和细观试验；多要素测试元件能够及时获取试验过程中孔隙水压力和土体的体积含水量变化，以及渗出液的泥沙含量和浑浊度情况，分析渗透过程中细粒成分的迁移过程；整套装置各部件独立拆卸组装更换，结构简单，操作方便，精确度高。
附图说明
图1是本装置的结构方框图，
图2是本装置的结构示意图，
图3是多孔隔板的结构示意图，
图4是亚克力渗透管的结构示意图，
图5是亚克力渗透管的上下管壁结构示意图，
图6是溢水桶的结构示意图，
图7是亚克力渗透管进水端封盖和亚克力渗透管出水端封盖的结构示意图，
图8是凹形支架的结构示意图。
图中：
00—试验土样；
10—压力流量控制单元，
11—减压阀，12—水管，13—流量计；
20—渗透单元，
21—进水管，22—进水口，23—多孔隔板，24—亚克力渗透管，
25—出水口，26—出水管；
30—测量单元，
31—时域反射TDR探针孔，32—时域反射计，
33—孔隙水压力传感器安装孔，34—孔隙水压力传感器，
35—浊度仪，36—溢水桶，37—溢流孔，38—溢水管，39—烧杯；
40—紧固支撑单元，
41—亚克力渗透管进水端封盖，42—亚克力渗透管出水端封盖，
43—环形卡箍，44—凹形支架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、装置
1、总体
如图1，本装置包括试验土样00，设置有压力流量控制单元10、渗透单元20、测量单元30和紧固支撑单元40；
其位置和连接关系是：
在紧固支撑单元40上托举有渗透单元20，在渗透单元20内设置有土样00，压力流量控制单元10和测量单元30分别与渗透单元20连接。
2、功能单元
0）试验土样00
试验土样00是本装置的工作对象。
1）压力流量控制单元10
如图2，压力流量控制单元10包括依次连接的减压阀11、水管12和流量计13。
2）渗透单元20
如图2，渗透单元20包括进水管21、进水口22、多孔隔板23、亚克力渗透管24、出水口25和出水管26；
其位置和连接关系是：
进水管21、进水口22、亚克力渗透管24、出水口25和出水管26依次连接；
多孔隔板23置于亚克力渗透管24内。
（1）进水管21
进水管21为市售普通塑胶水管。
（2）多孔隔板23
如图3，多孔隔板23是一种圆形有机玻璃薄板，其上均布有圆形贯穿孔洞。
置于反滤料和试验土样00之间用以阻隔反滤料向试验土样00移动并使渗透水样流速缓慢均匀。
（3）亚克力渗透管24
如图4、5，亚克力渗透管24是一种对开式有机玻璃管，管长500mm，内径100mm，外径120mm。
亚克力渗透管24由上、下半圆环管构成，管壁设置有互相嵌合的凸凹形卡槽使两半圆环管互相密封嵌固；在上半圆环管壁上设置有多组并排的2个直径2mm的土壤含水量TDR测定探针安装圆孔，下半圆环管壁上设置有多个直径10mm的孔隙水压力计安装圆孔。
两端设置有环形螺纹。
其功能是盛装试验土样00的作为渗透试验的渗流通道。
（4）出水管26
出水管26为市售普通塑胶水管。
渗透单元20的工作原理：
水样通过进水管21从进水口22流入到亚克力渗透管24内部，多孔隔板23固定在对开后的亚克力管24下半圆管的进水端，在亚克力管24进水端和多孔隔板23预留的隔间装入一定粒径的标准石英砂作为反滤层，水样从出水口25通过出水管26流入到溢水桶36。
3）测量单元30
如图2，测量单元30包括时域反射TDR探针孔31、时域反射计32、孔隙水压力传感器安装孔33、孔隙水压力传感器34、浊度仪35、溢水桶36、溢流孔37、溢水管38和烧杯39；
其位置和连接关系是：
时域反射TDR探针孔31和孔隙水压力传感器安装孔33分别设置在亚克力渗透管24的上、下半圆环管上，时域反射计32安装在时域反射TDR探针孔31内，孔隙水压力传感器34安装在孔隙水压力传感器安装孔33上；
溢水桶36收集出水管26流出的水，在溢水桶36的桶身设置有溢流孔37，便于水排出；溢水管38一端连接溢流孔37，另一端放入到烧杯39内，浊度仪35置于烧杯39内。
（1）溢水桶36
如图6，在溢水桶36设置有相同大小，相同水平高度的溢流孔37，因此只要知道从一个溢流孔流出水样的浑浊度，则可判断整个溢水桶的浑浊度情况，实现了自动测试水样的采集，避免人为采样的扰动和不均匀性。
4）紧固支撑单元40
如图2，紧固支撑单元40包括亚克力渗透管进水端封盖41、亚克力渗透管出水端封盖42、环形卡箍43和凹形支架44；
亚克力渗透管进水端封盖41和亚克力渗透管出水端封盖42分别连接亚克力渗透管24的两端，环形卡箍43包罗亚克力渗透管24，凹形支架44托举亚克力渗透管24。
（1）亚克力渗透管进水端封盖41和亚克力渗透管出水端封盖42
如图7，亚克力渗透管进水端封盖41和亚克力渗透管出水端封盖42内设有和亚克力渗透管24两端适配的环形螺纹。
（2）凹形支架44
如图8，凹形支架44用以托举固定亚克力渗透管24和相连的监测传感器32与34。
3、本装置的组装
①将压力流量控制单元10的水管12一端与减压阀11连接，另一端与流量计13连接；
②将渗透单元20的进水管21连接亚克力渗透管24一端的进水口22，多孔隔板23置于亚克力渗透管24内，亚克力渗透管24另一端依次连接出水口25和出水管26；
③将测量单元30的时域反射计32安装在渗透管壁上的时域反射TDR探针孔31内，孔隙水压力传感器34安装在亚克力渗透管24上的孔隙水压力传感器安装孔33上；溢水桶36收集出水管27流出的水，且溢水桶36桶身带有溢流孔37，便于水排出；溢水管38一端连接溢流孔37，另一端放入到烧杯39中，同时把浊度仪35放入到烧杯39内；
④用紧固支撑单元40的环形卡箍43对亚克力渗透管24进行整管锁固，将亚克力渗透管进水端封盖41和亚克力渗透管出水端封盖42旋入到亚克力渗透管24的两端，并把亚克力渗透管24置于凹形支架44上固定。
4、本装置的工作原理：
将待试土制成与亚克力渗透管24内径等粗的外包裹薄层柔软防水塑料薄膜的圆柱形试样，并将其整体平缓缓慢地移入亚克力渗透管24对开后的下半圆管内；将多孔隔板23粘接在进水端并预留出反滤料空间，合上上半圆管确保上下半圆管的凸凹卡槽嵌合精密，用环形卡箍43整管锁固；在亚克力渗透管24进水端和多孔隔板23之间装入反滤料，封盖两端；安装时域反射计32和孔隙水压力传感器34；调节进水压力，控制流量进行渗透试验，同时监测试验过程中的土样含水量和孔隙水压力；试验完成后，对开亚克力渗透管24，选取取不同部位未扰动试验土样进行后期的颗粒级配试验和电镜扫描等测试。
二、基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验方法
本方法包括下列步骤：
①试验开始前将待试的试验土样00制成与渗透管24内径等粗的圆柱形试样，并在试样外包裹薄层柔软防水塑料薄膜，之后将其整体平缓缓慢的移入亚克力渗透管24对开后的下半圆管内；
②用胶水将多孔隔板23固定在对开后的亚克力渗透管24下半圆管的进水端并预留出反滤料空间，合上对开后的亚克力渗透管24的上半圆管，上下半圆管的凸凹卡槽嵌合精密，最后用环形卡箍43进行整管锁固；
③在亚克力渗透管24进水端和多孔隔板23预留的隔间装入一定粒径的标准石英砂作为反滤层，再将亚克力渗透管进水端封盖41和亚克力渗透管出水端封盖42旋入到亚克力渗透管24的两端，并把亚克力渗透管24置于凹形支架44上固定；
④用手钻沿亚克力渗透管24管上的时域反射TDR探针孔31和孔隙水压力传感器安装孔33钻进，分别安装时域反射计32和孔隙水压力传感器34；
⑤将减压阀11和高精度流量计13依次连接在进水管21一端，进水管21另一端与进水口22连接；
⑥在出水口25上连接出水管26，出水管26的另一端与溢水桶36连接；
⑦在溢水桶36的溢流孔37上连接溢水管38；溢水管38另一端置于烧杯39中；
⑧把浊度仪35置入烧杯39中；
⑨打开减压阀11，进行试验，记录试验过程中土体孔隙水压力传感器32和土壤含水量TDR传感器34读数；
⑩试验完成后，对开亚克力渗透管24，选取取不同部位未扰动试验土样进行后期的颗粒级配试验和电镜扫描等测试。
Claims (6)
1.一种基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置，其特征在于：
包括试验土样（00），设置有压力流量控制单元（10）、渗透单元（20）、测量单元（30）和紧固支撑单元（40）；
其位置和连接关系是：
在紧固支撑单元（40）上托举有渗透单元（20），在渗透单元（20）内设置有试验土样（00），压力流量控制单元（10）和测量单元（30）分别与渗透单元（20）连接。
2.按权利要求1所述的一种基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置，其特征在于：
所述的压力流量控制单元（10）包括依次连接的减压阀（11）、水管（12）和流量计（13）。
3.按权利要求1所述的一种基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置，其特征在于：
所述的渗透单元（20）由进水管（21）、进水口（22）、多孔隔板（23）、亚克力渗透管（24）、出水口（25）、出水管（26）组成；
其位置和连接关系是：
进水管（21）、进水口（22）、亚克力渗透管（24）、出水口（25）和出水管（26）依次连接；
多孔隔板（23）置于亚克力渗透管（24）内；
所述的多孔隔板（23）是一种圆形有机玻璃薄板，其上均布有圆形贯穿孔洞；
所述的亚克力渗透管（24）是一种对开式有机玻璃管，管壁设置有互相嵌合的凸凹形卡槽。
4.按权利要求1所述的一种基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置，其特征在于：
所述的测量单元（30）包括时域反射TDR探针孔（31）、时域反射计（32）、孔隙水压力传感器安装孔（33）、孔隙水压力传感器（34）、浊度仪（35）、溢水桶（36）、溢流孔（37）、溢水管（38）和烧杯（39）；
其位置和连接关系是：
时域反射TDR探针孔（31）和孔隙水压力传感器安装孔（33）分别设置在亚克力渗透管（24）的上、下半圆环管上，时域反射计（32）安装在时域反射TDR探针孔（31）内，孔隙水压力传感器（34）安装在孔隙水压力传感器安装孔（33）上；
溢水桶（36）收集出水管（26）流出的水，在溢水桶（36）的桶身设置有溢流孔（37），便于水排出；溢水管（38）一端连接溢流孔（37），另一端放入到烧杯（39）内，浊度仪（35）置于烧杯（39）内。
5.按权利要求1所述的一种基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置，其特征在于：
所述的紧固支撑单元（40）包括亚克力渗透管进水端封盖（41）、亚克力渗透管出水端封盖（42）、环形卡箍（43）和凹形支架（44）；
亚克力渗透管进水端封盖（41）和亚克力渗透管出水端封盖（42）分别连接亚克力渗透管（24）的两端，环形卡箍（43）包罗亚克力渗透管（24），凹形支架（44）托举亚克力渗透管（24）。
6.按权利要求1-5所述基于对开式渗透管的细粒渗透迁移试验装置的试验
方法，其特征在于包括下列步骤：
①试验开始前将待试的试验土样（00）制成与渗透管（24）内径等粗的圆柱形试样，并在试样外包裹薄层柔软防水塑料薄膜，之后将其整体平缓缓慢地移入亚克力渗透管24对开后的下半圆管内；
②用胶水将多孔隔板23固定在对开后的亚克力渗透管（24）下半圆管的进水端并预留出反滤料空间，合上对开后的亚克力渗透管（24）的上半圆管，上下半圆管的凸凹卡槽嵌合精密，最后用环形卡箍（43）进行整管锁固；
③在亚克力渗透管（24）进水端和多孔隔板（23）预留的隔间装入一定粒径的标准石英砂作为反滤层，再将亚克力渗透管进水端封盖（41）和亚克力渗透管出水端封盖（42）旋入到亚克力渗透管24的两端，并把亚克力渗透管（24）置于凹形支架（44）上固定；
④用手钻沿亚克力渗透管（24）管上的时域反射TDR探针孔（31）和孔隙水压力传感器安装孔（33）钻进，分别安装时域反射计（32）和孔隙水压力传感器（34）；
⑤将减压阀（11）和高精度流量计（13）依次连接在进水管（21）一端，进水管（21）另一端与进水口（22）连接；
⑥在出水口（25）上连接出水管（26），出水管（26）的另一端与溢水桶36连接；
⑦在溢水桶（36）的溢流孔（37）上连接溢水管（38）；溢水管（38）另一端置于烧杯（39）中；
⑧把浊度仪（35）置入烧杯（39）中；
⑨打开减压阀（11），进行试验，记录试验过程中土体孔隙水压力传感器（32）和土壤含水量TDR传感器（34）读数；
⑩试验完成后，对开亚克力渗透管（24），选取取不同部位未扰动试验土样（00）进行后期的颗粒级配试验和电镜扫描的测试。
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