CN106546526B - 多维渗透系数测量仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土体工程领域，具体是一种多维渗透系数测量仪及测量方法，包括壳体，支撑于壳体中部且下侧带可拆卸底部的方形环刀，支撑于壳体中部且包覆于方形环刀上下及周身的隔水箱，支撑于隔水箱左侧的截面呈直角U型且带有底部的左长方体玻璃管，支撑于隔水箱后侧的带有底部的后长方体玻璃管。本发明采用吸水海绵吸水，通过吸水海绵质量的改变量计算其流量，计算机根据达西定律或其他公式进行计算后输出。对于水平方向的渗流系数的测量，运用海绵吸水可及时地吸收渗流出来的水，避免渗流出的水沿土样壁留下和发生反向渗流等，影响测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及土体工程领域，具体是一种多维渗透系数测量仪及测量方法。
背景技术
目前对于土体渗透系数的测量主要有实验室测量法和现场测量法两种。实验室测量法包括常水头法和变水头法，现场测量法主要包括井孔抽水试验和井孔注水试验。
但实验室测量法对土样的扰动较大，测得的渗透系数误差也较大，不能准确地反应现场土体的渗流情况；现场测量工程量较大，耗时较长，人力物力消耗较大，不能满足当今社会快节奏下的省时要求。
发明内容
本发明旨在提供一种准确、便捷、快速、且能真实反映土体渗透系数的多维渗透系数测量仪及测量方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：多维渗透系数测量仪，包括壳体，支撑于壳体中部且下侧带可拆卸底部的方形环刀，支撑于壳体中部且包覆于方形环刀上下及周身的隔水箱，支撑于隔水箱左侧的截面呈直角U型且带有底部的左长方体玻璃管，支撑于隔水箱后侧的带有底部的后长方体玻璃管，满置于隔水箱上表面的罩体，垂直固定于罩体上方且截面呈反L型的上长方体玻璃管，支撑于隔水箱底部呈漏斗形的接水玻璃管，置于壳体内且分别位于隔水箱左侧、前侧及右侧的左滑动小车、前滑动小车及右滑动小车，可直接计算并输出三维渗透系数及体积系数的微型计算机，
所述方形环刀的周身及底部均布满孔隙，隔水箱具有密封性且其六面均为可拆卸结构，左长方体玻璃管和后长方体玻璃管的底部均与隔水箱底部位于同一水平面上，左长方体玻璃管开口处安装有可向上抽出的左隔水板，后长方体玻璃管的前侧靠左由上至下呈开口结构，该开口处安装有可向上抽出的后隔水板，上长方体玻璃管通过左隔水板、后隔水板形成一个独立的长方体腔体，且上长方体玻璃管的短边与左长方体玻璃管、后长方体玻璃管的宽相等，上长方体玻璃管的长边与左长方体玻璃管、后长方体玻璃管的长相等；所述上长方体玻璃管的底部与罩体内部呈连通结构，接水玻璃管的斗部罩设于隔水箱底部，接水玻璃管的管部向下延伸后向上弯曲、朝向左滑动小车水平延伸形成插管，插管的开口处安装有止水开关；
每个滑动小车上均放置有称重装置，前滑动小车和右滑动小车的称重装置上分别放置有开口朝向隔水箱的前海绵槽、右海绵槽，前海绵槽和右海绵槽的开口面分别与隔水箱的前侧和右侧相对且相等，左滑动小车的称重装置上放置有开口朝向插管的左海绵槽，每个海绵槽内均塞满吸水海绵，且左海绵槽内的吸水海绵与插管呈插接配合；每个海绵槽外均设有计时器，左长方体玻璃管、后长方体玻璃管和上长方体玻璃管上方等高处均开有出水口，每个出水口上均设有止水开关。
本发明所述多维渗透系数测量仪不仅能够采用常水头渗透法测量土体的垂直渗透系数和双向水平渗透系数，也能够采用变水头渗透法测量土体的垂直渗透系数和双向水平渗透系数。另外，还可以通过该测量仪获得土体体积渗透系数，鉴于在实际情况下，土体中水的渗透一般呈多维渗透，通过单独某一方向的渗透无法直观地反映真实的渗透情况，体积渗透系数综合三向渗流的情况，通过体积渗透系数来反映方形土样的渗透情况，渗透系数越大，土体渗透能力越强，抗渗性越差，实现了对多维渗透能力的评价。本发明采用吸水海绵吸水，通过吸水海绵质量的改变量计算其渗流量，计算机根据达西定律或其他公式进行计算后输出。对于水平方向的渗流系数的测量，运用海绵吸水可及时地吸收渗流出来的水，避免渗流出的水沿土样壁留下和发生反向渗流等，影响测量结果。该装置体积小，便于现场测量，能够尽可能地减小土的扰动，同时，三个方向渗流量和体积渗流量的测量，更加客观真实地反映了土体的渗流情况。
附图说明
图1为本发明所述多维渗透系数测量仪的结构示意图。
图2为图1的左视图(图中左滑动小车未画出)。
图3为三个滑动小车与隔水箱的布置示意图。
图4为前海绵槽上压杆与压孔的配合示意图。
图中：1-壳体，2-方形环刀，3-隔水箱，4-左长方体玻璃管，5-后长方体玻璃管，6-罩体，7-上长方体玻璃管，8-接水玻璃管，9-左滑动小车，10-前滑动小车，11-右滑动小车，12-左隔水板，13-后隔水板，14-插管，15-称重装置，16-前海绵槽，17-右海绵槽，18-左海绵槽，19-吸水海绵，20-出水口，21-微型计算机，22-自动水位计，23-限位导轨，24-推杆，25-滑轮，26-排水口，27-压孔，28-压杆，29-压板。
具体实施方式
多维渗透系数测量仪，包括壳体1，支撑于壳体1中部且下侧带可拆卸底部的方形环刀2，支撑于壳体1中部且包覆于方形环刀2上下及周身的隔水箱3，支撑于隔水箱3左侧的截面呈直角U型且带有底部的左长方体玻璃管4，支撑于隔水箱3后侧的带有底部的后长方体玻璃管5，满置于隔水箱3上表面的罩体6，垂直固定于罩体6上方且截面呈反L型的上长方体玻璃管7，支撑于隔水箱3底部呈漏斗形的接水玻璃管8，置于壳体1内且分别位于隔水箱3左侧、前侧及右侧的左滑动小车9、前滑动小车10及右滑动小车11，可直接计算并输出三维渗透系数及体积系数的微型计算机21，
所述方形环刀2的周身及底部均布满孔隙，隔水箱3具有密封性且其六面均为可拆卸结构，左长方体玻璃管4和后长方体玻璃管5的底部均与隔水箱3底部位于同一水平面上，左长方体玻璃管4开口处安装有可向上抽出的左隔水板12，后长方体玻璃管5的前侧靠左由上至下呈开口结构，该开口处安装有可向上抽出的后隔水板13，上长方体玻璃管7通过左隔水板12、后隔水板13形成一个独立的长方体腔体，且上长方体玻璃管7的短边与左长方体玻璃管4、后长方体玻璃管5的宽相等，上长方体玻璃管7的长边与左长方体玻璃管4、后长方体玻璃管5的长相等；所述上长方体玻璃管7的底部与罩体6内部呈连通结构，接水玻璃管8的斗部罩设于隔水箱3底部，接水玻璃管8的管部向下延伸后向上弯曲、朝向左滑动小车9水平延伸形成插管14，插管14的开口处安装有止水开关；
每个滑动小车上均放置有称重装置15，前滑动小车10和右滑动小车11的称重装置15上分别放置有开口朝向隔水箱3的前海绵槽16、右海绵槽17，前海绵槽16和右海绵槽17的开口面分别与隔水箱3的前侧和右侧相对且相等，左滑动小车9的称重装置15上放置有开口朝向插管14的左海绵槽18，每个海绵槽内均塞满吸水海绵19，且左海绵槽18内的吸水海绵19与插管14呈插接配合；每个海绵槽外均设有计时器27，左长方体玻璃管4、后长方体玻璃管5和上长方体玻璃管7上方等高处均开有出水口20，每个出水口20上均设有止水开关。
具体实施时，左长方体玻璃管4、后长方体玻璃管5和上长方体玻璃管7上均由上至下安装有自动水位计22。
为了使得各滑动小车能够快速且准确的到达作业位置，至少一个海绵槽的开口相反侧由上至下安装有限位导轨23，每个限位导轨23相对的壳体1内壁分别铰接有推杆24，每个推杆24自由端均安装有与限位导轨23滚动配合的滑轮25。具体使用时，压下推杆24，滑轮25与限位导轨23滑动配合，滑动小车到达指定位置。
为了便于该测量仪的使用，壳体1底部设有若干排水口26。
为了便于吸水海绵19的排水，本发明在至少一个海绵槽的开口处的相邻侧面开有压孔27，压孔27内插置有压杆28，压孔27内侧的压杆28端部固定有用于挤压吸水海绵19水分的压板29。
为了避免在测量过程中土样的大量流失，同时避免环刀影响渗流，理论上方形环刀2的周身及底部的孔隙应大于土样的孔隙率。具体实施时，所述方形环刀2是由20目的紫铜网制成的。
进一步，本发明提供了一种体积渗透系数的测量方法，是通过所述测量仪实现的，该测量方法的步骤包括：
①取出方形环刀2，在需要测量渗透系数的土体上取样，取出后用削土刀将土样削平，盖上方形环刀2的底部，将土样放到隔水箱3内；
②将各长方体玻璃管上出水口20的止水开关关闭，抽调隔水箱3的上、下、右、前四个面，抽出各隔水板至土样最高处，打开插管14的止水开关，提前往各玻璃管内注水至土样饱和，并且使得接水玻璃管8内充满水；
③测量开始，推动前滑动小车10使得前海绵槽16内的吸水海绵19与方形环刀2前侧完全接触；推动右滑动小车11使得右海绵槽17内的吸水海绵19与方形环刀2右侧完全接触；推动左滑动小车9使得左海绵槽18内的吸水海绵19与插管14呈插接配合；
④当各吸水海绵19开始收集各方向渗过的水的同时开始计时，水平渗透的出水水位高度按土样高度的中点处计，垂直渗透的出水水位高度按插管14的出水口处最低点处计，三个长方体玻璃管的起始水头差分别为：Δh11、Δh12、Δh13，每个长方体玻璃管内水头下降Δh时停止计时，停止计时的同时终止水头差对应分别为Δh21、Δh22、Δh23，三个长方体玻璃管内水头下降Δh所用的时间分别对应是t1、t2、t3，可通过下式求得三个方向的渗透系数：
Q＝Q1+Q2+Q3
式中：a—土样过水截面积，L—土样边长，A—各长方体玻璃管横截面积，Q1至Q3—分别对应每个方向的渗流量，Q—总渗流量，k1至k3—分别对应土样每个方向的渗透系数；
⑤将全部的隔水板抽出，使得三个长方体玻璃管之间完全连通形成一个不规则腔体，当腔体内水面平静后开始计时，在腔体内水头下降Δh时停止计时，用时t4，可得下式：
由此可得：(腔体内初始隔水板所占的体积忽略不计),即：
以k的值表达土样的体积渗透情况。
采用上述体积渗透系数的测量方法时，为了使得测量结果更加精确，当抽出隔水箱3的各面时，方形环刀2与长方体玻璃管(或罩体6、接水玻璃管8)之间的间隙可采用密封条等手段进行密封处理。
本发明进一步提供了常水头渗透法测量渗透性较大的砂性土，具体步骤如下：
⑴测量垂直渗透系数：将上长方体玻璃管7上出水口20止水开关打开，仅抽掉隔水箱3上、下两面，打开插管14的止水开关，提前注水至土样饱和，且接水玻璃管8内充满水，测量开始，不断向上长方体玻璃管7内注水，使其水位不变，推动左滑动小车9使得左海绵槽18内的吸水海绵19与插管14呈插接配合，收集渗过的水量同时开始计时，垂直渗透的出水水位高度按插管14的出水口处最低点处计，水在水头差Δh的作用下流过土样，从底部排出，经过时间t，测出流经式样的水量Δm(通过称重装置15获得)，将数据传输给微型计算机21，通过如下公式计算并输出结果。
式中：k—垂直渗透系数，Δm—吸水海绵19质量变化量，L—土样边长，Δh—水头差，A—上长方体玻璃管7横截面积，t—渗透时间，ρ—水的密度。
⑵测量水平渗透系数：将左长方体玻璃管4(或后长方体玻璃管5)上出水口20止水开关打开，仅抽掉隔水箱3左、右侧面(或前、后侧面)，提前注水至土样饱和，测量开始，不断向左长方体玻璃管4(或后长方体玻璃管5)内注水，使其水位不变，推动右滑动小车11(或前滑动小车10)使得右海绵槽17(前海绵槽16)内的吸水海绵19与方形环刀2右侧(或前侧)完全接触；收集渗过的水同时开始计时，水平渗透的出水水位高度按土样高度的中点处计，水在水头差Δh的作用下流过土样，从右侧(前侧)排出，经过时间t，测出流经式样的水量Δm(通过称重装置15获得)，将数据传输给微型计算机21，通过如下公式计算并输出结果。
式中：k—水平渗透系数，Δm—吸水海绵19质量变化量，L—土样边长，Δh—水头差，A—左长方体玻璃管4(或后长方体玻璃管5)横截面积，t—渗透时间，ρ—水的密度。
本发明采用变水头渗透法测量渗透系数较小的粘性土，具体步骤如下：
⑴测量垂直渗透系数：将上长方体玻璃管7上出水口20止水开关关闭，仅抽掉隔水箱3上、下两面，打开插管14的止水开关，提前注水至土样饱和，且接水玻璃管8内充满水，垂直渗透的出水水位高度按插管14的出水口处最低点处计，测量开始，推动左滑动小车9使得左海绵槽18内的吸水海绵19与插管14呈插接配合，水流从上长方体玻璃管7自上而下渗流过土样，吸水海绵19收集渗过的水量同时开始计时t1，结束后拉回左滑动小车9，记录结束时间t2，将数据传输给微型计算机21，通过如下公式计算并输出结果。
式中：k—垂直渗透系数，A—上长方体玻璃管7横截面积，L—土样边长，a—土样过水截面积，t2、t1—测量结束、开始的时间，Δh2、Δh1—t2、t1时刻的水头差。
⑵测量水平渗透系数：将左长方体玻璃管4(或后长方体玻璃管5)上出水口20止水开关关闭，仅抽掉隔水箱3左、右侧面(或前、后侧面)，提前注水至土样饱和，测量开始，推动右滑动小车11(或前滑动小车10)使得右海绵槽17(前海绵槽16)内的吸水海绵19与方形环刀2右侧(或前侧)完全接触；水平渗透的出水水位高度按土样高度的中点处计，开始收集渗过的水量同时开始计时t1，结束后拉回右滑动小车11(或前滑动小车10)，记录结束时间t2，将数据传输给微型计算机21，通过如下公式计算并输出结果。
式中：k—水平渗透系数，L—土样边长，Δh2、Δh1—t2、t1时刻的水头差，a—土样过水截面积，A—左长方体玻璃管4(或后长方体玻璃管5)横截面积，t—渗透时间，ρ—水的密度。
Claims (8)
1.多维渗透系数测量仪，其特征在于，包括壳体(1)，支撑于壳体(1)中部且下侧带可拆卸底部的方形环刀(2)，支撑于壳体(1)中部且包覆于方形环刀(2)上下及周身的隔水箱(3)，支撑于隔水箱(3)左侧的截面呈直角U型且带有底部的左长方体玻璃管(4)，支撑于隔水箱(3)后侧的带有底部的后长方体玻璃管(5)，满置于隔水箱(3)上表面的罩体(6)，垂直固定于罩体(6)上方且截面呈反L型的上长方体玻璃管(7)，支撑于隔水箱(3)底部呈漏斗形的接水玻璃管(8)，置于壳体(1)内且分别位于隔水箱(3)左侧、前侧及右侧的左滑动小车(9)、前滑动小车(10)及右滑动小车(11)，可直接计算并输出三维渗透系数及体积系数的微型计算机(21)，
所述方形环刀(2)的周身及底部均布满孔隙，隔水箱(3)具有密封性且其六面均为可拆卸结构，左长方体玻璃管(4)和后长方体玻璃管(5)的底部均与隔水箱(3)底部位于同一水平面上，左长方体玻璃管(4)开口处安装有可向上抽出的左隔水板(12)，后长方体玻璃管(5)的前侧靠左由上至下呈开口结构，该开口处安装有可向上抽出的后隔水板(13)，上长方体玻璃管(7)通过左隔水板(12)、后隔水板(13)形成一个独立的长方体腔体，且上长方体玻璃管(7)的短边与左长方体玻璃管(4)、后长方体玻璃管(5)的宽相等，上长方体玻璃管(7)的长边与左长方体玻璃管(4)、后长方体玻璃管(5)的长相等；所述上长方体玻璃管(7)的底部与罩体(6)内部呈连通结构，接水玻璃管(8)的斗部罩设于隔水箱(3)底部，接水玻璃管(8)的管部向下延伸后向上弯曲、朝向左滑动小车(9)水平延伸形成插管(14)，插管(14)的开口处安装有止水开关；
每个滑动小车上均放置有称重装置(15)，前滑动小车(10)和右滑动小车(11)的称重装置(15)上分别放置有开口朝向隔水箱(3)的前海绵槽(16)、右海绵槽(17)，前海绵槽(16)和右海绵槽(17)的开口面分别与隔水箱(3)的前侧和右侧相对且相等，左滑动小车(9)的称重装置(15)上放置有开口朝向插管(14)的左海绵槽(18)，每个海绵槽内均塞满吸水海绵(19)，且左海绵槽(18)内的吸水海绵(19)与插管(14)呈插接配合；每个海绵槽外均设有计时器(27)，左长方体玻璃管(4)、后长方体玻璃管(5)和上长方体玻璃管(7)上方等高处均开有出水口(20)，每个出水口(20)上均设有止水开关。
2.根据权利要求1所述的多维渗透系数测量仪，其特征在于，左长方体玻璃管(4)、后长方体玻璃管(5)和上长方体玻璃管(7)上均由上至下安装有自动水位计(22)。
3.根据权利要求2所述的多维渗透系数测量仪，其特征在于，至少一个海绵槽的开口相反侧由上至下安装有限位导轨(23)，每个限位导轨(23)相对的壳体(1)内壁分别铰接有推杆(24)，每个推杆(24)自由端均安装有与限位导轨(23)滚动配合的滑轮(25)。
4.根据权利要求3所述的多维渗透系数测量仪，其特征在于，壳体(1)底部设有若干排水口(26)。
5.根据权利要求4所述的多维渗透系数测量仪，其特征在于，至少一个海绵槽的开口处的相邻侧面开有压孔(27)，压孔(27)内插置有压杆(28)，压孔(27)内侧的压杆(28)端部固定有用于挤压吸水海绵(19)水分的压板(29)。
6.根据权利要求5所述的多维渗透系数测量仪，其特征在于，所述方形环刀(2)是由20目的紫铜网制成的。
7.根据权利要求6所述的多维渗透系数测量仪，其特征在于，每个滑动小车上均安装有计时器(30)。
8.一种体积渗透系数的测量方法，其特征在于，是通过权利要求1至7任一权利要求所述测量仪实现的，该测量方法的步骤包括：
①取出方形环刀(2)，在需要测量渗透系数的土体上取样，取出后用削土刀将土样削平，盖上方形环刀(2)的底部，将土样放到隔水箱(3)内；
②将各长方体玻璃管上出水口(20)的止水开关关闭，抽调隔水箱(3)的上、下、右、前四个面，抽出各隔水板至土样最高处，打开插管(14)的止水开关，提前往各玻璃管内注水至土样饱和，并且使得接水玻璃管(8)内充满水；
③测量开始，推动前滑动小车(10)使得前海绵槽(16)内的吸水海绵(19)与方形环刀(2)前侧完全接触；推动右滑动小车(11)使得右海绵槽(17)内的吸水海绵(19)与方形环刀(2)右侧完全接触；推动左滑动小车(9)使得左海绵槽(18)内的吸水海绵(19)与插管(14)呈插接配合；
④当各吸水海绵(19)开始收集各方向渗过的水的同时开始计时，水平渗透的出水水位高度按土样高度的中点处计，垂直渗透的出水水位高度按插管(14)的出水口处最低点处计，三个长方体玻璃管的起始水头差分别为：Δh11、Δh12、Δh13，每个长方体玻璃管内水头下降Δh时停止计时，停止计时的同时终止水头差对应分别为Δh21、Δh22、Δh23，三个长方体玻璃管内水头下降Δh所用的时间分别对应是t1、t2、t3，可通过下式求得三个方向的渗透系数：
Q＝Q1+Q2+Q3
式中：a—土样过水截面积，L—土样边长，A—各长方体玻璃管横截面积，Q1至Q3—分别对应每个方向的渗流量，Q—总渗流量，k1至k3—分别对应土样每个方向的渗透系数；
⑤将全部的隔水板抽出，使得三个长方体玻璃管之间完全连通形成一个不规则腔体，当腔体内水面平静后开始计时，在腔体内水头下降Δh时停止计时，用时t4，可得下式：
由此可得：即：
以k的值表达土样的体积渗透情况。
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