CN106644890A - 一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置 - Google Patents

Abstract

一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，包括供水箱、水泵、电控阀、计算机、压力传感器、温度传感器、压力水管和用来装填土样的试样管，压力水管上端通过进水管与供水箱连通，压力水管下端通过出水管连通在试样管下端，水泵安装在进水管上，电控阀和压力传感器安装在出水管上；压力传感器和温度传感器将检测的压力和温度传输给计算机，计算机控制水泵和电控阀启闭。

Description

一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置

技术领域

本发明涉及一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置。

背景技术

渗透系数是土的一项重要力学指标，它将用来分析天然地基、堤坝和基坑开挖边坡的渗流稳定，确定堤坝断面和计算堤坝和地基的渗流量等。由于影响渗透系数的因素十分复杂，如土的颗粒组成，胶体含量、结构状态、密度、土粒和水的矿物成分等，都足以影响它的正确测定。当前室内和现场用的各种方法所测定的渗透系数仍然是个比较粗略的数值，实际上渗透系数的测定方法，仍处于研究和改进之中。对不同的土类测定土的渗透系数，应选用不同的试验方法。试验类型分为常水头渗透试验和变水头渗透试验。常水头渗透试验适用于粗粒土，变水头渗透试验适用于细粒土。渗透系数的测定，以现场抽水注水法测定结果较为可靠，但由于设备复杂、耗费大，仅在特殊需要时才采用。目前一般是以室内渗透试验测定渗透系数。

试验仪器的选择主要根据以下原则确定:首先是试验结果应合理可靠；其次是能满足细粒土和粗粒土室内和现场试验的需要；再则是仪器结构简单，止水严密，易于排气。根据上述原则、我国以往采用的测试方法有70型(基马式)渗透仪法、土样管(卡明斯基管)渗透仪法、负压式渗透仪法、南55型渗透仪法、南59型渗透仪法及试坑渗水法等。

70型渗透仪及土样管渗透仪适用于粗粒土。土样管法虽然精度较差，但仪器和步骤较简便，易于掌握，可在现场进行。70型渗透仪多用于室内，由于有测压孔，可以分段取值，相互校核，并可取流态较稳定的中段的试验结果，其不足之处是筒身为金属制作，不便于观察试样内部渗流情况，遇有积气部位不易发现与排除，这种缺点应在装样时注意避免。负压式渗透仪和南55型渗透仪都适用于原状和扰动细粒土的室内试验。负压式渗透仪的仪器构造和操作都较繁琐，优点是它可以和固结试验结合进行，并可利用一个试验测出各种孔隙比下的渗透系数，可避免试样与环壁密合不好的缺点，当试样较小时宜用此法。南55型渗透仪的特点是仪器构造简单，止水严密，适用于常水头和变水头两种方法，属于定型的渗透仪，我国各试验室普遍采用。南59型渗透仪用的较少。

上述的传统渗透系数的测定方法，不难发现，都是需要人工计算渗透系数，而且按照《土工试验技术手册》，往往要重复测5—6次，在不同开始水头下测定的渗透系数在允许差值范围内时，结束试验。由此看出，传统的渗透系数测定方法，即耗费人力也耗费时间，由于效率较低，因而也不利于试验连续操作，精度也不一定准确。鉴于此，设计一种利用计算机测渗透系数的智能装置及方法就十分必要了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，不仅可以在实验时连续操作，而且试验精度高、操作方便、节约人力和时间。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，包括供水箱、水泵、电控阀、计算机、压力传感器、温度传感器、压力水管和用来装填土样的试样管，压力水管上端通过进水管与供水箱连通，压力水管下端通过出水管连通在试样管下端，水泵安装在进水管上，电控阀和压力传感器安装在出水管上；压力传感器和温度传感器将检测的压力和温度传输给计算机，计算机控制水泵和电控阀启闭。

所述试样管包括透明管体和可分离式、密封式安装在透明管体两端的密封帽，上端密封帽连通排水管，出水管连通下端密封帽，在土样填充到透明管体内后，在土样两端设有反滤层。

一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置测量土样渗透系数的方法，包括如下步骤：

1)将制备好的试验土样填充到透明管体内；

2)计算机内按照《土工试验技术手册》的渗透系数计算方法设定计算程序：渗透系数计算公式为；

式中：k_T试验温度T℃时试件的渗透系数cm/s；

2.3为lg和ln的变换因数，

a为压力水管断面面积cm²，

t₁为测读水头起始时间s，

t₂为测读水头终止时间s，

H₁为t₁时间时压力水管的液面高度和土样渗透出口的高度差cm，

H₂为t2时间时压力水管的液面高度和土样渗透出口的高度差cm，

L为透明管体内土样长度cm，

A为土样截面积cm²；

k₂₀标准温度时试件的渗透系数cm/s,

η_T、η₂₀分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数kPa.s；

3)在计算机内预设约束压力水管压力范围；

4)水泵和电控阀开启，将水抽入到压力水管中，水穿透土样后，关闭阀门，在水位上升为压力传感器检测到最高值时，水泵关闭；

5)电控阀开启，计算机记录水头的开始下降时间t₁，同时压力传感器将检测到压力值传输到计算机，计算机将此时的压力值转换为压力水管的液面高度和土样渗透出口的高度差H₁；

6)随着压力水管内水位的下降，计算机记录水头的终止下降时间t₂，同时压力传感器将检测到压力值传输到计算机，计算机将此时的压力值转换为压力水管的液面高度和土样渗透出口的高度差H₂，温度传感器将检测温度T；

7)计算机将检测到数据t₁、t₂、T、H₁和H₂代入渗透系数计算公式中计算出渗透系数。

测量土样渗透系数的方法还包括第8)步，所述第8)步为：在水位下降到压力传感器检测到约束压力值的最低值时，计算机控制电控阀关闭、水泵开启，当水位达到约束压力值的最高值时，计算机控制电磁阀开启、水泵关闭。

在测量土样渗透系数的方法还包括第1)步中，试验土样的制备方法包括如下步骤：

1)采集土样，在取样过程中，土样不得受压、受挤和受扭，在运输过程避免振动破坏土体结构；

2)将块状土碾散，如果土样含水率较大，可先风干至易碾散为止；

3)根据试验所需土样数量，将碾散的土样过筛；

4)将第一层反滤层装入透明管体，然后将筛好的试验土样灌入到透明管体内后，分多次击实，每次击实次数根据设计的干密度确定；

5)将第二层反滤层装入被击实的试验土样上；

6)将两个密封帽密封到透明管体两端，至此试验土样制备完成。

在试验土样的制备方法第4)步中，试验土样灌入到透明管体内后，分四次击实，第一次灌入透明管体1/3土样击实，第二次灌入透明管体1/3土样击实，第三次灌入透明管体1/6土样击实，第四次将透明管体灌满后击实。

本发明的有益效果为：与传统渗透系数的测定方法相比，本装置在试验前土样截面积、透明管体内土样长度和压力水管断面面积的参数已设定好，利用压力传感器实时测量压力水管的液面高度和土样渗透出口的高度差，通过计算机可以迅速输出各时刻土样的渗透系数，能解决目前方法耗费大量人力和时间，效率较低，不利于试验连续操作，精度也不一定准确的问题；此外通过设定压力水管内最高水位和最低水位，实现自动加水。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明的主视结构示意图。

图中：供水箱1、水泵2、压力水管3、电控阀4、压力传感器5、试样管6、温度传感器8、透明管体61、密封帽62、反滤层63、进水管71、出水管72。

具体实施方式

如图1所示，一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，包括供水箱1、水泵2、电控阀4、计算机、压力传感器5、压力水管3和用来装填土样的试样管6，压力水管3上端通过进水管71与供水箱1连通，压力水管3下端通过出水管72连通在试样管6下端，水泵2安装在进水管71上，电控阀4和压力传感器5安装在出水管72上；压力传感器5将检测的压力传输给计算机，计算机控制水泵2和电控阀4启闭。

所述试样管6包括透明管体61和可分离式、密封式安装在透明管体61两端的密封帽62，上端密封帽62连通排水管，出水管72连通下端密封帽62，在土样填充到透明管体61内后，在土样两端设有反滤层63。

其中反滤层63是一种可以过水但不过骨料和土的组合材料。

一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置测量土样渗透系数的方法，包括如下步骤：

1)将制备好的试验土样填充到透明管体61内；

2)计算机内按照《土工试验技术手册》的渗透系数计算方法设定计算程序：渗透系数计算公式为；

式中：k_T试验温度T℃时试件的渗透系数cm/s

2.3为lg和ln的变换因数，

a为压力水管3断面面积cm²，

t₁为测读水头起始时间s，

t₂为测读水头终止时间s，

H₁为t₁时间时压力水管3的液面高度和土样渗透出口的高度差cm，

H₂为t2时间时压力水管3的液面高度和土样渗透出口的高度差cm，

L为透明管体61内土样长度cm，

A为土样截面积cm²；

k₂₀标准温度时试件的渗透系数cm/s；

η_T、η₂₀分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，kPa.s，可查《土工试验技术手册》南京水利科学研究院表1-12-2。

其中《土工试验技术手册》是采用“由南京水利科学研究院土木研究院编著，人民交通出版社2003年4月出版的《土工试验技术手册》”；

水头是压力水管3的液面高度和土样渗透出口的高度差；

压力传感器5与H1和H2的关系为：1m的水头就等于0.01mpa，压力感应器可以把所测到的压力值，转化为水头值，比如压力感应器测得压力值为0.005mpa，则会输出为50cm的水头；

3)在计算机内预设约束压力水管3压力范围；

4)水泵2和电控阀4开启，将水抽入到压力水管3中，水穿透土样后，关闭阀门，在水位上升为压力传感器5检测到最高值时，水泵2关闭；

5)电控阀4开启，计算机记录水头的开始下降时间t₁，同时压力传感器5将检测到压力值传输到计算机，计算机将此时的压力值转换为压力水管3的液面高度和土样渗透出口的高度差H₁；

6)随着压力水管3内水位的下降，计算机记录水头的终止下降时间t₂，同时压力传感器5将检测到压力值传输到计算机，计算机将此时的压力值转换为压力水管3的液面高度和土样渗透出口的高度差H₂，温度传感器8将检测温度T；

7)计算机将检测到数据t₁、t₂、T、H₁和H₂代入渗透系数计算公式中计算出渗透系数。

例如：土样截面积为A为20cm²，透明管体61内土样长度14cm，压力水管3的截面积0.5cm²在10min内(t₁到t₂的时间段)内，开测水头为90cm，终止水头为89cm，试验水温19℃，则计算机计算(标准温度时的)渗透系数k₂₀为：

则：

传统的测土样渗透系数方法都是人工去做实验(其具体操作方法见《土工试验技术手册》第69页第一段)，记录好试验得到的数据，然后计算，只能得到测这个时间段的结果，而我们的这个装置，可以自己设定好Δt＝t2-t1，也就是测量时间间隔，计算机每过一个Δt就测一次数据，还可以对所测的数据进行分析，比如选定时间段内的均值、最大值、最小值、均方差；本发明在试验前土样截面积、透明管体61内土样长度和压力水管3断面面积的参数已设定好，利用压力传感器5实时测量压力水管3的液面高度和土样渗透出口的高度差，通过计算机可以迅速输出各时刻土样的渗透系数，进而解决目前方法耗费大量人力和时间，效率较低，不利于试验连续操作精度也不一定准确的问题。

比如1：设定时间段为30min，设定计算机每过Δt＝10s测一次渗透系数，则可采集到180个数据，对着180个数据，计算机会自动生成时间与渗透系数的曲线图，方便直观，并可对这些数据进行筛除，均值等处理，所得数据精度很高，排除了人为误差，计算机只要开始运行，就可以连续操作。

而传统渗透系数的测定方法就是人工去测数据，去计算，然后重复测5～6次，看是否在允许误差内，结束试验。

比如2：在工程试验中如果要研究，在持续过水服役环境下土的渗透系数变化规律，那么就需要在若干天内渗透试验一直进行，把所测的无数个渗透系数记录，并研究其规律，这种情况下，如果传统人工去测定渗透系数，需要实验人员不间断的做试验测渗透系数，这是人力很难完成的，但是本发明可以，只要开始运行它就可以一直测数据，并可以任意间隔测得一个数据，并记录好所测时间。

因此，本发明与传统渗透系数的测定方法相比，不需要耗费大量人力和时间，效率高，有利于试验连续操作，精度也有了提高。

测量土样渗透系数的方法还包括第8)步，所述第8)步为：在水位下降到压力传感器5检测到约束压力值的最低值时，计算机控制电控阀4关闭、水泵2开启，当水位达到约束压力值的最高值时，计算机控制电磁阀开启、水泵2关闭。

通过设定压力水管3内最高水位和最低水位，即压力传感器5检测到的最高值和最低值，可以实现自动加水，使装置完全自动化，并且渗出的水得到循环利用。

在测量土样渗透系数的方法还包括第1)步中，试验土样的制备方法包括如下步骤：

1)采集土样，在取样过程中，土样不得受压、受挤和受扭，在运输过程避免振动破坏土体结构；

2)将块状土碾散，如果土样含水率较大，可先风干至易碾散为止；

3)根据试验所需土样数量，将碾散的土样过筛；

4)将第一层反滤层63装入透明管体61，然后将筛好的试验土样灌入到透明管体61内后，分多次击实，每次击实次数根据设计的干密度确定；

5)将第二层反滤层63装入被击实的试验土样上；

6)将两个密封帽62密封到透明管体61两端，至此试验土样制备完成。

在试验土样的制备方法第4)步中，试验土样灌入到透明管体61内后，分四次击实，第一次灌入透明管体1/3土样击实，第二次灌入透明管体1/3土样击实，第三次灌入透明管体1/6土样击实，第四次将透明管体61灌满后击实。

Claims (6)

1.一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，其特征在于：包括供水箱(1)、水泵(2)、温度传感器(8)、电控阀(4)、计算机、压力传感器(5)、压力水管(3)和用来装填土样的试样管(6)，压力水管(3)上端通过进水管(71)与供水箱(1)连通，压力水管(3)下端通过出水管(72)连通在试样管(6)下端，水泵(2)安装在进水管(71)上，电控阀(4)和压力传感器(5)安装在出水管(72)上；压力传感器(5)和温度传感器(8)将检测的压力和温度传输给计算机，计算机控制水泵(2)和电控阀(4)启闭。

2.根据权利要求1所述的一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，其特征在于：所述试样管(6)包括透明管体(61)和可分离式、密封式安装在透明管体(61)两端的密封帽(62)，上端密封帽(62)连通排水管(73)，出水管(72)连通下端密封帽(62)，在土样填充到透明管体(61)内后，在土样两端设有反滤层(63)。

3.根据权利要求2所述的一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，其特征在于：使用权利要求2所述的装置测量土样渗透系数的方法，包括如下步骤：

1)将制备好的试验土样填充到透明管体(61)内；

2)计算机内按照《土工试验技术手册》的渗透系数计算方法设定计算程序：渗透系数计算公式为；

$k_T=2.3\frac{aL}{A(t_2-t_1)}lg\frac{H_1}{H_2}$

$k_{20}=k_T\frac{{\mathrm{\η}}_T}{{\mathrm{\η}}_{20}}$

式中：k_T试验温度T℃时试件的渗透系数cm/s；

2.3为lg和ln的变换因数，

a为压力水管(3)断面面积cm²，

t₁为测读水头起始时间s，

t₂为测读水头终止时间s，

H₁为t₁时间时压力水管(3)的液面高度和土样渗透出口的高度差cm，

H₂为t2时间时压力水管(3)的液面高度和土样渗透出口的高度差cm，

L为透明管体(61)内土样长度cm，

A为土样截面积cm²；

k₂₀标准温度时试件的渗透系数cm/s,

η_T、η₂₀分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数kPa.s；

3)在计算机内预设约束压力水管(3)压力范围；

4)水泵(2)和电控阀(4)开启，将水抽入到压力水管(3)中，水穿透土样后，关闭阀门，在水位上升为压力传感器(5)检测到最高值时，水泵(2)关闭；

5)电控阀(4)开启，计算机记录水头的开始下降时间t₁，同时压力传感器(5)将检测到压力值传输到计算机，计算机将此时的压力值转换为压力水管(3)的液面高度和土样渗透出口的高度差H₁；

6)随着压力水管(3)内水位的下降，计算机记录水头的终止下降时间t₂，同时压力传感器(5)将检测到压力值传输到计算机，计算机将此时的压力值转换为压力水管(3)的液面高度和土样渗透出口的高度差H₂，温度传感器(8)将检测温度T；

7)计算机将检测到数据t₁、t₂、T、H₁和H₂代入渗透系数计算公式中计算出渗透系数。

4.根据权利要求3所述的一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，其特征在于：测量土样渗透系数的方法还包括第8)步，所述第8)步为：在水位下降到压力传感器(5)检测到约束压力值的最低值时，计算机控制电控阀(4)关闭、水泵(2)开启，当水位达到约束压力值的最高值时，计算机控制电磁阀开启、水泵(2)关闭。

5.根据权利要求3或4所述的一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，其特征在于：在测量土样渗透系数的方法还包括第1)步中，试验土样的制备方法包括如下步骤：

1)采集土样，在取样过程中，土样不得受压、受挤和受扭，在运输过程避免振动破坏土体结构；

2)将块状土碾散，如果土样含水率较大，可先风干至易碾散为止；

3)根据试验所需土样数量，将碾散的土样过筛；

4)将第一层反滤层(63)装入透明管体(61)，然后将筛好的试验土样灌入到透明管体(61)内后，分多次击实，每次击实次数根据设计的干密度确定；

5)将第二层反滤层(63)装入被击实的试验土样上；

6)将两个密封帽(62)密封到透明管体(61)两端，至此试验土样制备完成。

6.根据权利要求5所述的一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置，其特征在于：在试验土样的制备方法第4)步中，试验土样灌入到透明管体(61)内后，分四次击实，第一次灌入透明管体(61)1/3土样击实，第二次灌入透明管体(61)1/3土样击实，第三次灌入透明管体(61)1/6土样击实，第四次将透明管体(61)灌满后击实。