CN108037055B - 土样原状改良与渗透性能测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土样原状改良与渗透性能测试系统，主要用于综合改良现场原状土样并具有测试其渗透性能参数的功能。该装置由土样改良渗透装置、改良溶液循环设备及其动力设备三部分构成，针对实验室常用的土样尺寸，设计的土样改良渗透装置尺寸大体上与之相匹配，其作为土体改良时的容器并兼具测定渗透性能参数的功能，由环刀、套筒、密封圈、透水石、进排水管、上下盖组成。土体性质参数的改变依托于改良溶液的循环流动实现，这一部分由水头箱、进水箱组成。可变压常压空压机、真空泵动力设备主要为溶液的稳定循环流动提供动力。与现有技术相比，本发明具工作效率高、操作方便、效果可靠、易于掌握、可拆卸组装等优点。
Description
技术领域
本发明属于地质工程、岩土工程领域，尤其是涉及一种土样原状改良与渗透性能测试系统。
背景技术
土体自身的强度、变形、稳定性及其渗透性是解决隧道、基坑等各类岩土工程施工安全的关键性问题，而室内的土工试验工作贯穿了工程实施前、中、后的各阶段，是确定工程岩土体的物理力学参数的必要工作。
目前，土工试验对土体的评价指标主要集中在测定其在原始状态下的强度、变形等，然而随着岩土加固、地基处理技术的广泛应用，加固改良后的土体性质参数的改变是研究的重点，所谓的土体原状改良技术，是作为处理土体的一种技术，其基于工程、实验等方面的需求，对土体中的特定成分进行增加或者减少，进而达到促使土体的力学、化学乃至生物特性发生改变，譬如可以通过向土体中加入化学试剂增强土体的强度、降低透水性等，可以通过增加某类别微生物来增强土体的活性或者生活化学反应特性，还可通过淋洗降低土体的污染物的浓度，使得土体环境质量达标，等等。土体经过改良处理后实现了强度、稳定性提升，土体活性提升，污染程度降低等，可以应用于各类工程项目。
但是，目前的土体改良技术大多通过在现场试验中验证，尚未有室内试验的鉴别、处理手段，同时，现场试验耗费大量的人力、财力且研究周期长。因此，开发一种室内原状土的改良装置可以降低实验成本、减少实验盲目性、提高实验速度、准确性，具有很大的经济价值和社会效益。
发明内容
本发明针对目前要获取原状结构基础上的改良土样所存在的一系列复杂的试验条件、耗费人力物力较大的现状，克服现有技术的不足，提供的一种功能多样、操作方便、效果可靠的土样原状改良与渗透性能测试系统，其能够在保持土体的原状结构基础上进行多种形式的土体改良试验并测定其渗透性能参数的大小、改变。即本发明提供了土样的改良渗透装置及其在原状条件下定量化评价改良土样中改良剂浓度的方法和评价改良土样的渗透性能的方法、改良溶液的循环部分(包括改良剂循环顺序的设计)。
本发明提供的一种土样原状改良与渗透性能测试系统，可以通过以下的技术方案实现：
一种土样原状改良与渗透性能测试系统，主要用于综合改良现场原状土样及测试其渗透性能参数；其包括土样的改良渗透装置、改良溶液的循环设备及其循环动力设备。所述的土样的改良渗透装置具有保持土体原状并接受溶液改良处理、控制改良溶液流动路径的能力。所述的改良溶液的循环设备及其动力设备具有控制溶液流速、控制溶液对土体改良的循环利用、测定土样渗透系数的能力。
其中，土样的改良渗透装置包括下盖1、上盖2、刚性套筒12、下透水石3-1、上透水石3-2、改良渗透装置进水管5、改良渗透装置排水管4、刚性套筒12、环刀、下密封圈34-1、上密封圈34-2、四根刚性钢丝绳7、两个刚性圆环6、两个钩子8、两个控制转轮9、两个斜齿轮10、两个升降齿轮11、两个斜齿轮悬吊杆28。为了方便土样的放置与整体的稳定，上述组成单元基本为圆柱、圆环的形式。
下盖1为改良渗透装置的底座，其直径为76mm-80mm之间、高度为20mm-30mm之间；该下盖1上设置有下透水石3-1、下密封圈34-1、改良渗透装置进水管5。下密封圈34-1为内径处于38mm-39mm之间、宽度为2mm圆环体，下透水石3-1为直径38mm、高度10mm的圆柱体。下透水石3-1嵌设在下盖1中，并位于下盖1的上部；下密封圈34-1靠近下透水石3-1的上表面并套设于下透水石3-1的外周上，同时两者的中心均位于下盖1的中轴线上；直径为2mm-3mm的改良渗透装置进水管5设置在下盖1中，其出水端与下透水石3-1的下端连通，以保证由改良渗透装置进水管5进入的水流竖向向上流动。
上盖2与下盖1上下对应设置，其直径为76mm-80mm之间、高度15mm-20mm之间；该上盖2下设置有上透水石3-2、改良渗透装置排水管4。上透水石3-2嵌设在上盖2中并位于上盖2的下部，同时其中心位于上盖2的中轴线上；改良渗透装置排水管4设置在上盖2中，其进水端与上透水石3-2的上端固定连通不可移动拆卸。但是，为便于土样的放置，上盖2中设置的上透水石3-2可以自行拆卸并不固定。此外，上盖2上设置的上透水石3-2、改良渗透装置排水管4的尺寸分别与下盖1上设置的下透水石3-1、改良渗透装置进水管5的尺寸相同。
所述环刀、刚性套筒12、上密封圈34-2构成了放置土样的主体部分。其中，环刀包括环刀主体13、环刀上部外沿结构32、环刀下部刀口结构33。考虑到实验室常用的土样尺寸(直径×高度：38mm×80mm)，环刀主体13作为密封土样的中空圆柱状器件，其尺寸与土样相同(直径×高度：38mm×80mm，厚度1mm)，材质采用轻质耐劳刚性材料，以避免受力变形影响试样内部结构；同时环刀主体13的外表面上采用致密无渗漏接缝以保证土样密封性，环刀主体13内表面尽量光滑以便于土样放置，环刀主体13应尽量轻薄以减少试验误差。环刀主体13在纵向上端具有一个相同材质的内直径40mm、外直径44mm、高度1mm-2mm之间的中空圆柱体状的环刀上部外沿结构32，起到环刀主体13与刚性套筒12相连接的作用。环刀主体13在纵向距下端2mm-3mm处其壁厚为0.5mm-0.8mm，形成环刀下部刀口结构33，以便于取出土样。在本发明中，环刀主体13、环刀上部外沿结构32、环刀下部刀口结构33三个部件是一个整体，相互之间不独立。
刚性套筒12作为环刀的约束部分，由中心处于环刀中轴线上的中空圆柱体构成，为便于与环刀相互镶嵌固定，刚性套筒12上端是长2mm-3mm、内直径44mm、外直径46mm的空心薄圆柱，刚性套筒12的剩余部分是内直径40mm、外直径46mm、长度为76mm-78mm的空心厚圆柱，由此，刚性套筒12上端空出一个环形沟槽，该环形沟槽可供放置环刀上部外沿结构32。上密封圈34-2放置在环刀上部外沿结构32的上方，上密封圈34-2与环刀上部外沿结构32共同处在刚性套筒12上端空出的环形沟槽的范围内。由于环刀和刚性套筒12均为环向上的密闭结构，两者形成整体配合，上密封圈34-2阻止了溶液侧向上的渗漏，确保溶质能沿着纵向逐渐浸润处理土体。
所述四根刚性钢丝绳7、两个刚性圆环6、两个钩子8、两个控制转轮9、两个斜齿轮10、两个升降齿轮11、两个斜齿轮悬吊杆28组成一对固定上下盖的夹紧部分。一根刚性钢丝绳7和刚性圆环6组成的结构焊接固定在下盖1上即可；升降齿轮11、斜齿轮10、钩子8、控制转轮9、斜齿轮悬吊杆28、一根刚性钢丝绳7相互组合固定在上盖2上；其中，斜齿轮悬吊杆28设置在上盖2下方；控制齿轮9与斜齿轮10啮合；斜齿轮10具有表面倾斜的结构，且斜齿轮10与升降齿轮11镶嵌，由于斜齿轮10表面倾斜的构造使其在转动中能与升降齿轮11保持紧密的嵌合；升降齿轮11上端设置于上盖2中并受斜齿轮10传递来的作用力整体可上下滑动；升降齿轮11下端通过刚性钢丝绳7固定着钩子8。上下盖的连接是通过竖直向的钩子8拉紧下盖1上设置的刚性钢丝绳7上的刚性圆环6实现的，同时钩子8、钢丝绳7、刚性圆环6均采用刚性的结构不具有弹性，因而刚性钢丝绳7在拉紧后不会发生松弛，而是始终保持稳定的张拉状态，以保证上下盖之间的牢靠。优选钢丝绳的直径在1mm-2mm之间，斜齿轮10的直径在8mm-10mm之间，齿的长度在1mm-2mm之间、厚度在0.5mm-1.0mm之间。升降齿轮11的总长度30mm左右，进入上盖的长度10mm。钢丝绳7和刚性圆环6的总长度在50mm左右。
使用时，首先旋转控制转轮9带动斜齿轮10转动，斜齿轮10受固定在上盖2的下方的斜齿轮悬吊杆28约束不可发生位移只能转动，斜齿轮10与升降齿轮11镶嵌，由于斜齿轮10表面倾斜的构造使其在转动中能与升降齿轮11保持紧密的嵌合，升降齿轮11上端设置于上盖2中并受斜齿轮10传递来的作用力整体可上下滑动。升降齿轮11下端固定着钩子8，斜齿轮10的转动带动着升降齿轮11向下移动，将钩子8拉住圆环后反向转动控制转轮9，升降齿轮11向上移动拉紧刚性圆环6；实现了向下朝下盖1传递作用力的过程，有利于整体结构的稳定。
所述改良溶液的循环设备主要包括水头箱23、进水箱29及连接流通的橡胶管15。
其中，进水箱29的尺寸为500mm×400mm×400mm，用于存储和输出改良溶液，进水箱29左侧面底部设置有直径3mm的进水箱排水管31，且其通过一根橡胶管15与土样改良渗透装置下盖1上设置的改良渗透装置进水管5连接；同时橡胶管15的两端各设有一个控制阀门16，对溶液流动进行控制。进水箱29右侧面底部设置有直径为3mm的进水箱出水管27，且该进水箱出水管27上设有控制阀门，主要用于试验过程中采集进水箱29内溶液并测定溶质浓度，用以评估土体的处理程度及确定试验进展程度。
水头箱23为圆柱状结构，其底面圆直径尺寸为45mm，高度尺寸为75mm，用于接收改良土体后的溶液及作为二次循环的起始部分；水头箱23的侧面设置有与水头箱23的上下端连通的水头箱U形量测管20，水头箱U形管20与水头箱23内部气体相互连通，两者内部气压相同；根据等液面原理，水头箱U形量测管20的管内液面的高度即为水头箱23的箱内液面的高度，水头箱U形量测管20用以测量改良溶液渗透输出的体积。水头箱23左侧面设置有水头箱进水管19，水头箱进水管19通过橡胶管15与土样改良渗透装置排水管4连通，该橡胶管15的两端分别设置有控制阀门16；水头箱23和进水箱29是通过水头箱23右侧面底部的水头箱排水管22和进水箱29顶面的进水箱进水管25通过设置有控制阀门的橡胶管15连通。水头箱23的顶面设置有数显压力阀18。
水头箱23和进水箱29顶面均布置有可连接外面大气的应急连通阀17，起到遇到紧急情况能够及时处理的作用。
进水箱29和水头箱23的侧面开有的排水管应尽量靠近下表面，便于箱内溶液排出。所述水头箱U形管测量管20内水体积，其标尺上最小刻度间距应为1ml，以保证测量体积的精度。
所述循环动力设备主要包括可变压常压空压机30、真空泵24及传输压力的管路组成。其中，可变压常压空压机30、真空泵24可根据试验要求选用市场现有的设备。可变压常压空压机30通过两端分别带有控制阀门16的橡胶管15连接到进水箱进气管26，该橡胶管15上还设置有数显压力阀18，通过鼓入压力气体使溶液开始流动。真空泵24通过橡胶管15连接到水头箱23右侧面上方的水头箱进气管21，该橡胶管15在水头箱进气管21处设置有控制阀门，通过抽取水头箱23内空气营造真空环境有利于经过土体改良后的溶液吸入水头箱。所述可变压常压空压机30和真空泵24产生的正压力和负压环境的大小通过数显压力阀18衡量，可变压常压空压机30的输气管路中布置的数显压力阀18监测鼓入空气的压力大小，其量程应略大于可变压常压空压机30规格。水头箱23顶面布置数显压力阀18与水头箱23内部连通，用以监测水头箱23内部负压的大小。
所述测量箱内正负压的数显压力阀18的量程应略大于真空泵24、可变压常压空压机30能给出的最大压力，保证设备的安全性。
所述土样原状改良与渗透性能测试装置，其处理土体溶液的流动路径为：(可变压常压空压机30鼓入常压稳定气体)→进水箱进气管26→进水箱排水管31→土样改良渗透装置进水管5→下透水石3-1→待改良处理的土样14→上透水石3-2→土样改良渗透装置排水管4→(真空泵24稳定抽气)→水头箱进水管19→水头箱排水管22→进水箱进水管25。通过这一工作循环，在尽量保持土样的原状结构不扰动破坏下，通过溶液反复循环使溶质能与土体充分接触，可根据不同的试验要求基于物理、化学、生物的处理方法影响土样的物理力学状态和性质参数，实现土体的预处理或改良。用以真实模拟对原状土的新型的地基处理方法。
所述土样原状改良与渗透性能测试装置，主要有三个处理方面可以实现的功能：
1.可用于土样的抽真空饱和处理；
2.可以对固定规格的土样进行定量化原状改良；
3.在改良土样的同期，可以测量改良前后土样的渗透系数的变化；
所述的土样抽真空饱和处理，主要指通过可变压常压空压机30和真空泵24提供稳定气动力使纯净水体在土样14、进水箱29、水头箱23中循环，水体逐渐充填土样14中的孔隙，排除土样14中的气体，土样14最终达到饱和状态。
所述的土样定量化原状改良，其工作形式与饱和化处理相同，但又根据水体包含溶质的不同，改良处理方式有化学试剂、微生物、淋洗等，因此得到土样的处理结果也不尽相同。所谓原状指的是该改良处理方式不会明显的物理扰动土体结构，更多地保留了土体的真实结构。所谓定量化，指的是实验前测量好溶液内溶质的浓度，经过一段时间的水体循环进入进水箱29内后，可通过进水箱29右侧面底部的进水箱出水管27采集一部分溶液，并测量处理后溶液的改良剂浓度，结合改良剂的初始剂量，初始剂量与处理后的改良剂浓度差值即为改良剂消耗量，也即土样14吸收改良剂的质量，就可以得到土样14中改良剂的浓度。通过这一处理方式，可以得到不同改良剂浓度的土样14，进而就可以对不同浓度的土样14进行试验研究它们的性质差异。
所述的渗透性能的测试，考虑到可变压常压空压机30和真空泵24营造的正负压环境是渗流水力梯度产生的原因，由于水头箱23的高度较低，水头箱23内水体自身产生的水头可以忽略，主要由以下步骤完成：
3.1)调节设置可变压常压空压机P1和真空泵-P2的压力数值保持稳定，作为常水头渗透方式。
3.2)关闭水头箱23至进水箱29之间的连接阀门，溶液经过土样14逐渐进入水头箱。
3.3)待流经土样的溶液流速稳定后即可开始记录时间，至进水完毕后停止计时，即为渗透时间t，读取水头箱U形量测管20上的渗透体积Q，在土样14截面积S已知的情况下可以算得渗流速度：
3.4)层流下，渗流速度与水力梯度成正比：
式中：L为土样长度
Δh为土样渗入渗出界面的水头差，
ρ为溶液密度，g为重力加速度。
通过几次的循环计算可以求得土样14在不同改良剂处理阶段下的渗透系数，与土样14中不同改良剂浓度数据相对应，可得到改良剂浓度对土样14渗透系数的影响。
试验结束后，将改良渗透装置的上盖2拿下，取出环刀和刚性套筒12，将可变压常压空压机30连接在进水箱进气管26端口处的橡胶管15解开，固定在套筒密封盖35上并装上橡胶管密封端头36。将套筒密封盖35放置在环刀和刚性套筒12上部的环向槽内，开启可变压常压空压机30鼓入压力气体，在气动力作用下土样14从环刀中挤出，这种处理方式对土体14的扰动较小。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明综合土体改良处理和渗透性能测试的功能于一身，实现循环处理，并使土体得到充分改良。
(2)本发明具工作效率高、操作方便、效果可靠、易于掌握等优点。
(3)本发明解决了人工处理土样的困难，实现了用于试验的自动化改良土样的方法。
(4)本发明所述土样原状改良与渗透性能测试系统的组成部件，不但便于拆卸，而且根据不同试验需求进行组装，具备试验灵活性，可广泛应用于实验室。
附图说明
图1为本发明装置整体工作的示意图。
图2为本发明环刀上部外沿结构与刚性套筒拼接的示意图。
图3为本发明环刀、密封圈、透水石、刚性套筒的拼接示意图。
图4a和图4b为本发明土样改良渗透装置的齿轮连接细部图。
图5为本发明土样改良渗透装置的正视图。
图6为本发明土样改良渗透装置的侧视图。
图7为本发明的推出土样的套筒密封盖和密封端头的示意图。
其中，1、下盖，2、上盖，3-1、下透水石，3-2、上透水石，4、改良渗透装置排水管，5、改良渗透装置进水管，6、圆环，7、钢丝绳，8、钩子，9、控制转轮，10、斜齿轮，11、升降齿轮，12、刚性套筒，13、环刀主体，14、土样，15、橡胶管，16、控制阀门，17、应急连通阀，18、数显压力阀，19、水头箱进水管，20、水头箱侧向U形量测管，21、水头箱进气管，22、水头箱排水管，23、水头箱，24、真空泵，25、进水箱进水管，26、进水箱进气管，27、进水箱出水管，28、斜齿轮悬吊杆，29、进水箱，30、空压机，31、进水箱排水管，32、环刀上部外沿结构，33、环刀下部刀口结构，34-1、下密封圈，34-2、上密封圈，35、套筒密封盖，36、橡胶管密封端头。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的土样原状改良与渗透性能测试系统的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
实施例
如图1至图7所示，本发明提供一种土样原状改良与渗透性能测试系统，该系统包括土样的改良渗透装置、进水箱29、水头箱23、真空泵24、空压机30组成，具体组件包含下盖1，上盖2，下透水石3-1，上透水石3-2，改良渗透装置排水管4，改良渗透装置进水管5，两个刚性圆环6，四根钢丝绳7，两个钩子8，两个控制转轮9，两个斜齿轮10，两个升降齿轮11，刚性套筒12，环刀主体13，环刀上部外沿结构32，环刀下部刀口结构33，橡胶管15，控制阀门16，应急连通阀17，数显压力阀18，水头箱进水管19，水头箱侧向U形量测管20，水头箱进气管21，水头箱排水管22，水头箱23，真空泵24，进水箱进水管25，进水箱进气管26，进水箱出水管27，斜齿轮悬吊杆28，进水箱29，可变压常压空压机30，进水箱排水管31，上密封圈34-2，下密封圈34-1，套筒密封盖35，橡胶管密封端头36。
首先要将各个组件进行拼装，主要针对于改良渗透装置，将试验土样14整齐放入环刀主体13中，组装环刀主体13和环刀上部外沿结构32，这一工序可直接将两者焊接固定在一起，确保其密封、不能随意转动，如图2所示。通过设计刚性套筒12内部不同厚度的结构使其能与环刀主体13上镶嵌固定，通过不同厚度形成的上端环形沟槽，可用来放置上密封圈34-2、上透水石3-2，如图3所示。刚性套筒12放置于安设有下透水石3-1、下密封圈34-1的下盖1上，将上盖2盖住；旋转控制转轮9使斜齿轮10带动升降齿轮11下降，将钩子8与刚性圆环6相连，反向转动转轮9使斜齿轮10带动升降齿轮11上升，拉紧圆环6，如图4a、图4b所示的细部图。检查改良渗透装置排水管4、改良渗透装置进水管5是否牢靠。如图5、图6即为该改良渗透装置组装完成的示意图。
其中，对土体的改良及渗透性能的测试主要通过以下具体实施步骤完成：
(1)连接各个组件前将试验溶液注入进水箱29；
(2)连接各个组件：
改良渗透装置进水管5与进水箱排水管31用橡胶管15连接并设有控制阀门；
改良渗透装置排水管4与水头箱进水管19用橡胶管15连接并设有控制阀门；
水头箱23与进水箱29的连接是水头箱排水管22和进水箱进水管25用橡胶管15连接；
水头箱23与真空泵24的连接是用橡胶管15将水头箱进气管21与真空泵24的管路连接；
进水箱29与可变压常压空压机30的连接是用橡胶管15将进水箱进气管26与其相连。
(3)开启真空泵24、可变压常压空压机30工作前，先将改良渗透装置进水管5与进水箱排水管31之间的控制阀门16关闭，改良渗透装置排水管4与水头箱进水管19之间的控制阀门16关闭，水头箱排水管22和进水箱进水管25的控制阀门关闭，打开水头箱抽气管21的阀门、进水箱进气管26的阀门、两箱顶面的应急阀门17。
(4)设置调整好真空泵24、可变压常压空压机30的负正工作压力，待两箱的数显压力阀18示数稳定后，关闭箱顶面的应急连通阀17。打开改良渗透装置与进水箱29、水头箱23之间的控制阀门，进水箱进水管25的阀门保持关闭。
(5)在一定的压力作用下，溶液从进水箱29进入到土样14中对其进行处理，从上盖2的改良渗透装置排水管4输出到水头箱进水管19，水头箱23保持接纳处理后的溶液并通过水头箱U形体积量测管20测量溶液体积作为计算渗透系数的数据。
(6)待溶液处理完土样14全部进入水头箱23后，关闭可变压常压空压机30、真空泵24，打开两箱顶面的应急连通阀17使其与外界大气相通，关闭水头箱进水管19和进水箱排水管31，停止溶液的流动。打开进水箱进水管25的控制阀门处理一次的溶液在自重作用下逐渐流向进水箱。
(7)重复步骤(3)-(6)，实现溶液流动进而对土样14的循环处理。
所述的土样定量化原状改良，改良处理方式有化学试剂、微生物、淋洗等，得到土样的处理结果也不尽相同，但试验步骤基本按照上述(1)-(7)顺序执行。具体地来说，实验前需测量好溶液内溶质的浓度，经过一段时间的水体循环进入进水箱29内后，可通过进水箱29右侧面底部的进水箱出水管27采集一部分溶液，并测量处理后溶液的改良剂浓度，可以反算得到土样吸收改良剂的质量，获得改良剂消耗量：土体质量，结合改良剂的初始剂量，就可以得到土样14中改良剂的浓度。通过这一处理方式，可以得到不同改良剂浓度的土样，进而就可以对不同浓度的土样进行试验研究它们的性质差异。
所述的渗透性能的测试，试验基本步骤参见上述(1)-(7)顺序执行，具体来说，以下是渗透系数的测量计算方法：
1)调节设置可变压常压空压机30-P1和真空泵24-P2的压力数值保持稳定，作为常水头渗透方式。
2)关闭水头箱23至进水箱29之间的连接阀门，溶液经过土样14逐渐进入水头箱23。
3)待流经土样14的溶液流速稳定后即可开始记录时间，至进水完毕后停止计时，即为渗透时间t，读取水头箱U形量测管20上的渗透体积Q，在土样14截面积S已知的情况下可以算得渗流速度：
4)层流下，渗流速度与水力梯度成正比：
式中：L为土样14长度
Δh为土样渗入渗出界面的水头差，
ρ为溶液密度，g为重力加速度。
通过几次的循环计算可以求得土样14在不同改良剂处理阶段下的渗透系数，与土样14中不同改良剂浓度数据相对应，可得到改良剂浓度对土样14渗透系数的影响。
试验结束后，将改良渗透装置的上盖2拿下，取出环刀和刚性套筒12，将可变压常压空压机30连接在进水箱进气管26端口处的橡胶管15解开，固定在套筒密封盖35上并装上橡胶管密封端头36。将套筒密封盖35放置在环刀和套筒12上部的环向槽内，如图7所示，开启可变压常压空压机30鼓入压力气体，在气动力作用下土样14从环刀中挤出，这种处理方式对土样14的扰动较小。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
Claims (5)
1.一种土样原状改良与渗透性能测试系统，其特征在于：包括土样的改良渗透装置、改良溶液的循环设备及其循环动力设备；
所述的改良渗透装置用以保持土体原状并接受溶液改良处理、控制改良溶液流动路径；
所述的改良溶液的循环设备及其动力设备用以控制溶液流速、控制溶液对土体改良的循环利用、测定土样渗透系数；
所述改良渗透装置包括下盖(1)、上盖(2)、刚性套筒(12)、下透水石(3-1)、上透水石(3-2)、改良渗透装置进水管(5)、改良渗透装置排水管(4)、刚性套筒(12)、环刀、下密封圈(34-1)、上密封圈(34-2)、四根刚性钢丝绳(7)、两个刚性圆环(6)、两个钩子(8)、两个控制转轮(9)、两个斜齿轮(10)、两个升降齿轮(11)、两个斜齿轮悬吊杆(28)；
所述下盖(1)为所述改良渗透装置的底座；所述下透水石(3-1)嵌设在下盖(1)中，并位于下盖(1)的上部；所述下密封圈(34-1)靠近下透水石(3-1)的上表面并紧密套设于下透水石(3-1)的外周上；且下透水石(3-1)和下密封圈(34-1)的中心均位于下盖(1)的中轴线上；所述改良渗透装置进水管(5)设置在下盖(1)中，且其出水端与下透水石(3-1)的下端连通；
所述上盖(2)与下盖(1)上下对应设置；所述上透水石(3-2)可拆卸地嵌设在上盖(2)中，并位于上盖(2)的下部，且上透水石(3-2)的中心位于上盖(2)的中轴线上；改良渗透装置排水管(4)设置在上盖(2)中，其进水端与上透水石(3-2)的上端固定连通；
所述环刀、刚性套筒(12)、上密封圈(34-2)构成了放置土样(14)的主体部分；其中，环刀包括环刀主体(13)、环刀上部外沿结构(32)、环刀下部刀口结构(33)，所述环刀主体(13)的纵向上端为直径大于环刀主体(13)的环刀上部外沿结构(32)，所述环刀上部外沿结构(32)与环刀主体(13)之间构成一个环向沟槽；所述环刀主体(13)在纵向下端处壁厚减小形成环形下部刀口结构(33)；所述刚性套筒(12)作为环刀的约束部分，由中心处于环刀中轴线上的中空圆柱体构成，所述刚性套筒(12)上端为直径增大的空心薄圆柱，其与刚性套筒(12)的其余部分构成一个环形沟槽；上密封圈(34-2)套设在环刀上部外沿结构(32)的上方，且所述上密封圈(352)与环刀上部外沿结构(32)共同放置于所述环形沟槽内；
所述四根刚性钢丝绳(7)、两个刚性圆环(6)、两个钩子(8)、两个控制转轮(9)、两个斜齿轮(10)、两个升降齿轮(11)、两个斜齿轮悬吊杆(28)共同组成两组对称设置的固定上下盖的夹紧部分；一组加紧部分中，一根刚性钢丝绳(7)的下端固定焊接在下盖(1)的上方，其上端固定设置一个刚性圆环(6)；另一根刚性钢丝绳(7)的上端固定焊接在上盖(2)的下方，其下端设置一个钩子(8)；所述升降齿轮(11)可上下滑动地设置在该刚性钢丝绳(7)上；所述斜齿轮(10)具有表面倾斜的结构，且其通过所述表面倾斜的结构与升降齿轮(11)竖向紧密啮合；所述控制转轮(9)与所述斜齿轮(10)同轴设置且同轴转动；所述斜齿轮悬吊杆(28)的上端设置在上盖(2)的下方，其下端设置在斜齿轮(10)的齿轮轴上；
所述改良溶液的循环设备包括水头箱(23)、进水箱(29)、连接流通的若干橡胶管(15)、若干控制阀门(16)、两个应急连通阀(17)、一个数显压力阀(18)；
其中，所述进水箱(29)用于存储和输出改良溶液，进水箱(29)左侧面底部设置有进水箱排水管(31)，所述进水箱排水管(31)通过两端分别设置有控制阀门(16)的橡胶管(15)与所述改良渗透装置进水管(5)连接；进水箱(29)右侧面底部设置有带控制阀门的进水箱出水管(27)，用于试验过程中采集进水箱(29)内溶液并测定溶质浓度；
所述水头箱(23)用于接收改良土体后的溶液及作为二次循环的起始部分；所述水头箱(23)的侧面设置有与水头箱(23)的上下端连通的水头箱U形量测管(20)，水头箱U形管(20)与水头箱(23)内部气体相互连通，且两者内部气压相同；水头箱(23)左侧面设置有水头箱进水管(19)，所述水头箱进水管(19)通过两端分别设置有控制阀门(16)的橡胶管(15)与土样改良渗透装置排水管(4)连通；水头箱(23)的顶面设置有与水头箱(23)内部连通的数显压力阀(18)；所述数显压力阀(18)用以监测水头箱(23)内部负压的大小；
所述水头箱(23)右侧面底部设置有水头箱排水管(22)，所述进水箱(29)顶面设置有带控制阀门(16)的进水箱进水管(25)，所述水头箱排水管(22)与进水箱进水管(25)通过橡胶管(15)连通；
所述水头箱(23)和进水箱(29)顶面分别布置有可连接外面大气的应急连通阀(17)；
所述循环动力设备主要包括可变压常压的空压机(30)、真空泵(24)、数显压力阀(18)及传输压力的若干橡胶管(15)；
所述水头箱(23)的右侧面顶部设置有带控制阀门的水头箱进气管(21)，真空泵(24)通过橡胶管(15)连接到所述水头箱进气管(21)；
所述进水箱(29)的顶面设置有进水箱进气管(26)，空压机(30)通过两端分别带有控制阀门(16)的橡胶管(15)连接到所述进水箱进气管(26)，且该橡胶管(15)上设置有数显压力阀(18)；所述数显压力阀(18)用以衡量所述空压机(30)和真空泵(24)产生的正压力和负压环境的大小。
2.根据权利要求1所述的土样原状改良与渗透性能测试系统，其特征在于：所述圆环(6)、钢丝绳(7)、钩子(8)均采用刚性材料制成。
3.根据权利要求1所述的土样原状改良与渗透性能测试系统，其特征在于：所述进水箱(29)和水头箱(23)侧面设置的排水管均靠近各自所在箱体的下表面。
4.根据权利要求1所述的土样原状改良与渗透性能测试系统，其特征在于：两个数显压力阀(18)的量程均大于真空泵(24)、空压机(30)的最大压力。
5.根据权利要求1所述的土样原状改良与渗透性能测试系统，其特征在于：还包括有套筒密封盖(35)和橡胶管密封端头(36)；
试验结束后，将所述上盖(2)拿下，取出环刀和刚性套筒(12)，将套筒密封盖(35)放置在环刀和刚性套筒(12)上部的环形沟槽内；同时将空压机(30)连接在进水箱进气管(26)端口处的橡胶管(15)解开后固定在套筒密封盖(35)上，并装上橡胶管密封端头(36)；开启空压机(30)鼓入压力气体，在气动力作用下土样(14)从环刀中挤出。
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