CN108344676A - 低渗透黏土的渗透性测试实验系统 - Google Patents
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- G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
Abstract
本发明提供了一种低渗透黏土的渗透性测试实验系统，属于土工黏性土渗透性测试领域，包括能够提供微小水头和高压水头的水头供给单元，对试样进行夹持加压的试样处置单元，提供渗流液和收集液体的供水储水单元，对实验数据进行采集和处理的数据采集处理单元，控制实验环境的恒温箱。该系统结合土工渗透性测试的变水头和常水头原理，引进现代数据采集技术，有效的提高了测试精度。在科学研究方面：该装置可提供温度，荷载，水头差作为变量，当提供不同含水率的低渗透黏土试样时，也可将含水率作为变量进行试样的渗透性研究，可进行常‑变水头的转换应用；在工程参数需要方面，该装置可应用高压变水头测定低渗透黏土渗透系数，有效缩短实验时间。
Description
技术领域
本发明属于土工黏性土渗透性测试领域，具体涉及一种低渗透黏土的渗透性测试实验系统。
背景技术
土的渗透性是土中水在重力作用下通过土颗粒中孔隙通道的一种水力特性，它是土体工程和土力学研究中涉及到的三大问题(强度问题，稳定问题和渗透性问题)之一，在工程施工和科学研究中经常需要了解土的渗透性，例如在地下水资源量计算时，需要了解土的渗透性，以便得到准确计算结果；在研究基坑排水问题时，需要了解土的渗透性，以便设计合理的排水方案。
对于实际工程场地，不同深度的土所受上部荷载不同，土的含水率和土的温度环境也不一致，导致组成相同的土的渗透性也有较大差别；低渗透黏土具有与砂性土不同的渗透特性，它存在启动水力梯度，即当水头差达到一定值时，土中的水才可以运移。
目前，传统的土工渗透性测试仪多注重于砂性土样(粗粒)，针对细粒或粉细粒的低渗透黏土的测试仪器较少，并且存在着渗透时间长，人工读数精度低，误差大的缺陷；在实验环境控制方面，传统土工渗透仪不对实验温度进行控制，用测量结果结合水在不同温度下的粘度利用公式(其中，k为渗透系数，η为水的粘度，T为温度)进行转换，这种计算方法只考虑了温度对水的性质(粘度)的影响，而未考虑温度变化对土的性质的影响，这无疑增大了实验结果的误差。因此，目前的渗透装置不能满足高精度的科研需要，而在工程需要的渗透性参数方面又耗时较长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低渗透黏土的渗透性测试实验系统，有效的提高测试精度，在科学研究方面：可提供温度，荷载，水头差作为变量进行渗透性研究，当提供不同含水率的低渗透试样验时，也可将含水率作为变量进行低渗透试样的渗透性研究；可进行原状试样或竖向无变形试样(本发明指试验开始时试样轴向不受荷载)的渗透实验，并可进行常-变水头的转换应用；在工程参数需要方面，为缩短测试时间，可应用高压变水头测定低渗透黏土渗透系数，有效缩短实验时间；
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低渗透黏土的渗透性测试实验系统，包括水头供给单元、对试样进行夹持加压的试样处置单元、供水储水单元、数据采集处理单元和恒温箱；所述水头供给单元包括步进电机，与步进电机连接的涡轮减速升降机，置于涡轮减速升降机上部的储水罐，与储水罐顶部联通的水头柱，所述水头柱的底部设置有球阀，所述水头柱的中部设置有浮片挡板，所述浮片挡板顶面设置有浮片；所述储水罐还通过输气管连接有压缩空气站；所述储水罐的顶部安装有泄压阀；所述对试样进行夹持加压的试样处置单元包括第一反力板，置于第一反力板上部的伺服千斤顶，置于伺服千斤顶顶部的第一封堵件，置于第一封堵件侧面的第一密封橡胶圈，与第一密封橡胶圈吻合接触的下环刀座，置于下环刀座底部并限定下环刀座位置的第一固定钢环，置于第一封堵件顶面的第一透水石，置于第一透水石上部的试样，置于试样上部的第二透水石，与试样侧面吻合接触的环刀，与环刀侧面吻合接触的外部带有螺纹的环刀套环，与环刀顶面和顶部侧面吻合接触并限定环刀位置的上环刀座，置于上环刀座与环刀套环之间的第四密封橡胶圈，置于环刀套环与下环刀座之间的第三密封橡胶圈，连接上环刀座与环刀套环的内部带有螺纹的上固定环，连接下环刀座与环刀套环的内部带有螺纹的下固定环，置于第二透水石顶部的第二封堵件，置于第二封堵件的第二密封橡胶圈，置于上环刀座顶部的限定上环刀座位置的第二固定钢环，置于第二封堵件顶部凹槽内的轴承，置于轴承顶面的转动位移杆，与转动位移杆通过螺纹接触的第二反力板，立于第二封堵件顶面并且穿过第二反力板的直立的钢直尺；所述第一反力板、第二反力板、第一固定钢环和第二固定钢环均通过螺母固定在螺杆上；所述第一封堵件上布置有入水口，所述第二封堵件上布置有出水口；所述储水罐通过渗流液传输管与试样处置单元中的入水口相连通；所述供水储水单元包括置于恒温箱内部并且高度高于水头柱和试样处置单元的可以保持恒温供水的供水箱，置于恒温箱外部的收集渗流液的溢流液收集瓶和废液收集箱；所述供水箱通过供水管与储水罐相连通，所述溢流液收集瓶通过溢流管与出水口连接；所述废液收集箱通过废液排放管连接有三通开关，所述三通开关的一端通过渗流液传输管与与试样处置单元中的入水口相连通；所述三通开关的另一端通过渗流液传输管与储水罐底部相连通；所述数据采集处理单元包括置于输气管上测量压缩空气站的供气气压的气压传感器，固定于水头柱顶面测量渗流过程水头柱内水头的激光测距传感器，置于伺服千斤顶上测量试样的高度变化的位移计，置于恒温箱侧壁上的测量恒温箱内部工作温度的第一温度传感器，置于供水箱内部的测量供水箱内部水温的第二温度传感器，与溢流液收集瓶底面接触的测量渗流液体质量的电子天平；所述气压传感器、激光测距传感器、位移计、第一温度传感器、第二温度传感器分别通过导线与数据采集器连接，所述数据采集器和电子天平分别通过导线与工作站连接。
较佳地，所述输气管上设置有调压阀，所述调压阀位于气压传感器和压缩空气站之间。
较佳地，所述步进电机通过导线连接有步进电机控制器，所述步进电机控制器通过电连接线与工作站相连。
本发明提供的低渗透黏土的渗透性测试实验系统具有以下有益效果：
1)通过涡轮减速升降机，步进电机，工作站和储水罐的联合应用，使得本实验系统可以提供精密的水头差变化，用于测量低渗透黏土的起始水力梯度的结果更加可靠；
2)设计的试样处置单元对试样施行双向夹持，使得本渗透实验装置即可以测量原状试样或竖向无变形试样(本发明指试验开始时试样轴向不受荷载)的渗透系数，通过私服千斤顶提供荷载，测量在设计荷载情况下试样的渗透系数，通过伺服千斤顶上布置的位移计，可以监测试样在荷载作用下的变形情况；
3)通过恒温箱的应用，保证了渗透实验处于恒温环境，避免了温度波动对实验的影响；
4)通过工作站，伺服千斤顶控制器，步进电机控制器，压力传感器，温度传感器，位移计，激光测距传感器以及数据采集装置的组合应用，实现了渗透实验控制和数据采集的高度自动化。
5)可提供温度，荷载，水头差作为变量进行低渗透试样的渗透性研究，当提供不同含水率的低渗透试样验时，也可将含水率作为变量进行低渗透试样的渗透性研究，可进行常-变水头的转换应用，更有利于科学研究的进行；可应用高压变水头测定低渗透黏土渗透系数，有效缩短实验时间，能够更快速提供工程施工所需的渗透性参数。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为试样处置单元结构示意图；
图3为轴承的截面和平面结构示意图；
图4为转动位移杆的结构示意图；
图5为浮片的结构示意图；
图6为封堵件的顶部和底部的集水结构图；
附图中编号说明：
图中，1.压缩空气站，2.调压阀，3.泄压阀，4.气压传感器，5-1.渗流液传输管，5-2.供水管，5-3.废液排放管，5-4.输气管，6.三通开关，7-1.第一开关，7-2.第二开关，7-3.第三开关，7-4.第四开关，7-5.第五开关，8.储水罐，9.涡轮减速升降机，10.步进电机，11.步进电机控制器，12.球阀，13.水头柱，14-1.激光测距传器，14-2.位移计，15.伺服千斤顶控制器，16-1.第一温度传感器，16-2.第二温度传感器，17.恒温箱，17-1.控温面板，18.供水箱，19.溢流管，20.数据采集器，21.钢直尺，22.溢流液收集瓶，23.电子天平，24.废液收集箱，25.工作站，26.试样处置单元，27-1.第一反力板，27-2.第二反力板，28.螺母，29.螺杆，30.伺服千斤顶，31-1.第一封堵件，31-2.第二封堵件，32-1.第一透水石，32-2.第二透水石，33-1.下环刀座，33-2.上环刀座，34.试样，35-1.第一固定钢环，35-2.第二固定钢环，36-1.下固定环，36-2.上固定环，37.环刀，38.环刀套环，39.轴承，40.转动位移杆，40-1.底部凸起，40-2.接触平台，41.出水口，42.入水口，43.浮片挡板，44.浮片，44-1.金属薄片，44-2.泡沫板，45-1.第一密封橡胶圈，45-2.第二密封橡胶圈，45-3.第三密封橡胶圈，45-4.第四密封橡胶圈，45-5.第五密封橡胶圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种低渗透黏土的渗透性测试实验系统，具体如图1所示，包括能够提供微小水头和高压水头的水头供给单元，对试样34进行夹持加压的试样处置单元26，提供渗流液和收集液体的供水储水单元，对实验数据进行采集和处理的数据采集处理单元，还包括控制实验环境的恒温箱17；
能够提供微小水头和高压水头的水头供给单元包括步进电机10，与步进电机10连接的涡轮减速升降机9，置于涡轮减速升降机9上部的储水罐8，与储水罐8顶部联通的水头柱13，位于水头柱13底部的控制水头柱13开通或闭合的球阀12，固定于水头柱13中部的浮片挡板43，置于浮片挡板43顶面的浮片44，还包括通过输气管5-4与储水罐8相连通的压缩空气站1，位于输气管道5-4上控制压缩空气站1供气气压的调压阀2，置于储水罐8顶部的泄压阀3，在泄压阀3和储水罐8之间布置有第三开关7-3控制泄压阀3是否起作用；
本实施例中，储水罐8置于涡轮减速升降机9的上部，由工作站25控制步进电机控制器11带动步进电机10和涡轮减速升降机9控制储水罐8的进行高精密位移的升降；
进一步的，如图2所示，对试样34进行夹持加压的试样处置单元26包括第一反力板27-1，置于第一反力板27-1上部的伺服千斤顶30，置于伺服千斤顶30顶部的第一封堵件31-1，置于第一封堵件31-1侧面的第一密封橡胶圈45-1，与第一密封橡胶圈45-1吻合接触的下环刀座33-1，置于下环刀座33-1底部并限定下环刀座33-1位置的第一固定钢环35-1，置于第一封堵件31-1顶面的第一透水石32-1，置于第一透水石32-1上部的试样34，置于试样34上部的第二透水石32-2，置于试样34和第一透水石32-1、第二透水石32-2之间的滤纸，与试样34侧面吻合接触的环刀37，与环刀37侧面吻合接触的外部带有螺纹的环刀套环38，与环刀37顶面和顶部侧面吻合接触并限定环刀37位置的上环刀座33-2，置于上环刀座33-2与环刀套环38之间的第四密封橡胶圈45-4，置于环刀套环38与下环刀座33-1之间的第三密封橡胶圈45-3，连接上环刀座33-2与环刀套环38的内部带有螺纹的上固定环36-2，连接下环刀座33-1与环刀套环38的内部带有螺纹的下固定环36-1，置于第二透水石32-2顶部的第二封堵件31-2，置于第二封堵件31-2的第二密封橡胶圈45-2，置于上环刀座33-2顶部的限定上环刀座33-2位置的第二固定钢环35-2，置于第二封堵件31-2顶部凹槽内的轴承39，置于轴承39顶面的转动位移杆40，与转动位移杆40通过螺纹接触的第二反力板27-2，立于第二封堵件31-2顶面并且穿过第二反力板27-2的直立的钢直尺21，第一反力板(27-1)、第二反力板(27-2)、第一固定钢环(35-1)和第二固定钢环(35-2)均通过螺母(28)固定在螺杆(29)上；
本实施例中，第一封堵件31-1上布置有入水口42，第二封堵件31-2上布置有出水口41；第一封堵件31-1侧面布置有放置第一密封橡胶圈45-1的凹槽，所述第二封堵件31-2侧面布置有放置第二密封橡胶圈45-2的凹槽；第一密封橡胶圈45-1和第二密封橡胶圈45-2均用来防止漏水；
本实施例中，试样34为预先制好的任意含水率试样包括饱和试样，这样可实现不同含水率试样34的渗透性测试实验；
第一固定钢环35-1顶面和第二固定钢环35-2底面设置有凹槽分别固定下环刀座33-1和上环刀座33-2，这种双向夹持装置即可以夹持原状试样又可以通过液压伺服千斤顶30对试样34施压，结合位移计14-2可以监测试样34在受压状态下的变形情况；
本实施例中，环刀套环38外部布满螺纹；第一反力板27-1上设置有伺服千斤顶30放置凹槽，使伺服千斤顶30中轴线与试样34中轴线为同一直线；
本实施例中，第二反力板27-2和转动位移杆40接触部位布置有螺纹，通过转动时螺纹的作用，转动位移杆40上升或下降，第二反力板27-2上还布置有可使钢直尺21穿过并且可以保持钢直尺21直立的方形孔；
进一步的，如图2和图6所示，第一封堵件31-1顶部和第二封堵件31-2底部均设置有集水结构，利于第一透水石32-1和第二透水石32-2的均匀透水；
进一步的，如图1和图2所示，提供供水储水单元包括置于恒温箱17内部并且高度高于水头柱13和试样处置单元26的可以保持恒温供水的供水箱18，置于恒温箱17外部的收集渗流液的溢流液收集瓶22和废液收集箱24，所述供水箱18通过供水管5-2与水头共给单元的储水罐8相连通，所述溢流液收集瓶22与溢流管19相连通，所述溢流管19通过橡胶管与与试样处置单元26的出水口41相连通，所述废液收集箱24通过废液排放管5-3和渗流液传输管5-1与试样处置单元26中的入水口42和水头供给单元中的储水罐8底部相连通，所述废液排放管5-3和渗流液传输管5-1通过三通开关6控制联通或非联通；
本实施例中，水头供给单元中的储水罐8通过渗流液传输管5-1与试样处置单元26中的入水口42相连通；
本实施例中，与第二封堵件31-2上的出水口41通过橡胶管连接的溢流管19为钢制铁管，并且水平固定在恒温箱17的侧壁上，这样出水口的高度就是固定的，便于计算水头柱13中水头与溢流管19出水口水头的水头差。
进一步的，如图1和图2所示，对数据进行采集和处理的数据采集处理单元包括置于输气管5-4上测量压缩空气站1的供气气压的气压传感器4，固定于水头柱13顶面测量渗流过程水头柱13内水头的激光测距传感器14-1，置于私服千斤顶30上测量试样34的高度变化的位移计14-2，置于恒温箱17侧壁上的测量恒温箱17内部工作温度的第一温度传感器16-1，置于供水箱18内部的测量供水箱18内部水温的第二温度传感器16-2，与溢流液收集瓶22底面接触的测量渗流液体质量的电子天平23，通过电连接线分别与气压传感器4、激光测距传感器14-1、位移计14-2、第一温度传感器、第二温度传感器相连接并对实验数据进行采集的数据采集器20，通过电连接线与电子天平23和数据采集器20相连接并控制数据采集频率和进行数据处理的工作站25；
本实施例中，恒温箱17为交变高低温恒温箱恒温箱，工作温度0～70℃，恒温箱17的外部设置有控温面板17-1，温度可根据实验需要调节，根据需要，也可购置其它工作温度区间的交变高低温恒温箱；
进一步地，如图1和图2所示，供水箱18，储水罐8和试样处置单元26放置在恒温箱17内，恒温箱17可以使渗流液体和试样34处于恒温状态，保证试样34渗流参数不受温度波动的影响，也可用于研究不同温度对试样34渗流参数的影响。步进电机10通过电连接线与步进电机控制器11相连，步进电机控制器11通过电连接线与工作站25相连，可以通过工作站25控制涡轮减速升降机9升降距离，进而提供微小的水头变化；所述伺服千斤顶30通过电连接线与伺服千斤顶控制器15相连，伺服千斤顶控制器15通过电连接线与工作站25相连，可通过工作站25控制私服千斤顶30的工作压力。
进一步地，如图2，3和图4所示，轴承39为圆锥滚子轴承可以承受轴向应力，轴承39中部为方形结构，转动位移杆40下部与轴承39接触部位的底部凸起40-1为方形结构，上部与第二反力板27-2接触部位为圆柱型螺纹结构，通过转动时螺纹的作用，转动位移杆40上升或下降，转动位移杆40下降时，底部凸起40-1与轴承39接触，带动轴承39旋转；转动位移杆40继续下降，接触平台40-2将与轴承39接触，提供轴向向下的应力，推动第二封堵件31-2向下运动；
进一步的，如图1和图5所示，上游水头柱13中没有水时，浮片44置于浮片挡板43之上，浮片挡板43上布置有若干过水孔洞，激光测距传感器14-1固定在上游水头柱13的顶部，当上游水头柱13中充水时，浮片44浮起，通过激光测距传感器14-1测量浮片44位置变化情况，进而识别上游水头柱13内的水头变化情况；
本实例中，浮片44由金属薄片44-1和泡沫板44-2组成，泡沫板44-2提供浮力，金属薄片44-1反射激光测距传感器14-1的测距光线；
本实施例提供的基于低渗透黏土的渗透性测试实验系统的试样处置单元26夹持试样34使试样34的竖向无变形的方法为：
1、通过螺母28和螺杆29固定第一反力板27-1和第一固定钢环35-1，在第一反力板27-1的凹槽上放置伺服千斤顶30，在伺服千斤顶30上部安装第一封堵件31-1，在第一封堵件31-1侧面的凹槽上套装第一密封橡胶圈45-1，在下环刀座33-1外部套装下固定环36-1，在第一封堵件31-1上套装下环刀座33-1，使下环刀座33-1与第一固定钢环35-1顶面的凹槽接触；
2、在第一封堵件31-1顶面放置第一透水石32-1，打开第五开关7-5，转动三通开关6，使储水罐8内的水进入第一透水石32-1，当第一透水石32-1上出现一层均匀水膜时，关闭第五开关7-5，在第一透水石32-1上部放置滤纸，在滤纸上部放置设计含水率的外部套有环刀37的试样34，在环刀37侧面外部从下至上一次安装第三密封橡胶圈45-3，环刀套环38，密封橡胶圈45-4，上环刀座33-2，在上环刀座33-2外部套装上固定环36-2，将环刀套环38，下固定环36-1和上固定环36-2通过它们之间的螺纹锁紧；
3、在试样34上部放置滤纸，在滤纸上部放置第二透水石32-2，通过螺母28和螺杆29固定第二固定钢环35-2，使第二固定钢环35-2底面的凹槽与上环刀座33-2相接触；
4、通过螺母28和螺杆29固定第二反力板27-2，在第二反力板27-2上安装转动位移干40和钢直尺21，用钢直尺21测定第二透水石32-2顶面到第二反力板27-2顶面的距离H1，由距离H1减去第二封堵件31-2的厚度H2即得第二封堵件31-2与第二透水石32-2接触时钢直尺21的读数H3；
5、确定读数H3后，在上环刀座33-2内装置第二封堵件31-2，旋进转动位移干40，使转动位移杆40与第二封堵件31-2顶部凹槽内的轴承39接触，放置钢直尺21在第二封堵件31-2的顶面，继续旋进转动位移杆40至钢直尺21在与第二反力板27-2顶面交界面的读数为H3，此时第二封堵件31-2刚好与第二透水石32-2接触，试样34为未变形试样；
6通过橡胶管连接第二封堵件31-2的出水口41和溢流管19,在伺服千斤顶30上安装位移计14-2，利用位移计14-2监测试样34的变形情况。
本实例还提供了基于低渗透黏土的渗透性测试实验系统的试验方法，具体步骤如下：
1变水头渗透实验方法
1、组装好试样处置单元26后，进入实验准备阶段，第一开关7-1、第二开关7-2、第三开关7-3、第四开关7-4、第五开关7-5和球阀12为关闭状态，三通开关6为联通储水罐8和入水口42的状态；
2、向供水箱18内加入设计实验温度的纯净水预热得到设计温度的水方法有很多，不是本发明的关键技术，在此不做详细说明，通过控温面板17-1调节恒温箱17的温度到实验设计温度，通过第一温度传感器16-1监测恒温箱17的温度，通过第二温度传感器16-2监测供水箱18内水的温度，直至恒温箱17和水温温度达到实验设计温度并且稳定2小时稳定2小时是为了使试样34达到设计实验温度；当结果用于粗略的参数需要，而不是精确的科学研究时，可忽略温度稳定时间；
3、打开第二开关7-2、第四开关7-4，开通球阀12，向储水罐8中加入水至上游水头柱13中的浮片44浮起，继续加水至浮片44距激光测距传感器14-1设定距离，关闭开关7-2；
4、打开工作站25，控制步进电机控制器11，控制步进电机10带动涡轮减速升降机9按额定速率缓慢上升至设定水头差基本选项有10秒上升或下降1mm，100秒上升或下降1mm，1000秒上升或下降1mm，此水头差根据溢流管19的出水口高度和浮片44的高度确定，通过橡胶管连接溢流管19和出水口41；
5、打开工作站，设定激光测距传感器14-1的数据采集时间间隔，打开第五开关7-5，进行变水头渗透实验；
6、由工作站25依据变水头渗透实验计算公式和数据采集结果计算渗透系数；
7、若进行试样34的荷载渗透实验可进行此部，关闭第五开关7-5，通过工作站25，伺服千斤顶控制器15和伺服千斤顶30对试样34进行加压处理，加压过程中由位移计14-2测量试样34的变形情况，并由工作站25显示，当变形稳定后依据步骤1～6再次进行变水头试验；
此方法不对业内人士熟知的变水头渗透实验公式进行介绍，应用此方法可已测量低渗透黏土的启动水力梯度。
2常水头渗透实验方法
此方法为在变水头渗透实验之后进行常水头渗透实验的方法，初始的实验状态承接变水头渗透实验；
1、关闭第五开关7-5，通过工作站25，步进电机控制器11，步进电机10控制涡轮减速升降机9的高度回归到实验初始的位置；
2、打开第五开关7-5，转动三通开关6，使储水罐8与废液收集箱24联通，排放储水罐8内的水到废液收集箱24至剩下约三分之二，关闭第五开关7-5；
3、关闭球阀12，使水头柱13为关闭不通水不通气状态，打开第一开关7-1，第三开关7-3，打开压缩空气站1，通过调压阀2和泄压阀3调节储水罐8的上部气压，由压力传感器4监测储水罐8内的压力值并由工作站25显示；
4、转动三通开关6，打开第五开关7-5，使储水罐8与入水口42相连通，渗流液通过溢流管19进入渗流液收集瓶22，通过电子天平23测量质量并由工作站25按设定时段进行采集，结合渗流液体的密度，渗流时间，可得渗流速度，由此可进行常水头渗透实验；
5、由工作站25依据常水头渗透实验公式和数据采集结果计算渗透系数；
6、若进行试样34的荷载渗透实验可进行此部，关闭第五开关7-5，通过工作站25，伺服千斤顶控制器15和伺服千斤顶30对试样34进行加压处理，加压过程中由位移计14-2测量试样34的变形情况，并由工作站25显示，当变形稳定后依据步骤1～5再次进行常水头试验；
此方法不对业内人士熟知的常水头渗透实验公式进行介绍。
3高压变水头渗透实验方法
1、初始实验状态下，开关7-1～7-6都为关闭状态，球阀12为开通状态；
2、通过控温面板17-1调节恒温箱17的温度到实验设计温度，通过第一温度传感器16-1监测恒温箱17的温度，通过第二温度传感器16-2监测供水箱18内水的温度，直至恒温箱17和水温温度达到实验设计温度并且稳定2小时稳定2小时是为了使试样34达到设计实验温度；当结果用于粗略的参数需要，而不是精确的科学研究时，可忽略温度稳定时间；
3、打开开关7-4，7-2，向储水罐8中加入水至容量的三分之二，关闭开关7-2；
4、关闭球阀12，使水头柱13为关闭不通水不通气状态，打开开关7-1，7-3，打开压缩空气站1，通过调压阀2和泄压阀3调节储水罐8的上部气压，由压力传感器4监测储水罐8内的压力值并由工作站25显示；
5、关闭开关7-1，通过工作站设定数据采集时间间隔△t，打开开关7-5，渗流液通过溢流管19进入渗流液收集瓶22，由此可进行高压变水头渗透实验；
6、由工作站25依据高压变水头渗透实验公式和数据采集结果计算渗透系数；
7、若进行试样34的荷载渗透实验可进行此部，关闭开关7-5，通过工作站25和伺服千斤顶控制器15对试样34进行加压处理，加压过程中由位移计14-2测量试样34的变形情况，并由工作站25显示，当变形稳定后依据步骤1～6再次进行高压变水头试验；
此高压变水头实验方法中，涉及到由气压变化代替水头变化的变水头渗透实验计算公式，做如下简单介绍：
通过工作站设计的采集时间间隔△t1＝t1-t2，△t2＝t2-t3，t1为第一次采集时刻，t2为第二次采集时刻，t3为第三次采集时刻；t1，t2，t3时刻工作站采集的气压值分别为P1，P2，P3；储水罐(8)横截面面积为A1，试样(34)过水断面面积为A2，试样高度即渗流路径长度为L；
由达西定律推导出的变水头渗透实验公式得：
(1)式K1为△t1时间间隔的渗透系数；(2)式K2为△t2时间间隔的渗透系数；(3)式K为两个时间间隔渗透系数的平局值；
此方法提供的计算公式以两个时间间隔的渗透系数的平均值作为实验结果，也可设计多个时间间隔，取渗透系数相近的几个做平均值，与其他渗透系数偏差大的结果作为异常值剔除。
本实施例提供的实验方法提供了变水头渗透实验，常水头渗透实验和高压变水头渗透实验的实验方法，理解此方法基础上还可以进行常水头和变水头的转换应用。
Claims (3)
1.低渗透黏土的渗透性测试实验系统，其特征在于，包括水头供给单元、对试样(34)进行夹持加压的试样处置单元(26)、供水储水单元、数据采集处理单元和恒温箱(17)；
所述水头供给单元包括步进电机(10)，与步进电机(10)连接的涡轮减速升降机(9)，置于涡轮减速升降机(9)上部的储水罐(8)，与储水罐(8)顶部联通的水头柱(13)，所述水头柱(13)的底部设置有球阀(12)，所述水头柱(13)的中部设置有浮片挡板(43)，所述浮片挡板(43)顶面设置有浮片(44)；
所述储水罐(8)还通过输气管(5-4)连接有压缩空气站(1)；
所述储水罐(8)的顶部安装有泄压阀(3)；
所述对试样(34)进行夹持加压的试样处置单元(26)包括第一反力板(27-1)，置于第一反力板(27-1)上部的伺服千斤顶(30)，置于伺服千斤顶(30)顶部的第一封堵件(31-1)，置于第一封堵件(31-1)侧面的第一密封橡胶圈(45-1)，与第一密封橡胶圈(45-1)吻合接触的下环刀座(33-1)，置于下环刀座(33-1)底部并限定下环刀座(33-1)位置的第一固定钢环(35-1)，置于第一封堵件(31-1)顶面的第一透水石(32-1)，置于第一透水石(32-1)上部的试样(34)，置于试样(34)上部的第二透水石(32-2)，与试样(34)侧面吻合接触的环刀(37)，与环刀(37)侧面吻合接触的外部带有螺纹的环刀套环(38)，与环刀(37)顶面和顶部侧面吻合接触并限定环刀(37)位置的上环刀座(33-2)，置于上环刀座(33-2)与环刀套环(38)之间的第四密封橡胶圈(45-4)，置于环刀套环(38)与下环刀座(33-1)之间的第三密封橡胶圈(45-3)，连接上环刀座(33-2)与环刀套环(38)的内部带有螺纹的上固定环(36-2)，连接下环刀座(33-1)与环刀套环(38)的内部带有螺纹的下固定环(36-1)，置于第二透水石(32-2)顶部的第二封堵件(31-2)，置于第二封堵件(31-2)的第二密封橡胶圈(45-2)，置于上环刀座(33-2)顶部的限定上环刀座(33-2)位置的第二固定钢环(35-2)，置于第二封堵件(31-2)顶部凹槽内的轴承(39)，置于轴承(39)顶面的转动位移杆(40)，与转动位移杆(40)通过螺纹接触的第二反力板(27-2)，立于第二封堵件(31-2)顶面并且穿过第二反力板(27-2)的直立的钢直尺(21)；
所述第一反力板(27-1)、第二反力板(27-2)、第一固定钢环(35-1)和第二固定钢环(35-2)均通过螺母(28)固定在螺杆(29)上；
所述第一封堵件(31-1)上布置有入水口(42)，所述第二封堵件(31-2)上布置有出水口(41)；
所述储水罐(8)通过渗流液传输管(5-1)与试样处置单元(26)中的入水口(42)相连通；
所述供水储水单元包括置于恒温箱(17)内部并且高度高于水头柱(13)和试样处置单元(26)的可以保持恒温供水的供水箱(18)，置于恒温箱(17)外部的收集渗流液的溢流液收集瓶(22)和废液收集箱(24)；
所述供水箱(18)通过供水管(5-2)与储水罐(8)相连通，所述溢流液收集瓶(22)通过溢流管(19)与出水口(41)连接；
所述废液收集箱(24)通过废液排放管(5-3)连接有三通开关(6)，所述三通开关(6)的一端通过渗流液传输管(5-1)与与试样处置单元(26)中的入水口(42)相连通；所述三通开关(6)的另一端通过渗流液传输管(5-1)与储水罐(8)底部相连通；
所述数据采集处理单元包括置于输气管(5-4)上测量压缩空气站(1)的供气气压的气压传感器(4)，固定于水头柱(13)顶面测量渗流过程水头柱(13)内水头的激光测距传感器(14-1)，置于伺服千斤顶(30)上测量试样(34)的高度变化的位移计(14-2)，置于恒温箱(17)侧壁上的测量恒温箱(17)内部工作温度的第一温度传感器(16-1)，置于供水箱(18)内部的测量供水箱(18)内部水温的第二温度传感器(16-2)，与溢流液收集瓶(22)底面接触的测量渗流液体质量的电子天平(23)；
所述气压传感器(4)、激光测距传感器(14-1)、位移计(14-2)、第一温度传感器(16-1)、第二温度传感器(16-2)分别通过导线与数据采集器(20)连接，所述数据采集器(20)和电子天平(23)分别通过导线与工作站(25)连接。
2.如权利要求1所述的低渗透黏土的渗透性测试实验系统，其特征在于，所述输气管(5-4)上设置有调压阀(2)，所述调压阀(2)位于气压传感器(4)和压缩空气站(1)之间。
3.如权利要求1所述的低渗透黏土的渗透性测试实验系统，其特征在于，所述步进电机(10)通过导线连接有步进电机控制器(11)，所述步进电机控制器(11)通过电连接线与工作站(25)相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20191115 |
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