CN108801875B - 一种横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置及方法，其中，所述装置包括用于提供不同强度降雨量的可调节式降雨模拟结构、用于装载土样的装载箱以及通过管道与所述装载箱连通的雨水收集测量结构，所述装载箱内设置有用于将不同渗透性能的土样分侧装载的可抽离分隔板。本发明提供的装置结构简单、使用方便，通过该装置既能清晰地观察雨水在非饱和土内部的入渗路径，又能定量地测定非饱和土的渗水量。
Description
技术领域
本发明涉及非饱和土力学应用领域，尤其涉及一种横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置及方法。
背景技术
工程实践中遇到的多种土绝大部分是非饱和土，降水所引起的非饱和土体的变形、强度等的变化明显区别于饱和土，这已被经验及理论所证实。在温度场相对恒定的状况下，非饱和土体的渗流场还受到应力场、气-水迁移等诸多因素的影响。岩土体内部孔隙水压在雨水入渗过程中会因水分的迁移而改变，这在非饱和土内部表现为土体基质吸力的降低；在饱和土内部表现为浸润面（地下水位）的升高。用于表征雨水在非饱和土内部渗透速率的参数——渗透系数不仅受矿物组成、孔隙率等土体基本物理性质的影响，还会因体积含水量的变化而改变。自然界的土体通常并不均一，当存在横向毗邻的土体时，因其渗透性能存在差异，土体的入渗路径会因降雨强度的改变而发生变化。
近年来，随着试验方法的改进和试验设备的开发应用，非饱和土的渗透系数测量技术已取得长足发展。然而，目前大多数非饱和土渗透试验装置只能够实现定量测得非饱和土的渗水量，但它们并不能使人们从直观上认识非饱和土的渗透路径，即不能由表及里的认知非饱和土的渗透特性。
考虑到非饱和土力学教学演示与科研工作的现实需要，当前亟需开发一种试验装置，以模拟不同降雨强度作用下雨水在横向毗邻土体内部的渗透路径问题，从而达到直接观察渗流路径与定量测定非饱和土渗水量的双重目的。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置及方法，旨在解决现有非饱和土渗透试验装置不能同时实现直接观察渗流路径与定量测定非饱和土渗水量的问题。
本发明的技术方案如下：
一种横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置，其中，包括用于提供不同强度降雨量的可调节式降雨模拟结构、用于装载土样的装载箱以及通过管道与所述装载箱连通的雨水收集测量结构，所述装载箱内设置有用于将不同渗透性能的土样分侧装载的可抽离分隔板。
所述的横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置，其中，所述可调节式降雨模拟结构包括通过管道依次连通的供水箱、水泵以及降雨喷头，所述降雨喷头悬挂于所述装载箱的上端。
所述的横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置，其中，所述连接水泵与降雨喷头的管道上设置有用于调控水流量的调水阀。
所述的横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置，其中，所述装载箱底部位于可抽离分隔板两侧的位置均设置有若干个出水孔。
所述的横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置，其中，所述装载箱外壁上端还设置有若干集水板，所述若干集水板围绕装载箱形成密封结构，所述密封结构底部设置有漏水孔。
所述的横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置，其中，所述集水板包括垂直于水平地面的第一挡水板以及与所述第一挡水板底端连接且形成20-60°夹角的第二挡水板，所述第二挡水板固定设置在所述装载箱的外壁上。
所述的横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置，其中，所述装载箱为正方形的透明玻璃容器，所述透明玻璃容器侧壁上均设置有刻度。
所述的横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置，其中，所述装载箱底部设置有一层饱水透水石，所述透水石上铺设有湿润滤纸。
所述的横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置，其中，所述雨水收集测量结构包括通过管道与所述装载箱底部出水孔连接的量筒以及通过管道与所述密封结构底部漏水孔连接的雨水收集箱。
一种横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示方法，其中，包括步骤：
在所述装载箱内可抽离分隔板两侧分别装载渗透性能不同的土样，当土样装载到与所述装载箱顶部齐平时，抽掉所述可抽离分隔板；
在供水箱中加入染料水，启动水泵，根据实验需求通过调水阀调节雨量强度；
观察特定降雨条件下，两种不同渗透性能的土样雨水渗流情况，并通过土样色泽变化观察雨水渗透路径；
根据装载箱侧壁刻度定量记录雨水入渗深度，并通过量筒测量雨水完全透过土样时的渗水量。
有益效果：本发明提供的横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置包括用于提供不同强度降雨量的可调节式降雨模拟结构、用于装载土样的装载箱以及通过管道与所述装载箱连通的雨水收集测量结构，该装置结构简单、使用方便，通过该装置既能清晰地观察雨水在非饱和土内部的入渗路径，又能定量地测定非饱和土的渗水量。
附图说明
图1为本发明一种横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明装载箱较佳实施例的侧面视角结构示意图。
图3 为本发明装载箱较佳实施例的俯视视角的结构示意图。
图4为本发明一种横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示方法较佳实施例的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示装置，如图所示，所述装置包括用于提供不同强度降雨量的可调节式降雨模拟结构（未标出）、用于装载土样的装载箱10以及通过管道与所述装载箱连通的雨水收集测量结构（未标出），所述装载箱10内设置有用于将不同渗透性能的土样分侧装载的可抽离分隔板11。
具体来讲，所述可调节式降雨模拟结构包括放置在第一支架1上的供水箱2、与所述供水箱通过管道连通的水泵3以及通过管道与所述水泵连通的降雨喷头5，所述连接水泵3与降雨喷头5的管道上设置有用于调控水流量的调水阀4。
进一步地，如图1所示，所述降雨喷头5固定在第二支架6上，所述降雨喷头位于所述装载箱的正上方。优选地，所述降雨喷头与所述管道通过螺纹可拆卸连接，通过更换不同流量、不同孔径的降雨喷头，可模拟雾化雨、小雨、中雨、大雨或暴雨等多种工况环境。
优选地，所述供水箱内装有染料水，当所述染料水通过水泵从降雨喷头喷入装有土样的装载箱时，可通过观察土样颜色可清楚直观地看出土样中的渗水路径。
作为其中一实施方式，如图1-图2所示，所述装载箱10为一正方形的透明玻璃容器，所述透明玻璃容器的四周侧壁上均设置有刻度，所述装载箱10内设置有用于将不同渗透性能的土样分侧装载的可抽离分隔板11，所述装载箱底部位于可抽离分隔板两侧的位置均设置有若干个出水孔12。优选地，所述可抽离分隔板为厚度小于5mm的硬塑料板，所述硬塑料板垂直装载箱底部并将所述装载箱分成体积相同的两个分隔间；所述装载箱内壁还设置有用于对所述可抽离分隔板进行定位的卡槽。更优选地，所述装载箱底部位于可抽离分隔板两侧的位置均设置有3个出水孔。
进一步地，如图2所示，所述装载箱底部设置有一层饱水透水石13，所述透水石上铺设有湿润滤纸14，通过在装载箱底部设置饱水透水石以及湿润滤纸，可有效防止装载箱在装载土样时堵塞所述装载箱底部的出水孔。
更进一步地，如图1-图3所示，所述装载箱10外壁上端还设置有若干集水板20，所述若干集水板20围绕装载箱形成密封结构30，所述密封结构底部设置有漏水孔。优选地，所述集水板20包括垂直于水平地面的第一挡水板21以及与所述第一挡水板底端连接且形成20-60°夹角的第二挡水板22，所述第二挡水板22固定设置在所述装载箱的外壁上，并使所述第一挡水板与所述装载箱的外壁平行。在本实施方式中，由所述集水板组成的密封结构能够有效收集降雨喷头喷到装载箱外部的雨水，从而有效计算喷入装载箱内部的水量。
作为其中一实施方式，如图1所示，所述雨水收集测量结构包括通过管道与所述装载箱底部出水孔12连接的量筒31以及通过管道与所述密封结构底部漏水孔连接的雨水收集箱32。所述量筒和雨水收集箱外侧均设置有刻度，通过量筒和雨水收集箱收集到的雨水，可以定量测量雨水完全透过土体时的渗水量。
基于上述装置，本发明还提供一种横向毗邻异形非饱和土降雨入渗演示方法，其中，如图4所示，包括步骤：
S10、在所述装载箱内可抽离分隔板两侧分别装载渗透性能不同的土样，当土样装载到与所述装载箱顶部齐平时，抽掉所述可抽离分隔板；
S20、在供水箱中加入染料水，启动水泵，根据实验需求通过调水阀调节雨量强度；
S30、观察特定降雨条件下，两种不同渗透性能的土样雨水渗流情况，并通过土样色泽变化观察雨水渗透路径；
S40、根据装载箱侧壁刻度定量记录雨水入渗深度，并通过量筒测量雨水完全透过土样时的渗水量。
具体来讲，在所述步骤S10中，在装载箱内可抽离分隔板两侧分别装载渗透性能不同的土样，装载过程中需要分层夯实，避免喷水时雨水直接从装载箱侧壁流出并通过出水孔进入到量筒中，导致测量土样渗水量的结果不准确。进一步地，在分层夯实土样的过程中，要随之上调可抽离分隔板，当土样最终装载到与所述装载箱顶部齐平时，则完全抽掉所述可抽离分隔板。
进一步地，在所述步骤S20中，所述供水箱中加入有染料水，所述降雨喷头位于所述装载箱顶部，当需要对所述装载箱内的土样进行雨水入渗演示时，则启动水泵，根据实验需求通过调水阀调节雨量强度，还可通过更换降雨喷头切换不同的降雨模式，如雾化雨、小雨、中雨、大雨、暴雨等模式。
在所述步骤S30中，观察特定降雨模式下，两种不同渗透性能的土样雨水渗流情况，由于所述雨水为染料水，因此，可通过土样色泽变化来观察雨水在上述土样中的渗透路径。
更进一步地，在所述步骤S40中，根据装载箱侧壁刻度定量记录雨水入渗深度，并通过量筒测量雨水完全透过土样时的渗水量。当所述雨水完全渗透土样后，可关闭水泵，并根据土工试验技术规程中的公式计算土体的最终含水率，得出更为精确的测量结果。
综上所述，本发明提供的横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置包括用于提供不同强度降雨量的可调节式降雨模拟结构、用于装载土样的装载箱以及通过管道与所述装载箱连通的雨水收集测量结构，该装置结构简单、使用方便，通过该装置既能清晰地观察雨水在非饱和土内部的入渗路径，又能定量地测定非饱和土的渗水量。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置，其特征在于，包括用于提供不同强度降雨量的可调节式降雨模拟结构、用于装载土样的装载箱以及通过管道与所述装载箱连通的雨水收集测量结构，所述装载箱内设置有用于将不同渗透性能的土样分侧装载的可抽离分隔板；
所述可调节式降雨模拟结构包括通过管道依次连通的供水箱、水泵以及降雨喷头，所述降雨喷头悬挂于所述装载箱的上端，所述供水箱内装有染料水；
所述装载箱底部位于可抽离分隔板两侧的位置均设置有若干个出水孔，其中，所述可抽离分隔板为硬塑料板；
所述装载箱为正方形的透明玻璃容器，所述透明玻璃容器侧壁上均设置有刻度；
所述装载箱外壁上端还设置有若干集水板，所述若干集水板围绕装载箱形成密封结构，所述密封结构底部设置有漏水孔；
所述集水板包括垂直于水平地面的第一挡水板以及与所述第一挡水板底端连接且形成20-60°夹角的第二挡水板，所述第二挡水板固定设置在所述装载箱的外壁上；
所述装载箱底部设置有一层饱水透水石，所述透水石上铺设有湿润滤纸；
所述硬塑料板垂直装载箱底部并将所述装载箱分成体积相同的两个分隔间；所述装载箱内壁还设置有用于对所述可抽离分隔板进行定位的卡槽；
所述雨水收集测量结构包括通过管道与所述装载箱底部出水孔连接的量筒以及通过管道与所述密封结构底部漏水孔连接的雨水收集箱，所述量筒和所述雨水收集箱外侧均设置有刻度。
2.根据权利要求1所述的横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示装置，其特征在于，所述连接水泵与降雨喷头的管道上设置有用于调控水流量的调水阀。
3.一种横向毗邻异性非饱和土降雨入渗演示方法，其特征在于，包括步骤：
在装载箱内可抽离分隔板两侧分别装载渗透性能不同的土样，将装载不同渗透性能的土样进行分层夯实，并在对土样进行分层夯实的过程中上调可抽离分隔板，当土样装载到与所述装载箱顶部齐平时，抽掉所述可抽离分隔板；
所述装载箱为正方形的透明玻璃容器，所述透明玻璃容器侧壁上均设置有刻度；
在所述装载箱底部位于可抽离分隔板两侧的位置设置若干个出水孔，并在所述装载箱外壁上端设置若干集水板，其中，所述若干集水板围绕装载箱形成密封结构，且所述密封结构底部设置有漏水孔；
所述集水板包括垂直于水平地面的第一挡水板以及与所述第一挡水板底端连接且形成20-60°夹角的第二挡水板，所述第二挡水板固定设置在所述装载箱的外壁上；
在所述装载箱底部设置一层饱水透水石，其中，所述透水石上铺设有湿润滤纸；
在供水箱中加入染料水，启动水泵，根据实验需求通过调水阀调节雨量强度；
观察特定降雨条件下，两种不同渗透性能的土样雨水渗流情况，并通过土样色泽变化观察雨水渗透路径；
根据装载箱侧壁刻度定量记录雨水入渗深度，并通过量筒测量雨水完全透过土样时的渗水量；
雨水收集测量结构通过管道与所述装载箱底部出水孔连接的量筒以及通过管道与所述密封结构底部漏水孔连接的雨水收集箱，所述量筒和所述雨水收集箱外侧均设置有刻度。
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