CN108918379A - 高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪及测量系统，渗透仪包括由特氟龙材质制成的厚壁试样套筒、入水端盖块和出水端盖块以及由包括厚壁试样套筒、入水端盖块、出水端盖块和附加件制成的附加件；测量系统包括核磁共振分析仪、持续注水机构以及渗透仪，试验时，将装有试验土样的渗透仪置于核磁共振分析仪的射频线圈中，所述的持续注水机构与入水孔连接，用于在注水端空气排出后，提供渗透水压。与现有技术相比，本发明适应于采用核磁共振技术量测高压实膨润土非饱和渗透系数的技术要求，包括能承受较大的膨胀力，维持膨润土试样在水渗流过程中的体积恒定，且采用特氟龙和石英砂等材料等，可避免装置本身对核磁信号的影响。

Description

高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪及测量系统

技术领域

本发明属于岩土工程领域，涉及一种高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪及测量系统。

背景技术

非饱和土在自然界广泛分布，许多工程问题都涉及到非饱和土的渗流分析。实验室常常采用瞬时截面法量测非饱和土的渗透系数。瞬时截面法的困难之处在于截面质量含水率(吸力)的测定。随着核磁共振技术的快速发展和广泛应用，核磁共振技术逐渐开始应用于非饱和土渗透技术的量测中，是一种能快速、无损检测非饱和土样渗透系数的新方法，具有不影响渗流形态、缩小试样尺寸、缩短试验周期等优点。然而，在核磁共振测量时，主磁场的均匀性对结果影响较大，因此，在试验时不能出现对磁场影响较大的易磁化物质如磁铁或铁磁性物质，避免主磁场受到外加磁场干扰变得不均匀。

当将核磁共振技术应用于量测具有较大膨胀力或膨胀变形的试验材料(如高压实膨润土)的非饱和渗透系数的试验时，需要将试样置入具有一定刚度的恒体积渗透仪，以限制试样在渗透试验过程中的膨胀变形。传统的非饱和土渗透仪多用铁磁性金属材料(不锈钢等)加工成型，但因铁磁性材料会影响核磁共振信号的识别和采集，从而不适用于核磁共振技术测量高压实膨润土非饱和渗透系数的试验。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪及测量系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪，包括：

厚壁试样套筒，内腔用于放置试验土样，

入水端盖块，连接于厚壁试样套筒的一端，具有分别与厚壁试样套筒内腔连通的入水孔和排气孔，

出水端盖块，连接于厚壁试样套筒的另一端，具有与厚壁试样套筒内腔连通的出水孔，

附加件，由两个石英砂透水石组成，试验时分别置于试验土样与入水端盖板之间以及试验土样与出水端盖块之间；

所述的厚壁试样套筒、入水端盖块及出水端盖块均为特氟龙材质。

本发明采用特氟龙材料加工制作恒体积非饱和土渗透仪的厚壁试样套筒、入水端盖块及出水端盖块，以消除对核磁信号的干扰影响。采用的石英砂透水石可允许水从入水孔流入、空气从排气孔排出，但能在膨润土遇水水化发生膨胀的情况下限制膨润土颗粒挤出渗透仪，以保持试样的恒体积状态，构成透水石的石英砂材料也不会对核磁信号产生干扰影响。

优选地，所述的入水端盖块和出水端盖块分别与厚壁试样套筒通过螺纹连接。一般地，在厚壁试样套筒上设置外螺纹，在入水端盖块和出水端盖块上设置内螺纹。

优选地，所述的厚壁试样套筒呈圆筒状，厚壁试样套筒的外径和内腔直径之比为2，以使渗透仪主体具备较大的刚度，入水端盖块和出水端盖块的厚度与试样套筒(1)的壁厚相同，以使得盖块具有较大的刚度。

渗透仪主体结构具有足够大的刚度，在试样水化产生较大膨胀力的情况下，渗透仪主体结构不会发生显著变形，从而维持高压实膨润土试样在水渗流过程中的体积恒定。

优选地，所述的石英砂透水石的横截面与厚壁试样套筒的内腔横截面相匹配。

一般地，石英砂透水石应具有足够的强度，在试样水化产生较大膨胀力的情况下，透水石不会被膨胀力压变形或挤碎。

优选地，所述的附加件还包括在试验时分别置于试验土样和两个石英砂透水石之间的中速定量滤纸。以防止膨润土胶体进入透水石堵塞孔隙，也减小淋滤作用对试验结果的影响。

优选地，所述的入水端盖块和厚壁试样套筒之间以及出水端盖块和厚壁试样套筒之间均设有O型密封圈。以防止溶液渗漏对试验结果的影响。

优选地，该渗透仪还包括与排气孔可拆卸连接的活塞，用于在气体排出后将排气孔封闭。

一种高压实膨润土非饱和渗透系数测量系统，包括核磁共振分析仪、持续注水机构以及所述的渗透仪，试验时，将装有试验土样的渗透仪置于核磁共振分析仪的射频线圈中，所述的持续注水机构与入水孔连接，用于在注水端空气排出后，提供渗透水压。

高压实膨润土非饱和渗透系数测量的测量方法，包括以下步骤：

(1)将试验土样压制成型后，置入厚壁试样套筒内；

(2)组装渗透仪的各部件，将注水端的空气排出后用活塞将排气孔密封，将持续注水机构置于核磁共振分析仪上方，提供渗透水压(例如提供约为500mm水柱的水头)，通过水管与渗透仪相连。

(3)将装有试验土样的渗透仪置于核磁共振分析仪的射频线圈中的固定位置进行测量。

(4)从注水开始后，每间隔一段时间使用核磁共振分析仪采集试样分层含水信息，采集视野宽度为80mm，采样层数为41层。

(5)试验得到试验土样吸水前、后沿试验土样长度方向的核磁信号分布变化，通过整体的弛豫时间分析得到试验土样总含水率，再根据分层信号占总信号的百分比计算得到各层的含水率信息；

(6)最后采用瞬时截面法计算得到试验土样的渗透系数。

与现有技术相比，本发明提供的装置适应于采用核磁共振技术量测高压实膨润土非饱和渗透系数的技术要求，包括能承受较大的膨胀力，维持膨润土试样在水渗流过程中的体积恒定，且采用特氟龙和石英砂等材料等，可避免装置本身对核磁信号的影响。

附图说明

图1为本发明的高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪的剖面示意图；

图2为本发明的高压实膨润土非饱和渗透系数测量系统的示意图；

图3为采用本发明的测量系统获得的高压实膨润土的核磁信号量分布曲线；

图4为采用本发明的测量系统获得的高压实膨润土非饱和渗透系数与吸力的关系曲线。

图中，1为厚壁试样套筒，11为内腔，2为入水端盖块，21为入水孔，22为排气孔，23为活塞，3为出水端盖块，31为出水孔，4为石英砂透水石，5为O型密封圈，6为螺纹，7为试验土样，8为核磁共振分析仪，9为持续注水机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪，如图1所示，包括厚壁试样套筒1、入水端盖块2、出水端盖块3和附加件，其中：

厚壁试样套筒1的内腔11用于放置试验土样7，

入水端盖块2连接于厚壁试样套筒1的一端，具有分别与厚壁试样套筒1内腔11连通的入水孔21和排气孔22，

出水端盖块3连接于厚壁试样套筒1的另一端，具有与厚壁试样套筒1内腔11连通的出水孔31，

附加件由两个石英砂透水石4组成，试验时分别置于试验土样7与入水端盖板2之间以及试验土样7与出水端盖块3之间；

上述厚壁试样套筒1、入水端盖块2及出水端盖块3均为特氟龙材质。

该渗透仪还包括与排气孔22可拆卸连接的活塞23，用于在气体排出后将排气孔22封闭。

采用特氟龙材料加工制作恒体积非饱和土渗透仪的厚壁试样套筒、入水端盖块及出水端盖块，以消除对核磁信号的干扰影响。采用的石英砂透水石可允许水从入水孔流入、空气从排气孔排出，但能在膨润土遇水水化发生膨胀的情况下限制膨润土颗粒挤出渗透仪，以保持试样的恒体积状态，构成透水石的石英砂材料也不会对核磁信号产生干扰影响。

本实施例的入水端盖块2和出水端盖块3分别与厚壁试样套筒1通过螺纹6连接。厚壁试样套筒1呈圆筒状，厚壁试样套筒1的外径和内腔11直径之比为2，以使渗透仪主体具备较大的刚度。入水端盖块2和出水端盖块3的厚度与试样套筒1的壁厚相同，以使得盖块具有较大的刚度。本实施例中的渗透仪主体结构具有足够大的刚度，在试样水化产生较大膨胀力的情况下，渗透仪主体结构不会发生显著变形，从而维持高压实膨润土试样在水渗流过程中的体积恒定。

本实施例优选石英砂透水石4的横截面与厚壁试样套筒1的内腔11横截面相匹配。一般地，石英砂透水石应具有足够的强度，在试样水化产生较大膨胀力的情况下，透水石不会被膨胀力压变形或挤碎。

本实施例中的附加件还包括在试验时分别置于试验土样7和两个石英砂透水石4之间的中速定量滤纸。以防止膨润土胶体进入透水石堵塞孔隙，也减小淋滤作用对试验结果的影响。

进一步地，本实施例中的入水端盖块2和厚壁试样套筒1之间以及出水端盖块3和厚壁试样套筒1之间均设有O型密封圈5。以防止溶液渗漏对试验结果的影响。

一种高压实膨润土非饱和渗透系数测量系统，如图2所示，包括核磁共振分析仪8、持续注水机构9以及上述渗透仪，试验时，将装有试验土样7的渗透仪置于核磁共振分析仪8的射频线圈中，持续注水机构9与入水孔21连接，用于在注水端空气排出后，提供渗透水压。

高压实膨润土非饱和渗透系数测量的测量方法，包括以下步骤：

(1)将膨润土试样压制成型后，置入恒体积渗透仪的厚壁试样套筒内；

(2)依次组装恒体积渗透仪的各个部件，将注水端的空气排出后用活塞将排气孔密封，将持续注水设备放置在核磁共振分析仪上方，提供约为500mm水柱的水头，通过导管与恒体积渗透仪相连。

(3)将内含高压实膨润土试样的恒体积渗透仪置于核磁共振分析仪射频线圈中的固定位置进行测量。

(4)从注水开始后，每间隔一段时间使用核磁共振分析仪采集试样分层含水信息，采集视野宽度为80mm，采样层数为41层。

(5)试验得到试样吸水前、后沿试样长度方向的核磁信号分布变化，通过整体的弛豫时间分析得到试样总含水率，再根据分层信号占总信号的百分比计算得到各层的含水率信息；

(6)最后采用瞬时截面法计算得到试样的渗透系数。

本测量系统的核磁共振分析仪采用MesoMR23-060H-I型核磁共振仪，只要由永磁体、射频系统、温控系统、数据采集分析系统等组成。

测量得到的高压实膨润土的核磁信号量分布曲线及高压实膨润土非饱和渗透系数与吸力的关系曲线见图3～4。从图中可以看出，非饱和渗透试验开始后仅8小时完成了试验。试样进水端的截面逐渐饱和，湿润锋面之后的截面含水率逐渐回落，试样内湿润锋面位置与进水端的距离随着时间而逐渐前移，但移动速度逐渐减小。可见本发明具有灵敏度高、测试速度快、对试样无损、对人体无害等优点，可以做到不影响渗流形态、提高测试精度、缩小试样尺寸、缩短试验周期的目的。。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪，其特征在于，包括：

厚壁试样套筒(1)，内腔(11)用于放置试验土样(7)，

入水端盖块(2)，连接于厚壁试样套筒(1)的一端，具有分别与厚壁试样套筒(1)内腔(11)连通的入水孔(21)和排气孔(22)，

出水端盖块(3)，连接于厚壁试样套筒(1)的另一端，具有与厚壁试样套筒(1)内腔(11)连通的出水孔(31)，

附加件，由两个石英砂透水石(4)组成，试验时分别置于试验土样(7)与入水端盖板(2)之间以及试验土样(7)与出水端盖块(3)之间；

所述的厚壁试样套筒(1)、入水端盖块(2)及出水端盖块(3)均为特氟龙材质。

2.根据权利要求1所述的高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪，其特征在于，所述的入水端盖块(2)和出水端盖块(3)分别与厚壁试样套筒(1)通过螺纹(6)连接。

3.根据权利要求1所述的高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪，其特征在于，所述的厚壁试样套筒(1)呈圆筒状，厚壁试样套筒(1)的外径和内腔(11)直径之比为2，入水端盖块(2)和出水端盖块(3)的厚度与试样套筒(1)的壁厚相同。

4.根据权利要求3所述的高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪，其特征在于，所述的石英砂透水石(4)的横截面与厚壁试样套筒(1)的内腔(11)横截面相匹配。

5.根据权利要求1所述的高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪，其特征在于，所述的附加件还包括在试验时分别置于试验土样(7)和两个石英砂透水石(4)之间的中速定量滤纸。

6.根据权利要求1所述的高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪，其特征在于，所述的入水端盖块(2)和厚壁试样套筒(1)之间以及出水端盖块(3)和厚壁试样套筒(1)之间均设有O型密封圈(5)。

7.根据权利要求1所述的高压实膨润土非饱和渗透系数测量用渗透仪，其特征在于，该渗透仪还包括与排气孔(22)可拆卸连接的活塞(23)，用于在气体排出后将排气孔(22)封闭。

8.一种高压实膨润土非饱和渗透系数测量系统，其特征在于，包括核磁共振分析仪(8)、持续注水机构(9)以及权利要求1～6任一所述的渗透仪，试验时，将装有试验土样(7)的渗透仪置于核磁共振分析仪(8)的射频线圈中，所述的持续注水机构(9)与入水孔(21)连接，用于在注水端空气排出后，提供渗透水压。