CN109001098A - 一种土壤瞬时渗透特性测试仪及土壤渗透特性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土壤渗透试验领域，尤其涉及一种土壤瞬时渗透特性测试仪及渗透特性计算方法，包括试样管、陶土板和传感器等部件；而方法包含计算在微吸力分布函数ψ(z，t)等步骤，本测试仪不仅能够测试以往渗透试验中的常规渗透测试；能够模拟在不同饱和度状态土壤的渗透工况，且能够实时获得相应参数，得出渗透曲线；将以往的土壤渗透试验和土水特征曲线试验合二为一，大大缩短了试验时长；而土壤渗透特性测试计算方法由于引入了新的模型参数，使得计算出的渗透系数更为精确，更接近于现实状态。该发明用于涉及不同饱和状态下地基土强度特性、变形特性和渗透特性等的土木工程建设可行性评估，评测更为精确，为后期设计做出更为精确的指导。

Description

一种土壤瞬时渗透特性测试仪及土壤渗透特性计算方法

技术领域

本发明涉及土壤渗透试验领域，尤其涉及一种土壤瞬时渗透特性测试仪及渗透特性计算方法。

背景技术

作为土的3个重要特性指标之一，渗透系数是分析水分迁移的重要的参数。饱和状态下土体的渗透系数可以很容易得出，但现实的岩土工程及岩土环境工程中涉及到的主要都是非饱和土的渗透，例如降雨入渗下的边坡稳定，生活垃圾及地下废弃料的处理，石油开采等。非饱和土因为其含水率和基质吸力的不同及其之间复杂的相互影响关系，使其充满复杂性和多变性，导致非饱和土的渗透研究困难重重。

Hillel认为，非饱和土的渗透系数最好能直接测量得出，这是因为很多的理论结果并没有得到证实。土体在不同的基质吸力下，渗透系数的变化规律并不相同，在接近饱和状态下(吸力0～1kPa)，吸力的微小变化通常也引起渗透系数变化1～3个数量级。这些都导致非饱和土渗透系数研究困难，也是亟待解决的问题。

国内外学者在测定非饱和土渗透系数上都做了大量的努力，Klute利用稳态试验测定渗水系数；李永乐，李翠然等自制了一套非饱和土三轴仪，对黄河大堤处于非饱和状态的土体进行了渗透特性的试验研究；陈洪凯等通过模拟降雨作用，得出表征强风化泥岩入渗过程的土体降雨入渗公式；高永宝，刘奉银等用水-气运动联合测试仪测定非饱和土渗透系数。这一系列的研究和对仪器的探索使得非饱和土的渗透系数量测变得更加准确和简单。然而对于非饱和土渗透特性的研究尚不完全成熟，还有大量的问题需要处理解决。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提出一种模拟非饱和土渗透试验测试用仪器，采集新的数据，更正引入新的模型参数，并同时提出新的计算方法，纠正以往数据的不准性。

为实现上述目的，本发明提供了一种土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：包括试样管，所述试样管下方通过底板形成密封，所述底板内开设至少一个排水口A和排水口B，所述排水口A与陶土板底部的排水环道连通，所述陶土板外周另设有透水孔，所述透水孔下方设置排水口B；所述试样管外周从上至下均匀布置至少五组采集传感器，每组采集传感器均包括含水率传感器、吸力传感器和水压传感器，且所述含水率传感器、吸力传感器和水压传感器沿圆周均匀布置；所述试样管顶部通过法兰连接顶盖，所述顶盖设有对穿的进气口和进水口。

在上述结构中，常规渗透试验时，打开排水口B，关闭排水口A，土壤中的水和空气都通过透水孔排出而在需要测试非饱和状态下土壤渗透特性时，打开排水口A，关闭排水口B，土壤内的水分必须通过陶土板才能够进一步的进入排水口A，而空气无法通过陶土板排出；五组传感器的设置是便于分层监测，测出不同位置的，不同高度的土壤的数据。

进一步，还包括支撑架，所述支撑架包括底座、竖向立柱、横梁和水平放置支撑板；所述底座上设有定位盘，通过定位盘嵌入在底板下方凹槽形成固定；

所述竖向立柱之间通过横梁连接，并在横梁上固定轴向下压气缸，所述轴向下压气缸的活塞杆下端与试样管内的传压板连接；所述轴向下压气缸与活塞杆之间设有荷载传感器，并在荷载传感器底部固定位移触板，所述位移触板上方的横梁上固定位移传感器，所述位移传感器的探针与位移触板接触。

在上述结构中，横梁上设置的轴向下压气缸能够人为给与土壤内部一个外部压力的存在，并在土壤表面倾倒水，实现模拟深水位置的土壤状态；而荷载传感器即能够数字化体现当前压力大小；而位移传感器便是监测轴向下压气缸的活动行程。

更进一步，所述活塞杆外部套置活塞套，活塞套下方嵌入顶盖内，所述活塞套上方设有密封用压圈和密封螺母；所述活塞套连段通过水平放置支撑板与竖向立柱连接。

在上述结构中，活塞套及其配套的元件主要是保证活塞杆即能够穿过顶盖活动，并且具有较好的气密性。

更进一步，所述传压板底部设有透水板。

在上述结构中，透水板的效果是配合传压板下压，且能够通过调节进气口的压力(连接高压气瓶和压力调节阀)给传压板一个高压状态。

进一步，所述试样管为圆筒状有机玻璃管。

在上述结构中，便于观察设定。

进一步，所述试样管外设有若干道加强扎带。

在上述结构中，加强扎带是保证玻璃管能够受到较大压力而不被损坏。

进一步，所述含水率传感器是MP406土壤水分传感器。

进一步，所述吸力传感器是TensiMark土壤水势温度传感器。

进一步，所述水压传感器为PWS弦式渗压计。

进一步，所述含水率传感器、吸力传感器和水压传感器均通过传感器安装座嵌入安装在试样管侧壁，且在所述传感器安装座内部空腔内搁置透水石。

同时，针对于模拟试验过程，还提出了一种土壤渗透特性计算方法，其特征在于：包括以下步骤，

s1.假定，降雨发生时，雨水是从土柱顶部截面A往下流入到底部截面B，在t₁时刻，浸润峰运动至截面D处，而时间增加到t₂时刻，浸润峰又向下运动至截面E处；

s2.计算t₁到t₂时间段，流过截面C的的水量；

Q_C＝ΔQ_C-B+Q_B (1-1)

式中：Q_C是流过传感器监测面C的流量，ΔQ_C-B是时间t₁到t₂时刻内试样C-B段水量的增加量，Q_B是t₁到t₂时刻内经底部截面B流出的水量；

s3.假定，试验从降雨开始，浸润峰刚好运动至底部截面B处，试验停止，即此时刚好没有水从底部流出时，可以认为Q_B＝0；则，

式中：Z_C，Z_B分别是C截面和B截面距离试样顶部的距离，A为试样的横截面积，θ(z,t)为沿试样渗流方向的体积含水率分布函数；

s4.假定土柱在Δt＝t₂-t₁时，浸润峰从截面D到截面E运动了ΔZ＝Z₂-Z₁，并假定体积含水率在这微小时间段内，θ(z，t)为光滑的函数，

于是：

θ(z，t+Δt)＝θ(z-Δz，t) (1-3)

那么此时，

基于土柱试样渗透在时间段Δt内，其体积含水率函数为光滑的函数的假定，便可以化简为：

同理有：

因为浸润峰未到土柱底部截面B，所以θ₀为土柱试样的初始体积含水率；

s5.根据s4，可得到，

s6.假定在时间段Δt内，非饱和土的渗透系数不发生改变，那么根据达西定律，有：

Q_c＝kiAΔt (1-8)

式中：k为非饱和土的渗透系数，i为水力梯度；

s7.基于时间段Δt内，体积含水率分布函数为光滑函数，同理假定，在微小的时间段内吸力分布函数ψ(z，t)也为光滑函数，则有：

ψ(z,t+Δt)＝ψ(z-Δz,t) (1-9)

式中：γ_w为水的重度，将式(7)、(10)代入式(8)，得到：

本发明的有益效果是：本结构的测试仪不仅能够测试以往渗透试验中的常规渗透测试，同时，引入了气压和吸力传感器，能够模拟在深水处的不饱和土壤的渗透状态，且能够实时获得相应参数，做出渗透曲线；将以往的土壤渗透试验和土水特征曲线试验合二为一，大大缩短了试验时长；而土壤瞬时渗透特性测试计算方法由于引入了新的模型参数，使得计算出的渗透系数更为精确，更接近于现实状态。该发明可用于涉及不同饱和状态下地基土强度特性、变形特性和渗透特性等的土木工程建设可行性评测，使得评测更为精确，为后期设计做出更为精确的指导。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的渗透特性测试仪的结构示意图；

图2为图1中A部分的结构放大图；

图3为图1中B部分的结构放大图；

图4为浸润峰随时间运动变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3和实施例对本发明作进一步说明：一种土壤瞬时渗透特性测试仪，包括试样管1，所述试样管1下方通过底板13形成密封，所述底板13内开设至少一个排水口A3和排水口B4，所述排水口A3上方设有一层陶土板5，所述陶土板5外周设有透水孔32，所述透水孔32下方设置排水口B4；所述试样管1外周从上至下均匀布置至少五组采集传感器，每组采集传感器均包括含水率传感器、吸力传感器和水压传感器，且所述含水率传感器、吸力传感器和水压传感器沿圆周均匀布置；所述试样管1顶部通过法兰连接顶盖7，所述顶盖7设有对穿的进气口8和进水口9；在进一步的实施中，还包括支撑架2，所述支撑架2包括底座21、竖向立柱22、横梁23和水平放置支撑板24；所述底座21上设有定位盘25，通过定位盘25嵌入在底板13下方凹槽形成固定；所述竖向立柱22之间通过横梁23连接，并在横梁23上固定轴向下压气缸11，所述轴向下压气缸11的活塞杆12下端与试样管1内的传压板10连接；所述轴向下压气缸11与活塞杆12之间设有荷载传感器26，并在荷载传感器26底部固定位移触板27，所述位移触板27上方的横梁23上固定位移传感器28，所述位移传感器28的探针与位移触板27接触；所述活塞杆12外部套置活塞套29，活塞套29下方嵌入顶盖7内，所述活塞套29上方设有密封用压圈30和密封螺母31；所述活塞套29连段通过水平放置支撑板24与竖向立柱22连接；所述传压板10底部设有透水板35。

土壤基质吸力的测定是，通过压力气瓶配合调压阀保证透水板35与顶盖7之间孔隙处于高压状态(大于1个大气压)，而将底部的排水口B4关闭，将排水口A3开启，由于陶土板5的存在(陶土板能过水，不能过气)，而在排水口A3开启后，即使得底部与大气连通(1个大气压)；待顶盖7与透水板35之间的气压逐渐降低(约一周时间)至稳定后，此时，透水板35余顶盖7之间的高压(大于1个大气压)减去1个大气压，即为该土壤的吸力；

而在这个过程中，渗透吸力π的测定可通过TensiMark土壤吸力传感器直接测出；这使得

土体的总吸力由两部分组成：基质吸力(气压-水压，即u_a-u_w)和渗透吸力π。

ψ＝(u_a-u_w)+π (1-12)

式中：ψ为总吸力；u_a为土中气压；u_w为土体中水压；π为渗透吸力；中的总吸力可算出；

优选的，所述试样管1为圆筒状有机玻璃管。

优选的，所述试样管1外设有若干道加强扎带6。

优选的，所述含水率传感器是MP406土壤水分传感器。

优选的，所述吸力传感器是TensiMark土壤水势温度传感器。

优选的，所述水压传感器为PWS弦式渗压计。

优选的，所述含水率传感器、吸力传感器和水压传感器均通过传感器安装座33嵌入安装在试样管1侧壁，且在所述传感器安装座33内部空腔内搁置透水石34。

同时，结合以下具体实施方式，实验过程中，在圆柱形土柱内通连续的水流，从柱体一头到另一头。试样的体积含水量传感器和吸力传感器沿着测试仪预留传感器埋设口插入试样，能够立即得到测值。土水特征曲线可以通过同一位置、同一时刻含水率和吸力传感器采集到的数据得到，而渗透系数的求解则需要依据达西定律，计算如下：

如图4所示，是模拟的是降雨条件下，水流沿着土柱试样由上往下入渗过程中，浸润峰随时间运动变化的示意图；

降雨是从土柱顶部截面A往下流入土柱底部截面B。截面C是某一土壤体积含水率传感器(x#等五个)监测部位。假定降雨发生后，在t1时刻，浸润峰运动至截面D处，而时间增加到t2时刻，浸润峰又向下运动至截面E处。那么在t1到t2时刻，流过截面C，也即传感器x#的水量为：

Q_C＝ΔQ_C-B+Q_B (1-1)

式中：Q_C是流过传感器监测面C的流量，ΔQ_C-B是时间t₁到t₂时刻内试样C-B段水量的增加量，Q_B是t₁到t₂时刻内经底部截面B流出的水量，在浸润峰没有发展到底部时(试验从降雨开始，浸润峰刚好运动至底部截面B处，试验停止)，即没有水从底部流出时，可以认为Q_B＝0。则：

式中：Z_C，Z_B分别是C截面和B截面距离试样顶部的距离，A为试样的横截面积，θ(z,t)为沿试样渗流方向的体积含水率分布函数。

假定土柱在很小时间段内Δt＝t₂-t₁时(优选5min、10mi、30min)，浸润峰从截面D到截面E运动了ΔZ＝Z₂-Z₁，并假定体积含水率在这很小时间段内，θ(z，t)为光滑的函数，于是：

θ(z，t+Δt)＝θ(z-Δz，t) (1-3)

可得：

基于土柱试样渗透在很小的时间段Δt内，其体积含水率函数为光滑的函数的假定，便可以化简为：

同理有：

因为浸润峰未到土柱底部截面B，所以θ₀为土柱试样的初始体积含水率。

得到

同理假定在很小的时间段Δt内，非饱和土的渗透系数不发生改变，那么根据达西定律，有：

Q_c＝kiAΔt (1-8)

式中：k为非饱和土的渗透系数，i为水力梯度。

上文中在很小的时间段Δt内体积含水率分布函数为光滑函数，同理假定，在微小的时间段内吸力分布函数ψ(z，t)也为光滑函数，则有：

ψ(z,t+Δt)＝ψ(z-Δz,t) (1-9)

式中：γ_w为水的重度。

将式(1-7)、(1-10)代入式(1-8)，得到：

式中变量都可以在试验中通过传感器测出或者直接读出，故非饱和土的渗透系数可以通过此公式快速计算得出。

在上述方法中，引入了新的土壤吸力作为参数，使得计算出来的非饱和土的渗透系数更为精确，能够更加精准的测试并计算出试验土壤的渗透系数。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：包括试样管(1)，所述试样管(1)下方通过底板(13)形成密封，所述底板(13)内开设至少一个排水口A(3)和排水口B(4)，所述排水口A(3)上方设有一层陶土板(5)，所述陶土板(5)外周设有透水孔(32)，所述透水孔(32)下方设置排水口B(4)；所述试样管(1)外周从上至下均匀布置至少五组采集传感器，每组采集传感器均包括含水率传感器、吸力传感器和水压传感器，且所述含水率传感器、吸力传感器和水压传感器沿圆周均匀布置；所述试样管(1)顶部通过法兰连接顶盖(7)，所述顶盖(7)设有对穿的进气口(8)和进水口(9)；

还包括支撑架(2)，所述支撑架(2)包括底座(21)、竖向立柱(22)、横梁(23)和水平放置支撑板(24)；所述底座(21)上设有定位盘(25)，通过定位盘(25)嵌入在底板(13)下方凹槽形成固定；

所述竖向立柱(22)之间通过横梁(23)连接，并在横梁(23)上固定轴向下压气缸(11)，所述轴向下压气缸(11)的活塞杆(12)下端与试样管(1)内的传压板(10)连接；所述轴向下压气缸(11)与活塞杆(12)之间设有荷载传感器(26)，并在荷载传感器(26)底部固定位移触板(27)，所述位移触板(27)上方的横梁(23)上固定位移传感器(28)，所述位移传感器(28)的探针与位移触板(27)接触。

2.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述活塞杆(12)外部套置活塞套(29)，活塞套(29)下方嵌入顶盖(7)内，所述活塞套(29)上方设有密封用压圈(30)和密封螺母(31)；所述活塞套(29)连段通过水平放置支撑板(24)与竖向立柱(22)连接。

3.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述传压板(10)底部设有透水板(35)。

4.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述试样管(1)为圆筒状有机玻璃管。

5.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述试样管(1)外设有若干道加强扎带(6)。

6.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述含水率传感器是MP406土壤水分传感器。

7.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述吸力传感器是TensiMark土壤水势温度传感器。

8.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述水压传感器为PWS弦式渗压计。

9.根据权利要求1所述的土壤瞬时渗透特性测试仪，其特征在于：所述含水率传感器、吸力传感器和水压传感器均通过传感器安装座(33)嵌入安装在试样管(1)侧壁，且在所述传感器安装座(33)内部空腔内搁置透水石(34)。

10.一种土壤渗透特性计算方法，其特征在于：包括以下步骤，

s1.假定，降雨发生时，雨水是从土柱顶部截面A往下流入到底部截面B，在t₁时刻，浸润峰运动至截面D处，而时间增加到t₂时刻，浸润峰又向下运动至截面E处；

s2.计算t₁到t₂时间段，流过截面C的的水量；

Q_C＝ΔQ_C-B+Q_B (1-1)

式中：Q_C是流过传感器监测面C的流量，ΔQ_C-B是时间t₁到t₂时刻内试样C-B段水量的增加量，Q_B是t₁到t₂时刻内经底部截面B流出的水量；

s3.假定，试验从降雨开始，浸润峰刚好运动至底部截面B处，试验停止，即此时刚好没有水从底部流出时，可以认为Q_B＝0；则，

式中：Z_C，Z_B分别是C截面和B截面距离试样顶部的距离，A为试样的横截面积，θ(z,t)为沿试样渗流方向的体积含水率分布函数；

s4.假定土柱在Δt＝t₂-t₁时间段内，浸润峰从截面D到截面E运动了ΔZ＝Z₂-Z₁，并假定体积含水率在这时间段内，θ(z，t)为光滑的函数，

于是：

θ(z，t+Δt)＝θ(z-Δz，t) (1-3)

那么此时，

基于土柱试样渗透在Δt的时间段内，其体积含水率函数为光滑的函数的假定，便可以化简为：

同理有：

因为浸润峰未到土柱底部截面B，所以θ₀为土柱试样的初始体积含水率；

s5.根据s4，可得到，

s6.假定在时间段Δt内，非饱和土的渗透系数不发生改变，那么根据达西定律，有：

Q_c＝kiAΔt (1-8)

式中：k为非饱和土的渗透系数，i为水力梯度；

s7.基于在Δt时间段内体积含水率分布函数为光滑函数，同理假定，在Δt时间段内吸力分布函数ψ(z，t)也为光滑函数，则有：

ψ(z,t+Δt)＝ψ(z-Δz,t) (1-9)

式中：γ_w为水的重度，将式(3-12)、(3-15)代入式(3-13)，得到：