CN109060637A - 非饱和土渗透系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非饱和土渗透系数测量装置，涉及土体渗透系数测量技术领域，包括柱状直管，用于盛装待测土样，柱状直管的上端设有加载装置，为待测土样施加轴向压力；水分传感器和张力计由上至下依次均匀排列在柱状直管上，通过重力测量装置测量供水装置和储水装置内的水量变化；土柱轴向形变测量装置测量待测土样的轴向形变量；湿润锋位移测量装置测量待测土样内的湿润锋前进位移。本发明可以记录土柱的轴向形变，通过对土柱轴向位移变化的监测，预测土体在不同轴向力作用下的变形规律；不仅能够使用瞬态剖面法还能利用湿润锋前进法对土体渗透系数进行测量，同时利用两种方法，能够准确测量多种土体的非饱和渗透系数函数。

Description

非饱和土渗透系数测量装置

技术领域

本发明涉及土样渗透系数测量技术领域，具体涉及一种能够准确测量水- 力耦合作用下的非饱和土渗透系数的测量装置。

背景技术

水-力耦合特性是非饱和土区别于饱和土的最重要特性，因此，孤立地考虑非饱和土的力学和水力学特性不可能真实反映土的变形对土水特征曲线的影响，也就不能真实再现非饱和土的渗流特性。传统的一维土柱渗流装置没有考虑水和力同时作用在土体上对土体渗透系数的影响，无法测量土柱轴向位移，传感器间距布置较大，对于渗透系数较大的土体，无法准确测量水-力耦合作用下土体渗透系数函数，没有真实的反应土体在水和力同时作用下的变形规律，适用方法较为单一，适用性有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时测量水-力耦合作用下非饱和土渗透系数、土水特征曲线以及土柱的轴向变形的非饱和土渗透系数测量装置，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供的一种非饱和土渗透系数测量装置，包括土柱系统、补排系统和测量系统，所述量测系统包括多个水分传感器、多个张力计，所述土柱系统包括柱状直管，所述柱状直管用于盛装待测土样；所述柱状直管的上端设有透水结构，所述透水结构的上方连接有加载装置，通过所述加载装置为所述待测土样施加轴向压力；所述柱状直管的底端设有底座，所述底座的中部设有通孔；

所述多个水分传感器由上至下依次均匀排列在所述柱状直管上，所述多个张力计由上至下依次均匀排列在所述柱状直管上，所述多个水分传感器和所述多个张力计相互对应设置；

所述补排系统包括进水部件和出水部件，所述进水部件包括一端与所述柱状直管的上端连通的进水管，所述进水管位于所述透水结构的上方，所述出水管的另一端连通供水装置；所述出水部件包括一端与所述柱状直管的底座上的通孔连通的出水管，所述出水管的另一端连通有储水装置；

所述量测系统还包括重力测量装置、土柱轴向变形测量装置和湿润锋位移测量装置；所述重力测量装置用于测量所述供水装置和所述储水装置内的水量变化量；所述土柱轴向形变测量装置用于测量所述待测土样的轴向形变量；所述湿润锋位移测量装置用于测量所述待测土样内的湿润锋前进位移。

进一步的，所述柱状直管由透明有机玻璃制成，所述柱状直管上设有刻度尺，所述刻度尺作为所述湿润锋位移测量装置用于测量所述待测土样内的湿润锋前进位移；所述相邻的两个水分传感器之间的距离为150mm。

进一步的，所述透水结构为滤纸或透水石。

进一步的，所述加载装置包括设于所述透水结构上方的加载座，所述加载座上方连接有加载杆，所述柱状直管的顶部固设有顶盖，所述加载杆滑动穿过所述顶盖连接有加载气缸，所述加载杆和所述加载气缸的活塞杆之间设有压力传感器。

进一步的，所述土柱轴向形变测量装置为百分表刻度尺，所述百分表刻度尺的底端与所述顶盖相抵触，所述百分表刻度尺的上端滑动穿过百分表刻度尺支座，所述百分表刻度尺支座固定在所述加载杆上。

进一步的，所述加载气缸设于一横梁上，所述横梁架设于一支撑架上，所述支撑架固定在一支撑座上。

进一步的，所述加载座与所述柱状直管的内壁之间滑动接触，所述加载座上均匀设有若干透水孔。

进一步的，所述供水装置为马氏瓶。

进一步的，所述重量测量装置为电子秤。

进一步的，所述出水管上设有阀门。

本发明有益效果：可以记录轴向位移随时间的变化，通过对轴向位移变化的监测，可以预测土体受到不同力作用下土体的变形规律；传感器布置间距较为合理，间距布置均匀，适用各类土体并且能够准确的测量水-力耦合作用下土体渗透系数函数；在有机玻璃筒刻有标尺，不仅能够使用瞬态剖面法还能利用湿润锋前进法对土体渗透系数进行测量，同时利用两种方法对土体渗透系数进行测量，能够更加准确的测量土体的渗透系数函数。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的非饱和土渗透系数测量装置结构图。

图2为本发明实施例所述的轴向加载力为0KPa时砂质黄土渗透系数测量结果示意图。

图3为本发明实施例所述的轴向加载力为40KPa时砂质黄土渗透系数测量结果示意图。

图4为本发明实施例所述的轴向加载力为0KPa时强风化砂岩渗透系数测量结果示意图。

图5为本发明实施例所述的轴向加载力为40KPa时强风化砂岩渗透系数测量结果示意图。

图6为本发明实施例所述的轴向加载力为80KPa时强风化砂岩渗透系数测量结果示意图。

图7为本发明实施例所述的强风化砂岩的轴向变形测量结果示意图。

其中：1-水分传感器；2-张力计；3-柱状直管；4-待测土样；5-透水结构；6-底座；7-通孔；8-进水管；9-供水装置；10-出水管；11-储水装置； 12-加载座；13-加载杆；14-顶盖；15-加载气缸；16-压力传感器；17-百分表刻度尺；18-百分表刻度尺支座；19-横梁；20-支撑架；21-支撑座；22-透水孔；23-电子秤；24-阀门；25-进气口；26-排气口。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。应该理解，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接，使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

需要说明的是，在本发明所述的实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通，或两个元件的相互作用关系，除非具有明确的限定。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种非饱和土渗透系数测量装置，包括土柱系统、补排系统和测量系统，所述量测系统包括多个水分传感器1、多个张力计2，所述土柱系统包括柱状直管3，所述柱状直管3用于盛装待测土样 4；所述柱状直管3的上端设有透水结构5，所述透水结构5的上方连接有加载装置，通过所述加载装置为所述待测土样4施加轴向压力；所述柱状直管3的底端设有底座6，所述底座6的中部设有通孔7。

在本发明实施例一中，柱状直管3由两个内径为150mm，外径160mm，高500mm的有机玻璃管通过中间的圆形法兰盘连接。

在实际应用中，本领域技术人员可根据实际情况具体设置柱状直管3的高度，可通过更多数量的有机玻璃筒相连，有机玻璃筒的高度、内径、外径等参数可根据具体实验情况设置。

所述多个水分传感器1由上至下依次均匀排列在所述柱状直管3上，所述多个张力计2由上至下依次均匀排列在所述柱状直管3上，所述多个水分传感器1和所述多个张力计2相互对应设置。

土壤含水率的实时监测通过EC-5水分传感器完成，EC-5水分传感器规格为长89mm×宽18mm×厚7mm，量测范围为0～100％，精度±3％，单独校准后精度可达±1％，EC-5水分传感器布置间距为150mm；通过2100F张力计实时测量土壤中基质吸力变化，张力计理论量测范围为0～100KPa，土样基质吸力在 0～80KPa可以较为准确的量测，2100F张力计布置间距为150mm，张力计主要由陶土头(直径6mm)、软管(长1.8m)、真空数显表、塑料管体等组成。

所述补排系统包括进水部件和出水部件，所述进水部件包括一端与所述柱状直管3的上端连通的进水管8，所述进水管8的另一端连通供水装置9；所述出水部件包括一端与所述柱状直管3的底座6上的通孔7连通的出水管10，所述出水管10的另一端连通有储水装置11。

在本发明的具体实施例中，所述底座6由铝制成，其直径为230mm，高 30mm，内部有千分之二的坡度防止水的聚集，中心通孔位置低，四周高。而在实际应用中，底座6的制作材料并不受上述材料的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体选择合适的制作材料。其直径和高度也可根据实际情况具体设置。

所述量测系统还包括重力测量装置、土柱轴向形变测量装置和湿润锋位移测量装置；所述重力测量装置用于测量所述供水装置和所述储水装置内的水量变化量；所述土柱轴向形变测量装置用于测量所述待测土样的轴向形变量；所述湿润锋位移测量装置用于测量所述待测土样内的湿润锋前进位移。

在本发明的具体实施例一中，所述柱状直管3由透明有机玻璃制成，所述柱状直管3上设有刻度尺，所述刻度尺作为所述湿润锋位移测量装置用于测量所述待测土样内的湿润锋前进位移；所述相邻的两个水分传感器之间的距离为150mm。

在本发明的具体实施例一中，所述透水结构为滤纸或透水石。

在本发明的具体实施例一中，所述加载装置包括设于所述透水结构上方的加载座12，所述加载座12上方连接有加载杆13，所述柱状直管3的顶部固设有顶盖14，所述加载杆13滑动穿过所述顶盖14连接有加载气缸15，所述加载杆13和所述加载气缸15的活塞杆之间设有压力传感器16和称重数显表；所述进水管8位于所述加载座12的上方。

压力传感器测量土样所受轴向力大小，称重数显表能够直观显示作用在土体上力的大小。

在本发明的具体实施例一中，利用加载气缸为土柱提供轴向力，利用空压机为气缸提供气源，最大供给压力可以达到0.6MPa；调压过滤阀过滤空气和控制整个管路的气压，避免含有杂质的气体进入气缸，从而导致气缸磨损，影响气缸的作用效果；利用调速开关制管路气体流速；利用电磁阀控制管路气体的流向；利用空气压力开关实现自动控制气缸压力；加载气缸所能承受的最大压力为1MPa，气缸最大行程可达100mm。加载气缸上设有进气口25 和排气口26。

在本发明的具体实施例一中，加载杆13由铝材料制成，其直径为39mm，高150mm，作为力的传导装置可将加载气缸15的压力传导至加载座12上。

在本发明的具体实施例一中，所述土柱轴向形变测量装置为百分表刻度尺17，所述百分表刻度尺17的底端与所述顶盖14相抵触，所述百分表刻度尺 17的上端滑动穿过百分表刻度尺支座18，所述百分表刻度尺支座18固定在所述加载杆13上。百分表刻度尺支座18由铝材料制成，为百分表提供一个稳定的支撑，同时当加载时可通过百分表刻度尺读数。

利用大量程百分表刻度尺量测土样的轴向变形，百分表刻度尺量程为 0.01～100mm。

在本发明的具体实施例一中，所述加载气缸15设于一横梁19上，所述横梁19架设于一支撑架20上，所述支撑架20固定在一支撑座21上。

由横梁19、支撑架20和支撑座21组成装置框架，试验装置框架主要作为整个试验装置的支撑，为试验提供一个稳定性平台。支撑架为两根304不锈钢螺纹长杆，直径为30mm，长1400mm，为试验平台提供轴向支撑；支撑座21为长500mm×宽400mm×厚30mm碳钢底座，能够承受较大的荷载而不产生变形；横梁19的材质为45号钢，其长为500mm，宽为75mm，厚度为20mm，具有较大的抗弯刚度，为加载气缸提供支撑。

在本发明的具体实施例一中，所述加载座12与所述柱状直管3的内壁之间滑动接触，所述加载座12上均匀设有若干透水孔22。加载座12与柱状直管3的内壁滑动接触，有利于加载气缸15对土样平稳均匀的施加压力，使测量更加准确。在加载座12上设置透水孔22，可使由进水管流入柱状直管的水通过透水孔深入到土柱中。

在本发明实施例一中，加载座同样由铝材料制成，其直径为149mm、厚 20mm，其上布有26个直径为5mm的小孔作为透水孔。而在实际应用中，本领域技术人员可根据实际情况具体选择加载座的制作材料，其直径的选择可根据柱状直管的内径设置，能实现其与柱状直管的内壁滑动接触即可，厚度也可根据实际情况设置，透水孔的个数及直径也可根据实际情况合理设置。

在本发明的具体实施例一中，所述供水装置为马氏瓶。用于控制作用在土柱上部的水头，使水匀速定量流入柱状直管内。

在本发明的具体实施例一中，所述重量测量装置为电子秤23，两个电子秤实时监测试验过程中土柱出入水的变化情况。

在本发明的具体实施例一中，所述出水管10上设有阀门24，所述底座6为中部凹陷型底座。

实施例二

本发明实施例二提供的一种利用实施例一所述的装置对砂质黄土的渗透系数进行测量的方法。该方法包括如下流程步骤：

步骤1：装土。将砂质黄土分层装入柱状直管中，分20层击实，每层土高 40mm，形成的试验土柱高800mm。

步骤2：安装水分传感器和张力计。利用小刀在土柱内部掏出略小于传感器的洞口，把水分传感器和张力计插入土柱，利用玻璃胶密封传感器与有机玻璃筒之间的缝隙。

步骤3：施加荷载。荷载分级施加，每级10KPa，每级荷载施加后，土柱的轴向变形小于0.01mm/h时施加下一级荷载，直至目标荷载。

步骤4：湿化。荷载施加完成后，利用马氏瓶往土柱注入蒸馏水，同时开启秒表记录时间，湿化过程中通过柱状直管上的刻度尺记录湿润锋前进位移，通过百分表读数记录土柱的形变量，通过电子秤称量马氏瓶和储水箱内的水量变化从而测量渗水量。当土柱底部流出水量变化小于1cm3/h，试验结束。

步骤5：根据记录的各项参数，计算砂质黄土的渗透系数。如图2所示，为本发明实施例所述的轴向加载力为0KPa时砂质黄土渗透系数测量结果示意图；如图3所示，为本发明实施例所述的轴向加载力为40KPa时砂质黄土渗透系数测量结果示意图。

实施例三

本发明实施例二提供的一种利用实施例一所述的装置对强风化砂岩的渗透系数进行测量的方法。该方法包括如下流程步骤：

步骤1：装土。将强风化砂岩分层装入柱状直管中，分20层击实，每层土高40mm，形成的试验土柱高800mm。

步骤2：安装水分传感器和张力计。利用小刀在土柱内部掏出略小于传感器的洞口，把水分传感器和张力计插入土柱，利用玻璃胶密封传感器与有机玻璃筒之间的缝隙。

步骤3：施加荷载。荷载分级施加，每级10KPa，每级荷载施加后，土柱的轴向变形小于0.01mm/h时施加下一级荷载，直至目标荷载。如图7所示，为本发明实施例对强风化砂岩土柱分别施加40KPa和80KPa的轴向压力时，土柱的轴向形变测量结果示意图。

步骤4：湿化。荷载施加完成后，利用马氏瓶往土柱注入蒸馏水，同时开启秒表记录时间，湿化过程中通过柱状直管上的刻度尺记录湿润锋前进位移，通过百分表读数记录土柱的形变量，通过电子秤称量马氏瓶和储水箱内的水量变化从而测量渗水量。当土柱底部流出水量变化小于1cm3/h，试验结束。

步骤5：根据记录的各项参数，计算强风化砂岩的渗透系数。如图4所示，为本发明实施例所述的轴向加载力为0KPa时强风化砂岩渗透系数测量结果示意图；如图5所示，为本发明实施例所述的轴向加载力为40KPa时强风化砂岩渗透系数测量结果示意图；如图6所示，为本发明实施例所述的轴向加载力为80KPa时强风化砂岩渗透系数测量结果示意图。

综上所述，本发明通过百分表刻度尺可以记录轴向位移随时间的变化，通过对轴向位移变化的监测，可以预测土体受到不同力作用下土体的变形规律；通过合理均匀布置水分传感器的间距，能够准确的测量多种土体的水-力耦合作用下的土体渗透系数函数；通过在有机玻璃筒上刻有标尺，不仅能够使用瞬态剖面法还能利用湿润锋前进法对土体渗透系数进行测量，同时利用两种方法对土体渗透系数进行测量，能够更加准确的测量土体的渗透系数函数。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种非饱和土渗透系数测量装置，包括土柱系统、补排系统和测量系统，所述量测系统包括多个水分传感器(1)、多个张力计(2)，其特征在于：所述土柱系统包括柱状直管(3)，所述柱状直管(3)用于盛装待测土样(4)；所述柱状直管(3)的上端设有透水结构(5)，所述透水结构(5)的上方连接有加载装置，通过所述加载装置为所述待测土样(4)施加轴向压力；所述柱状直管(3)的底端设有底座(6)，所述底座(6)的中部设有通孔(7)；

所述多个水分传感器(1)由上至下依次均匀排列在所述柱状直管(3)上，所述多个张力计(2)由上至下依次均匀排列在所述柱状直管(3)上，所述多个水分传感器(1)和所述多个张力计(2)相互对应设置；

所述补排系统包括进水部件和出水部件，所述进水部件包括一端与所述柱状直管(3)的上端连通的进水管(8)，所述进水管(8)的另一端连通供水装置(9)；所述出水部件包括一端与所述柱状直管(3)的底座(6)上的通孔(7)连通的出水管(10)，所述出水管(10)的另一端连通有储水装置(11)；

所述量测系统还包括重力测量装置、土柱轴向形变测量装置和湿润锋位移测量装置；所述重力测量装置用于测量所述供水装置和所述储水装置内的水量变化量；所述土柱轴向形变测量装置用于测量所述待测土样的轴向形变量；所述湿润锋位移测量装置用于测量所述待测土样内的湿润锋前进位移。

2.根据权利要求1所述的非饱和土渗透系数测量装置，其特征在于，所述柱状直管(3)由透明有机玻璃制成，所述柱状直管(3)上设有刻度尺，所述刻度尺作为所述湿润锋位移测量装置用于测量所述待测土样内的湿润锋前进位移；所述相邻的两个水分传感器之间的距离为150mm。

3.根据权利要求1所述的非饱和土渗透系数测量装置，其特征在于，所述透水结构为滤纸或透水石。

4.根据权利要求3所述的非饱和土渗透系数测量装置，其特征在于，所述加载装置包括设于所述透水结构上方的加载座(12)，所述加载座(12)上方连接有加载杆(13)，所述柱状直管(3)的顶部固设有顶盖(14)，所述加载杆(13)滑动穿过所述顶盖(14)连接有加载气缸(15)，所述加载杆(13)和所述加载气缸(15)的活塞杆之间设有压力传感器(16)；所述进水管(8)位于所述加载座(12)的上方。

5.根据权利要求4所述的非饱和土渗透系数测量装置，其特征在于，所述土柱轴向形变测量装置为百分表刻度尺(17)，所述百分表刻度尺(17)的底端与所述顶盖(14)相抵触，所述百分表刻度尺(17)的上端滑动穿过百分表刻度尺支座(18)，所述百分表刻度尺支座(18)固定在所述加载杆(13)上。

6.根据权利要求4所述的非饱和土渗透系数测量装置，其特征在于，所述加载气缸(15)设于一横梁(19)上，所述横梁(19)架设于一支撑架(20)上，所述支撑架(20)固定在一支撑座(21)上。

7.根据权利要求4所述的非饱和土渗透系数测量装置，其特征在于，所述加载座(12)与所述柱状直管(3)的内壁之间滑动接触，所述加载座(12)上均匀设有若干透水孔(22)。

8.根据权利要求1所述的非饱和土渗透系数测量装置，其特征在于，所述供水装置为马氏瓶。

9.根据权利要求1所述的非饱和土渗透系数测量装置，其特征在于，所述重量测量装置为电子秤(23)。

10.根据权利要求1所述的非饱和土渗透系数测量装置，其特征在于，所述出水管(10)上设有阀门(24)，所述底座(6)为中部凹陷型底座。