CN109269959A - 一种大型水位可控式土壤渗透系数测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型水位可控式土壤渗透系数测定装置及测定方法，针对粗粒土与巨粒土颗粒尺寸较大的特点，常规70型渗透仪器尺寸不能满足渗透试验对于仪器尺寸的要求，故需要研制适用于特定的渗透试验的实验设备。基于粗/巨粒土结构松散其渗透性较大的特点，设计出一种常水头渗透试验设备，该设备由供水系统、测压表、溢水口、排水孔、综合测量装置、缓冲层、边界乳胶隔膜组成。该设备中，可通过溢水口处阀门的开闭及出水口处调节夹的升降实现试验过程中水头的改变，可对不同水头作用下土石混合体渗透性能规律进行研究。边界乳胶隔膜与土样的紧密接触减少了从边界往下渗透的水量，有效降低了“边界效应”对渗透试验的影响。

Description

一种大型水位可控式土壤渗透系数测定装置及测定方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种大型水位可控式土壤渗透系数测定装置及测定方法。

背景技术

在多山的城市中，地形地貌较为复杂，在城市的基础设施发展过程中，难免会对一些地形进行回填处理，而土石混合体由于造价低廉、取材方便成为越来越常用的填筑材料。所以后期轨道交通隧道的建设就难免会穿越土石混合体回填区。土石混合体不但作为一种常见的地质体存在于自然界中，而且由于其具有独特的物理力学性质而被作为一种岩土工程材料广泛应用于多种工程建设中。土石混合体即为岩土工程领域中土与砾石、块石的混合，其有别于传统的岩土材料，具有物质成分间(土与石)力学性质差别大、物质组成复杂、空间分布不规则等特点。并且其渗透性和压缩性受其孔隙率、含石率的不同有明显差异的典型非均匀多孔介质。

土石混合体由粒径和强度差异极大的“土体”和“块石”构成，也相应呈现出极端的非均质性和非线性，且块石的存在导致其特有的细观结构特征，如“块石”的含量、形态、粒度组成与空间分布等，不但对土石混合体的物理力学性质有显著影响，同时也是影响其渗透性能的主要因素之一。在对土石混合体进行渗透试验时，设计的试验仪器为不锈钢材质，在装土石混合体试样过程中，器材壁与土石混合体之间必然形成较多孔隙，如果对该孔隙不加以处理，则会对后续的渗透试验和注浆试验结果产生较大的问题，即“边界效应”。

通过对国内外土石混合体研究文献的调研，可知现目前土石混合体的研究主要集中在其强度特性上。研究者通过大量的室内剪切试验得到了土石混合体的物理力学特性，但对于土石混合体的渗流、渗透特性研究则相对较少。目前对土石混合体的研究多采用自制大型室内常水头渗透仪进行研究，但纵观各位研究者的试验仪器，都未能很好的控制仪器“边界效应”，这就使试验结果的准确性难以保证。本文所研究的试验仪器，意在解决这一问题，为今后的土石混合体的渗流及渗透试验装置提供相关的参考。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对粗粒土与巨粒土颗粒结构松散、尺寸较大、渗透性较大的特点，提供一种大型水位可控式土壤渗透系数测定装置及测定方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一方面，提供一种大型水位可控式土壤渗透系数测定装置，包括容器，所述容器上方设有供水管及供水阀门，容器侧壁顶部设有水位控制系统，侧壁底部设有排水管及排水阀门，所述侧壁上还设有测压系统，所述容器内的底部和水位控制系统下方均设有缓冲垫层，所述缓冲垫层间的侧壁上设有边界隔层；

所述排水管连接有调节管，还包括高度能够调节的调节架，所述调节管设置在调节架上；

所述容器下方设有综合测量装置，所述综合测量装置内设有容腔，所述排水管还与容腔连接，所述综合测量装置的容腔内设有温度测量器和水位传感器，水位传感器用以测量综合测量装置内水的体积，综合测量装置内还设有计时器和控制模块，所述综合测量装置的外部设有总开关、温度显示屏、时间显示屏和体积显示屏，所述控制模块将温度测量器、水位传感器和计时器的数据显示在对应显示屏上，所述总开关控制综合测量装置的电源和进水。

进一步，所述测压系统包括多个上下排列的测压表。

进一步，所述水位控制系统包括多个上下排列的溢水口及溢水阀门，通过打开不同的溢水阀门来调节不同的水位。

进一步，所述缓冲垫层由多孔介质材料制成。

进一步，所述边界隔层由乳胶制成。

进一步，所述容器为不锈钢空心圆筒。

进一步，所述容腔与排水管间设有被总开关控制的挡板。

另一方面，提供一种采用上述测定装置进行水位可控的土壤渗透系数测试的方法，包括以下步骤：

S1：检查装置的密封性：连接好渗透仪器，把所有开关关闭，将仪器充满水，确保试验过程仪器不漏水；

S2：装样：将试样分三层装入仪器，首先在仪器底部铺设缓冲层，然后根据所制备土样量，将其等分为三份，分层装入渗透仪器，每一份装入后通过击实锤达到设定厚度，以控制孔隙比，第一层装完后，打开供水阀门向容器注水至该层试样顶面，饱和排气试样；如此重复装入第二三层，三层装入后渗透样高为设定高度，在试样顶部铺上缓冲层，防止充水时破坏试样结构，继续充水至从下至上第一个溢水口处，打开该溢水阀门，以确保水位保持常水位；

S3：静置数小时直到三个测压表中水压不变；

S4：打开排水阀门，改变调节架高度，从而改变调节管出水口位置于试样上部约1/3处，且要保证能够排水以及试样上部缓冲垫层的渗水孔的进水水位始终不变，然后恒定调节管出水口位置。

S5：让渗流发生一段时间，直到三个测压表中水压恒定，表明已经形成稳定渗流，记录三个测压表的读数；

S6：打开总开关，启动综合测量装置，一段时间后关闭总开关，读取温度、体积和时间三个数据；

S7：调节架高度，从而改变调节管出水口位置于试样底部约1/3及试样中部，以使得每次试验中的水头差不同，重复步骤S4-S6测定渗透系数，后取平均值。

本发明的有益效果在于：本发明针对粗粒土与巨粒土颗粒尺寸较大的特点，常规70型渗透仪器尺寸不能满足渗透试验对于仪器尺寸的要求，研制了适用于特定的渗透试验的实验设备。基于粗(巨)粒土结构松散其渗透性较大的特点，设计出一种常水头渗透试验设备，可通过溢水口处阀门的开闭及排水管处调节架的升降实现试验过程中水头的改变，可对不同水头作用下土石混合体渗透性能规律进行研究。边界乳胶隔膜与土样的紧密接触减少了从边界往下渗透的水量，有效降低了“边界效应”对渗透试验的影响。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述大型水位可控式土壤渗透系数测定装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为一种大型水位可控式土壤渗透系数测定装置，包括容器9、供水管1、测压系统4、溢水口2、综合测量装置10、缓冲垫层3、边界隔层5、调节架13、调节管14；

所述供水管1外接自来水系统；容器9是直径30cm，高60cm的空心圆桶，由不锈钢制成；容器9侧壁底部设有排水管12，排水口12下连接体积-温度-时间综合测量系统10；侧壁顶部开有数个溢水口2用以形成不同水位；测压系统4是由一组测压表组成，测压表数量与间距可以自行设定；边界隔层5由乳胶组成；综合测量装置10外观表盘由总开关11、温度显示屏6、时间显示屏7、体积显示屏8组成。

所述排水口12、溢水口2、测压系统4与容器9连接接头均采用焊接。

所述所有导管均采用不锈钢材料，排水口12、溢水口2、供水装置1的开关均由法兰球阀组成。

所述综合测量装置10采用类似汽车油缸的测量方法，可测得装置内的液体体积，并在装置10内安装温度测量器与计时器，装置10外设置显示屏6、7、8分别显示测得的温度、时间、体积，三个量统一由总开关11控制。

所述缓冲层3由多孔介质材料组成，可以是透水石，极大地减缓了水流到达土样时的速度，防止了充水时试样结构的破坏而导致的细料流失，并保证渗透时试样的水位是溢水口2 所控制的水位。

所述调节管可以由塑料软管制成，调节架可以是常规可升降架。

所述边界隔层5是由乳胶组成，利用乳胶的变形能力强的特性，使得试样与乳胶紧密接触，很大程度上阻隔了水从边界往下渗透，有效减小了“边界效应”的影响。

水流进入综合测量装置10与否由总开关11控制。可以在其水流入口处设置电动挡板，当总开关11启动后挡板打开，水流进入。

本发明还提供了进行大型水位可控式土壤渗透系数测定的方法，由于粗(巨)粒土颗粒尺寸较大，常规的70渗透仪不能满足渗透仪器的尺寸要求。设计自制大型渗透仪如图。该仪器三个测压管间间距为10cm。顶部设有三个溢水口，其间距为4cm，每个溢水口均有阀门控制其开闭状态，即通过开闭阀门，可创造不同的试验水头，每个水头差为4cm。试样顶部距离第一个测压管距离3cm，试样顶部铺上卵石缓冲层，防止充水时破坏试样结构。

包括以下步骤：

步骤一：检查装置的密封性；

步骤二：装样；

步骤三：进行渗透试验。

在步骤一中，连接好渗透仪器，把所有开关关闭，将仪器充满水，确保试验过程仪器不漏水。

在步骤二中，将试样分三层装入仪器。首先在仪器底部铺设缓冲层；然后根据所制备土样量，将其等分为三份，分层装入渗透仪器，每一份装入后通过击实锤达到8cm厚度，以控制孔隙比，第一层装完后，通过顶部供水口进水至该层试样顶面，饱和排气试样(注：饱和时应控制进水速度，以防止饱和时试样结构破坏)；如此重复装入第二三层，三层装入后渗透样高24cm。此时试样顶部距离由上至下第一个测压管3cm。在试样顶部铺上缓冲层，防止充水时破坏试样结构。继续充水至由上至下第一个溢水口处，打开该处溢水阀门，以确保水位保持常水位。

步骤三具体包括以下步骤：

①、静置数小时直到三个测压表中水压不变；

②、打开排水阀门，改变调节架高度，从而改变调节管出水口位置于试样上部约1/3处，且要保证能够排水以及试样上部缓冲垫层的渗水孔的进水水位始终不变，然后恒定调节管出水口位置。

③、让渗流发生一段时间，直到三个测压表中水压恒定，表明已经形成稳定渗流，记录三个测压表的读数；

④、打开总开关11，启动综合测量装置10,过一定时间后关闭总开关11，读取温度、体积、时间三个数据。

⑤、按照上述步骤，即完成一次渗透系数的测定。再改变调节管的位置于试样底部约1/3 及试样中部，以使得每次试验中的水头差不同，重复步骤②—④测定渗透系数，后取平均值。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种大型水位可控式土壤渗透系数测定装置，其特征在于：包括容器，所述容器上方设有供水管及供水阀门，容器侧壁顶部设有水位控制系统，侧壁底部设有排水管及排水阀门，所述侧壁上还设有测压系统，所述容器内的底部和水位控制系统下方均设有缓冲垫层，所述缓冲垫层间的侧壁上设有边界隔层；

所述排水管连接有调节管，还包括高度能够调节的调节架，所述调节管设置在调节架上；

所述容器下方设有综合测量装置，所述综合测量装置内设有容腔，所述排水管还与容腔连接，所述综合测量装置的容腔内设有温度测量器和水位传感器，水位传感器用以测量综合测量装置内水的体积，综合测量装置内还设有计时器和控制模块，所述综合测量装置的外部设有总开关、温度显示屏、时间显示屏和体积显示屏，所述控制模块将温度测量器、水位传感器和计时器的数据显示在对应显示屏上，所述总开关控制综合测量装置的电源和进水。

2.根据权利要求1所述的大型水位可控式土壤渗透系数测定装置，其特征在于：所述测压系统包括多个上下排列的测压表。

3.根据权利要求2所述的大型水位可控式土壤渗透系数测定装置，其特征在于：所述水位控制系统包括多个上下排列的溢水口及溢水阀门，通过打开不同的溢水阀门来调节不同的水位。

4.根据权利要求3所述的大型水位可控式土壤渗透系数测定装置，其特征在于：所述缓冲垫层由多孔介质材料制成。

5.根据权利要求4所述的大型水位可控式土壤渗透系数测定装置，其特征在于：所述边界隔层由乳胶制成。

6.根据权利要求5所述的大型水位可控式土壤渗透系数测定装置，其特征在于：所述容器为不锈钢空心圆筒。

7.根据权利要求6所述的大型水位可控式土壤渗透系数测定装置，其特征在于：所述容腔与排水管间设有被总开关控制的挡板。

8.一种采用权利要求7所述的测定装置进行水位可控的土壤渗透系数测试的方法，包括以下步骤：

S1：检查装置的密封性：连接好渗透仪器，把所有开关关闭，将仪器充满水，确保试验过程仪器不漏水；

S2：装样：将试样分三层装入仪器，首先在仪器底部铺设缓冲层，然后根据所制备土样量，将其等分为三份，分层装入渗透仪器，每一份装入后通过击实锤达到设定厚度，以控制孔隙比，第一层装完后，打开供水阀门向容器注水至该层试样顶面，饱和排气试样；如此重复装入第二三层，三层装入后渗透样高为设定高度，在试样顶部铺上缓冲层，防止充水时破坏试样结构，继续充水至从上至下第一个溢水口处，打开该溢水阀门，以确保水位保持常水位；

S3：静置数小时直到三个测压表中水压不变；

S4：打开排水阀门，改变调节架高度，从而改变调节管出水口位置于试样上部约1/3处，且要保证能够排水以及试样上部缓冲垫层的渗水孔的进水水位始终不变，然后恒定调节管出水口位置；

S5：让渗流发生一段时间，直到三个测压表中水压恒定，表明已经形成稳定渗流，记录三个测压表的读数；

S6：打开总开关，启动综合测量装置，一段时间后关闭总开关，读取温度、体积和时间三个数据；

S7：调节架高度，从而改变调节管出水口位置于试样底部约1/3及试样中部，以使得每次试验中的水头差不同，重复步骤S4-S6测定渗透系数，后取平均值。