CN109470619B - 一种可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统及方法，系统包括：无气水制备系统、压力控制系统、柔性壁渗透仪和干燥系统；无气水制备系统中的无气水管路和压力控制系统中的气压管路通过控制阀分别接入气/水压转换装置的压力室和弹性囊内，压力控制系统通过水压管路与渗透压力室相连，并通过气/水压转换装置调控进入渗透仪压力室的围压、反压和水头压，渗透压力室通过控制阀接入干燥系统内。该系统操作简便，控制精细，测量准确，实用性强，可为研究岩土体干湿循环渗透率提供新的技术支持，同时也可用于教学工作。

Description

一种可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统及 方法

技术领域：

本发明涉及一种挡土墙试验装置，尤其涉及一种可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统及方法。

背景技术：

在岩土工程领域中，土体在自然状态下由于经受降雨、蒸发或地下水位升降作用，长期处于饱和——干燥的交替循环状态，在多次干湿循环的作用下土体的颗粒排列、孔隙特征及土的结构性均发生了改变。由此土体的工程性质也发生了变化，如抗剪强度及饱和渗透系数等。

传统的室内测量饱和渗透系数方法一般有常水头和变水头法，且常水头法适用于渗透系数大的土，如砂性土，而变水头法适用于渗透性小的土，如粘性土，但这两种方法都是采用刚性壁试样筒，无法解决试样侧壁渗漏的问题。后来柔性壁渗透仪出现，该问题才得以解决。但上述方法均无法直接测量干湿循环作用下的饱和渗透系数。

现有的干湿循环作用饱和渗透系数测试中，还需要不断的拆装试样，对试样进行饱和或干燥处理，再重复进行渗透系数测试，这样难以避免人为因素对试样的结构性造成影响，进而影响测试结果的准确性。

因此，现有技术中，尚没有一种简单设备能够直接测量干湿循环过程中试样的渗透系数。

发明内容：

为解决上述技术问题，本发明提出一种可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统及方法。本发明通过磁力搅拌器可通过搅拌磁子转动的方式扰动浮于水体表面的气泡。通过试样上下两侧的多孔板可保证其干燥和饱和均匀通过橡皮膜上贴附有土壤水分传感器，时时监控试样的含水量的变化，通过气/水压力转换装置可控制渗透压力室的围压和反压，其原理简单，易于操作；鼓风机可控制试样干燥快慢以满足试验要求，并且可进行多次干湿循环，无需扰动试样。

为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：

一种可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，包括:柔性壁渗透仪，柔性壁渗透仪连通有干燥系统和压力控制系统；压力控制系统连通有无气水制备系统；所述压力控制系统包括空压机9和与无气水制备系统连通的第一连通管30，第一连通管30上安装于第一控制阀4；第一连通管30分别连通第二管路31和第三管路32；所述空压机9分别通过第一空气调压阀10和第一空气调压阀10连通第一气/水压转换装置18-a和第二气/水压转换装置18-b；第一气/水压转换装置18-a和第二气/水压转换装置18-b结构相同，均包括气/水压转换装置压力室18-1，气/水压转换装置压力室18-1内安装有弹性囊18-2；弹性囊18-2与气/水压转换装置压力室18-1之间为压力腔18-7；压力腔18-7与空压机9连通；第二管路31上安装有第二控制阀12和第三控制阀13；第三管路32上安装有第四控制阀14和第五控制阀15；第二控制阀12和第三控制阀13之间的第二管路31连通第一气/水压转换装置18-a的弹性囊18-2；第四控制阀14和第五控制阀15之间的第三管路32连通第二气/水压转换装置18-b的弹性囊18-2；所述柔性壁渗透仪包括有刚性筒体，刚性筒体内安装有弹性压囊，刚性筒体与弹性压囊之间形成置水腔33；第二管路31与置水腔33连通；第三管路32与弹性压囊连通；第一连通管30上安装有压力表16；弹性压囊内安装有土壤水分传感器19-11。

进一步的改进，所述为弹性压囊橡皮膜19-8，所述刚性筒体为有机玻璃筒体19-6；弹性压囊还连通有孔隙水压力计19-18。

进一步的改进，所述干燥系统包括连通弹性压囊构成循环回路的通风管20，通风管20内安装有鼓风机23、温控灯24和干燥剂21，干燥剂21放置在电子秤22上；通风管20上安装有第六控制阀25-1和第七控制阀27-2。

进一步的改进，所述弹性压囊通过第八控制阀25-2连通有量管26。

进一步的改进，所述弹性压囊连通有第四管道34，第四管道34上安装有第九控制阀28和流量计29；第四管道34通过第五管道35与第三管路32连通，第五管道35上安装有第十控制阀27-1；配合第十控制阀27-1，第三管路32上安装有第十一控制阀27-3。

进一步的改进，所述无气水制备系统包括储水箱1，储水箱1放置在磁力搅拌器2上；储水箱1上部连通有进水控制阀5，储水箱1通过第十二控制阀6连通有真空泵3，配合第十二控制阀6安装有第十三控制阀7。

进一步的改进，所述气/水压转换装置压力室18-1包括底座18-6，底座18-6内成形有进水孔18-3和进气孔18-4。

进一步的改进，所述弹性压囊上方安装有试样帽19-10，试样帽19-10上方安装有加压气缸19-2。

进一步的改进，所述弹性压囊顶部和下部均安装有多孔板19-9；多孔板19-9中间形成空腔，空腔下方成形有若干通孔。

一种可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试方法，包括如下步骤：

步骤一、通过无气水制备系统制备无气水，

供水源通过进水控制阀5接入系统，直至储水箱1水位达到设定的高度，关闭进水控制阀5，打开第十二控制阀6，启动真空泵3和磁力搅拌器2，直至排尽水体中的气体，关闭第十二控制阀6，打开第十三控制阀7；

步骤二、释放围压水和反压水，

打开第一到第五控制阀，直至第一、二气/水压转换装置、渗透压力室19-4水位已满；

步骤三、设定围压和反压饱和试样，

关闭第二、三控制阀，调节第一空气调压阀10，直至压力表16读数到设定围压值；关闭第五控制阀15，打开第八、十控制阀，调节第二空气调压阀17，直至压力表读数到设定的反压值；观察气泡从量管26的排出情况，直至不再有气泡排出；重新调节第一空气调压阀10，增加围压值，直至孔隙水压力计19-18读数增量与围压增量的比值大于0.98，即可判断试样已经饱和；

步骤四、干燥试样，

具体的，关闭八、十控制阀，打开第六、七控制阀，启动鼓风机23和温控灯24，直至干燥剂增重质量达到目标值；关闭六、七控制阀，直至土壤水分传感器19-11读数稳定；

5重复步骤三和步骤四，可进行多次干湿循环，直至达到目标干湿循环次数后，即可进行渗透系数的测量：

打开第九、十一控制阀，通过调节空气调压阀17调节水头压力，水头压力值通过压力表16读出，直至流量计29气泡的连续间隔时间读数不变。

本发明的显著效果如下：

1.磁力搅拌器可通过搅拌磁子转动的方式扰动浮于水体表面的气泡。

2.试样上下两侧采用多孔板可保证其干燥和饱和均匀。

3.橡皮膜上贴附有土壤水分传感器，可时时监控试样的含水量的变化。

4.气/水压力转换装置可控制渗透压力室的围压和反压，其原理简单，易于操作。

5.鼓风机可控制试样干燥快慢以满足试验要求。

6.可进行多次干湿循环，无需扰动试样。

附图说明：

图1为本发明的一种可模拟干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统图；

图2为气/水压转换装置结构示意图；

图3为柔性壁渗透仪结构示意图；

主要附图标记说明：储水箱1、磁力搅拌器2、真空泵3、控制阀(4-7)、a压力控制面板8-1、b压力控制面板8-2,空压机9、空气调压阀10、控制阀(11-15)、压力表16、空气调压阀17、气/水压转换装置(18-a、18-b)、气/水压转换装置压力室18-1、弹性囊18-2、进水孔18-3、进气孔18-4、套环18-5、底座18-6、柔性壁渗透仪19、反力架19-1、加压气缸19-2、轴19-3、渗透压力室19-4、顶盖19-5、有机玻璃筒体19-6、底座19-7、橡皮膜19-8、多孔板19-9、试样帽19-10、土壤水分传感器19-11、孔洞19-12、接口(19-13—19-17)、孔隙水压力计19-18、通风管20、干燥剂21、电子秤22、鼓风机23、温控灯24、控制阀(25-1—25-2)、量管26、控制阀(27-1—27-3)、控制阀28、流量计29。

具体实施方式

下面结合附图和具体实验方式对本发明作进一步说明：

如图1所示的一种可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统的挡墙模型试验装置，该系统包括无气水制备系统、压力控制系统、柔性壁渗透仪和干燥系统。

所述的无气水制备系统包括，所述无气水管路和控制阀(4—7)通过螺栓和不锈钢卡箍固定在a压力控制面板8-1上，所述控制阀4上端与储水箱1下部接口相连，下端与水压管路相连，所述控制阀5上端与储水箱1顶盖接口相连，下端与供水源相连，所述控制阀6上端与储水箱1顶盖接口相连，下端与真空泵3相连，控制阀7上端与控制阀6连通，下端直接与大气相连，所述储水箱1放置在磁力搅拌器2上，并且其位置应在渗透压力室19-2以上。

所述压力控制系统包括空压机9、空气调压阀(10、17)、压力表16、气/水压转换装置(18-a、18-b)、控制阀(11-15)和b压力控制面板(8-2)，所述气/水压转换装置(18-a、18-b)由气/水压转换装置压力室18-1、弹性囊18-2、套环18-5、底座18-6组成，所述弹性囊18-2通过套环18-5固定在底座18-6上，所述底座18-6上有进水孔18-3和进气孔18-4，所述的气压管路、水压管路及控制阀(11—15)通过螺栓和不锈钢卡箍固定在b压力控制面板8-2上,所述气压管路和水压管路交叉处采用两通阀或三通阀连接，所述空气调压阀(10、17)一端与空压机9连接，另一端与气/水压转换装置的进气孔18-4连接，所述压力表16连接于水压管路中，所述的控制阀11为水压管路的总阀，其左端通过管道与控制阀6连接，右端通过管路与控制阀12、15连接，所述控制阀13上端与控制阀12及气/水压转换装置18-a进水口18-3连接，所述控制阀14与控制阀15及气/水压转换装置18-b进水口18-3连接。

所述柔性壁渗透仪19包括反力架19-1、加压气缸19-2、渗透压力室19-4及孔隙水压力计19-18，所述加压气缸19-2一端支承在反力架19-1上，另一端通过轴19-3与试样帽19-10相连，所述渗透压力室19-4由顶盖19-5、有机玻璃筒体19-6和底座19-7构成，所述底座19-7有接口(19-13—19-17)，所述接口19-13与控制阀14相连，所述接口19-14与控制阀25-1及25-2相连，所述接口19-15与控制阀27-1相连，所述接口19-16与控制阀27-3相连，所述接口19-17与孔隙水压力计19-18相连，所述顶盖19-5上开有孔洞19-12，孔洞19-12可外穿导线，并采用密封胶填充密实，所述顶盖19-5和底座19-7之间放上、下两块多孔板19-9，两块多孔板19-9中间放试样，上多孔板上19-9放试样帽19-10，所述试样被橡皮膜19-8包裹，橡皮膜19-8上贴附有土壤水分传感器19-11,所述的土壤水分传感器导线从孔洞19-12穿出。

所述干燥系统包括通风管20、干燥剂21、电子秤22、鼓风机23及温控灯24、，所述通风管20可采用镀锌钢板或有机玻璃制作，其缝隙采用密封胶填充，所述电子称22与外部计算机相连，所述鼓风机23和温控灯24分别固定于通风管20的底部和顶部。

所述管道可采用塑料管或钢管。

上述可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统及方法，包括如下步骤：

1)通过无气水制备系统制备无气水，

具体的，供水源通过控制阀5接入系统，直至储水箱水位达到一定的高度，关闭控制阀5，打开控制阀6，启动真空泵和磁力搅拌器一段时间，直至排尽水体中的气体，关闭控制阀6，打开控制阀7。

2)释放围压水和反压水，

具体的，打开控制阀4、11-15，直至气/水压转换装置(18-a、18-b)、渗透压力室19-4水位已满。

3)设定围压和反压饱和试样，

具体的，关闭控制阀11-12，调节空气调压阀10，直至压力表读数到某一围压值；关闭控制阀15，打开控制阀25-2、27-1，调节空气调压阀17，直至压力表读数到某一反压值；观察气泡从量管26的排出情况，直至不再有气泡排出；重新调节空气调压阀10，增加围压值，直至孔隙水压力计19-18读数增量与围压增量的比值大于0.98，即可判断试样已经饱和。

4)干燥试样，

具体的，关闭控制阀25-2、27-1，打开控制阀25-1、27-2，启动鼓风机和温控灯，直至干燥剂增重质量达到目标值；关闭控制阀25-1、27-2，直至土壤水分传感器读数稳定。

5)重复3)-4)可进行多次干湿循环，直至达到目标干湿循环次数后，即可进行渗透系数的测量，

具体的，打开控制阀27-3、28，通过调节空气调压阀17调节水头压力，水头压力值通过压力表16读出，直至流量计29连续间隔时间读数不变。

上述实施例仅仅是本发明的一个实施方式，对其进行的简单替换等也均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，其特征在于，包括:柔性壁渗透仪，柔性壁渗透仪连通有干燥系统和压力控制系统；压力控制系统连通有无气水制备系统；所述压力控制系统包括空压机(9)和与无气水制备系统连通的第一连通管(30)，第一连通管(30)上安装于第一控制阀(4)；第一连通管(30)分别连通第二管路(31)和第三管路(32)；所述空压机(9)分别通过第一空气调压阀(10)和第一空气调压阀(10)连通第一气/水压转换装置(18-a)和第二气/水压转换装置(18-b)；第一气/水压转换装置(18-a)和第二气/水压转换装置(18-b)结构相同，均包括气/水压转换装置压力室(18-1)，气/水压转换装置压力室(18-1)内安装有弹性囊(18-2)；弹性囊(18-2)与气/水压转换装置压力室(18-1)之间为压力腔(18-7)；压力腔(18-7)与空压机(9)连通；第二管路(31)上安装有第二控制阀(12)和第三控制阀(13)；第三管路(32)上安装有第四控制阀(14)和第五控制阀(15)；第二控制阀(12)和第三控制阀(13)之间的第二管路(31)连通第一气/水压转换装置(18-a)的弹性囊(18-2)；第四控制阀(14)和第五控制阀(15)之间的第三管路(32)连通第二气/水压转换装置(18-b)的弹性囊(18-2)；所述柔性壁渗透仪包括有刚性筒体，刚性筒体内安装有弹性压囊，刚性筒体与弹性压囊之间形成置水腔(33)；第二管路(31)与置水腔(33)连通；第三管路(32)与弹性压囊连通；第一连通管(30)上安装有压力表(16)；弹性压囊内安装有土壤水分传感器(19-11)。

2.如权利要求1所述的可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，其特征在于，所述弹性压囊为橡皮膜(19-8)，所述刚性筒体为有机玻璃筒体(19-6)；弹性压囊还连通有孔隙水压力计(19-18)。

3.如权利要求1所述的可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，其特征在于，所述干燥系统包括连通弹性压囊构成循环回路的通风管(20)，通风管(20)内安装有鼓风机(23)、温控灯(24)和干燥剂(21)，干燥剂(21)放置在电子秤(22)上；通风管(20)上安装有第六控制阀(25-1)和第七控制阀(27-2)。

4.如权利要求1所述的可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，其特征在于，所述弹性压囊通过第八控制阀(25-2)连通有量管(26)。

5.如权利要求1所述的可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，其特征在于，所述弹性压囊连通有第四管道(34)，第四管道(34)上安装有第九控制阀(28)和流量计(29)；第四管道(34)通过第五管道(35)与第三管路(32)连通，第五管道(35)上安装有第十控制阀(27-1)；配合第十控制阀(27-1)，第三管路(32)上安装有第十一控制阀(27-3)。

6.如权利要求1所述的可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，其特征在于，所述无气水制备系统包括储水箱(1)，储水箱(1)放置在磁力搅拌器(2)上；储水箱(1)上部连通有进水控制阀(5)，储水箱(1)通过第十二控制阀(6)连通有真空泵(3)，配合第十二控制阀(6)安装有第十三控制阀(7)。

7.如权利要求1所述的可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，其特征在于，所述气/水压转换装置压力室(18-1)包括底座(18-6)，底座(18-6)内成形有进水孔(18-3)和进气孔(18-4)。

8.如权利要求1所述的可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，其特征在于，所述弹性压囊上方安装有试样帽(19-10)，试样帽(19-10)上方安装有加压气缸(19-2)。

9.如权利要求1所述的可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试系统，其特征在于，所述弹性压囊顶部和下部均安装有多孔板(19-9)；多孔板(19-9)中间形成空腔，空腔下方成形有若干通孔。

10.一种可模拟岩土体干湿循环作用的饱和渗透系数测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、通过无气水制备系统制备无气水，

供水源通过进水控制阀(5)接入系统，直至储水箱(1)水位达到设定的高度，关闭进水控制阀(5)，打开第十二控制阀(6)，启动真空泵(3)和磁力搅拌器(2)，直至排尽水体中的气体，关闭第十二控制阀(6)，打开第十三控制阀(7)；

步骤二、释放围压水和反压水，

打开第一到第五控制阀，直至第一、二气/水压转换装置、渗透压力室(19-4)水位已满；

步骤三、设定围压和反压饱和试样，

关闭第二、三控制阀，调节第一空气调压阀(10)，直至压力表(16)读数到设定围压值；关闭第五控制阀(15)，打开第八、十控制阀，调节第二空气调压阀(17)，直至压力表读数到设定的反压值；观察气泡从量管(26)的排出情况，直至不再有气泡排出；重新调节第一空气调压阀(10)，增加围压值，直至孔隙水压力计(19-18)读数增量与围压增量的比值大于(0.98)，即可判断试样已经饱和；

步骤四、干燥试样，

具体的，关闭八、十控制阀，打开第六、七控制阀，启动鼓风机(23)和温控灯(24)，直至干燥剂增重质量达到目标值；关闭六、七控制阀，直至土壤水分传感器(19-11)读数稳定；

5)重复步骤三和步骤四，可进行多次干湿循环，直至达到目标干湿循环次数后，即可进行渗透系数的测量：

打开第九、十一控制阀，通过调节空气调压阀(17)调节水头压力，水头压力值通过压力表(16)读出，直至流量计(29)气泡的连续间隔时间读数不变。

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