CN109752305A - 一种常水头土壤渗透系数测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种常水头土壤渗透系数测定装置，包括试验支架、水箱、试验筒、孔网、水槽和盛水装置，水箱内储存水，试验筒内放置待测土体，水箱位于试验筒的上方，试验筒放置在试验支架上，试验筒、孔网和水槽自上而下依次连接，盛水装置位于水槽的下方，试验筒包括试验筒上部和试验筒下部，试验筒上部和试验筒下部的上下端均敞口，试验筒上部的筒壁上开设若干溢水孔，孔网的上端敞口，孔网的下端封闭且开设有若干小孔，孔网内放置透水石，水槽的上端敞口，水槽的下端封闭，水箱内的水流入试验筒后，一部分水通过溢水孔流出，一部分水流过待测土体产生渗透，然后流入水槽内，再流入盛水装置内，根据盛水装置内的水量计算待测土体的渗透系数。
Description
技术领域
本发明涉及土工试验技术领域，尤其涉及一种常水头土壤渗透系数测定装置。
背景技术
渗透系数是表征土渗透性强弱的定量指标，也是进行渗流计算时必须用到的一个基本参数，在土壤改良处理、各类地下工程施工等方面有重要作用。目前土壤渗透仪分为常水头和变水头两种，常水头试验适用于测定透水性较大的砂性土的渗透系数，变水头试验适用于测定透水性较小的粘性土的渗透系数。无论是常水头法还是变水头法都是在实验室内测定的，在用环刀筒样运输过程中，会对土的含水量、质量和结构产生一定影响，从而导致较大的误差。传统的现场井孔抽水或孔井注水的试验方法虽然测出的渗透系数数值本身较为可靠，但是却对表层土体产生了破坏，无法准确测量含有表层土的土壤渗透系数，而且成本较高、时间较长。因而，如果有能够在减小土体扰动的条件下，在原位点处用渗透筒体测量出土体渗透系数的试验装置，将在增大土体渗透系数的准确率的同时减少运输成本和扰动误差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种结构简单、能够有效减小扰动误差的常水头土壤渗透系数测定装置。
本发明提供一种常水头土壤渗透系数测定装置，包括试验支架、水箱、试验筒、孔网、水槽和盛水装置，所述水箱内储存水，所述试验筒内放置待测土体，所述水箱位于试验筒的上方，所述试验筒放置在试验支架上，所述试验筒、孔网和水槽自上而下依次连接，所述盛水装置位于水槽的下方，所述试验筒包括螺纹连接的试验筒上部和试验筒下部，所述试验筒上部和试验筒下部的上下端均敞口，所述试验筒上部的筒壁上开设若干等间距排列的溢水孔，所述孔网的上端敞口，所述孔网的下端封闭且开设有若干小孔，所述孔网内放置透水石，所述水槽的上端敞口，所述水槽的下端封闭，所述水箱内的水流入试验筒后，一部分水通过溢水孔流出，一部分水流过待测土体产生渗透，然后流入水槽内，再流入盛水装置内，根据盛水装置内的水量计算待测土体的渗透系数。
进一步地，所述常水头土壤渗透系数测定装置还包括旋拧杆盖，所述旋拧杆盖包括盖体和旋拧杆，所述盖体的下端与试验筒上部的上端螺纹配合，所述盖体上设有十字形孔柱，所述十字形孔柱上设有竖直孔，所述旋拧杆包括旋拧杆直杆和旋拧杆底盘，所述旋拧杆直杆穿过竖直孔且与竖直孔螺纹配合，所述旋拧杆直杆的底端为球状曲面，靠近旋拧杆直杆的底端处设有与旋拧杆直杆固定连接的第一圆环，所述旋拧杆底盘的上方连接第二圆环，所述旋拧杆直杆的底端穿过第二圆环，所述第二圆环的内径大于旋拧杆直杆的直径且小于第一圆环的外径。
进一步地，所述待测土体的渗透系数的计算公式为：
kT＝Q(L2-L1)/(AHt)
式中，kT为待测土体的渗透系数；Q为盛水装置内的水量；A为试验筒的内断面积；H为溢水孔距离土样底部的高度；t为时间；L1为旋拧杆底盘与试验筒下部的下端口平齐时，旋拧杆直杆位于试验筒外的长度；L2为旋拧杆底盘与土体上部正好接触时，旋拧杆直杆在试验筒外的长度。
进一步地，所述常水头土壤渗透系数测定装置还包括辅助取土筒，所述辅助取土筒的上下端敞口，所述辅助取土筒的内径与试验筒上部的内径一致，所述辅助取土筒的下端与试验筒上部的上端螺纹配合。
进一步地，所述常水头土壤渗透系数测定装置还包括环刀筒，所述环刀筒的上下端敞口，所述环刀筒的内径与试验筒下部的内径一致，所述环刀筒的上端与试验筒下部的下端螺纹配合，所述环刀筒的下端设有刀刃。
进一步地，所述试验支架包括试验支架圆筒和三个试验支架支腿，所述试验支架支腿与试验支架圆筒铰接，所述试验支架圆筒的上下端敞口，所述试验支架圆筒的上端开设有第一缺口和第二缺口，所述试验筒下部的筒壁上设有第一脚踏和第二脚踏，所述第一脚踏的形状与第一缺口的形状相匹配，所述第二脚踏的形状与第二缺口的形状相匹配，所述第一脚踏卡在第一缺口上，所述第二脚踏卡在第二缺口上。
进一步地，所述水箱的侧壁设置水箱出水口，所述水箱出水口连接第一橡胶管，所述第一橡胶管的出水端伸入试验筒内。
进一步地，所述水槽的侧壁上开设水槽出水口，所述水槽出水口连接第三橡胶管，所述第三橡胶管的出水端伸入盛水装置内。
进一步地，所述常水头土壤渗透系数测定装置还包括击实支座，所述击实支座包括底板和两根竖直杆，两根竖直杆分别固定连接在底板的上方，每根竖直杆上均设置一个水平销钉孔，所述水平销钉孔内插入支座销钉，所述十字形孔柱上还设有水平孔，所述水平孔与支座销钉螺纹配合。
进一步地，所述第二圆环与旋拧杆底盘通过三根圆环支架连接，所述圆环支架的一端连接在旋拧杆底盘上，所述圆环支架的另一端与第二圆环连接。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明提供的常水头土壤渗透系数测定装置能够对地形摆放有较好的适应性，可以在不平坦的地形进行试验操作，克服了已有大部分测定渗透系数装置对放置场地要求较高的问题；
2、本发明通过将旋拧杆盖、试验筒、孔网、水槽、水箱和盛水装置相配合，能够在有效避免对土体扰动以及对表层土和土壤覆盖层破坏的条件下测量土体的渗透系数，从而使所测渗透系数的结果更接近原样土的真实值；
3、本发明通过击实装置能够较为简便地测量一定孔隙度要求下的实验室配比土的渗透系数；
4、本发明能在不更换土体的情况下，改变常水头的水力坡降从而进行多组试验以提高结果的准确性。
附图说明
图1是本发明一种常水头土壤渗透系数测定装置的结构示意图。
图2是本发明一种常水头土壤渗透系数测定装置的试验筒、孔网和水槽的连接示意图。
图3是本发明一种常水头土壤渗透系数测定装置的孔网和试验筒配合的结构示意图。
图4是本发明一种常水头土壤渗透系数测定装置的辅助取土筒、试验筒和环刀筒配合的结构示意图。
图5是本发明一种常水头土壤渗透系数测定装置的辅助取土筒、试验筒和环刀筒配合的分解示意图。
图6是本发明一种常水头土壤渗透系数测定装置的击实支座的结构示意图。
图7是本发明一种常水头土壤渗透系数测定装置的旋拧杆盖的结构示意图。
图8是本发明一种常水头土壤渗透系数测定装置的旋拧杆底盘的放大示意图。
图9是本发明一种常水头土壤渗透系数测定装置改变溢水孔的试验结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1至图8，本发明的实施例提供了一种常水头土壤渗透系数测定装置，包括试验支架1、水箱2、试验筒3、孔网4、水槽5、盛水装置6、辅助取土筒7、环刀筒8、旋拧杆盖9和击实支座10，水箱2位于试验筒3的上方，试验筒3、孔网4和水槽5自上而下依次螺纹连接，试验筒3放置在试验支架1上，盛水装置6位于水槽5的下方。
试验支架1包括试验支架圆筒11和三个试验支架支腿12，三个试验支架支腿12上均设置有支腿销钉121，通过支腿销钉121可以调整试验支架支腿12的长度，且三个试验支架支腿12分别与试验支架圆筒11铰接，试验支架圆筒11的上下端敞口，试验支架圆筒11的上端开设有第一缺口111和第二缺口112，第一缺口111和第二缺口112关于试验支架圆筒11的中心对称，试验支架圆筒11的筒壁上设有含水准气泡的水准表113，水准表113用来衡量试验支架圆筒11是否水平。
水箱2内储存水，水箱2的侧壁上设置有水箱出水口21，水箱出水口21连接第一橡胶管22，第一橡胶管22上设有第一止水夹23，第一橡胶管22的出水端伸入试验筒3内。
试验筒3内放置土体，试验筒3包括螺纹连接的试验筒上部31和试验筒下部32，试验筒上部31和试验筒下部32的尺寸一致，试验筒上部31和试验筒下部32的上下端均敞口，试验筒上部31的筒壁上开设四个等间距排列的溢水孔311，溢水孔311处设有溢水孔盖312，溢水孔盖312的中部有金属材质的突出柱体，该突出柱体的外径与溢水孔311的内径相同，通过将溢水孔盖312的突出柱体放置到溢水孔311内将溢水孔311密封，进行常水头试验时，在选定的溢水孔311处连接带有第二止水夹313的第二橡胶管314；试验筒下部32的筒壁上设有三角状的第一脚踏321和第二脚踏322，第一脚踏321和第二脚踏322关于试验筒下部32的中心对称，第一脚踏321的形状与试验支架圆筒11上的第一缺口111的形状相匹配，第二脚踏322的形状与试验支架圆筒11上的第二缺口112的形状相匹配，通过将第一脚踏321卡在第一缺口111、第二脚踏322卡在第二缺口112上将试验筒3卡设在试验支架圆筒11上，试验筒下部32的外径与试验支架圆筒11的内径相同。
参考图3，孔网4的上端敞口，孔网4的下端封闭且开设有若干小孔(图中未示)，孔网4内放置圆柱状的透水石41，透水石41的直径与试验筒下部32的内径一致，孔网4为筒体结构，孔网4的内径、壁厚与试验筒下部32的内径、壁厚一致，孔网4的上端与试验筒下部32的下端螺纹配合。
水槽5的上端敞口，水槽5的下端封闭，水槽5为筒体结构，水槽5的内径、壁厚与孔网4的内径、壁厚一致，水槽5的上端与孔网4的下端螺纹配合，水槽5的侧壁上开设水槽出水口51，水槽出水口51连接第三橡胶管52，第三橡胶管52上设有第三止水夹53，第三橡胶管52的出水端伸入盛水装置6内，盛水装置6的上端采用保鲜膜密封；一实施例中，盛水装置6选用量筒。
参考图4和图5，辅助取土筒7的内径与试验筒上部31的内径一致，辅助取土筒7的长度比试验筒3的长度大，辅助取土筒7的上下端敞口，辅助取土筒7的筒壁上设有两个位于筒壁直径线两侧的把手71，辅助取土筒7的下端与试验筒上部31的上端螺纹配合。
参考图4和图5，环刀筒8为筒体结构，环刀筒8的上下端敞口，环刀筒8的内径、壁厚与试验筒下部32的内径、壁厚一致，环刀筒8的上端与试验筒下部32的下端螺纹配合，环刀筒8的下端设有刀刃，环刀筒8受力后刀刃与土壤接触切割土壤，被切割的土壤保留在试验筒下部32内。
参考图7和图8，旋拧杆盖9包括盖体91和旋拧杆92，盖体91的下端与试验筒上部31的上端螺纹配合，盖体91的中心开孔，盖体91上设有十字形孔柱911，十字形孔柱911上设有连通的竖直孔912和水平孔913，竖直孔912与盖体91的中心连通，旋拧杆92包括旋拧杆直杆921和旋拧杆底盘922，旋拧杆直杆921的上端设有旋拧杆旋钮923，旋拧杆直杆921穿过竖直孔912和盖体91的中心且与竖直孔912螺纹配合，通过螺纹配合使得旋拧杆直杆921在十字形孔柱911中上下移动，旋拧杆直杆921的底端为球状曲面，靠近旋拧杆直杆921的底端处设有与旋拧杆直杆921一体连接的第一圆环924，旋拧杆底盘922的正上方连接第二圆环925，第二圆环925位于第一圆环924的上方，旋拧杆直杆921的底端穿过第二圆环925，第二圆环925的内径略大于旋拧杆直杆921的直径且小于第一圆环924的外径，使得旋拧杆直杆921能够相对旋拧杆底盘922转动，并在一定范围内相对旋拧杆底盘922上下运动，旋拧杆直杆921向上移动至最高位置时被第二圆环925限定，旋拧杆直杆921向下移动至最低位置时被旋拧杆底盘922限定，第二圆环925与旋拧杆底盘922通过三根圆环支架926连接，圆环支架926的一端一体连接在旋拧杆底盘922上，圆环支架926的另一端与第二圆环925一体连接，三根圆环支架926以旋拧杆底盘922的圆心为中心点。
参考图6，击实支座10包括底板101和两根竖直杆102，两根竖直杆102分别固定连接在底板101的上方，每根竖直杆102上均设置一个水平销钉孔103，水平销钉孔103内插入支座销钉104，支座销钉104与十字形孔柱911的水平孔913螺纹配合。
为了保证常水头土壤渗透系数测定装置的密封性，在螺纹连接的位置处均设有橡皮圈，水箱出水口21、水槽出水口51及溢水孔311处均设置橡皮套24。
利用本发明提供的常水头土壤渗透系数测定装置进行原位砂土常水头试验时，步骤为：
步骤S101，将辅助取土筒7、试验筒上部31、试验筒下部32和环刀筒8自上而下依次组合为取土装置；
步骤S102，将步骤S101组装好的取土装置插入待测土体中，插入一定深度使得环刀筒8的上端口线以上的土体厚度大约是所需试验的土体厚度，取土装置插入待测土体过程中，同时踩踏第一脚踏321和第二脚踏322或者在第一脚踏321和第二脚踏322上放上相等重量的重物，使第一脚踏321和第二脚踏322受力相等，可以有效保证取样的完整性，有效保留了原样的结构与组成；当环刀筒8的上端口线以上的土体厚度大约是所需试验的土体厚度时，停止踩踏第一脚踏321和第二脚踏322或者卸下第一脚踏321和第二脚踏322上的重物，同时尽量减小试验筒3的转动；
步骤S103，取下辅助取土筒7，在试验筒上部31装上旋拧杆盖9，通过旋拧杆旋钮923旋拧旋拧杆直杆921使得旋拧杆底盘922与土体上部正好接触，测量得到旋拧杆直杆921在试验筒3外的长度，记为L2；
步骤S104，将取土装置周围的土体挖开，用一铁片或切土片切割环刀筒8下方的土体，并用手托住铁片和环刀筒8一起缓慢倒转至水平；
步骤S105，取下环刀筒8，平行于试验筒下部32的下端口切割土体，使得切面和试验筒下部32的下端口平齐，然后连接上装入透水石41的孔网4；
步骤S106，利用水准表113调平试验支架1，将装有土体的试验筒3放置在试验支架1上，并将水槽5连接在孔网4的下端，在水槽5的下方放置量筒，利用保鲜膜将量筒密封；
步骤S107，取下旋拧杆盖9，若所取土体没有覆盖层物质，则在土体表层铺上砾石层；
步骤S108，在试验筒上部31的合适位置摆放水箱2，使水箱2的底部稍高于试验筒上部31的上端口；
步骤S109，在水箱出水口21连接第一橡胶管22，在最下方的溢水孔311处连接第二橡胶管314，其他溢水孔311处利用溢水孔盖312密封，在水槽出水口51处连接第三橡胶管52，调节间距，打开第一止水夹23、第二止水夹313和第三止水夹53，使水箱2中的水能够依次流过试验筒3、孔网4和水槽5，然后流出到量筒中；
步骤S110，调节合适水量，使进入试验筒3的水量始终比溢水孔311的出水量多，且试验筒3内的水位不变；
步骤S111，在一定时间t内测量量筒中的水量Q以及水的温度T；
步骤S112，计算渗透系数kT，渗透系数kT的计算公式为：
kT＝Q(L2-L1)/(AHt)
式中，A为试验筒3的内断面积，H为溢水孔311距离土样底部的高度，L1为旋拧杆底盘922与试验筒下部32的下端口平齐时，旋拧杆直杆921位于试验筒3外的长度；
步骤S113，改变溢水孔311的位置，参考图9，在选定的第二个溢水孔311处连接第二橡胶管314，重复执行步骤S110-S112多次(一般为5-6次)，当多次测量的渗透系数差值在误差允许范围内时，结束试验。
利用本发明提供的常水头土壤渗透系数测定装置进行实验室配比砂土的常水头试验时，步骤为：
步骤S201，自上而下依次连接试验筒上部31、试验筒下部32和孔网4；
步骤S202，计算装入的土体压成所需孔隙比时的体积，并换算成土体在试验筒3中的高度；
步骤S203，向试验筒3中装入配好的定量土体，盖上旋拧杆盖9，并将旋拧杆盖9与击实支座10连接；
步骤S204，旋拧旋拧杆直杆921，通过测量位于盖体91外的旋拧杆直杆921长度获得土体高度，挤压土体至计算高度，放置一定时间使高度稳定，测量位于试验筒3外的旋拧杆直杆921长度，记为L2；
步骤S205，从击实支座10上取下试验筒3，并取下旋拧杆盖9，然后将试验筒3放置在调平的试验支架1上，连接好水槽5，然后按照步骤S108-步骤S113进行试验和渗透系数的计算。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，包括试验支架、水箱、试验筒、孔网、水槽和盛水装置，所述水箱内储存水，所述试验筒内放置待测土体，所述水箱位于试验筒的上方，所述试验筒放置在试验支架上，所述试验筒、孔网和水槽自上而下依次连接，所述盛水装置位于水槽的下方，所述试验筒包括螺纹连接的试验筒上部和试验筒下部，所述试验筒上部和试验筒下部的上下端均敞口，所述试验筒上部的筒壁上开设若干等间距排列的溢水孔，所述孔网的上端敞口，所述孔网的下端封闭且开设有若干小孔，所述孔网内放置透水石，所述水槽的上端敞口，所述水槽的下端封闭，所述水箱内的水流入试验筒后，一部分水通过溢水孔流出，一部分水流过待测土体产生渗透，然后流入水槽内，再流入盛水装置内，根据盛水装置内的水量计算待测土体的渗透系数。
2.根据权利要求1所述的常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，所述常水头土壤渗透系数测定装置还包括旋拧杆盖，所述旋拧杆盖包括盖体和旋拧杆，所述盖体的下端与试验筒上部的上端螺纹配合，所述盖体上设有十字形孔柱，所述十字形孔柱上设有竖直孔，所述旋拧杆包括旋拧杆直杆和旋拧杆底盘，所述旋拧杆直杆穿过竖直孔且与竖直孔螺纹配合，所述旋拧杆直杆的底端为球状曲面，靠近旋拧杆直杆的底端处设有与旋拧杆直杆固定连接的第一圆环，所述旋拧杆底盘的上方连接第二圆环，所述旋拧杆直杆的底端穿过第二圆环，所述第二圆环的内径大于旋拧杆直杆的直径且小于第一圆环的外径。
3.根据权利要求2所述的常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，所述待测土体的渗透系数的计算公式为：
kT＝Q(L2-L1)/(AHt)
式中，kT为待测土体的渗透系数；Q为盛水装置内的水量；A为试验筒的内断面积；H为溢水孔距离土样底部的高度；t为时间；L1为旋拧杆底盘与试验筒下部的下端口平齐时，旋拧杆直杆位于试验筒外的长度；L2为旋拧杆底盘与土体上部正好接触时，旋拧杆直杆位于试验筒外的长度。
4.根据权利要求1所述的常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，所述常水头土壤渗透系数测定装置还包括辅助取土筒，所述辅助取土筒的上下端敞口，所述辅助取土筒的内径与试验筒上部的内径一致，所述辅助取土筒的下端与试验筒上部的上端螺纹配合。
5.根据权利要求1所述的常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，所述常水头土壤渗透系数测定装置还包括环刀筒，所述环刀筒的上下端敞口，所述环刀筒的内径与试验筒下部的内径一致，所述环刀筒的上端与试验筒下部的下端螺纹配合，所述环刀筒的下端设有刀刃。
6.根据权利要求1所述的常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，所述试验支架包括试验支架圆筒和三个试验支架支腿，所述试验支架支腿与试验支架圆筒铰接，所述试验支架圆筒的上下端敞口，所述试验支架圆筒的上端开设有第一缺口和第二缺口，所述试验筒下部的筒壁上设有第一脚踏和第二脚踏，所述第一脚踏的形状与第一缺口的形状相匹配，所述第二脚踏的形状与第二缺口的形状相匹配，所述第一脚踏卡在第一缺口上，所述第二脚踏卡在第二缺口上。
7.根据权利要求1所述的常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，所述水箱的侧壁设置水箱出水口，所述水箱出水口连接第一橡胶管，所述第一橡胶管的出水端伸入试验筒内。
8.根据权利要求1所述的常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，所述水槽的侧壁上开设水槽出水口，所述水槽出水口连接第三橡胶管，所述第三橡胶管的出水端伸入盛水装置内。
9.根据权利要求2所述的常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，所述常水头土壤渗透系数测定装置还包括击实支座，所述击实支座包括底板和两根竖直杆，两根竖直杆分别固定连接在底板的上方，每根竖直杆上均设置一个水平销钉孔，所述水平销钉孔内插入支座销钉，所述十字形孔柱上还设有水平孔，所述水平孔与支座销钉螺纹配合。
10.根据权利要求2所述的常水头土壤渗透系数测定装置，其特征在于，所述第二圆环与旋拧杆底盘通过三根圆环支架连接，所述圆环支架的一端连接在旋拧杆底盘上，所述圆环支架的另一端与第二圆环连接。
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