CN110687029A - 一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柔性壁渗透仪领域，是一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置及使用方法。包括柔性壁渗透装置，该部分置于可控温恒温室内，右侧为压力控制面板，该部分用于提供介质压力，下方为冷浴装置，该部分用于液体降温。柔性壁渗透装置主要包括三部分，中间部分为压力室，内部注入冷媒，用于提供围压，压力室两侧为提供上下反压的渗透装置，左侧为下反压装置，内部液体由橡胶膜隔开，橡胶膜上方为提供渗透压液体，橡胶膜下方为渗透液体，右侧为上反压装置，内部液体由橡胶膜隔开，橡胶膜上方为渗透液体，橡胶膜下方为提供渗透压液体。围压液体与渗透液体分别装配温度探头，与可控温恒温室上程序温度设定窗相连。利用上述装置可实现在不同围压、不同渗透压以及不同温度下的冻土渗透系数测量。

Description

一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置及使用方法
技术领域
本发明涉及柔性壁渗透仪领域，是一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置及使用方法。
背景技术
冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。主要分为短时冻土、季节冻土和永久冻土三类。在寒区工程建设中，由水分迁移而引起的土体冻胀和融沉是冻土发生病害的主要原因。在研究冻土工程问题时，必须准确测定冻土在不同温度条件下的渗透系数，此对研究寒区工程构筑物的水热特征及变形规律具有重要的意义，也是揭示冻土水分迁移动态、冻土工程的冻胀模拟以及地下水补给过程等理论研究的前提。
常规的渗透仪包括刚性壁渗透仪和柔性壁渗透仪。刚性壁多用于测试渗透性较好的土体，而柔性壁渗透仪测试范围更广，可以测试黏土等渗透系数小的土体。粉质黏土和黏土属于强冻胀的细颗粒土，在常温条件下可选用柔性壁渗透装置测量土体的渗透系数。但对冻土来说，冰水相变导致土体孔隙堵塞，依然用水做渗透液是不现实的，而且土体在不同温度条件下，土体的未冻水含量不同，土体渗透系数也会有所差异。如果继续选用常规的柔性壁渗透仪将无法满足冻土在不同温度条件下渗透系数的测定。此时，就需要创造一种适用于测定冻土渗透系数的柔性壁渗透装置。
发明内容
本发明为了实现在不同围压不同渗透压不同温度下对冻土渗透系数的测量，提供一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置及使用方法。
本发明采取以下技术方案：一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置，包括可控温恒温室，可控温恒温室内部设置压力室、下反压渗透装置和上反压渗透装置，所述的压力室的顶部和底部分别设置有顶板和底板，压力室与顶板和底板形成密闭体系，密闭体系内部充围压液体，底板上方设置底座，底座上放置有土样，土样的上下两侧设置透水石，土样上方设置顶座；所述的下反压渗透装置内部由橡胶膜隔开成上方腔体I和下方腔体I，上方腔体内为渗透压力液体，下方腔体内为渗透液体；所述的上反压渗透装置内部由橡胶膜隔开成上方腔体II和下方腔体II，橡胶膜上方为渗透液体，橡胶膜下方为渗透压力液体；顶座通过橡胶管与上方腔体II连接，底座通过橡胶管与下方腔体I连接，冷浴装置通过三根橡胶管与控制面板连接并在三根橡胶管上分别设置有阀门IV、阀门V和阀门VI，控制面板通过三根橡胶管分别与上方腔体I、下方腔体II以及压力室内部连通并在三根橡胶管上分别设置有阀门I、阀门II和阀门III；下方腔体I内设置有温度探头I，压力室内设置有温度探头II，上方腔体II内设置有温度探头III，温度探头I、温度探头II和温度探头III通过数据线与程序温度设定窗连接。
一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置的使用方法，包括以下步骤：
S100～土样制作：土样含水率由实验方案确定，土样为柱状，尺寸依据底座和顶座的尺寸设定。
S200～试样制作完成后将土样套上橡胶膜装入压力室内，试样装好后将压力室密封。
S300～阀门I、阀门III、阀门V和阀门VI关闭，打开阀门II和阀门V注入围压液体，通过控制面板，使围压为0，液体注满后关闭阀门II和阀门IV；
S400～关闭全部阀门，将压力室、下反压渗透装置和上反压渗透装置放入可控温恒温室，通过程序温度设定窗设定温度，使恒温室保持一定温度不少于12h，通过温度探头I、温度探头II和温度探头III探测下方腔体I、上方腔体II以及压力室内的液体的温度，使之与程序温度设定窗的温度相同。
S500～待试样的温度达到制定温度后，打开阀门II和阀门IV，通过操纵控制面板，注入围压，打开阀门I、阀门III、阀门V和阀门VI，通过控制面板注入下反压与上反压，保证围压始终大于下反压和上反压，使试样对于渗透液体饱和。
S600～待试样饱和后，全部的阀门保持打开，同时设置冷浴装置的温度与程序温度设定窗的温度相同，调节控制面板使上反压为0，设置下反压即渗透压
Figure 439739DEST_PATH_IMAGE001
和围压，使围压始终大于下反压，通过控制面板记录在单位时间内流过试样液体的体积.
S700～计算测定渗透系数，计算公式如下：
Figure 294563DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure 74300DEST_PATH_IMAGE003
是渗透系数，单位为
Figure 594143DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 408515DEST_PATH_IMAGE005
是水流量，单位为；
Figure 183497DEST_PATH_IMAGE007
是土样高度，单位为；
Figure 988959DEST_PATH_IMAGE009
是水
Figure 169273DEST_PATH_IMAGE010
的密度，单位为
Figure 923603DEST_PATH_IMAGE011
；是重力加速度，取；
Figure 239943DEST_PATH_IMAGE014
是试样的截面面积，单位为
Figure 481568DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 694375DEST_PATH_IMAGE016
是渗透压强，单位为
Figure 337846DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 859963DEST_PATH_IMAGE018
是渗透时间，单位为。
注：为提高试验精度，测定同一含水率、同一温度温度下试样的渗透系数应做平行试验，平行试验数量最小为3。由于试验所用的渗透介质是冷媒，因而需要对试验进行标定，具体步骤为：常温下分别选用水和冷媒为渗透液体进行渗透试验，每组试验中，平行样数量最少为5个，得到试样分别在渗透液体为水和冷媒两种情况下的渗透系数
Figure 605382DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；将测得的两组数据进行拟合，得到渗透液体分别为水和冷媒两种情况下的函数关系式
Figure 782986DEST_PATH_IMAGE022
，通过换算即可得到在某一含水率、某一温度条件下，指定围压和渗透压下冻土的渗透系数。
与现有技术相比，本发明压力控制面板主要用于提供介质液体压力，测定一定时间内通过试样的渗透液体体积，并用于压力室内围压液体的输入输出与输出，以及上反压装置，下反压装置内液体的输入与输出。冷浴用于保持实验过程中液体温度保持低温。本发明基于柔性壁渗透装置，结合可控温恒温室、冷浴装置，实现了在低温状态下对冻土渗透系数的测量。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置，包括可控温恒温室3，可控温恒温室3内部设置压力室17、下反压渗透装置2和上反压渗透装置16，所述的压力室17的顶部和底部分别设置有顶板12和底板15，压力室17与顶板12和底板15形成密闭体系，密闭体系内部充围压液体13，底板15上方设置底座11，底座11上放置有土样9，土样9的上下两侧设置透水石10，土样9上方设置顶座14；所述的下反压渗透装置2内部由橡胶膜隔开成上方腔体I8和下方腔体I6，上方腔体8内为渗透压力液体，下方腔体6内为渗透液体；所述的上反压渗透装置16内部由橡胶膜隔开成上方腔体II18和下方腔体II21，橡胶膜上方为渗透液体，橡胶膜下方为渗透压力液体；顶座14通过橡胶管与上方腔体II18连接，底座11通过橡胶管与下方腔体I6连接，冷浴装置26通过三根橡胶管与控制面板25连接并在三根橡胶管上分别设置有阀门IV27、阀门V28和阀门VI29，控制面板25通过三根橡胶管分别与上方腔体I8、下方腔体II21以及压力室17内部连通并在三根橡胶管上分别设置有阀门I22、阀门II23和阀门III24；下方腔体I6内设置有温度探头I5，压力室17内设置有温度探头II7，上方腔体II18内设置有温度探头III20，温度探头I5、温度探头II7和温度探头III20通过数据线与程序温度设定窗1连接。
一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置的使用方法，包括以下步骤：
S100～土样制作：土样含水率由实验方案确定，土样为柱状，尺寸依据底座和顶座的尺寸设定。
S200～试样制作完成后将土样套上橡胶膜装入压力室内，试样装好后将压力室密封。
S300～阀门I、阀门III、阀门V和阀门VI关闭，打开阀门II和阀门V注入围压液体，通过控制面板，使围压为0，液体注满后关闭阀门II和阀门IV；
S400～关闭全部阀门，将压力室、下反压渗透装置和上反压渗透装置放入可控温恒温室，通过程序温度设定窗设定温度，使恒温室保持一定温度不少于12h，通过温度探头I、温度探头II和温度探头III探测下方腔体I、上方腔体II以及压力室内的液体的温度，使之与程序温度设定窗的温度相同。
S500～待试样的温度达到制定温度后，打开阀门II和阀门IV，通过操纵控制面板，注入围压，打开阀门I、阀门III、阀门V和阀门VI，通过控制面板注入下反压与上反压，保证围压始终大于下反压和上反压，使试样对于渗透液体饱和。
S600～待试样饱和后，全部的阀门保持打开，同时设置冷浴装置的温度与程序温度设定窗的温度相同，调节控制面板使上反压为0，设置下反压即渗透压
Figure 554633DEST_PATH_IMAGE001
和围压，使围压始终大于下反压，通过控制面板记录在单位时间内流过试样液体的体积.
S700～计算测定渗透系数，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
式中：
Figure 567588DEST_PATH_IMAGE003
是渗透系数，单位为
Figure 450094DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 490993DEST_PATH_IMAGE005
是水流量，单位为
Figure 433541DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 809159DEST_PATH_IMAGE007
是土样高度，单位为
Figure 229776DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 889296DEST_PATH_IMAGE009
是水的密度，单位为
Figure 865660DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 89968DEST_PATH_IMAGE012
是重力加速度，取
Figure 836950DEST_PATH_IMAGE013
；
Figure 121301DEST_PATH_IMAGE014
是试样的截面面积，单位为
Figure 658462DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 686461DEST_PATH_IMAGE016
是渗透压强，单位为
Figure 805726DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 995399DEST_PATH_IMAGE018
是渗透时间，单位为
Figure 521321DEST_PATH_IMAGE019
。
注：为提高试验精度，测定同一含水率、同一温度温度下试样的渗透系数应做平行试验，平行试验数量最小为3。由于试验所用的渗透介质是冷媒，因而需要对试验进行标定，具体步骤为：常温下分别选用水和冷媒为渗透液体进行渗透试验，每组试验中，平行样数量最少为5个，得到试样分别在渗透液体为水和冷媒两种情况下的渗透系数
Figure 274382DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 576050DEST_PATH_IMAGE021
；将测得的两组数据进行拟合，得到渗透液体分别为水和冷媒两种情况下的函数关系式
Figure 874308DEST_PATH_IMAGE022
，通过换算即可得到在某一含水率、某一温度条件下，指定围压和渗透压下冻土的渗透系数。

Claims (3)

1.一种测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置，其特征在于：包括可控温恒温室（3），可控温恒温室（3）内部设置压力室（17）、下反压渗透装置（2）和上反压渗透装置（16），所述的压力室（17）的顶部和底部分别设置有顶板（12）和底板（15），压力室（17）与顶板（12）和底板（15）形成密闭体系，密闭体系内部充围压液体（13），底板（15）上方设置底座（11），底座（11）上放置有土样（9），土样（9）的上下两侧设置透水石（10），土样（9）上方设置顶座（14）；所述的下反压渗透装置（2）内部由橡胶膜隔开成上方腔体I（8）和下方腔体I（6），上方腔体（8）内为渗透压力液体，下方腔体（6）内为渗透液体；所述的上反压渗透装置（16）内部由橡胶膜隔开成上方腔体II（18）和下方腔体II（21），橡胶膜上方为渗透液体，橡胶膜下方为渗透压力液体；顶座（14）通过橡胶管与上方腔体II（18）连接，底座（11）通过橡胶管与下方腔体I（6）连接，冷浴装置（26）通过三根橡胶管与控制面板（25）连接并在三根橡胶管上分别设置有阀门IV（27）、阀门V（28）和阀门VI（29），控制面板（25）通过三根橡胶管分别与上方腔体I（8）、下方腔体II（21）以及压力室（17）内部连通并在三根橡胶管上分别设置有阀门I（22）、阀门II（23）和阀门III（24）；下方腔体I（6）内设置有温度探头I（5），压力室（17）内设置有温度探头II（7），上方腔体II（18）内设置有温度探头III（20），温度探头I（5）、温度探头II（7）和温度探头III（20）通过数据线与程序温度设定窗（1）连接。
2.一种如权利要求1所述的测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置的使用方法，其特征在于：具体步骤如下，
S100～土样制作：土样含水率由实验方案确定，土样为柱状，尺寸依据底座和顶座的尺寸设定；
S200～试样制作完成后将土样套上橡胶膜装入压力室内，试样装好后将压力室密封；
S300～阀门I、阀门III、阀门V和阀门VI关闭，打开阀门II和阀门V注入围压液体，通过控制面板，使围压为0，液体注满后关闭阀门II和阀门IV；
S400～关闭全部阀门，将压力室、下反压渗透装置和上反压渗透装置放入可控温恒温室，通过程序温度设定窗设定温度，使恒温室保持一定温度不少于12h，通过温度探头I、温度探头II和温度探头III探测下方腔体I、上方腔体II以及压力室内的液体的温度，使之与程序温度设定窗的温度相同；
S500～待试样的温度达到制定温度后，打开阀门II和阀门IV，通过操纵控制面板，注入围压，打开阀门I、阀门III、阀门V和阀门VI，通过控制面板注入下反压与上反压，保证围压始终大于下反压和上反压，使试样对于渗透液体饱和；
S600～待试样饱和后，全部的阀门保持打开，同时设置冷浴装置的温度与程序温度设定窗的温度相同，调节控制面板使上反压为0，设置下反压即渗透压
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和围压，使围压始终大于下反压，通过控制面板记录在单位时间内流过试样液体的体积；
S700～计算测定渗透系数，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中：
Figure 512281DEST_PATH_IMAGE004
是渗透系数，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 69033DEST_PATH_IMAGE006
是水流量，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 897312DEST_PATH_IMAGE008
是土样高度，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 317536DEST_PATH_IMAGE010
是水
Figure DEST_PATH_IMAGE011
的密度，单位为
Figure 113322DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
是重力加速度，取
Figure 286815DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
是试样的截面面积，单位为
Figure 235179DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
是渗透压强，单位为
Figure 891551DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
是渗透时间，单位为
Figure 925366DEST_PATH_IMAGE020
。
3.根据权利要求2所述的测量冻土渗透系数的柔性壁渗透装置的使用方法，其特征在于：为提高试验精度，测定同一含水率、同一温度温度下试样的渗透系数应做平行试验，平行试验数量最小为3，由于试验所用的渗透介质是冷媒，因而需要对试验进行标定，具体步骤为：常温下分别选用水和冷媒为渗透液体进行渗透试验，每组试验中，平行样数量最少为5个，得到试样分别在渗透液体为水和冷媒两种情况下的渗透系数
Figure 823920DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 626791DEST_PATH_IMAGE024
；将测得的两组数据进行拟合，得到渗透液体分别为水和冷媒两种情况下的函数关系式
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，通过换算即可得到在某一含水率、某一温度条件下，指定围压和渗透压下冻土的渗透系数。
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