CN112014295A

CN112014295A - 一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法

Info

Publication number: CN112014295A
Application number: CN202011043591.2A
Authority: CN
Inventors: 孙铭林; 孟灵鑫; 陈龙龙; 王�锋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2020-12-01

Abstract

本发明涉及一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，包括补水瓶、水位控制瓶、连接管、土样盒、出水收集瓶、支架、土体取样环刀。所述一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，设置了自动补水瓶，能够自动保证水头稳定在设定值，并能够测定土样上部装置中损失的水量，验证试验的可靠性；设置了出水量测定瓶，可以测定从土样渗流出来的水量；设置了环刀固定装置，能够保证在渗透系数的测定过程中，水不会从土样之外的路径损失。

Description

一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法

技术领域

本发明属于岩土渗透系数测定领域，特别涉及一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法。

背景技术

渗透系数作为土的一个重要物理力学指标，在岩土工程设计和施工领域受到广泛关注。其测定的准确性涉及到工程安全与正常使用，因此，为了避免工程事故的发生，需要一套精确、便捷的渗透系数测定装置。

渗透系数的室内测定方法通常是首先设定一定的水头高度，以及水要经过土样的渗透路径长度，计算得到土样中的水头梯度，然后在保证水头高度一定的条件下，让水自然通过土样进行渗流，经过一个预定的时间长度，撤走施加在土样上的水头，使土样停止渗流，量出此时渗流过土样的水量，经过计算便可以得到土样的渗透系数。目前，在渗透系数的测定过程中，存在水头高度不稳定、水量测定不准确、测量设备操作繁琐等问题，导致土体渗透系数的测定值与实际值相差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的土体渗透系数室内精确测定装置，设置了自动补水瓶，能够自动保证水头稳定在设定值，并能够测定土样上部装置中损失的水量，验证试验的可靠性；设置了出水量测定瓶，可以测定从土样渗流出来的水量；设置了环刀固定装置，能够保证在渗透系数的测定过程中，水不会从土样之外的路径损失。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种土体渗透系数室内测定装置，包括：补水瓶、水位控制瓶、连接管、土样盒、出水收集瓶、支架等六大部分。补水瓶用来补充在渗透系数测定过程中水分的流失，瓶身有水位读数管，顶部有注水口、吸气管，下部有出水管，出水管上部有阀门和水位自动控制装置，出水管管身外部有螺纹。水位控制瓶安装在补水瓶下方，顶部的进水口与补水瓶的出水口相连，进水口内部有与补水瓶的出水管配套的螺纹，水位控制瓶瓶身上部有排气管，排气管上有阀门，水位控制瓶下部有出水管，出水管上有阀门，出水管管身内部有螺纹。水位控制瓶下面与连接管相连，连接管上部有防水凹槽和螺纹，可与水位控制瓶的出水管进行连接，连接管的下部有出水管和阀门。出水管下面连接土样盒，土样盒由两个半圆柱空腔构成，外层是有机玻璃制作，内层由软橡胶制作，腔内可叠放多个环刀盛放的土样，上部有进水孔，孔外有凹糟，用来进行连接两个半圆柱空腔，在两个半圆柱空腔的顶部和底部分别有连接孔，用来固定两个半圆柱空腔，空腔内橡胶层的突起用来防止水的侧渗，土样盒下部有出水口。出水收集瓶的顶部进水口与土样盒的出水口相连，出水收集瓶的顶部有防蒸发排气孔，出水收集瓶瓶身有水位读数管。支架的下部是十字支撑，中间竖立的读数圆杆的杆身有刻度，杆身套有固定环，可沿着读数圆杆上下滑动和固定。

进一步的，补水瓶采用透明有机玻璃制成，可以观察到瓶内液面高度，主要作用是补充在渗透系数测定试验过程中水头的损失，上部的进水口呈漏斗状，用来向瓶内注水，进气孔用来保证瓶内外的气压平衡，保证瓶内的水能够顺利从出水口流出。瓶身的水位读数管能够测出试验开始到结束时，补水瓶内水的使用量。出水管的外侧刻有螺纹，当与水位控制瓶连接时，可以通过旋转补水瓶，使得补水瓶上下移动，调整水位控制瓶内的水位高度。出水管的上部有阀门，可以随时打开或关闭出水管，试验前向补水瓶内注水时，需要关闭该阀门。出水管的下端有限制在管口的泡沫软浮球，可以利用浮力，根据瓶内水位的变化，控制补水瓶内水的进出。

进一步的，水位控制瓶采用透明有机玻璃制成，主要作用是保证实验的整个过程中水头高度维持不变。水位控制瓶的上部的进气孔主要用来维持瓶内外的气压平衡，保证水位控制瓶内的水能不断地向下流动，孔内刻有螺纹，与补水瓶的出水管螺纹配套。出水管的阀门用来控制瓶内水的流出，下端出水口的内部刻有螺纹，能够与连接管进行连接，达到防溢水的目的。当水位控制瓶内水位下降时，补水瓶出水口的泡沫软浮球随着水位控制瓶内水位下降，不能对补水瓶出水口进行封堵，此时补水瓶出水口开始向下流水，使得水位控制瓶内水位又回升，泡沫软浮球也随着水位上升，达到设定高度后，顶住卡扣，重新封堵补水瓶出水口，与泡沫软浮球连接的运动限制帽会限制泡沫软浮球的摇摆，使其保持只能上下运动，如此往复进行。

进一步的，连接管用来连接水位控制瓶和土样盒，连接管的上部刻有螺纹并设有固定凹槽，凹槽内有橡皮垫圈。使用时通过连接管的螺纹和水位控制瓶出水口内的螺纹进行旋转连接，挤压橡皮垫圈达到防止溢水的目的。连接管的下部设有一个排水阀门，可以在试验开始注水时，排除管内的空气，并且能够在试验结束时，可以简便快速的放出试验装置内的水。

进一步的，土样盒主要由两个半圆柱空腔构成，盒体有两层材料构成，外层为不锈钢材料，内层是橡胶材料，两层材料紧密贴合。橡胶层的内径稍小于取土环刀的外径，保证两个空腔合并后，通过挤压可以与内部的环刀紧密贴合，防止水从环刀外部渗出。橡胶层的下部设置为环形漏斗状，可以保证从土样中渗流下来的水全部流入出水收集瓶。土样盒的上部有进水口，与连接管下部连接，在土样盒的进水口处设有凹槽，通过固定卡环的收紧，可以达到防水溢出的目的。土样盒的下部出水口设有排气孔，可以在设备连接后进行注水时，将多余的气体排出，保证水的充满。土样盒的出水口内部设有螺纹。土样盒的外部不锈钢外壳上刻有刻度，刻度的位置与内部每个环刀的顶面摆放位置在同一水平面上，用于设置水头高度。土样盒上下设有固定孔，用来使土样盒的两个半盒合并牢固。

进一步的，出水收集瓶采用透明有机玻璃制成，顶部设有进水连接管，与土样盒出水口连接。进水连接管上部刻有螺纹并设有固定凹槽，凹槽内有橡皮垫圈。使用时通过进水连接管的螺纹和土样盒出水口内的螺纹进行旋转连接，挤压橡皮垫圈达到防止溢水的目的。出水收集瓶顶部设有防蒸发弯管，用来保证瓶内外的气压平衡，使得渗流出的水能够顺利进入出水收集瓶内，并尽可能减少水分的蒸发损失。出水收集瓶身有水位读数管，能够得到土样的实际渗出水量。

进一步的，支架全身由不锈钢材制作，下部的十字支撑起到稳定的作用，竖杆的杆身刻有刻度线，并套有四个滑动固定器，滑动固定器用来固定补水瓶等部分，可以沿着竖杆上下滑动，并能通过滑环的固定螺栓随时固定在竖杆上。通过调节滑环的位置可以设置需要的水头高度。补水瓶等通过旋转固定圈上的收紧螺栓进行固定。

通过本发明的一种土体渗透系数室内测定装置，当试验开始时，每隔2分钟记录一次出水收集瓶内的水量，直到相邻两次记录的数据大小相等，停止试验，作为一次试验，重复进行三次，取算数平均值作为最终结果。每次试验的计算过程如下：

通过试验可得到下列相关数据：

T——渗流时间(s)；

Q₁——在时间T内，水收集瓶中水量稳定时的渗流水量(m³)；

Q₂——在时间T内，水收集瓶中水量稳定时的补水瓶损失水量(m³)；

A——环刀的内横截面积(m²)，可根据采用的环刀的基本参数确定；

H₁——水位控制瓶内水面所在的水平面在支架竖杆上对应的刻度值。

H₂——土样盒内最底层的土样底面所在水平面在支架竖杆上对应的刻度值。

ΔH——水头高度，即水位控制瓶内水面高度至土样盒内土样底部面位置的垂直距离(m)，ΔH＝H₁-H₂；

I——水头梯度，即土样沿渗流方向单位长度上的水头下降量；

L——渗流路程，即土样盒内最上部的一个土样的顶面至最下部一个土样的底面的垂直距离(m)；

可通过下面的计算步骤得到土样的渗透系数：

(1)如果Q₁与Q₂相差较大，则该组试验无效，舍弃。

(2)如果Q₁≈Q₂，则按照式(1)进行土样渗透系数的计算：

其中，水头梯度

表示实验的次数。

(3)重复三次试验，取算数平均值作为渗透系数实验测定结果，如式(2)：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，首先，补水瓶和水位控制瓶相互配合，能够使得试验整个过程中，水头都能维持的在一个固定的值，保证了试验结果的准确性，并且试验过程不需要持续加水，省力、节约水源。其次，土样盒内采用橡胶材料，能够避免土样盒进水口流下的水从环刀的侧面流出而造成出水收集瓶中的水并非全部来自土样渗流，保证了试验结果的准确性；再次，水头高度可以通过支架的滑环以及补水瓶的旋转升降进行任意设置，操作方便。最后，可以通过补水瓶内的水量损失和出水收集瓶内的水量进行比较，排除误差较大的试验数据，保证试验最终结果的准确性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的整体结构示意图；

图2是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的主干结构示意图；

图3是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的补水瓶结构示意图；

图4是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的水位控制瓶结构示意图；

图5是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的连接管结构示意图；

图6是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的土样盒结构示意图；

图7是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的出水收集瓶结构示意图；

图8是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的环刀结构示意图；

图9是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的支架结构示意图；

图10是本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法的测定装置的滑动固定器结构示意图；

图1至图10中，1、补水瓶；2、水位控制瓶；3、连接管；4、土样盒；5、出水收集瓶；6、支架；7、土体取样环刀；1-1、补水瓶进水口；1-2、补水瓶排气孔；1-3、补水瓶瓶身；1-4、补水瓶水位读数管；1-5、补水瓶出水管阀门；1-6、补水瓶出水管螺纹；1-7、补水瓶出水管；1-8、泡沫软浮球；1-9、卡扣；1-10、运动限制帽；2-1、水位控制瓶进水口；2-2、水位控制瓶通气管；2-3、水位控制瓶瓶身；2-4、水位控制瓶出水管阀门；2-5、水位控制瓶出水管；2-6、水位控制瓶出水管螺纹；3-1、连接管螺纹；3-2、连接管凹槽；3-3、连接管管身；3-4、连接管出水阀；4-1、土样盒盒体；4-2、土样盒橡胶层；4-3、土样盒不锈钢层；4-4、土样盒橡胶层突起；4-5、土样盒进水管固定凹槽；4-6、土样盒进水管；4-7、土样盒不锈钢外壳刻度；4-8、土样盒出水管；4-9、固定孔；4-10、固定圆环；4-11、收紧螺栓；5-1、出水收集瓶进水管；5-2、出水收集瓶排气管；5-3、出水收集瓶瓶身；5-4、出水收集瓶水位读数管；5-5、出水收集瓶进水管凹槽；6-1、竖杆；6-2、固定圈；6-3、固定螺栓；6-4、滑环；6-5、固定螺栓螺纹；6-6、橡胶垫；6-7、收紧长螺栓；6-8、十字稳定支撑；7、土体取样环刀。

具体实施方式

参考图1至图10，本发明的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，其测定装置包括：补水瓶1，水位控制瓶2，连接管3，土样盒4，出水收集瓶5，支架6，土体取样环刀7。

土体渗透系数测定试验开始前，首先进行试验设备的组装。首先，将支架6放在水平地面上，将补水瓶1通过收紧长螺栓6-7和固定螺栓6-3固定在竖杆6-1上，然后在补水瓶1下方紧接着用收紧长螺栓6-7和固定螺栓6-3，固定水位控制瓶2，然后松开固定水位控制瓶2的收紧长螺栓6-7，将水位控制瓶2的进水口2-1和补水瓶1的出水管1-7通过旋转水位控制瓶2进行连接，使补水瓶1的出水管1-7尽量全部伸入到水位控制瓶2内，连接后再旋转收紧长螺栓6-7对水位控制瓶1进行固定。

将连接管3的连接管3-1螺纹端与水位控制瓶2的出水管2-5进行对接并旋转紧密连接，并关闭连接管3-4出水阀。

在土样盒4内按照摆放位置放入取好土的环刀，并将两个土样盒4-1盒体合并在一起，并通过固定圆环4-10紧密固定，保证不流水。然后将土样盒进水管4-6与连接管3的下端连接，并用固定圆环4-10套在土样盒进水管固定凹槽4-5上，并用收紧螺栓4-11进行紧密固定。然后调整土样盒4的高度，通过竖杆6-1上的刻度，读出此时的土样盒4内土样最低层面的高度值H₂，用下一组收紧长螺栓6-7和固定螺栓6-3暂时固定土样盒4。

将出水收集瓶5的进水管5-1与土样盒4的出水管4-8对接并旋转连接。使得土样盒出水管4-8的底面顶住出水收集瓶进水管凹槽5-5，防止漏水。然后用下一组收紧长螺栓6-7和固定螺栓6-3暂时固定出水收集瓶5。

在上述组装工作完成后，进行水头高度的设定。首先，打开水位控制瓶2的通气管2-2，通过补水瓶进水口1-1向补水瓶1内加水，此时水位控制瓶2内的水位开始上升，直到淹没泡沫软浮球1-8，补水瓶1内的水不能进入水位控制瓶2，此时继续加水，补水瓶1内的水位开始上升，加到补水瓶1大约容积的三分之二水量，停止加水。此时打开连接管出水阀3-4，进行适当的放气，将连接管3内的气体放出，使水位控制瓶2内的水继续向下流，当连接管出水阀3-4开始出水时，表明水位控制瓶2以下部分已经全部充满水，此时立即关闭连接管出水阀3-4。此时可以根据实际情况，适当的向补水瓶1内加水，使得水位控制瓶2内的水位稍高出泡沫软浮球1-8。此时关闭水位控制瓶出水管阀门2-4，阻止水向下流，暂不开始进行渗透试验。

然后松开套在补水瓶1上的固定圈6-2，并旋转补水瓶1，使得补水瓶1上升，补水瓶1内的水逐渐流入水位控制瓶2内，参照竖杆6-1上的刻度，调整水位控制瓶2内水位高度达到ΔH-H₂，其中ΔH为试验前预先设定的值。此时，可以适当的向1补水瓶再加入适当的水。打开水位控制瓶出水管阀门2-4，渗透系数测定试验开始。

首先，记录1补水瓶中的水量Q₂₁，并通过竖杆6-1上的刻度，读出水位控制瓶2内水面所在水平面在支架竖杆上对应的刻度值H₁、土样盒4内最底部的土样底面所在水平面在支架竖杆上对应的刻度值H₂。

根据从打开水位控制瓶出水管阀门2-4开始，每隔2分钟记录一次出水收集瓶5内的水量Q_2j(j＝1,2,3…)，直至记录的水位控制瓶2-4内水量相邻两次的读数相同，此时停止渗透系数测定试验，完成一次渗透系数则定试验。关闭水位控制瓶出水管阀门2-4，同时，记录补水瓶1中的水量Q₂₂，得到在渗流时间T内，水收集瓶中水量稳定时的补水瓶损失水量Q₂＝Q₂₁-Q₂₂。

然后松开固定土样盒4和出水收集瓶5的固定圈6-2，将土样盒4内的土样换上另外一组土样，并将出水收集瓶5内的水全部倒出，然后重新安装固定土样盒4和出水收集瓶5，打开水位控制瓶出水管阀门2-4，进行第二组试验。

当三组试验全部完成并合格后，进行试验装置的拆除：按照先放水再拆除的顺序，首先打开连接管出水阀3-4，将该阀门以上的水全部放出。然后松开固定补水瓶1和水位控制瓶2的固定圈6-2，将补水瓶1和水位控制瓶2取下，再将固定土样盒4和出水收集瓶5的固定圈6-2松开，取下土样盒4和出水收集瓶5，彻底清除试验装置内的土样和水分，将仪器保存好。然后进行数据的处理和渗透系数的计算。

Claims

1.一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，包括补水瓶(1)、水位控制瓶(2)、连接管(3)、土样盒(4)、出水收集瓶(5)、支架(6)、土体取样环刀(7)，其特征在于：所述补水瓶(1)瓶身有补水瓶水位读数管(1-4)，水位控制瓶(2)安装在补水瓶(1)下方，水位控制瓶(2)下面与连接管(3)相连，连接管(3)的下部有出水管和连接管出水阀（3-4），连接管(3)下面连接土样盒(4)，土样盒下部连接出水收集瓶(5)，整套装置采用支架(6)支撑。

2.根据权利要求1所述的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，其特征在于：所述补水瓶(1)的瓶身有水位读数管，出水管上部有补水瓶出水管阀门(1-5)和水位自动控制装置，下部连接水位控制瓶(2)。

3.根据权利要求2所述的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，其特征在于：所述水位控制瓶(2)安装在补水瓶(1)下方，顶部的进水口与补水瓶(1)出水管阀门(1-5)相连，进水口内部有与补水瓶(1)的出水管配套的螺纹，水位控制瓶(2)瓶身上部有排气管(2-2)，排气管(2-2)上有阀门，水位控制瓶(2)下部有水位控制瓶出水管(2-5)，水位控制瓶出水管(2-5)上有水位控制瓶出水管阀门(2-4)，水位控制瓶出水管(2-5)管身内部有水位控制瓶出水管螺纹(2-6)，与连接管(3)相连。

4.根据权利要求3所述的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，其特征在于：所述连接管(3)上部有连接管凹槽(3-2)和连接管螺纹(3-1)，可与水位控制瓶(2)的水位控制瓶出水管(2-4)进行连接，连接管(3)的下部有连接管出水阀(3-4)，连接管(3)下面连接土样盒(4)。

5.根据权利要求4所述的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，其特征在于：所述土样盒(4)由两个半圆柱土样盒盒体(4-1)构成，外层是土样盒不锈钢层(4-3)，内层为土样盒橡胶层(4-2)，腔内可叠放多个土体取样环刀(7)盛放的土样，上部有土样盒进水管(4-6)，土样盒进水管固定凹糟(4-5)，用来进行连接两个半圆柱土样盒盒体(4-1)，在两个半圆柱土样盒盒体(4-1)的顶部和底部分别有固定孔(4-9)，用来固定两个半圆柱土样盒盒体(4-1)，土样盒(4)下部有土样盒出水管(4-8)，与出水收集瓶(5)相连。

6.根据权利要求5所述的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，其特征在于：所述出水收集瓶(5)的顶部出水收集瓶进水管(5-1)与土样盒出水管(4-8)相连，出水收集瓶(5)的顶部有防蒸发的出水收集瓶排气管(5-2)，出水收集瓶(5)瓶身有出水收集瓶水位读数管(5-4)。

7.根据权利要求6所述的一种土体渗透系数室内测定装置及计算方法，其特征在于：所述支架(6)的下部是十字稳定支撑(6-8)，中间竖立的竖杆(6-1)的杆身有刻度，杆身套有固定圈(6-2)，可沿着竖杆(6-1)上下滑动和固定。