CN112540037B - 一种渗透性实验设备、渗透性实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渗透性实验设备、渗透性实验方法，渗透性实验设备包括主机装置、数采仪、温控装置、动力加载装置，主机装置包括内缸、外缸、活塞件、底座、双向流泵、流量泵、陶瓷下板和陶瓷上板，内缸中设置有用于放置土样的试验腔，内缸设置在外缸中，内缸和外缸设置在底座上，活塞件可移动地设置在内缸中。采用动力加载装置控制活塞件在内缸中压实土样，土样与内缸内壁紧密接触，避免边界渗流效应；采用流量泵向试验腔注入渗流液，使土样达到饱和状态，利用流量泵从试验腔抽取渗流液，使土样达到非饱和状态；利用双向流泵实现试验腔中渗流液循环，缩短试验时间。本发明可广泛应用于土壤参数测定技术领域。

Description

一种渗透性实验设备、渗透性实验方法

技术领域

本发明涉及土壤参数测定技术领域，特别涉及一种渗透性实验设备、渗透性实验方法。

背景技术

对于一些渗透性极低的土样，例如废物填埋处理厂夯实粘土(渗透系数低于10^{- 7}cm/s)及高放废物处置库压实膨润土(渗透系数要求低于10^-11cm/s)等，渗透试验时面临难以使试样饱和、渗透水流达正常状态所需时间极长、可能存在边界渗流、较长试验时间才能获得少量渗流量(不易准确计量)、低水力梯度时偏离达西定律等问题。

目前温控式渗透仪多针对一般渗透性且饱和土壤，若将其应用于极低渗透性土壤渗透性试验则试验时间过长，将消耗大量电能。且进行膨胀性土或冻胀明显试样的试验时将产生极大膨胀力或冻胀力，易使实验仪器破坏。

发明内容

为解决上述技术问题中的至少之一，本发明提供一种渗透性实验设备、渗透性实验方法，所采用的技术方案如下：

本发明所提供的渗透性实验设备包括主机装置、数采仪、温控装置、动力加载装置；所述主机装置包括内缸、外缸、活塞件和底座，所述内缸中设置有用于放置土样的试验腔，所述内缸设置在所述外缸中，所述内缸和所述外缸设置在所述底座上，所述内缸、所述活塞件和所述底座构成所述试验腔，所述温控装置用于控制低温氮气通入所述内缸与所述外缸之间的空间，所述活塞件可移动地设置在所述内缸中，所述活塞件用于压实土样，所述动力加载装置用于控制所述活塞件移动；所述主机装置包括双向流泵和流量泵，所述双向流泵用于与所述试验腔之间实现循环流动渗流液，所述流量泵用于从所述试验腔中抽取渗流液或向所述试验腔输送渗流液；所述主机装置包括陶瓷下板和陶瓷上板，所述陶瓷下板设置在所述试验腔的底部，所述陶瓷上板设置在所述试验腔的顶部。

本发明的某些实施例中，所述底座设置有进气通道和出气通道，所述进气通道用于向所述内缸和所述外缸之间的空腔通入低温氮气，所述出气通道用于排出所述内缸和所述外缸之间的空腔内的低温氮气，以实现低温氮气循环。

本发明的某些实施例中，所述试验腔的底部和顶部分别设置有滤纸，所述试验腔的底部设置有用于连通所述双向流泵和所述流量泵的底部通道，所述底部通道用于向所述双向流泵排出渗流液。

本发明的某些实施例中，所述试验腔的底部设置有用于引导渗流液流向所述底部通道的斜面。

本发明的某些实施例中，所述活塞件设置有用于连通双向流泵的通道一，所述通道一用于向所述试验腔输入渗流液。

本发明的某些实施例中，所述活塞件设置有通道二，所述通道二连接有压力调节器和第一压差传感器，所述压力调节器用于控制土样孔隙中的气压，所述第一压差传感器用于检测基质吸力。

本发明的某些实施例中，所述活塞件设置有通道三，所述通道三连接有第二压差传感器，所述第二压差传感器用于检测水头损失。

本发明的某些实施例中，渗透性实验设备包括射频装置，所述主机装置包括射频线圈和永磁体，所述射频线圈套设在所述内缸上，所述内缸和所述外缸设置在所述永磁体的N极、S极之间，所述射频线圈与所述射频装置相连以控制射频脉冲磁场。

本发明所提供的渗透性实验方法，采用前述渗透性实验设备操作，具体步骤如下：

步骤1，将陶瓷下板、内缸和外缸依次放在底座上；

步骤2，拌好具有一定含水量的膨胀性土，将土样倒入内缸中，通过动力加载装置控制活塞件压实土样；

步骤3，在土样上盖上陶瓷上板，控制活塞件刚好与陶瓷上板接触；

步骤4，温控装置控制低温氮气通入，开始冻结，记录土样温度，动力加载装置实时记录冻胀力；

步骤5，通过流量泵注入渗流液，使土样达到饱和状态；

步骤6，通过双向流泵控制渗流液流速；

步骤7，检测土样上下表面的水头差；

步骤8，由达西渗透定律求得此刻土样渗透系数；

步骤9，通过流量泵抽取渗流液，使土样达到非饱和状态；

步骤10，控制土样孔隙气压一定；

步骤11，待渗流稳定后，检测基质吸力大小；

步骤12，重复步骤6至11，研究土样非饱和状态的渗透规律。

本发明的某些实施例中，若要检测未冻水量，则安装射频线圈和所述永磁体，步骤4完成后，通过核磁共振技术测得未冻水量。

本发明的实施例至少具有以下有益效果：采用动力加载装置控制活塞件在内缸中压实土样，土样与内缸内壁紧密接触，避免边界渗流效应；采用流量泵向试验腔注入渗流液，使土样达到饱和状态，利用流量泵从试验腔抽取渗流液，使土样达到非饱和状态；利用双向流泵实现试验腔中渗流液循环，缩短试验时间。本发明可广泛应用于土壤参数测定技术领域。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为主机装置的结构示意图；

图2为主机装置、射频装置、数采仪、温控装置和动力加载装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图2详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“中心”、“中部”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。限定有“第一”、“第二”的特征是用于区分特征名称，而非具有特殊含义，此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明涉及一种渗透性实验设备，可在控温的情况下进行低渗透性或具有膨胀性或非饱和土壤的渗透试验，可进行多种土工试验，例如膨胀力测试试验、冻胀力测试试验、固结试验和非饱和渗透试验等。渗透性实验设备包括主机装置、数采仪201、温控装置202和动力加载装置203，主机装置用于进行渗透性实验，温控装置202用于向主机装置通入所需的低温氮气，数采仪201采集实验数据，动力加载装置203用于压实土样及控制实验过程中的应力或应变边界条件，配合动力加载装置203进行膨胀性土或冻土在完全侧限条件下膨胀力或冻胀力量测试试验以及土的固结试验。

具体地，主机装置包括内缸101、外缸102和活塞件103，内缸101设置在外缸102中，内缸101采用含镍不锈钢材料制成，外缸102采用保温隔热材料制成，内缸101中设置有用于放置土样的试验腔，活塞件103可移动地设置在内缸101中，活塞件103用于压实土样，具体地，动力加载装置203用于控制活塞件103移动，动力加载装置203设置有力传感器和位移传感器，可进行应力控制和应变控制，实时记录力和位移。本发明所涉及的渗透性实验设备制样便捷可靠，将配置好的土样装入内缸101，通过动力加载装置203精确的压实土样至试验设计的干密度，采用这种制样方法使土样内缸101的内壁接触紧密，有效避免渗流的边壁效应。

可以理解的是，为加强活塞件103与内缸101之间的密封性，活塞件103的侧壁设置有至少一个密封圈，密封圈设置为O型橡胶圈。

温控装置202用于控制低温氮气通入内缸101和外缸102之间的空间，以冻结土样，进行低温条件下的渗透试验，数采仪201与温控装置202相连以获得温度数据。可以理解的是，试验腔的内壁设置有温度传感器，温度传感器设置在内缸101的内壁上，用于监测土样冻结过程中的温度变化。

进一步地，主机装置包括底座106，内缸101和外缸102设置在底座106上，内缸101、活塞件103和底座106构成试验腔，底座106采用含镍不锈钢材质，含镍不锈钢的表面设置有隔热材料。结合附图，主机装置包括顶盖116，顶盖116采用含镍不锈钢材质，含镍不锈钢的表面设置有隔热材料，隔热材料采用酚醛泡沫塑料成。可以理解的是，内缸101和外缸102设置在顶盖116和底座106之间，顶盖116设置有供活塞穿过的孔洞。具体地，顶盖116与底座106之间通过多个连接杆安装，连接杆上设置有螺母，螺母用于固定顶盖116。

可以理解的是，底座106设置有进气通道107和出气通道108，进气通道107用于向内缸101和外缸102之间的空腔通入低温氮气，出气通道108用于排出内缸101和外缸102之间的空腔内的低温氮气，以实现低温氮气循环。

结合附图，内缸101和外缸102的端部分别设置有密封圈，以加强内缸101、外缸102与底座106、顶盖116之间的密封性。具体地，内缸101和外缸102的端部分别设置有环形凹槽，密封圈设置为O型橡胶圈。为进一步地提高密封性，还可以在密封圈上涂抹凡士林。

进一步地，主机装置包括陶瓷上板和陶瓷下板，陶瓷材料具有高进气值，陶瓷上板设置在试验腔的顶部，陶瓷下板设置在试验腔的底部。具体地，底座106设置有凹部，陶瓷下板设置在底座106的凹部中。

主机装置包括双向流泵104，双向流泵104用于与试验腔之间实现循环流动渗流液，双向流泵104的入口和出口分别连通试验腔，双向流泵104同时抽取和注入等量的渗流液，从而控制流经土样的渗流液流速。具体地，活塞件103设置有用于连通双向流泵104的通道一111，通道一111用于向试验腔输入渗流液。采用双向流泵104控制渗流液的流速，对于低渗透型土壤可加快试验的进程，尤其是在低温试验时可极大的减少试验时间从而降低能源消耗。可以理解的是，低温试验时应采用低冰点、融冰能力差的渗流液。

结合附图，试验腔的底部设置有用于连通双向流泵104的底部通道109，具体地，底部通道109用于连通双向流泵104的入口，用于向双向流泵104排出渗流液，底部通道109设置在试验腔底壁的中部，可以理解的是，底部通道109设置在底座106上。具体地，试验腔的底部设置有用于引导渗流液流向底部通道109的斜面，构成倾斜至底部通道109入口处的斜坡，方便渗流液排出。

主机装置包括流量泵105，流量泵105用于从试验腔中抽取渗流液或向试验腔输送渗流液，流量泵105向试验腔注入渗流液，以使土样达到饱和状态，相应地，流量泵105从试验腔抽取渗流液，以使土样达到非饱和状态。具体地，流量泵105通过底部通道109连通试验腔，流量泵105通过底部通道109向试验腔抽渗流液或补渗流液。

进一步地，试验腔的底部和顶部分别设置有滤纸，滤纸用于防止土样的土颗粒堵塞陶瓷上板和陶瓷下板的孔隙。可以理解的是，若进行冻胀及膨胀性土实验时土样会有冻胀力或膨胀力，在力的作用下土壤可能会嵌固在陶瓷上板和陶瓷下板的孔隙中，因此需要设置滤纸。

结合附图，活塞件103设置有通道二112，通道二112连接有压力调节器110和第一压差传感器114，压力调节器110用于控制土样孔隙中的气压，第一压差传感器114用于检测基质吸力。进一步地，活塞件103设置有通道三113，通道三113连接有第二压差传感器115，第二压差传感器115用于检测水头损失。

进一步地，渗透性实验设备若要用于检测未冻水量，应采用核磁共振技术测未冻水量。可以理解的是，渗透性实验设备包括射频装置204，主机装置包括射频线圈和永磁体，内缸101和外缸102设置在永磁体的N极、S极之间，永磁体用于提供核磁共振所需的稳定静磁场。进一步地，射频线圈套设在内缸101上，射频线圈在内缸101和外缸102之间构成螺旋形线圈，通过射频装置204产生射频脉冲磁场，射频线圈与射频装置204相连以控制射频脉冲磁场。数采仪201连接射频装置204以获得T₂分布数据，具体地，数采仪201收集自由感应衰减曲线，根据傅里叶变换反演软件获得T₂分布，并保存数据。

可以理解的是，温控装置202采用低温氮气制冷，避免采用冷冻液制冷，避免冷冻液对核磁共振结果的影响。

本发明涉及一种渗透性实验方法，采用渗透性实验设备操作，具体步骤如下。

步骤1，将陶瓷下板、内缸101和外缸102依次放在底座106上，在陶瓷下板上放置滤纸。

步骤2，拌好具有一定含水量的膨胀性土，将土样倒入内缸101中，通过动力加载装置203控制活塞件103压实土样，根据试验方案确定土样压实后的高度考虑是否分层压实。

步骤3，在土样上放置滤纸，再盖上陶瓷上板，控制活塞件103刚好与陶瓷上板接触，将顶盖116与底座106固定。

步骤4，温控装置202控制低温氮气通入，开始冻结，通过温度传感器检测温度，记录土样温度，动力加载装置203实时记录冻胀力。

步骤5，通过流量泵105注入渗流液，使土样达到饱和状态。

步骤6，通过双向流泵104控制渗流液流速。

步骤7，通过第二压差传感器115检测土样上下表面的水头差，以获取水头损失。

步骤8，由达西渗透定律求得此刻土样渗透系数。

步骤9，通过流量泵105抽取一定渗流液，使土样达到非饱和状态。

步骤10，通过压力调节器110控制土样孔隙气压一定。

步骤11，待渗流稳定后，检测基质吸力大小，通过第一压差传感器114检测。

步骤12，重复步骤6至11，可研究土样非饱和状态下的渗透规律。

可以理解的是，若要检测未冻水量，则安装射频线圈和所述永磁体，步骤4完成后，通过核磁共振技术测得未冻水量。

在本说明书的描述中，若出现参考术语“一个实施例”、“一些实例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种渗透性实验设备，其特征在于：包括主机装置、数采仪（201）、温控装置（202）、动力加载装置（203），所述主机装置包括

内缸（101），所述内缸（101）中设置有用于放置土样的试验腔；

外缸（102），所述内缸（101）设置在所述外缸（102）中，所述温控装置（202）用于控制低温氮气通入所述内缸（101）与所述外缸（102）之间的空间；

活塞件（103），所述活塞件（103）可移动地设置在所述内缸（101）中，所述活塞件（103）用于压实土样，所述动力加载装置（203）用于控制所述活塞件（103）移动；

双向流泵（104），所述双向流泵（104）用于与所述试验腔之间实现循环流动渗流液；

流量泵（105），所述流量泵（105）用于从所述试验腔中抽取渗流液或向所述试验腔输送渗流液；

陶瓷下板，所述陶瓷下板设置在所述试验腔的底部；

陶瓷上板，所述陶瓷上板设置在所述试验腔的顶部；

底座（106），所述内缸（101）和所述外缸（102）设置在所述底座（106）上，所述内缸（101）、所述活塞件（103）和所述底座（106）构成所述试验腔；

其中，所述活塞件（103）设置有用于连通双向流泵（104）的通道一（111），所述通道一（111）用于向所述试验腔输入渗流液，所述试验腔的底部设置有用于连通所述双向流泵（104）和所述流量泵（105）的底部通道（109），所述底部通道（109）用于向双向流泵（104）排出渗流液及用于所述流量泵（105）向所述试验腔抽渗流液或补渗流液。

2.根据权利要求1所述的渗透性实验设备，其特征在于：所述底座（106）设置有进气通道（107）和出气通道（108），所述进气通道（107）用于向所述内缸（101）和所述外缸（102）之间的空腔通入低温氮气，所述出气通道（108）用于排出所述内缸（101）和所述外缸（102）之间的空腔内的低温氮气，以实现低温氮气循环。

3.根据权利要求1所述的渗透性实验设备，其特征在于：所述试验腔的底部和顶部分别设置有滤纸。

4.根据权利要求3所述的渗透性实验设备，其特征在于：所述试验腔的底部设置有用于引导渗流液流向所述底部通道（109）的斜面。

5.根据权利要求1所述的渗透性实验设备，其特征在于：所述活塞件（103）设置有通道二（112），所述通道二（112）连接有压力调节器（110）和第一压差传感器（114），所述压力调节器（110）用于控制土样孔隙中的气压，所述第一压差传感器（114）用于检测基质吸力。

6.根据权利要求1所述的渗透性实验设备，其特征在于：所述活塞件（103）设置有通道三（113），所述通道三（113）连接有第二压差传感器（115），所述第二压差传感器（115）用于检测水头损失。

7.根据权利要求1至6任一项所述的渗透性实验设备，其特征在于：渗透性实验设备包括射频装置（204），所述主机装置包括射频线圈和永磁体，所述射频线圈套设在所述内缸（101）上，所述内缸（101）和所述外缸（102）设置在所述永磁体的N极、S极之间，所述射频线圈与所述射频装置（204）相连以控制射频脉冲磁场。

8.一种渗透性实验方法，采用如权利要求1至6任一项所述的渗透性实验设备操作，其特征在于：

步骤1，将陶瓷下板、内缸（101）和外缸（102）依次放在底座（106）上；

步骤2，拌好具有一定含水量的膨胀性土，将土样倒入内缸（101）中，通过动力加载装置（203）控制活塞件（103）压实土样；

步骤3，在土样上盖上陶瓷上板，控制活塞件（103）刚好与陶瓷上板接触；

步骤4，温控装置（202）控制低温氮气通入，开始冻结，记录土样温度，动力加载装置（203）实时记录冻胀力；

步骤5，通过流量泵（105）注入渗流液，使土样达到饱和状态；

步骤6，通过双向流泵（104）控制渗流液流速；

步骤7，检测土样上下表面的水头差；

步骤8，由达西渗透定律求得此刻土样渗透系数；

步骤9，通过流量泵（105）抽取渗流液，使土样达到非饱和状态；

步骤10，控制土样孔隙气压一定；

步骤11，待渗流稳定后，检测基质吸力大小；

步骤12，重复步骤6至11，研究土样非饱和状态的渗透规律。

9.一种渗透性实验方法，采用如权利要求7所述的渗透性实验设备操作，其特征在于：

步骤1，将陶瓷下板、内缸（101）和外缸（102）依次放在底座（106）上；

步骤2，拌好具有一定含水量的膨胀性土，将土样倒入内缸（101）中，通过动力加载装置（203）控制活塞件（103）压实土样；

步骤3，在土样上盖上陶瓷上板，控制活塞件（103）刚好与陶瓷上板接触；

步骤4，温控装置（202）控制低温氮气通入，开始冻结，记录土样温度，动力加载装置（203）实时记录冻胀力，通过核磁共振技术测得未冻水量；

步骤5，通过流量泵（105）注入渗流液，使土样达到饱和状态；

步骤6，通过双向流泵（104）控制渗流液流速；

步骤7，检测土样上下表面的水头差；

步骤8，由达西渗透定律求得此刻土样渗透系数；

步骤9，通过流量泵（105）抽取渗流液，使土样达到非饱和状态；

步骤10，控制土样孔隙气压一定；

步骤11，待渗流稳定后，检测基质吸力大小；

步骤12，重复步骤6至11，研究土样非饱和状态的渗透规律。

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