CN112683718B - 土体结合水含量与渗透系数测量装置及测量方法 - Google Patents

土体结合水含量与渗透系数测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明首先提出了一种土体结合水含量与渗透系数测量装置，包括两端开口的试样筒，所述试样筒两端分别密封连接设有上盖和下盖，所述上盖和所述下盖与所述试样筒之间分别设有滤水装置，所述试样筒侧壁上设有第一进水口和第一出水口，所述下盖上设有第二进水口，所述上盖板上设有第二出水口，还包括控制所述试样筒内温度的控温装置。本发明还提出了一种基于上述装置的土体结合水含量与渗透系数测量方法，可以把吸附结合水含量与渗透系数形成一个统一的测定方案，不仅能够通过容量瓶原理测定具有一定密实度土样的吸附结合水含量，还能够通过变水头原理测定具有某一吸附结合水含量下土样的渗透系数。

Description

土体结合水含量与渗透系数测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及室内土工试验技术领域，具体而言，为一种土体结合水含量与渗透系数测量装置及测量方法。
背景技术
全球变暖趋势加剧，绿色清洁能源的利用变得愈发重要，地源热泵和核废料填埋等各种新型能源岩土工程应运而生。在这些工程实践中，岩土介质温度场发生长期的显著变化，并相应地引起岩土介质物理及力学性质的改变，成为影响相关工程结构安全和稳定运行的关键科学问题之一。粘土是由各种粘土矿物中的一种或多种的结晶质微粒群，其性质尤其易受到温度条件的影响。粘土矿物具有非常小的颗粒尺度(一般都不大于2μm)，以至于其相互间的物理—化学作用和土中水—电解溶液相间的相互作用可以达到很大。赋存和运移在粘土材料空隙中的水，一经与粘土颗粒表面接触，粘土颗粒表面就会把一些水分子牢牢地吸住，形成一层表面水膜，这种被吸附的水称为表面结合水。结合水是决定岩土材料尤其是粘性土力学性质的关键因素之一，目前常用的结合水含量测试方法有容量瓶法、热重分析法、等温吸附法。
关于土体结合水含量的测试方法主要以容量瓶法为主，但是常规容量瓶法仅能测试散体土颗粒的吸附结合水含量，无法测试具有一定密实度下的土样吸附结合水含量，更不能对一个试样既测试吸附结合水含量的同时也测试渗透系数。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种土体结合水含量与渗透系数测量装置及测量方法，可以把吸附结合水含量与渗透系数形成一个统一的测定方案，不仅能够通过容量瓶原理测定具有一定密实度土样的吸附结合水含量，还能够通过变水头原理测定具有某一吸附结合水含量下土样的渗透系数。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提出了一种土体结合水含量与渗透系数测量装置，包括两端开口的试样筒，所述试样筒两端分别密封连接设有上盖和下盖，所述上盖和所述下盖与所述试样筒之间分别设有滤水装置；
所述试样筒侧壁上设有第一进水口和第一出水口，所述下盖上设有第二进水口，所述上盖板上设有第二出水口；
还包括控制所述试样筒内温度的控温装置。
进一步，还包括水头测量组件，所述水头测量组件包括Y形管、刻度板和水位桶，所述Y形管包括第一支管、第二支管和透明的干路管，所述干路管固定设置在所述刻度板上，所述第一支管上和所述第二支管上分别设有第一阀门和第二阀门，所述第一支管用于连接所述第二进水口，所述第二支管用于连接所述水位桶。
具体的，所述滤水装置为透水石，所述第二进水口和所述第二出水口分别位于所述下盖和所述上盖同一侧的侧壁上。
具体的，所述控温装置为螺旋导热管，所述螺旋导热管套设在所述试样筒外壁。
进一步，还包括检测所述第二出水口处水温的温度传感器。
进一步，还包括用于固定夹紧的固定组件，所述固定组件包括固定盘、支撑杆、螺母和基座，所述支撑杆上设有与所述螺母配合的外螺纹，所述螺母与所述支撑杆螺纹配合，所述支撑杆的一端与所述基座固定连接，另一端套设在所述固定盘上。
基于上述的土体结合水含量与渗透系数测量装置本发明还提出了一种土体结合水含量与渗透系数测量方法，包括如下步骤：
步骤1：在温度T下，获取所述试样筒内盛满水并且装置进行真空抽气饱和处理后的装置总质量m1；在温度T下，获取所述试样筒内装满比重为Gs质量为ms的待检测试样并且装置进行真空抽气饱和处理后的装置总质量m2；
步骤2：利用步骤1中所取得的数据求解温度T下试样结合水含量wbT；
步骤3：基于步骤1中测量完m2的装置，在温度T下，保持所述第二进水口和所述第二出水口相平，将刻度板竖直放置，将所述第一支管与所述第二进水口连接，所述第二支管与所述水位桶连接，再打开第一阀门和第二阀门，让温度为T的水从水位桶自由流过待检测试样，再关闭第一阀门，待干路管水位达到设定高度h1时关闭第二阀门，再重新打开第一阀门的同时开始计时，记录经过时间t后干路管的水位h2；
步骤4：利用步骤3中所取得的数据求解温度T下试样渗透系数kT。
所述步骤2分别与所述步骤3、步骤4顺序可变。
具体的，获取所述m1和m2的方法为：
获取所述m1的方法为：将所述透水石安装在所述下盖上，再将密封环套设在透水石侧壁进行密封处理，再在透水石上放置标准慢速渗透滤纸后再将试样筒压在标准慢速渗透滤纸上，再往试样筒内加满纯水，再在试样筒上盖上标准慢速渗透滤纸，再用透水石盖住试样筒，再用密封环套设在透水石侧壁进行密封处理，再将装置固定夹紧；
将结合水含量测量装置和固定组件放入真空饱和罐，再在所述第一进、出水口套上管路且控制管路高度保证其不被水淹没并确保所述第二进水口浸没于水中，再在温度T下进行真空抽气饱和处理，饱和后取出装置并使其表面干燥，测量其质量m1；
获取所述m2的方法为：将所述透水石安装在所述下盖上，再将密封环套设在透水石侧壁进行密封处理，再在透水石上放置标准慢速渗透滤纸后再将试样筒压在标准慢速渗透滤纸上，往试样筒内填充满比重为Gs、质量为ms的试样，再在试样筒上盖上标准慢速渗透滤纸，再用透水石盖住试样筒，再用密封环套设在透水石侧壁进行密封处理，再将装置固定夹紧；
将结合水含量测量装置和固定组件放入真空饱和罐，再在所述第一进、出水口套上管路且控制管路高度保证其不被水淹没并确保所述第二进水口浸没于水中，再在温度T下进行真空抽气饱和处理，饱和后取出装置并使其表面干燥，测量其质量m2。
具体的，利用步骤1中所取得的数据求解温度T下试样结合水含量wbT所用的公式为：
Figure BDA0002864186350000031
其中，ρT为水在温度T时的密度，ρ4℃为水在4℃时的密度。
具体的，利用步骤3中所取得的数据求解温度T下试样渗透系数kT所用的公式为：
Figure BDA0002864186350000032
其中，a为干路管的内截面积，A为试样截面积，L为试样高度。
本发明的有益效果在于：
本发明的土体结合水含量与渗透系数测量装置，可以把吸附结合水含量与渗透系数形成一个统一的测定方案，不仅能够通过容量瓶原理测定具有一定密实度土样的吸附结合水含量，还能够通过变水头原理测定具有某一吸附结合水含量下土样的渗透系数；
不同深度等条件下地温有差异，温度对吸附结合水含量与渗透系数有影响，本发明的土体结合水含量与渗透系数测量方法，可以通过控温装置来控制温度，得到多个温度下的土体吸附结合水含量以及渗透系数；
此外，本试验不需更换土样，消除了不同土体复杂变量的影响因素，试验结果更可靠度更高。本发明适用于粘土，也可用于粉土、砂土等符合达西定律的材料。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明结合水含量测量装置剖视图；
图2为本发明水头测量组件的示意图；
图3为本发明固定组件剖视图；
图4为本发明试样筒部分组装图；
图5为本发明基座俯视图；
图6为本发明固定盘俯视图；
图7为本发明螺旋导热管示意图；
图8为实施例2中土体结合水含量试验结果的曲线图；
图9为实施例2中土体渗透系数试验结果的曲线图。
附图标记说明：
1-上盖；2-下盖；3-试样筒；4-第一进水口；5-第一出水口；6-第二进水口；7-第二出水口；8-Y形管；81-第一支管；811-第一阀门；82-第二支管；821-第二阀门；83-干路管；9-刻度板；10-透水石；11-密封环；12-螺旋导热管；13-固定盘；14-支撑杆；15-螺母；16-基座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1-土体结合水含量与渗透系数测量装置
如图1所示，为本发明土体结合水含量与渗透系数测量装置实施例的示意图，包括两端开口的试样筒3，试样筒3两端分别密封连接设有上盖1和下盖2，具体的，本实施例采用的密封方式是在上盖1、下盖2与试样筒3连接处之间设置密封环11，密封环11能够将上盖1、下盖2与试样筒3连接处进行密闭处理，在安装透水石11后也能够将透水石11侧壁进行密封处理。上盖1和下盖2与试样筒3之间分别设有滤水装置，本实施例中试样筒3采用不锈钢制成，不锈钢材料性质稳定，使用寿命长；
如图4所示，试样筒3侧壁上设有第一进水口4和第一出水口5，本实施例中优选将第一进水口4和第一出水口5分别设置在试样筒3的两端，其中第一进水口4位于试样筒3下半部，第一出水口位于试样筒3上半部，下盖2上设有第二进水口6，上盖板1上设有第二出水口7，本实施例中选择将第二进水口6和第二出水口7设置在位于上盖1和下盖2同一侧的侧壁上，这样方便后续渗透系数测试时装置的放置；
还包括控制试样筒3内温度的控温装置。
进一步，本实施例的土体结合水含量与渗透系数测量装置还包括水头测量组件，水头测量组件包括Y形管8、刻度板9和水位桶，Y形管8包括第一支管81、第二支管82和透明的干路管83，干路管83固定设置在刻度板9上，第一支管81上和第二支管82上分别设有第一阀门811和第二阀门821，第一支管81用于连接第二进水口7，第二支管82用于连接水位桶。本实施例中，干路管83采用透明玻璃管制成。
具体的，本实施例的滤水装置为透水石10，第二进水口6和第二出水口7分别位于下盖2和上盖1同一侧的侧壁上。
具体的，本实施例的控温装置为螺旋导热管12，螺旋导热管12套设在试样筒3外壁。本实施例中，螺旋导热管12采用现有技术中的中空铜管制成，其中可以循环流过温水来对试样筒3进行保温，此外，螺旋导热管12套设在试样筒3上可以使试样筒3内受热均匀，使得试验结果更加准确。
进一步，本实施例的土体结合水含量与渗透系数测量装置还包括检测第二出水口7处水温的温度传感器。温度传感器可以实时监测第二出水口7处的水温，以此反映出试样筒3内部温度。
本实施例的土体结合水含量与渗透系数测量装置还包括用于固定夹紧的固定组件，固定组件包括固定盘13、支撑杆14、螺母15和基座16，支撑杆14上设有与螺母15配合的外螺纹，螺母15与支撑杆14螺纹配合，支撑杆14的一端与基座16固定连接，另一端套设在固定盘13上。更具体的，本实施例的基座16和固定盘中心均设有用于固定上盖1和下盖2的定位槽，如图5和图6所示。本实施例的固定组件采用不锈钢材质制成。
实施例2-土体结合水含量与渗透系数测量方法
基于实施例1中的土体结合水含量与渗透系数测量装置，本发明还提出了一种土体结合水含量与渗透系数测量方法，包括如下步骤：
步骤1：在温度T下，获取试样筒3内盛满水并且装置进行真空抽气饱和处理后的装置总质量m1；在温度T下，获取试样筒内装满比重为Gs质量为ms的待检测试样并且装置进行真空抽气饱和处理后的装置总质量m2；
具体的，获取m1和m2的方法如下：
获取m1的方法为：将透水石10安装在下盖2上，再将密封环11套设在透水石10侧壁进行密封处理，再在透水石10上放置标准慢速渗透滤纸后再将试样筒3压在标准慢速渗透滤纸上，再往试样筒3内加满纯水，再在试样筒3上盖上标准慢速渗透滤纸，再用透水石10盖住试样筒3，再用密封环11套设在透水石10侧壁进行密封处理，再将装置上盖1和下盖2固定夹紧；
将结合水含量测量装置和固定组件放入真空饱和罐，再在试样筒3进出水口处套上软管且控制软管出口高度保证其不被水淹没并确保第二进水口6浸没于水中，再在温度T下进行真空抽气饱和处理，饱和后取出装置并使其表面干燥，测量其质量m1；
获取m2的方法为：将透水石10安装在下盖2上，再将密封环11套设在透水石10侧壁进行密封处理，再在透水石10上放置标准慢速渗透滤纸后再将试样筒3压在标准慢速渗透滤纸上，往试样筒3内填充满比重为Gs、质量为ms的试样，再在试样筒3上盖上标准慢速渗透滤纸，再用透水石10盖住试样筒3，再用密封11环套设在透水石10侧壁进行密封处理，再将装置上盖1和下盖2固定夹紧；
将结合水含量测量装置和固定组件放入真空饱和罐，再在试样筒3进出水口处套上管路且控制管路高度保证其不被水淹没并确保第二进水口6浸没于水中，再在温度T下进行真空抽气饱和处理24小时，饱和后取出装置并使其表面干燥，测量其质量m2。
步骤2：利用步骤1中所取得的数据求解温度T下试样结合水含量wbT；
具体的，利用步骤1中所取得的数据求解温度T下试样结合水含量wbT所用的公式为：
Figure BDA0002864186350000061
其中，ρT为水在温度T时的密度，ρ4℃为水在4℃时的密度；
步骤3：基于步骤1中测量完m2的装置，在温度T下，保持第二进水口6和第二出水口7相平，将刻度板9竖直放置，将第一支管81与第二进水口6连接，第二支管82与水位桶连接，再打开第一阀门811和第二阀门821，让温度为T的水从水位桶自由流过待检测试样，再关闭第一阀门811，待干路管83水位达到设定高度h1时关闭第二阀门821，再重新打开第一阀门811的同时开始计时，记录经过时间t后干路管83的水位h2，在本实施例中使第二进水口6和第二出水口7相平仅需将装置顺时针旋转90°即可(基于附图1方向)；
具体的，步骤3中水位下降的高度h＝h1-h2，干路管83的内截面积为a，则在时段dt内经过干路管水的流量dQ＝adh，根据达西定律，在时段dt内流经试样的水量又表示为
Figure BDA0002864186350000062
其中A为试样截面积，L为试样的高度，k为试样渗透系数，则根据某一时刻流经试样水的流量与流经干路管83水的流量相等的原理，得到温度T下试样的渗透系数为：
Figure BDA0002864186350000063
步骤4：利用步骤3中所取得的数据求解温度T下试样渗透系数kT。
本实施例中，通过控制温度T的不同，可以检测在不同温度下的土体结合水含量与渗透系数，如图8和图9所示，本实施例中，对不同粘粒含量试样和不同干密度掺粘沙土试样进行了温度T分别为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃和60℃共6组试验，均可以得到准确的结果。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种土体结合水含量与渗透系数测量方法，其特征在于：所述方法应用于土体结合水含量与渗透系数测量装置，所述装置包括两端开口的试样筒(3)，所述试样筒(3)两端分别密封连接设有上盖(1)和下盖(2)，所述上盖(1)和所述下盖(2)与所述试样筒(3)之间分别设有透水石(10)；所述试样筒(3)侧壁上设有第一进水口(4)和第一出水口(5)，所述下盖(2)上设有第二进水口(6)，所述上盖(1)上设有第二出水口(7)；
所述装置还包括水头测量组件，所述水头测量组件包括Y形管(8)、刻度板(9)和水位桶，所述Y形管(8)包括第一支管(81)、第二支管(82)和透明的干路管(83)，所述干路管(83)固定设置在所述刻度板(9)上，所述第一支管(81)上和所述第二支管(82)上分别设有第一阀门(811)和第二阀门(821)，所述第一支管(81)用于连接所述第二进水口(6)，所述第二支管(82)用于连接所述水位桶；
还包括控制所述试样筒(3)内温度的控温装置；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：在温度T下，获取所述试样筒(3)内盛满水并且装置进行真空抽气饱和处理后的装置总质量m1；在温度T下，获取所述试样筒内装满比重为Gs质量为ms的待检测试样并且装置进行真空抽气饱和处理后的装置总质量m2；
步骤2：利用步骤1中所取得的数据求解温度T下试样结合水含量wbT；
步骤3：基于步骤1中测量完m2的装置，在温度T下，保持所述第二进水口(6)和所述第二出水口(7)相平，将刻度板(9)竖直放置，将第一支管(81)与所述第二进水口(6)连接，第二支管(82)与水位桶连接，再打开第一阀门(811)和第二阀门(821)，让温度为T的水从水位桶自由流过待检测试样，再关闭第一阀门(811)，待干路管(83)水位达到设定高度h1时关闭第二阀门(821)，再重新打开第一阀门(811)的同时开始计时，记录经过时间t后干路管(83)的水位h2；
步骤4：利用步骤3中所取得的数据求解温度T下试样渗透系数kT；
所述步骤2分别与所述步骤3、步骤4顺序可变；
利用步骤1中所取得的数据求解温度T下试样结合水含量wbT所用的公式为：
Figure FDA0003412989500000011
其中，ρT为水在温度T时的密度，ρ4℃为水在4℃时的密度。
2.根据权利要求1所述的土体结合水含量与渗透系数测量方法，其特征在于：获取所述m1和m2的方法为：
获取所述m1的方法为：将透水石(10)安装在所述下盖(2)上，再将密封环(11)套设在透水石(10)侧壁进行密封处理，再在透水石(10)上放置标准慢速渗透滤纸后再将试样筒(3)压在标准慢速渗透滤纸上，再往试样筒(3)内加满纯水，再在试样筒(3)上盖上标准慢速渗透滤纸，再用透水石(10)盖住试样筒(3)，再用密封环(11)套设在透水石(10)侧壁进行密封处理，再将装置固定夹紧；
将结合水含量测量装置和固定组件放入真空饱和罐，再在所述第一进、出水口(4，5)套上管路且控制管路高度保证其不被水淹没并确保所述第二进水口(6)浸没于水中，再在温度T下进行真空抽气饱和处理，饱和后取出装置并使其表面干燥，测量其总质量m1；
获取所述m2的方法为：将透水石(10)安装在所述下盖(2)上，再将密封环(11)套设在透水石(10)侧壁进行密封处理，再在透水石(10)上放置标准慢速渗透滤纸后再将试样筒(3)压在标准慢速渗透滤纸上，往试样筒(3)内填充满比重为Gs、质量为ms的试样，再在试样筒(3)上盖上标准慢速渗透滤纸，再用透水石(10)盖住试样筒(3)，再用密封环(11) 套设在透水石(10)侧壁进行密封处理，再将装置固定夹紧；
将结合水含量测量装置和固定组件放入真空饱和罐，再在所述第一进、出水口(4，5)套上管路且控制管路高度保证其不被水淹没并确保所述第二进水口(6)浸没于水中，再在温度T下进行真空抽气饱和处理，饱和后取出装置并使其表面干燥，测量其总质量m2；
其中，ρT为水在温度T时的密度，ρ4℃为水在4℃时的密度。
3.根据权利要求1所述的土体结合水含量与渗透系数测量方法，其特征在于：利用步骤3中所取得的数据求解温度T下试样渗透系数kT所用的公式为：
Figure FDA0003412989500000021
其中，a为干路管的内截面积，A为试样截面积，L为试样高度。
4.根据权利要求1所述的土体结合水含量与渗透系数测量方法，其特征在于：所述第二进水口(6)和所述第二出水口(7)分别位于所述下盖(2)和所述上盖(1)同一侧的侧壁上。
5.根据权利要求1所述的土体结合水含量与渗透系数测量方法，其特征在于：所述控温装置为螺旋导热管(12)，所述螺旋导热管(12)套设在所述试样筒(3)外壁。
6.根据权利要求1所述的土体结合水含量与渗透系数测量方法，其特征在于：还包括检测所述第二出水口(7)处水温的温度传感器。
7.根据权利要求1所述的土体结合水含量与渗透系数测量方法，其特征在于：还包括用于固定夹紧的固定组件，所述固定组件包括固定盘(13)、支撑杆(14)、螺母(15)和基座(16)，所述支撑杆(14)上设有与所述螺母(15)配合的外螺纹，所述螺母(15)与所述支撑杆(14)螺纹配合，所述支撑杆(14)的一端与所述基座(16)固定连接，另一端套设在所述固定盘(13)上。
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