CN112798490A - 非饱和土瞬态导水系数测定仪器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了岩土力学和岩土工程技术领域的非饱和土瞬态导水系数测定仪器及方法,包括压力室、通水通气管路、蒸发补偿装置、显示屏以及气压力传感器,压力室由上端盖和下端盖组成,且上端盖和下端盖之间通过螺栓密封连接,压力室上端盖内腔顶部中间通过螺栓固定有上陶土板,本发明操作简单,土样在整个试验过程中不需要取出压力室,通过蒸发补偿装置和显示屏就可以得到土样排水的变化情况,设计了蒸发补偿系统,因为试验时间长,所以需要考虑盛水天平的水分蒸发,数据处理时,盛水天平的排水量加上对照组的蒸发量可以得到净排水量,通过接在显示屏上的U盘可以记录每一时刻的排水量和蒸发量,并计算渗透系数。
Description
技术领域
本发明涉及岩土力学和岩土工程技术领域,具体为非饱和土瞬态导水系数测定仪器及方法。
背景技术
土水特性曲线和非饱和土瞬态渗透系数是岩土力学和岩土工程中需要测定的重要参数。所述土水特性曲线表达的是基质势,即负的基质吸力与含水率之间的关系,它反应的是土的持水性质,也称为持水特性曲线。土水特性是土的固有的水力性质,是另一种本构关系。当前测量非饱和土土水特性曲线的方法主要是压力板仪法和滤纸法。其中,压力板仪一般适用于基质吸力小于1500kPa的情况;滤纸法一般用于测量土中的总吸力或基质吸力,是建立在滤纸与土的吸力平衡的假设基础上的。滤纸法可用于量测很大范围的吸力值。
非饱和土瞬态渗透系数和土水特性曲线是进行岩土工程所需要的重要参数,土体含水量或基质吸力的变化使得土体性质和力学行为发生变化,从而导致一些自然灾害的发生或施工问题的产生。溢出法实验是当下测量渗透系数和土水特性曲线最广泛的方法,例如Gardner分析方法,它是基于土体的水力扩散系数来估算渗透系数的,不能直接反映出非饱和土渗透系数在每一级气压下的变化;还有van Genuchten-Mualem模型法,是基于土水特性曲线的拟合参数来预测渗透系数的,也无法直接反映非饱和土渗透系数每级气压下的变化过程,基于此,本发明设计了非饱和土瞬态导水系数测定仪器及方法,以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供非饱和土瞬态导水系数测定仪器及方法,以解决上述背景技术中提出的采用压力板仪直接测定土和其他孔隙材料瞬时导水系数的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:非饱和土瞬态导水系数测定仪器,包括压力室、通水通气管路、蒸发补偿装置、显示屏以及气压力传感器,所述压力室由上端盖和下端盖组成,且上端盖和下端盖之间通过螺栓密封连接,所述压力室上端盖内腔顶部中间通过螺栓固定有上陶土板,所述压力室下端盖的内腔底部中间通过螺栓固定有下陶土板,所述上陶土板与下陶土板的两端之间均竖向安装有环刀,且两组环刀和下陶土板以及上陶土板之间组成土样放置空间,所述土样放置空间的内腔安放有土样,所述蒸发补偿装置设置在压力室的一侧,所述显示屏与压力室之间安装有气压力传感器,且气压力传感器远离蒸发补偿装置的一端设置,所述显示屏上带有USB接口。
优选的,所述通水通气管路包括进水管、上排水管、下排水管以及进气管,所述进水管设置在压力室上端盖的上方,且进水管的底端与上陶土板的顶部连接,所述上排水管和下排水管上下对称安装在压力室的内腔,且上排水管的一端与上陶土板的顶部连接,所述下排水管的另一端与下陶土板的底部连接,且上排水管和下排水管的另一端通过三通管接头连接有L型排出管,所述进气管设置在压力室的下方,且进气管顶端与压力室的内腔连通。
优选的,所述进水管的外端安装有进水阀,所述L型排出管的外端安装有出水阀,所述进气管的外端安装有进气阀。
优选的,所述蒸发补偿装置包括称量排水天平和蒸发补偿天平,且称量排水天平和蒸发补偿天平的顶部均放置有盛水容器,所述称量排水天平顶部的盛水容器的内腔与L型排出管的底端连通,所述称量排水天平和蒸发补偿天平的数据输出端均通过导线以及USB接口与显示屏的数据输入端连接。
优选的,所述环刀中间设计有带有半透膜的小孔,所述上陶土板和下陶土板只过水不通气。
优选的,所述压力室的上端盖和下端盖的连接处安装有O型密封圈。
优选的,一种利用非饱和土瞬态导水系数测定仪器测量非饱和土瞬态导水系数的方法,
A1:试验准备阶段:先利用环刀制备土样,之后将土样和上陶土板、下陶土板抽真空饱和至少24小时;
A2:安装设备:先将下陶土板固定在压力室的下端盖上,并加上密封圈,用准备好的湿抹布保持其饱和度;
再将上陶土板固定在压力室的上端盖上,加上密封圈,同样用准备好的湿抹布保持其饱和度;
将步骤A1中准备的土样放置在下陶土板上,使其有密封圈的一侧向上,加入密封圈后,把上陶土板和压力室的上端盖盖紧,并拧紧螺栓,使整个压力室密闭;
A3:开始试验:试验开始前应该将步骤A2中的通水通气管路内的气体排出,在称量排水天平和蒸发补偿天平上放好收集排出孔隙水和用作蒸发对照的容器,将无气水接入进水管,将气体试验机的气口与进气管连接,打开进水阀和出水阀,通水通气管路内的气体排出,直至不再有气泡产生,闭合进水阀和出水阀,将U盘接入显示屏上的USB接口,接通电源并闭合气体试验机开关,设置气压目标值和气压速率,点击气体试验机上的“启动”开关,并打开出水阀;
A4:实验记录;针对A3步骤中的试验过程,记录通过显示屏的显示数据记录,排水量和蒸发量,计算净排水量;当连续两次的净排水量之差小于或等于0.001ml时,认为在该级气压下土体不再排出孔隙水,土中孔隙水处于静止平衡状态,说明上一级施加的气压完全转化成了土样的基质吸力,可以改变气压目标值,进行下一次级实验。
优选的,将气压增量看作是用来克服渗透阻力和转化为基质吸力的的和,利用达西定律求解瞬态渗透系数:
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明操作简单,土样在整个试验过程中不需要取出压力室,通过蒸发补偿装置和显示屏就可以得到土样排水的变化情况;
(2)本发明设计了蒸发补偿系统,因为试验时间长,所以需要考虑盛水天平的水分蒸发,本发明设置了对照组,数据处理时,盛水天平的排水量加上对照组的蒸发量可以得到净排水量。
(3)本发明操试验数据记录方便准确,通过接在显示屏上的U盘可以记录每一时刻的排水量和蒸发量,还可以直接利用U盘记录的数据绘制土水特性曲线,并计算渗透系数。
当然,实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明试验机效果图;
图2为本发明基质势驱动水分运动原理图。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1-压力室,11-上陶土板,12-下陶土板,13-环刀,14-土样,21-进水阀,22-出水阀,23-进水管,24-上排水管,25-下排水管,26-进气管,27-进气阀,3-蒸发补偿装置,31-称量排水天平,32-蒸发补偿天平,4-显示屏,5-气压力传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:非饱和土瞬态导水系数测定仪器,包括压力室1、通水通气管路、蒸发补偿装置3、显示屏4以及气压力传感器5,压力室1由上端盖和下端盖组成,且上端盖和下端盖之间通过螺栓密封连接,压力室1的上端盖和下端盖的连接处安装有O型密封圈,保证压力室1的密封性;
压力室1上端盖内腔顶部中间通过螺栓固定有上陶土板11,压力室1下端盖的内腔底部中间通过螺栓固定有下陶土板12,上陶土板11与下陶土板12的两端之间均竖向安装有环刀13,且两组环刀13和下陶土板12以及上陶土板11之间组成土样放置空间,环刀13中间设计有带有半透膜的小孔,上陶土板11和下陶土板12只过水不通气,确保试验时气体从小孔进入土样14,土样14排出的水从上陶土板11以及下陶土板12排出;
土样放置空间的内腔安放有土样14,蒸发补偿装置3设置在压力室1的一侧,通水通气管路包括进水管23、上排水管24、下排水管25以及进气管26,进水管23设置在压力室1上端盖的上方,且进水管23的底端与上陶土板11的顶部连接,上排水管24和下排水管25上下对称安装在压力室1的内腔,且上排水管24的一端与上陶土板11的顶部连接,下排水管25的另一端与下陶土板12的底部连接,且上排水管24和下排水管25的另一端通过三通管接头连接有L型排出管,进气管26设置在压力室1的下方,且进气管26顶端与压力室1的内腔连通,进水管23的外端安装有进水阀21,L型排出管的外端安装有出水阀22,进气管26的外端安装有进气阀27,进气管26通过压力室1底部直接连入压力室1内腔;进水管23是在试验准备阶段用于加水排净管内气体;
蒸发补偿装置3包括称量排水天平31和蒸发补偿天平32,且称量排水天平31和蒸发补偿天平32的顶部均放置有盛水容器,在实验过程中保证两个容器中的水面面积相同,得到的排水量加上蒸发量等于净排水量,称量排水天平31顶部的盛水容器的内腔与L型排出管的底端连通,称量排水天平31和蒸发补偿天平32的数据输出端均通过导线以及USB接口与显示屏4的数据输入端连接,显示屏4与压力室1之间安装有气压力传感器5,且气压力传感器5远离蒸发补偿装置3的一端设置,显示屏4上带有USB接口。
请参阅图1-2,本发明提供一种利用非饱和土瞬态导水系数测定仪器测量非饱和土瞬态导水系数的方法:
A1:试验准备阶段:先利用环刀13制备土样14,之后将土样14和上陶土板11、下陶土板12抽真空饱和至少24小时;
A2:安装设备:先将下陶土板12固定在压力室1的下端盖上,并加上密封圈,用准备好的湿抹布保持其饱和度;
再将上陶土板11固定在压力室1的上端盖上,加上密封圈,同样用准备好的湿抹布保持其饱和度;
将步骤A1中准备的土样14放置在下陶土板12上,使其有密封圈的一侧向上,加入密封圈后,把上陶土板11和压力室1的上端盖盖紧,并拧紧螺栓,使整个压力室1密闭;
A3:开始试验:试验开始前应该将步骤A2中的通水通气管路内的气体排出,在称量排水天平31和蒸发补偿天平32上放好收集排出孔隙水和用作蒸发对照的容器,将无气水接入进水管23,将气体试验机的气口与进气管26连接,打开进水阀21和出水阀22,通水通气管路内的气体排出,直至不再有气泡产生,闭合进水阀21和出水阀22,将U盘接入显示屏4上的USB接口,接通电源并闭合气体试验机开关,设置气压目标值和气压速率,点击气体试验机上的“启动”开关,并打开出水阀22;
A4:实验记录;针对A3步骤中的试验过程,记录通过显示屏4的显示数据记录,排水量和蒸发量,计算净排水量;当连续两次的净排水量之差小于或等于0.001ml时,认为在该级气压下土体不再排出孔隙水,土中孔隙水处于静止平衡状态,说明上一级施加的气压完全转化成了土样的基质吸力,可以改变气压目标值,进行下一次级实验。
其中,请参阅图2,将气压增量看作是用来克服渗透阻力和转化为基质吸力的的和,利用达西定律求解瞬态渗透系数:
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.非饱和土瞬态导水系数测定仪器,包括压力室(1)、通水通气管路、蒸发补偿装置(3)、显示屏(4)以及气压力传感器(5),其特征在于:所述压力室(1)由上端盖和下端盖组成,且上端盖和下端盖之间通过螺栓密封连接,所述压力室(1)上端盖内腔顶部中间通过螺栓固定有上陶土板(11),所述压力室(1)下端盖的内腔底部中间通过螺栓固定有下陶土板(12),所述上陶土板(11)与下陶土板(12)的两端之间均竖向安装有环刀(13),且两组环刀(13)和下陶土板(12)以及上陶土板(11)之间组成土样放置空间,所述土样放置空间的内腔安放有土样(14),所述蒸发补偿装置(3)设置在压力室(1)的一侧,所述显示屏(4)与压力室(1)之间安装有气压力传感器(5),且气压力传感器(5)远离蒸发补偿装置(3)的一端设置,所述显示屏(4)上带有USB接口。
2.根据权利要求1所述的非饱和土瞬态导水系数测定仪器,其特征在于:所述通水通气管路包括进水管(23)、上排水管(24)、下排水管(25)以及进气管(26),所述进水管(23)设置在压力室(1)上端盖的上方,且进水管(23)的底端与上陶土板(11)的顶部连接,所述上排水管(24)和下排水管(25)上下对称安装在压力室(1)的内腔,且上排水管(24)的一端与上陶土板(11)的顶部连接,所述下排水管(25)的另一端与下陶土板(12)的底部连接,且上排水管(24)和下排水管(25)的另一端通过三通管接头连接有L型排出管,所述进气管(26)设置在压力室(1)的下方,且进气管(26)顶端与压力室(1)的内腔连通。
3.根据权利要求2所述的非饱和土瞬态导水系数测定仪器,其特征在于:所述进水管(23)的外端安装有进水阀(21),所述L型排出管的外端安装有出水阀(22),所述进气管(26)的外端安装有进气阀(27)。
4.根据权利要求2所述的非饱和土瞬态导水系数测定仪器,其特征在于:所述蒸发补偿装置(3)包括称量排水天平(31)和蒸发补偿天平(32),且称量排水天平(31)和蒸发补偿天平(32)的顶部均放置有盛水容器,所述称量排水天平(31)顶部的盛水容器的内腔与L型排出管的底端连通,所述称量排水天平(31)和蒸发补偿天平(32)的数据输出端均通过导线以及USB接口与显示屏(4)的数据输入端连接。
5.根据权利要求1所述的非饱和土瞬态导水系数测定仪器,其特征在于:所述环刀(13)中间设计有带有半透膜的小孔,所述上陶土板(11)和下陶土板(12)只过水不通气。
6.根据权利要求1所述的非饱和土瞬态导水系数测定仪器及方法,其特征在于:所述压力室(1)的上端盖和下端盖的连接处安装有O型密封圈。
7.一种利用权利要求1所述的非饱和土瞬态导水系数测定仪器测量非饱和土瞬态导水系数的方法,其特征在于:
A1:试验准备阶段:先利用环刀(13)制备土样(14),之后将土样(14)和上陶土板(11)、下陶土板(12)抽真空饱和至少24小时;
A2:安装设备:先将下陶土板(12)固定在压力室(1)的下端盖上,并加上密封圈,用准备好的湿抹布保持其饱和度;
再将上陶土板(11)固定在压力室(1)的上端盖上,加上密封圈,同样用准备好的湿抹布保持其饱和度;
将步骤A1中准备的土样(14)放置在下陶土板(12)上,使其有密封圈的一侧向上,加入密封圈后,把上陶土板(11)和压力室(1)的上端盖盖紧,并拧紧螺栓,使整个压力室(1)密闭;
A3:开始试验:试验开始前应该将步骤A2中的通水通气管路内的气体排出,在称量排水天平(31)和蒸发补偿天平(32)上放好收集排出孔隙水和用作蒸发对照的容器,将无气水接入进水管(23),将气体试验机的气口与进气管(26)连接,打开进水阀(21)和出水阀(22),通水通气管路内的气体排出,直至不再有气泡产生,闭合进水阀(21)和出水阀(22),将U盘接入显示屏(4)上的USB接口,接通电源并闭合气体试验机开关,设置气压目标值和气压速率,点击气体试验机上的“启动”开关,并打开出水阀(22);
A4:实验记录;针对A3步骤中的试验过程,记录通过显示屏(4)的显示数据记录,排水量和蒸发量,计算净排水量;当连续两次的净排水量之差小于或等于0.001ml时,认为在该级气压下土体不再排出孔隙水,土中孔隙水处于静止平衡状态,说明上一级施加的气压完全转化成了土样的基质吸力,可以改变气压目标值,进行下一次级实验。
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- 2020-12-31 CN CN202011628657.4A patent/CN112798490B/zh active Active
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