CN113376075A - 非饱和土一维水-气两相渗流试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非饱和土一维水‑气两相渗流试验装置,包括护筒(1)和气液分离器(7),护筒(1)上设有溢流口(5),气液分离器(7)上设有进口管(8)和调节管(10),进口管(8)与护筒(1)下端连通,气液分离器(7)侧壁上设有空气溢流管(12)和水出流管(14),水出流管(14)的水封部的一折弯段或水出流管(14)出口端高于或等于水出流管(14)水平高。本装置在护筒(1)内依次填装碎石(3)、土壤(2)和上覆水(4),通过测量空气溢流管(12)和水出流管(14)可直观的得出土壤中水和空气的流速和流量。解决现有不能同时在非饱和土渗流过程中分别测量水和空气的流速和流量的技术难题。
Description
技术领域
本发明公开了一种非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,属于土壤分析设备技术领域。
背景技术
非饱和土是指土壤孔隙由水和空气填充,即饱和度小于100%时但大于0时的土壤。非饱和土是一种三相土,与饱和土不同,非饱和土中不仅有固相(土粒及部分胶结物质)和液相(水和水溶液),而且还有气相(空气和水汽等)存在。气相的存在使土的性质大为复杂化,它的基本特性与饱和土有所不同,这些特性给非饱和土工程性状的研究带来了许多困难,以致目前对非饱和土基本性质的研究需不断完善。在非饱和土渗流过程中流动的是空气和水,水看得见摸得着,易收集和量测,空气不易收集和量测,更无法直观感受其流动状态。
非饱和土的测试的难点有以下几个方面:
1、非饱和土是固–液–气三相复合介质,水气的赋存形态有水连通–气封闭、双开敞(各自连通)、气连通–水封闭等多种情况,测试内容大大增加,且要求各相的应力和变形分别独立控制、量测。其中孔压包括水压和气压,渗透性包括水的渗透性和气的渗透性,扩散现象包括空气在水中的扩散和水蒸气在空气中的扩散,状态变量包括应力、应变、吸力(包括基质吸力和溶质吸力)、饱和度(或体积含水量、重量含水率)和温度等,本构模型包括土骨架、水、气(如状态方程)的本构关系,强度及水气运动规律等,试验方法(应力路径)有数十种之多;
2、吸力变化范围很大(从0至上万kPa),大于100kPa的基质吸力的直接量测很困难(发生气穴、汽化现象);
3、土样体变小、水的流速低,土样中状态量达到均衡的时间要很长,要求量测精度高、连续测试的时段长,试验历时从几小时到几天、几周,甚至几月、几年。动载作用下的测试数据几乎不能代表土样实际情况;
4、气相压缩性大,不仅无孔不通,而且还能通过橡皮膜扩散,在土样水分中溶解与扩散,干扰排水量的量测,并大大增加了土样体变量测的难度(不能像饱和土那样由测排水量代替测体变);
5、特殊土的特殊性质的测试(如湿陷性、胀缩性、负摩擦、微细结构及其损伤演化对变形强度渗透性的影响)有特殊要求和难度。
正是由于非饱和土的测试难度大,造成现有的仪器设备结构复杂,成本高同时精度难保证。且不能同时在非饱和土渗流过程中分别测量水和空气的流速和流量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术不能同时在非饱和土渗流过程中分别量测水和空气的流速和流量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,包括护筒和气液分离器,所述护筒侧壁上设置有溢流口,气液分离器设置在护筒的下方,气液分离器上端面设置有可封堵的进口管和调节管,进口管上端与护筒下端连通,气液分离器侧壁上设置有空气溢流管和水出流管,空气溢流管与气液分离器的连通处位于水出流管与气液分离器的连通处的上方,水出流管中部或端部折弯形成水封部,水封部的一折弯段或水出流管的出口端水平高大于或等于水出流管与气液分离器的连通处的水平高,小于空气溢流管与气液分离器连通处水平高。
其中,上述装置中还包括溢流返送装置,所述溢流返送装置与溢流口连接,并将溢流口溢出的液体返送至护筒内。
进一步,上述装置中所述溢流返送装置包括输送泵,所述输送泵的进口与溢流口连通,出口与护筒连通。
进一步,上述装置中所述输送泵为蠕动泵。
进一步,上述装置中还包括溢流槽、溢流软管和补水软管,所述溢流槽通过溢流软管与溢流口连接,输送泵通过补水软管与护筒连通。
其中,上述装置中还包括水容纳器皿,所述水容纳器皿位于水出流管出口的下方,且水容纳器皿侧壁上设置有刻度标识线。
其中,上述装置中所述进口管上设置有进口阀门,调节管上设置有调节阀门。
其中,上述装置中所述水出流管管上设置有水流量传感器,空气溢流管上设置有气体流量传感器。
其中,上述装置中所述水出流管折弯后的水封部成倒U形结构。
其中,上述装置中所述空气溢流管为“Z”字形结构,且空气溢流管的最低处接口端与气液分离器连接。
本发明的有益效果是:本装置结构简单,制作方便,可直观的量测非饱和土一维入渗过程中的水气渗流。实际通过在护筒内依次填装碎石、土壤和上覆水,在气液分离器中预先注入一定量的水,保持上覆水水位恒定,通过测量空气溢流管和水出流管管内流量就可直观的得出土壤中含水和气体的含量。该装置可直观的在非饱和土一维渗流过程中分别量测水和空气的流速和流量,使得本装置便于直观开展非饱和土一维水-气渗流的研究和教学。
附图说明
图1为本发明连接后的结构示意图。
图中标记为:1为护筒,2为土壤,3为碎石,4为上覆水,5为溢流口,6为溢流软管,7为气液分离器,8为进口管,9为进口阀门,10为调节管,11为调节阀门,12为空气溢流管,13为气体流量传感器,14为水出流管,15为水流量传感器,16为水容纳器皿,17为输送泵,18为溢流槽,19为补水软管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示,本发明的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,包括护筒1和气液分离器7,所述护筒1侧壁上设置有溢流口5,气液分离器7设置在护筒1的下方,气液分离器7上端面设置有可封堵的进口管8和调节管10,进口管8上端与护筒1下端连通,气液分离器7侧壁上设置有空气溢流管12和水出流管14,空气溢流管12与气液分离器7的连通处位于水出流管14与气液分离器7的连通处的上方,水出流管14中部或端部折弯形成水封部,水封部的一折弯段或水出流管14的出口端水平高大于或等于水出流管14与气液分离器7的连通处的水平高,小于空气溢流管12与气液分离器7连通处水平高。本领域技术人员能够理解的是,本装置的护筒1主要用于盛装碎石3、土壤2和上覆水4,故护筒1为上端开口,侧壁设置有溢流口5,底面设置有出口的筒状结构,为了方便观察上覆水4的入渗过程可优选护筒1由透明材料制得。溢流口5的高度可更具实际情况确定,实际使用时,也应参照溢流口5的高度来添加碎石3和土壤2的厚度,土壤2的高度应远大于碎石3的高度,且保证上覆水4足量即可。气液分离器7主要实现经土壤2渗出的水和气体的收集、分离与量测的目的,可优选气液分离器7为透明材料制得,优选在气液分离器7上端面设置有可封堵的进口管8和调节管10,进口管8上端与护筒1下端连通,保持经土壤2渗出的气体和水的流动,而调节管10则主要用于在气液分离器7内添加适量的水。优选在气液分离器7侧壁上设置有空气溢流管12和水出流管14,且保持空气溢流管12与气液分离器7的连通处位于水出流管14与气液分离器7的连通处的上方,使得经土壤2渗出的气仅能通过空气溢流管12排入大气,通过实时检测流经空气溢流管12内的气体流量就可得知土壤2中剩余多少气体。为了保证气液分离器7中的气不会通过水出流管排入大气,本装置还优选水出流管14中部或端部折弯形成水封部,通过护筒1侧壁的溢流口5保持上覆水4水位始终一致,同时先在气液分离器7注入适量的水,应使得气液分离器7中的水刚好从水出流管14端部流出即可停止注入,进一步优选水封部的一折弯段或水出流管14的出口端水平高大于或等于水出流管14与气液分离器7的连通处的水平高,且小于空气溢流管12与气液分离器7连通处水平高,使得注入气液分离器7中多余的水仅能从水出流管14中流出,同时注入适量的水后也即是注入气液分离器7中的水刚好从水出流管14端部流出,土壤2中的水一进入气液分离器7就可从水出流管14流出,方便检测流出的水量,尽量得出非饱和土的水渗透特性。
优选的,上述装置中还包括溢流返送装置,所述溢流返送装置与溢流口5连接,并将溢流口5溢出的液体返送至护筒1内。本领域技术人员能够理解的是,为了保证护筒1内的上覆水4水位一致,本装置优选还设置溢流返送装置,将溢流返送装置与溢流口5连接,并将溢流口5溢出的液体返送至护筒1内。
优选的,上述装置中所述溢流返送装置包括输送泵17,所述输送泵17的进口与溢流口5连通,出口与护筒1连通。本领域技术人员能够理解的是,本装置优选溢流返送装置包括输送泵17,实际通过将输送泵17的进口与溢流口5连通,出口与护筒1连通,来保持护筒1内的上覆水4水位。
优选的,上述装置中所述输送泵17为蠕动泵。本领域技术人员能够理解的是,为了避免堵塞管路和保持流量恒定,本装置优选输送泵17为蠕动泵,同时也可减小对护筒1的冲击,实际设置挡板,将挡板通过支架设置在护筒1内,输送泵17出口的液体直接与挡板接触后再流至护筒1内。
优选的,上述装置中还包括溢流槽18、溢流软管6和补水软管19,所述溢流槽18通过溢流软管6与溢流口5连接,输送泵17通过补水软管19与护筒1连通。本领域技术人员能够理解的是,为了保证流量恒定,本装置优选还设置有溢流槽18,且在溢流槽18内注入足量的水,实际将溢流槽18通过溢流软管6与溢流口5连接,输送泵17通过补水软管19与护筒1连通。
优选的,上述装置中还包括水容纳器皿16,所述水容纳器皿16位于水出流管14出口的下方,且水容纳器皿16侧壁上设置有刻度标识线。本领域技术人员能够理解的是,为了方便直观测量水量,本装置优选在水出流管14出口的下方设置水容纳器皿16,并在水容纳器皿16侧壁上设置有刻度标识线,使得水容纳器皿16为量杯。
优选的,上述装置中所述进口管8上设置有进口阀门9,调节管10上设置有调节阀门11。本领域技术人员能够理解的是,为了方便控制,本装置优选进口管8上设置有进口阀门9,调节管10上设置有调节阀门11。
优选的,上述装置中所述水出流管14管上设置有水流量传感器15,空气溢流管12上设置有气体流量传感器13。本领域技术人员能够理解的是,为了方便精确测量土壤2排出的水气量,本装置优选水出流管14管上设置有水流量传感器15,空气溢流管12上设置有气体流量传感器13。
优选的,上述装置中所述水出流管14折弯后的水封部成倒U形结构。本领域技术人员能够理解的是,本装置只是优选将水出流管14折弯后的水封部成倒U形结构。
优选的,上述装置中所述空气溢流管12为“Z”字形结构,且空气溢流管12的最低处接口端与气液分离器7连接。本领域技术人员能够理解的是,为了降低气体中的水或其他杂质,本装置优选空气溢流管12为“Z”字形结构,且空气溢流管12的最低处接口端与气液分离器7连接。
具体操作:在护筒1中按设计依次装入碎石3和土壤2,底层垫碎石3防止土壤2堵住气液分离器7的进口管8。
先关闭进口阀门9,打开调节阀门11,经调节管10往气液分离器7中注入水,待水流通过水出流管14溢出稳定后关闭调节阀门11。
打开进口阀门9,在土壤2上加入恒定高度上覆水4,上覆水4高度可通过连接溢流孔5的溢流软管6的最高点调整,溢流的水通过溢流槽18盛装,为保持土壤2上部上覆水4高度恒定,启动输送泵17,经补水软管19将溢流槽18中盛装的水泵入护筒1内,输送泵17可根据需要调节流速,且事先需在溢流槽18内注入适量的水。使得土壤2中的气或水-气混合流体在土壤2中渗流后经进口管8进入气液分离器7,在气液分离器7中空气在上部,水在下部,实现气液分离。
空气从空气溢流管12经气体流量传感器13流出,气体流量传感器13可实时量测气体流速和累积流量。
水从水出流管14经水流量传感器15流出,在水容纳器皿16中收集,水流量传感器15能实时量测水的流速和流量。
Claims (10)
1.非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:包括护筒(1)和气液分离器(7),所述护筒(1)侧壁上设置有溢流口(5),气液分离器(7)设置在护筒(1)的下方,气液分离器(7)上端面设置有可封堵的进口管(8)和调节管(10),进口管(8)上端与护筒(1)下端连通,气液分离器(7)侧壁上设置有空气溢流管(12)和水出流管(14),空气溢流管(12)与气液分离器(7)的连通处位于水出流管(14)与气液分离器(7)的连通处的上方,水出流管(14)中部或端部折弯形成水封部,水封部的一折弯段或水出流管(14)的出口端水平高大于或等于水出流管(14)与气液分离器(7)的连通处的水平高,小于空气溢流管(12)与气液分离器(7)的连通处水平高。
2.如权利要求1所述的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:还包括溢流返送装置,所述溢流返送装置与溢流口(5)连接,并将溢流口(5)溢出的液体返送至护筒(1)内。
3.如权利要求2所述的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:所述溢流返送装置包括输送泵(17),所述输送泵(17)的进口与溢流口(5)连通,出口与护筒(1)连通。
4.如权利要求3所述的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:所述输送泵(17)为蠕动泵。
5.如权利要求3所述的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:还包括溢流槽(18)、溢流软管(6)和补水软管(19),所述溢流槽(18)通过溢流软管(6)与溢流口(5)连接,输送泵(17)通过补水软管(19)与护筒(1)连通。
6.如权利要求1所述的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:还包括水容纳器皿(16),所述水容纳器皿(16)位于水出流管(14)出口的下方,且水容纳器皿(16)侧壁上设置有刻度标识线。
7.如权利要求1所述的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:所述进口管(8)上设置有进口阀门(9),调节管(10)上设置有调节阀门(11)。
8.如权利要求1所述的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:所述水出流管(14)管上设置有水流量传感器(15),空气溢流管(12)上设置有气体流量传感器(13)。
9.如权利要求1所述的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:所述水出流管(14)折弯后的水封部成倒U形结构。
10.如权利要求1所述的非饱和土一维水-气两相渗流试验装置,其特征是:所述空气溢流管(12)为“Z”字形结构,且空气溢流管(12)的最低处接口端与气液分离器(7)连接。
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CN116609241B (zh) * | 2023-07-14 | 2023-11-14 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 用于全吸力范围非饱和渗透系数的测试装置及方法 |
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