CN114813508B - 逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试系统及方法，系统包括渗流装置、设置于渗流装置内的N块挡板、施压装置和系数测定装置；N块挡板沿渗流装置的轴向依次设置并与渗流装置可拆卸连接，将渗流装置分为N+1个渗流单元，每个渗流单元内设置待测土体；施压装置包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个施压单元，用于为对应的待测土体施加垂向压力；N+1个施压单元施加的垂向压力逐级递增；系数测定装置包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个系数测定单元，用于在施压单元施加的垂向压力下测定待测土体的渗透系数。本发明系统可测得待测土体渗透系数和所有待测土体的综合等效渗透系数，结果准确、装置简单且易于操作。
Description
技术领域
本发明公开了一种逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试系统及方法，属于土木工程测试技术领域。
背景技术
渗透系数是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值直接影响对工程渗流稳定性的评价。
土石坝填筑的过程为分层碾压分层填筑，土体的荷载是逐渐增大的，坝体底部及顶部土体的渗透系数必然不同。而现有技术中，在进行渗透系数的测试时，是对土体施加相同的压力，且采用统一渗透系数进行渗透稳定计算的，导致所测土体的渗透系数并不准确。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试系统及方法，以解决现有技术中所测土体的渗透系数不准确的技术问题。
本发明的第一方面提供了一种逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试系统，包括渗流装置、设置于所述渗流装置内的N块挡板、施压装置和系数测定装置；
N块所述挡板沿所述渗流装置的轴向依次设置，并与所述渗流装置可拆卸连接，将所述渗流装置沿其轴线方向分为N+1个渗流单元，每个所述渗流单元内设置有待测土体；
施压装置包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个施压单元，用于为对应的所述待测土体施加垂向压力；所述N+1个施压单元施加的垂向压力逐级递增；
系数测定装置包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个系数测定单元，用于在所述施压单元施加的垂向压力下测定所述待测土体的渗透系数。
优选地，所述施压单元包括施压组件和传压板；
所述施压组件的压力输出端与所述传压板的第一板面连接，用于向所述传压板施加压力；
所述传压板的第二板面与所述渗流单元内的待测土体相接，用于将所述压力均匀传输至所述待测土体。
优选地，每个所述渗流单元内还包括试样固定组件；
所述试样固定组件设置于所述渗流装置的内底壁和/或所述传压板与所述待测土体之间。
优选地，所述试样固定组件包括透水板和滤纸；
所述透水板与所述滤纸层叠设置；
所述滤纸与所述待测土体相接。
优选地，所述渗流装置的内壁设置有N组卡槽，N组所述卡槽沿所述渗流装置的轴线方向设置；
所述卡槽的槽口宽度与所述挡板的厚度匹配。
优选地，所述系数测定单元包括测压组件和测流组件；
所述测压组件穿过所述渗流装置的外壁，与所述渗流单元内的待测土体相接，用于测量所述待测土体承受的压力值；
所述测流组件穿过所述渗流装置的侧壁底部或者底壁，用于测量所述待测土体的渗出水量。
优选地，还包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个供水单元；
所述供水单元包括水箱、进水流量计和供水阀门；
所述进水流量计设置于所述水箱的进水管上，用于测量进入至所述水箱的水量；
所述供水阀门设置于所述水箱的出水管上，所述出水管的出水口伸入所述渗流单元内；
所述水箱上设置有刻度线。
优选地，所述测流组件包括测流管、测流阀门和测流流量计；
所述测流管与所述渗流装置的侧壁底部或者底壁连接连接，测流管61上设置有测流阀门62；
所述测流流量计设置于所述测流管上，用于测量所述待测土体的渗出水量。
本发明的第二方面提供了一种逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，包括：
将N块挡板插入至渗流装置内，将所述渗流装置沿其轴线方向分为N+1个渗流单元；
将待测土体置入每个所述渗流单元内，打开每个所述渗流单元的供水单元及测流组件，使所述待测土体饱和；
利用施压单元对各自渗流单元内的待测土体施加垂向压力，且N+1个所述施压单元施加的垂向压力逐级递增；
计算每个所述渗流单元内所述待测土体的渗透系数；
抽出N块挡板，获取所述渗流装置内所有待测土体的综合等效渗透系数。
优选地，所述抽出N块挡板，获取所述渗流装置内所有待测土体的综合等效渗透系数，具体包括：
抽出N块挡板；
关闭第二至第N+1个单元的供水单元以及第一至第N个单元的测流组件；
计算所述渗流装置内所有待测土体的综合等效渗透系数。
优选地，计算每个所述渗流单元内所述待测土体的渗透系数，具体包括：
利用第一公式计算每个所述渗流单元内所述待测土体的渗透系数，所述第一公式为：
式中，Q为t时间段内所述待测土体的渗出水量，L为所述待测土体在所述渗流装置轴向上的长度，A为所述待测土体垂直水流向的横截面的面积，H1为供水单元中的水位，H2为测压组件表征的水位。
本发明的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试系统及方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
本发明通过设定N+1个施压单元施加的垂向压力不同且逐级递增(即施加非连续的压力)，以模拟在土石坝填筑过程中，分层碾压分层填筑，土体的荷载是逐渐增大的情况。
本发明可以在设置挡板的情况下，测量每个渗流单元内待测土体的渗透系数；在测量到每个渗流单元内待测土体的渗透系数后，可以抽掉挡板，测量所有待测土体的整体的综合等效渗透系数。
本发明系统测得的渗透系数和综合等效渗透系数较现有系统所得结果更为准确，且装置简单、易于操作。
附图说明
图1为本发明实施例中逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试系统的结构示意图。
图中1为渗流装置；2为挡板；3为供水单元；31为水箱；311为进水管；312为出水管；32为进水流量计；33为供水阀门；4为施压单元；41为施压组件；42为传压板；5为测压组件；6为测流组件；61为测流管；62为测流阀门；63为测流流量计；7为待测土体；8为试样固定组件；81为透水板；82为滤纸。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
本发明的第一方面提供了一种逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试系统，其结构如图1所示，包括渗流装置1、设置于渗流装置1内的N块挡板2、施压装置和系数测定装置；
N块挡板2沿渗流装置1的轴向依次设置，并与渗流装置1可拆卸连接，将渗流装置1沿其轴线方向分为N+1个渗流单元，每个渗流单元内设置有待测土体7；
施压装置包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个施压单元4，用于为对应的待测土体7施加垂向压力；N+1个施压单元4施加的垂向压力逐级递增；
系数测定装置包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个系数测定单元，用于在施压单元施加的垂向压力下测定待测土体7的渗透系数。
本发明通过设定N+1个施压单元施加的垂向压力不同且逐级递增，以模拟在土石坝填筑过程中，分层碾压分层填筑，土体的荷载是逐渐增大的情况。
进一步地，本发明可以在设置挡板的情况下，测量每个渗流单元内待测土体的渗透系数；在测量到每个渗流单元内待测土体的渗透系数后，可以抽掉挡板，测量所有待测土体的整体的综合等效渗透系数。
本发明系统测得的渗透系数和综合等效渗透系数较现有系统所得结果更为准确，且装置简单、易于操作。
为使得施压单元4施加至待测土体7的压力更为均匀，本发明实施例的施压单元4包括施压组件41和传压板42；
施压组件41的压力输出端与传压板42的第一板面连接，用于向传压板42施加压力；
传压板42的第二板面与渗流单元内的待测土体7相接，用于将压力均匀传输至待测土体7。
为避免测试过程中待测土体7的流失，本发明实施例的每个渗流单元内还包括试样固定组件8；试样固定组件8设置于渗流装置1的内底壁和/或传压板42与待测土体7之间。
其中试样固定组件8包括透水板81和滤纸82；
透水板81与滤纸82层叠设置；
滤纸82与待测土体7相接。
本发明实施例中的滤纸82设置于透水板81与待测土体7之间，可以有效防止待测土体7的流失。
为便于安装及抽取挡板2，本发明实施例的渗流装置1的内壁设置有N组卡槽，N组卡槽沿渗流装置1的轴线方向设置；
卡槽的槽口宽度与挡板2的厚度匹配。
该种设置，可以在保证挡板稳定性的同时，降低操作难度，便于安装及抽取挡板。
本发明实施例的系数测定单元包括测压组件5和测流组件6；
其中测压组件5穿过渗流装置1的外壁，与渗流单元内的待测土体7相接，用于测量待测土体7承受的压力值，从而根据压力值，计算得到下部水位H2；本发明实施例的测压组件可为测压管。
测流组件6穿过渗流装置1的侧壁底部或者底壁，用于测量待测土体7的渗出水量。
其中，测流组件6包括测流管61、测流阀门62和测流流量计63；
测流管61与渗流装置1的侧壁底部或者底壁连接，测流管61上设置有测流阀门62；
测流流量计63设置于测流管61上，用于测量待测土体7的渗出水量，便于观察待测土体7是否处于饱和状态，从而确定测试起始时间，进一步保证测试结果的准确性。
本发明实施例的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试系统还包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个供水单元3；
每个供水单元3包括水箱31、进水流量计32和供水阀门33；
进水流量计32设置于水箱31的进水管311上，用于测量进入至水箱31的水量；
供水阀门33设置于水箱31的出水管312上；
水箱31上设置有刻度线。
本发明实施例设置了进水流量计32，从而便于测量进入至水箱31的水量。同时在水箱31上设置了刻度线，可以便捷的读取上部水位H1。
本发明的装置可以得到不同压力下，每个渗流单元内待测土体的渗透系数以及所有渗流单元内所有待测土体整体的综合等效渗透系数，相较于现有技术中的测试装置，大幅缩短了试验时间、减小了试验误差，且装置简单、成本低。
本发明的施压单元包括了传压板，可以使得每个渗流单元内的待测土体承受的压力均匀，保证测试结果的准确性。
本发明每个渗流单元内还包括试样固定组件，可以防止测试过程中待测土体的流失。
本发明通过卡槽固定挡板，便于安装及抽取挡板，降低装置的操作难度。
本发明的水箱上设置刻度线，可直观、便捷地读取上部水位，从而快速获取待测土体的渗透系数。
本发明的测流组件可以准确的确定待测土体是否饱和，从而确定测试起始时间，进一步保证测试结果的准确性。
本发明的第二方面提供了一种逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，包括：
步骤1、将N块挡板2插入至渗流装置1内，将渗流装置1沿其轴线方向分为N+1个渗流单元；
步骤2、将待测土体7置入每个渗流单元内，打开每个渗流单元的供水单元3及测流组件6，使待测土体7饱和，具体为：
打开每个渗流单元的供水阀门33及测流阀门62，等到试样完全饱和，即从测流管61中有水流出，保持供水阀门33及测流阀门62的开启，即保证水流连续流入流出，达到动态平衡。
本发明实施例中的待测土体7为符合《土工试验方法标准GB/T50123-2019》的土样或者现场取原状样的土样。
进一步地，在将待测土体7置入每个渗流单元内具体为：在渗流装置1的内底壁依次放置透水板81和滤纸82，然后将待测土体7装入渗流单元内，再在待测土体7上依次放滤纸82和透水板81。然后调控施压单元4施加垂直预压力，使待测土体7安装完成。
步骤3、利用施压单元4对各自渗流单元内的待测土体7施加垂向压力，且N+1个施压单元4施加的垂向压力不同且逐级递增，如图1所示，P1至P3的压力不同，且P3>P2>P1；
步骤4、计算每个渗流单元内待测土体7的渗透系数，具体包括：
利用第一公式计算每个渗流单元内待测土体7的渗透系数，第一公式为：
式中，Q为t时间段内待测土体7的渗出水量，L为待测土体7在渗流装置1轴向上的长度，A为待测土体7垂直水流向的横截面的面积，H1为供水单元3中的水位，H2为测压组件5表征的水位。
步骤5、抽出N块挡板2，获取渗流装置1内所有待测土体7的综合等效渗透系数。
本发明实施例中，所有待测土体7的综合等效渗透系数的计算方式与每个渗流单元内待测土体7的渗透系数的计算方式相同。
上述步骤5，具体包括：
步骤51、抽出N块挡板2；
步骤52、关闭第二至第N+1个单元的供水单元3以及第一至第N个单元的测流组件6；
步骤53、计算渗流装置1内所有待测土体7的综合等效渗透系数。
本发明的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法简单，易操作，可快速、准确地获取每个渗流单元内的待测土体的渗透系数及所有待测土体的综合等效渗透系数。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (8)
1.一种逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，其特征在于，所述测试方法对应的测试系统包括渗流装置、设置于所述渗流装置内的N块挡板、施压装置和系数测定装置；
N块所述挡板沿所述渗流装置的轴向依次设置，并与所述渗流装置可拆卸连接，将所述渗流装置沿其轴线方向分为N+1个渗流单元，每个所述渗流单元内设置有待测土体；
施压装置包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个施压单元，用于为对应的所述待测土体施加垂向压力；所述N+1个施压单元施加的垂向压力逐级递增；
系数测定装置包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个系数测定单元，用于在所述施压单元施加的垂向压力下测定所述待测土体的渗透系数；
所述系数测定单元包括测压组件和测流组件；
所述测试系统还包括与N+1个渗流单元一一对应的N+1个供水单元；
所述测试方法包括：
将N块挡板插入至渗流装置内，将所述渗流装置沿其轴线方向分为N+1个渗流单元；
将待测土体置入每个所述渗流单元内，打开每个所述渗流单元的供水单元及测流组件，使所述待测土体饱和；
利用施压单元对各自渗流单元内的待测土体施加垂向压力，且N+1个所述施压单元施加的垂向压力逐级递增；
计算每个所述渗流单元内所述待测土体的渗透系数；
抽出N块挡板；
关闭第二至第N+1个单元的供水单元以及第一至第N个单元的测流组件；
计算所述渗流装置内所有待测土体的综合等效渗透系数。
2.根据权利要求1所述的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，其特征在于，计算每个所述渗流单元内所述待测土体的渗透系数，具体包括：
利用第一公式计算每个所述渗流单元内所述待测土体的渗透系数，所述第一公式为：
式中，
为
时间段内所述待测土体的渗出水量，
为所述待测土体在所述渗流装置轴向上的长度，
为所述待测土体垂直水流向的横截面的面积，
为供水单元中的水位，
为测压组件表征的水位。
3.根据权利要求1所述的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，其特征在于，所述施压单元包括施压组件和传压板；
所述施压组件的压力输出端与所述传压板的第一板面连接，用于向所述传压板施加压力；
所述传压板的第二板面与所述渗流单元内的待测土体相接，用于将所述压力均匀传输至所述待测土体。
4.根据权利要求3所述的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，其特征在于，每个所述渗流单元内还包括试样固定组件；
所述试样固定组件设置于所述渗流装置的内底壁和/或所述传压板与所述待测土体之间。
5.根据权利要求4所述的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，其特征在于，所述试样固定组件包括透水板和滤纸；
所述透水板与所述滤纸层叠设置；
所述滤纸与所述待测土体相接。
6.根据权利要求1所述的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，其特征在于，所述渗流装置的内壁设置有N组卡槽，N组所述卡槽沿所述渗流装置的轴线方向设置；
所述卡槽的槽口宽度与所述挡板的厚度匹配。
7.根据权利要求1-6任一项所述的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，其特征在于，所述测压组件穿过所述渗流装置的外壁，与所述渗流单元内的待测土体相接，用于测量所述待测土体承受的压力值；
所述测流组件穿过所述渗流装置的侧壁底部或者底壁，用于测量所述待测土体的渗出水量。
8.根据权利要求7所述的逐级加载作用下非连续等效渗透系数测试方法，其特征在于，所述供水单元包括水箱、进水流量计和供水阀门；
所述进水流量计设置于所述水箱的进水管上，用于测量进入至所述水箱的水量；
所述供水阀门设置于所述水箱的出水管上，所述出水管的出水口伸入所述渗流单元内；
所述水箱上设置有刻度线。
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