CN220872307U - 一种测定细粒土渗透性的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉公开了一种测定细粒土渗透性的实验装置，装置包括加压供水组件、试样装填组件、防渗组件及量测组件。加压供水组件由供水箱和耐压水管组成。供水箱具有加水、充气、卸压和测压功能；试样装填组件由顶盖、筒体和底座组成；防渗组件由3个密封平垫组成；量测组件由压力表、供水箱内的刻度尺和容量瓶组成。该装置采用气动液压方法提供渗透水头，既可按常规的变水头方法进行渗透实验，也可通过提高水头突破粘性土的起始水力坡降后按常水头方法进行渗透实验，大大缩短渗透实验时间并提高实验效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及地下水科学与工程、地质工程、岩土工程、交通工程、勘查科学与技术、环境工程、防震减灾工程等领域，具体是一种测定细粒土渗透性的实验装置。
背景技术
土的渗透系数是衡量土的渗透性大小的定量指标，是主要的水文地质参数之一。土的渗透系数通常由渗透实验获得，而渗透实验是用渗透仪来完成的，因此土的渗透仪是相关技术领域中常用的土工试验仪器。传统的土渗透仪包括常水头渗透仪和变水头渗透仪。常水头渗透仪主要用于渗透性较大的土，而变水头渗透仪主要用于渗透性较小的土，即细粒土，或称为低渗透性土。
现有低渗透性土试验装置存在以下几个问题：
第一、对于低渗透性土，由于可能存在起始水力坡降问题而需要提高供水水头，但由于实验室空间高度限制（一般实验室层高3m左右），通常的简易水箱和水管供水方式无法有效提高供水水头；
第二、由于低渗透性土的渗透性很小，在实验室层高范围内的供水水头条件下，渗透实验耗时很长，甚至需要很多天时间才能完成一个土样的渗透实验，所获得的水量非常少（一般就几毫升），很容易在实验过程中就挥发掉了，使实验结果偏离真实情况，为缩短实验时间，提高实验结果的可靠性，同样需要提高供水水头，但实验室空间条件受限制。不过，过多的提高供水水头也可能产生另外一个问题，即部分水有可能通过土和环刀之间的接触面直接进入排水通道，造成实验结果的偏差，但这种现象是可以通过提高水头后的不断实验获得平衡点来避免的，即既适当提高了水头，又不至于让水通过土与环刀之间的接触面直接进入排水通道。
为此，为了提高细粒土或低渗透性土渗透实验的效果，获得更加可靠的渗透系数，需要改进或创新供水方式。
发明内容
针对上述技术问题，本实用新型提出一种测定细粒土渗透性的实验装置，该装置相比于现有渗透试验装置来说，在内部防渗结构和供水系统进行改变，提高了渗透试验的效率，并且能够获得真实的渗透系数值。
为了实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术手段：
一种测定细粒土渗透性的实验装置，包括：
试样装填组件，用于装填待测试的土样，包括：顶盖、底座以及试样筒，其中，所述顶盖和底座上、下对称设置，所述试样筒设置于所述顶盖和底座之间，所述试样筒内设有放置获取土样的环刀的试样通道；
所述顶盖内设有进水通道以及放置第一透水石的第一透水石放置腔，第一透水石放置腔的上部一侧与所述进水通道连通；
所述底座内设有放置第二透水石的第二透水石放置腔、以及设置于所述第二透水石放置腔底部的排水通道；
支撑脚，位于底座底部；
容量瓶，放置在试样装填组件的底部，位于所述排水通道的正下方，用于收集从排水通道中流出的水；
所述顶盖与试样筒顶部之间设有第一密封单元；
所述底座与试样筒底部之间设有第二密封单元；
所述获取土样的环刀的顶部具有径向凸起的环形凸台部，所述环形凸台部的底面与试样筒顶部之间设有第三密封单元；
锁紧组件，将所述顶盖、试样筒和底座三者压紧，上述三个部分通过三个所述密封单元紧密结合；
加压供水组件，包括供水箱和充气泵，所述供水箱上设有充气孔、卸压孔、压力表以及出水孔，所述出水孔通过耐压水管与试样装填组件中所述顶盖上的进水通道连接，加压供水组件中的水通过耐压水管进入到进水通道，再通过所述第一透水石进入到细粒土样，水透过土样后又通过第二透水石进入所述排水通道；所述充气泵用于连接充气孔向供水箱内部充气加压；
耐压水管上设有阀门。
所述排水通道为设置于试样装填组件底座底部中心处的通孔；
所述底座内位于所述第二透水石放置腔和排水通道之间设有漏斗形过渡槽，所述漏斗形过渡槽的上端与第二透水石放置腔连通，底端与所述排水通道连通。
所述锁紧组件包括三组，三组锁紧组件沿顶盖周向均匀间隔布置，每组锁紧组件结构相同，均包括：
螺杆，一端插入所述底座内，另一端穿过所述顶盖后通过吊环螺母进行紧固。
所述第一透水石放置腔设置在所述顶盖的底部中心处，呈柱形，柱形的所述第一透水石放置腔的内径与所述第一透水石的外经相匹配。
所述顶盖的底部位于所述第一透水石放置腔的下方设有第一环槽，所述第一环槽的内径与所述试样筒的上端外径相匹配，所述第一密封单元设置在所述第一环槽的顶壁与试样筒顶端之间；
所述底座的上部位于所述第二透水石放置腔的上方设有第二环槽，所述第二环槽的内径与所述试样筒的下端外经相匹配，第二密封单元设置在所述第二环槽槽底和试样筒底端之间；
所述试样筒的顶部设有第三环槽，所述第三环槽的内径与所述获取土样的环刀顶部的环形凸台部外径相匹配。
所述第一密封单元为第一环形密封平垫片，所述第一环形密封平垫片的上侧能够将顶盖与第一透水石之间的缝隙覆盖，下侧能够将试样筒与获取土样的环刀顶部之间的缝隙覆盖；
所述第二密封单元为第二环形密封平垫片，所述第二环槽的槽底设有对所述第二环形密封平垫片进行限位用的密封平垫片槽。
所述供水箱包括：
供水箱顶盖，所述充气孔、卸压孔和压力表设置在所述供水箱顶盖上；
供水箱体，所述供水箱顶盖和供水箱体之间通过法兰和紧固件连接，供水箱体内设有标尺，用来量测灌入供水箱内水的水层高度。
供水箱体的底部侧壁设置所述出水孔。
有益效果
第一．本实用新型供水箱的气动液压供水设计方案，渗透水头由供水箱内的液态水的水头和液面上方空腔中的气压组成，气压可以换算成水头，与液压水头共同构成渗透水头。这样的创新设计可以达成几个效果：
一是整个装置不受实验室空间条件的限制，占用空间很小；
二是不受供水水源限制，传统的低渗透土样的渗透装置都要求实验室内必须有自来水供水水管，而采用气动液压供水装置后可以在任何没有供水水源的地方进行渗透实验，只需要自带1~2瓶1500毫升的瓶装水即可开展实验。
三是水头调整快，不同的土样需要不同的供水水头时，不需要增加和减少供水箱中水的量，只需要通过充气泵和卸压孔简单快速的调整供水水头。
第二、独特的防渗设计方案，用3层密封平垫构成防渗体系。环刀上方的大面积密封平垫、环刀边沿环形凸台部下方的密封平垫和试样筒底面与底座之间的大面积密封平垫。传统的低渗透实验仪由于供水压力很小（一般小于3m），不需要很高的防渗要求，因此只有2层防渗密封结构，且采用O型圈，其防渗效果差。本渗透仪采用3层防渗，且用平垫，增大了接触面积，因而防渗效果更好。
第三、可用于变水头渗透实验是指仍用传统的供水方式（即简易水箱和水管供水），将本实用新型装置直接与渗透仪的主体连接后就按传统的变水头实验方法进行渗透实验。也可改用常水头试验是指采用本实用新型中的气动液压供水方式后，供水水头在设定一个值后是不变的，在恒定水头条件下的渗透实验就是常水头渗透实验。
附图说明
图1为本实用新型测定细粒土渗透性的实验装置的结构示意图；
图2为试样装填组件的结构示意图；
图3为压紧杆和支撑脚平面分布图。
其中：
11.供水箱；12.加压孔；13.卸压阀；14.压力表；15.法兰；16.紧固件；17.球阀；18.标尺；19.耐压水管；
21.顶盖；22.试样筒；23.底座；24.吊环螺母；25.压紧杆；26.支撑脚；
31.第一环形密封平垫；32.第二环形密封平垫；33.第三环形密封平垫；
41.获取土样的环刀；42.第一透水石；43.第二透水石；44.进水通道。
具体实施方式
下面结合具体实施例以及说明书附图对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，本实验装置由加压供水组件、试样装填组件、防渗组件和量测组件四部分组成。
加压供水组件由密闭的供水箱和加压泵组成。密闭的供水箱顶盖上带有充气孔与充气泵连接、卸压孔和压力表，箱内带有标尺，供水箱的盖子和供水箱体之间通过法兰和紧固件连接，紧固件是吊环螺母和挂钩。供水箱的底部侧壁有出水孔与试样装填组件通过耐压水管连接，耐压管上设有一个球阀；
试样装填组件由顶盖、试样筒和底座以及透水石组成；
防渗组件由3个密封平垫组成；
量测组件由压力表、刻度尺和容量瓶组成。
所述顶盖与试样筒顶部之间设有第一环形密封平垫；
所述底座与试样筒底部之间设有第二环形密封平垫；
所述获取土样的环刀的顶部具有径向凸起的环形凸台部，所述环形凸台部与试样筒顶部之间设有第三环形密封平垫；
通过压紧杆和吊环螺母将试样装填组件的顶盖、试样筒和底座完全压紧，使三部分与密封单元紧密结合构成完整的防渗体系，这样就形成了供水箱中的水通过耐压水管到达顶盖中腔，再通过第一透水石进入到细粒土样，水透过细粒土样后又通过第二透水石进入排水通道，形成一个完整的透水过程。
如图3所示，底座底面上还有3个支撑脚。所述容量瓶放置在试样装填组件的底部，位于所述排水通道的正下方，用于收集从排水通道中流出的水。
本实用新型装置的实验方法如下：
（1）准备工作。将获取土样的环刀装入试样筒中，通过吊环螺母压紧顶盖、试样筒和底座。底座上排水通道的下方放置一个带有刻度的容量瓶。
检查供水箱的泄压阀、压力表和充气孔的密封性是否正常；耐压水管两头的密封性能是否好；顶盖、试样筒和底座是否被压紧，即密封平垫是否被完全压紧。
供水准备：松开供水箱盖子上的吊环螺母，打开供水箱盖子，注入适量的水，水面要落在标尺的刻度范围内，记录下标尺的刻度值后盖上供水箱盖子，拧紧供水箱上的吊环螺母。
在供水准备前要关掉球阀。
（2）供水箱加压。本实验装置的渗透水压由供水箱中的注入水水压和通过充气泵和充气孔加入的箱内水面上的气压这两部分组成。气压可以换算成水头，最终获得总的渗透水头。渗透水头值的大小根据实际需要确定。
（3）开始实验。打开球阀，让供水箱中的水流到试样装填组件中，透过土样，从排水通道中流出，记录容量瓶中的水量和实验时间。实验结束后用达西公式计算土样的渗透系数。
具体实施例
第一步，材料购买，需要购买的材料有：
（1）304不锈钢材料，包括供水箱、顶盖、试样筒和底座，以及压紧杆和支撑脚等都用304不锈钢材料。具体的尺寸如下：(单位mm)
供水箱用外径500、壁厚2、高度500的不锈钢环，用于供水箱；
用直径600、厚度8的不锈钢板用于供水箱顶盖；
用直径500、厚度3的不锈钢板用于供水箱底；
试样装填组件顶盖和底座用直径150、厚度50的不锈钢圆棒2个；
试样装填组件的试样筒用外径100、内径65、高度40的不锈钢筒；
压紧杆用直径13、长110的不锈钢圆棒3根；
支撑脚用直径14、长220的不锈钢圆棒3根；
（2）其他配件：
①压力表1个；②单向充气阀1个；③泄压阀1个；④球阀1个；⑤耐压水管2m；
⑥法兰；⑦吊环螺母及吊钩；⑧透水石2个和密封平垫3个；⑨环刀1个；⑩带刻度的容量瓶1个；
第二步，机械加工。
第三步，组装，供水箱部分涉及焊接。
（1）供水箱的底板和箱体要焊接，与吊环螺母配套的吊钩要焊接在箱体上；
（2）充气口和泄压阀要焊接在供水箱的盖板上；
（3）将压力表安装在供水箱盖板上，保证不透气不漏水；
（4）将耐压水管与供水箱和顶盖连接，同时也安装球阀。耐压水管两头保证不漏水；
（5）将透水石、密封平垫和环刀放入相应位置；
（6）安装压紧杆和吊环螺母；
（7）安装支撑脚；
（8）将容量瓶置于底座的出水孔下方。
第四步，渗透实验方法
按以下步骤进行实验：
（1）松开顶盖上的吊环螺母，卸下顶盖，再将装有细粒土或低渗透性土样的环刀放入相应位置后盖上顶盖，拧紧吊环螺母。
（2）拧开球阀，在给供水箱注水时让水充满耐压水管和顶盖的中空腔，再次拧紧球阀；
（3）继续给供水箱注水，使供水箱内水面位于刻度范围内，记录刻度值。
（4）盖好供水箱的盖子，拧紧吊环螺母。
（5）通过充气孔给供水箱内充气，达到预定压力后停止充气，记录压力表的读数，并将压力值换算成水头值。
（6）观测容量瓶水量的变化和实验时间，待容量瓶内水量变化达到要求后实验停止。
（7）根据供水水头、实验时间、水量和土样截面积等数据，按达西公式计算土样的渗透系数。
Claims (7)
1.一种测定细粒土渗透性的实验装置，包括：
试样装填组件，用于装填待测试的土样，包括：顶盖、底座以及试样筒，其中，所述顶盖和底座上、下对称设置，所述试样筒设置于所述顶盖和底座之间，所述试样筒内设有放置获取土样的环刀的试样通道；
所述顶盖内设有进水通道以及放置第一透水石的第一透水石放置腔，第一透水石放置腔的上部一侧与所述进水通道连通；
所述底座内设有放置第二透水石的第二透水石放置腔、以及设置于所述第二透水石放置腔底部的排水通道；
支撑脚，位于底座底部；
容量瓶，放置在试样装填组件的底部，位于所述排水通道的正下方，用于收集从排水通道中流出的水；
其特征在于，所述顶盖与试样筒顶部之间设有第一密封单元；
所述底座与试样筒底部之间设有第二密封单元；
所述获取土样的环刀获取土样的环刀的顶部具有径向凸起的环形凸台部，所述环形凸台部的底面与试样筒顶部之间设有第三密封单元；
锁紧组件，将所述顶盖、试样筒和底座三者压紧；
加压供水组件，包括供水箱和充气泵，所述供水箱上设有充气孔、卸压孔、压力表以及出水孔，所述出水孔通过耐压水管与试样装填组件中所述顶盖上的进水通道连接，加压供水组件中的水通过耐压水管进入到进水通道，再通过所述第一透水石进入到细粒土样，水透过土样后又通过第二透水石进入所述排水通道；所述充气泵用于连接充气孔向供水箱内部充气加压；耐压水管上设有阀门。
2.根据权利要求1所述的测定细粒土渗透性的实验装置，其特征在于，所述排水通道为设置于试样装填组件底座底部中心处的通孔；
所述底座内位于所述第二透水石放置腔和排水通道之间设有漏斗形过渡槽，所述漏斗形过渡槽的上端与第二透水石放置腔连通，底端与所述排水通道连通。
3.根据权利要求1所述的测定细粒土渗透性的实验装置，其特征在于，所述锁紧组件包括三组，三组锁紧组件沿顶盖周向均匀间隔布置，每组锁紧组件结构相同，均包括：
螺杆，一端插入所述底座内，另一端穿过所述顶盖后通过吊环螺母进行紧固。
4.根据权利要求1所述的测定细粒土渗透性的实验装置，其特征在于，所述第一透水石放置腔设置在所述顶盖的底部中心处，呈柱形，柱形的所述第一透水石放置腔的内径与所述第一透水石的外经相匹配。
5.根据权利要求1所述的测定细粒土渗透性的实验装置，其特征在于，所述顶盖的底部位于所述第一透水石放置腔的下方设有第一环槽，所述第一环槽的内径与所述试样筒的上端外径相匹配，所述第一密封单元设置在所述第一环槽的顶壁与试样筒顶端之间；
所述底座的上部位于所述第二透水石放置腔的上方设有第二环槽，所述第二环槽的内径与所述试样筒的下端外经相匹配，第二密封单元设置在所述第二环槽槽底和试样筒底端之间；
所述试样筒的顶部设有第三环槽，所述第三环槽的内径与所述获取土样的环刀顶部的环形凸台部外径相匹配。
6.根据权利要求5所述的测定细粒土渗透性的实验装置，其特征在于，
所述第一密封单元为第一环形密封平垫片，所述第一环形密封平垫片的上侧能够将顶盖与第一透水石之间的缝隙覆盖，下侧能够将试样筒与获取土样的环刀顶部之间的缝隙覆盖；
所述第二密封单元为第二环形密封平垫片，所述第二环槽的槽底设有对所述第二环形密封平垫片进行限位用的密封平垫片槽。
7.根据权利要求1所述的测定细粒土渗透性的实验装置，其特征在于，
所述供水箱包括：
供水箱顶盖，所述充气孔、卸压孔和压力表设置在所述供水箱顶盖上；
供水箱体，所述供水箱顶盖和供水箱体之间通过法兰和紧固件连接，供水箱体内设有标尺，用来量测灌入供水箱内水的水层高度；
供水箱体的底部侧壁设置所述出水孔。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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