專利名稱：一種評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及用于評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市地下水資源污染問題日益嚴(yán)重。污染物往往由地表淺部非飽和土向飽和土運(yùn)移，因此，污染物運(yùn)移規(guī)律的研究首先需要確定非飽和土的滲流特征。非飽和土中滲流特征通?？赏ㄟ^直接試驗(yàn)方法和間接方法獲得，直接試驗(yàn)方法包括了現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)如張力入滲儀試驗(yàn)適用范圍局限在地表以上較淺的區(qū)域，且測試時(shí)間長，工作量大。室內(nèi)試驗(yàn)方法通常采用固結(jié)試驗(yàn)或常水頭與變水頭試驗(yàn)測定土的滲透系數(shù)，這一方法將所有室內(nèi)試樣視為均質(zhì)、各向同性的單元，忽視了重塑過程對試樣各向異性的影響，且試樣體積小，尺寸效應(yīng)使得測得的非飽和土滲流特征可靠性不強(qiáng)。最新的研究趨勢為采用間接方法來評價(jià)非飽和土的滲透特征，其中最為常用和簡便的是數(shù)值反演方法。數(shù)值反演方法首先假定和滲透系數(shù)函數(shù)k可以近似采用若干個(gè)有限未知參數(shù)的解析式來表達(dá)，賦予這些未知參數(shù)初值，然后把賦予了初值的k代入表征瞬時(shí)流的控制方程，并聯(lián)合試驗(yàn)可控制的邊界條件和初始條件，形成可完整描述滲流狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，最終求解該數(shù)學(xué)模型。將滲流方程的解與試驗(yàn)觀測值進(jìn)行對比和分析，改進(jìn)和優(yōu)化未知參數(shù)的賦值，重復(fù)上述步驟，直至模擬值與實(shí)測值之間的誤差達(dá)到最小，從而確定k的表達(dá)式。數(shù)值反演方法同樣需要進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)，以提供實(shí)際觀測值作為對比。電阻率成像技術(shù)是一種新興的試驗(yàn)技術(shù)，通過測試土體的電阻率值反映土的性質(zhì)，由于具有快速、可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而得到快速發(fā)展，可用于污染物分布范圍監(jiān)控、污染程度劃分、土體各向異性鑒別以及地基處理質(zhì)量評價(jià)等領(lǐng)域。固結(jié)試驗(yàn)中隨著荷載的作用，孔隙水流出，孔隙體積發(fā)生改變，土的電阻率也隨之改變，因此可利用電阻率的改變反演得到土體滲透系數(shù)。利用數(shù)值反演方法和電阻率成像技術(shù)，結(jié)合室內(nèi)常規(guī)固結(jié)儀，本發(fā)明提出了一個(gè)可利用數(shù)值反演方法來評價(jià)非飽和土滲流特征的電阻率成像固結(jié)儀。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:為克服上述存在的問題和缺陷，本發(fā)明提出了一種可用于評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀。技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，包括頂蓋、側(cè)環(huán)和底盤，所述側(cè)環(huán)設(shè)在底盤上，所述頂蓋套入側(cè)環(huán)內(nèi)，其中:所述頂蓋的上部為不銹鋼蓋，下部為塑料圓柱體，所述塑料圓柱體內(nèi)均勻分布有多個(gè)銅電極，同時(shí)還設(shè)有彎曲元和檢波儀，所述塑料圓柱體設(shè)有排水通道和排水同心圓環(huán)，所述排水同心圓環(huán)與排水通道連通；所述側(cè)環(huán)為內(nèi)襯有塑料圓環(huán)的不銹鋼環(huán)，同時(shí)側(cè)環(huán)的側(cè)壁上等間距的設(shè)有多個(gè)銅電極；所述底盤包括不銹鋼桶和設(shè)在不銹鋼桶內(nèi)壁的塑料內(nèi)襯，所述塑料內(nèi)襯同樣設(shè)有銅電極、彎曲元、檢波儀和排水同心圓環(huán)，并分別與塑料圓柱體中的銅電極、彎曲元、檢波儀和排水同心圓環(huán)相對應(yīng)；同時(shí)所述塑料內(nèi)襯還設(shè)有排水通道，該排水通道與排水同心圓相連通。進(jìn)一步改進(jìn)，所述銅電極包括銅制電極棒、聚酰胺纖維塑料套、不銹鋼柄和導(dǎo)線，所述銅制電極棒尾端與導(dǎo)線相連，所述聚酰胺纖維塑料套套在銅制電極棒上，所述導(dǎo)線埋入不銹鋼柄中并留有引線；同時(shí)銅制電極棒與聚酰胺塑料套之間設(shè)有密封圈。進(jìn)一步的，所述頂蓋和底盤分別設(shè)有13個(gè)銅電極，且其中8個(gè)銅電極分別均勻分布在與頂蓋和底盤同心的圓周上，另外5個(gè)銅電極則分別安裝在頂蓋和底盤的中心部位。進(jìn)一步的，所述頂蓋與側(cè)環(huán)的接觸面，以及側(cè)環(huán)與底盤的接觸面上設(shè)有密封圈；同時(shí)所述銅電極與塑料圓柱體或塑料內(nèi)襯的接觸面設(shè)有密封圈。作為優(yōu)選，所述側(cè)環(huán)上設(shè)有16個(gè)銅電極。作為優(yōu)選，所述塑料圓柱體和塑料內(nèi)襯的材質(zhì)為聚酰胺纖維，電阻率為I
9X IO13 Ω.m。作為優(yōu)選，所述底盤的外壁設(shè)有與排水通道相連的壓力閥。有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):污染物往往由地表淺部非飽和土向飽和土方向運(yùn)移，因此，污染物運(yùn)移規(guī)律的研究首先需要確定非飽和土的滲流特征。本發(fā)明解決了國內(nèi)現(xiàn)有的固結(jié)儀評價(jià)非飽和土滲流特征時(shí)不能考慮各向異性、非均質(zhì)性以及試驗(yàn)尺寸小的缺陷，通過測試固結(jié)試驗(yàn)中隨著孔隙水流出引起土體電阻率的改變，進(jìn)行廉價(jià)、方便、快捷地評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)。該項(xiàng)技術(shù)具有可靠、經(jīng)濟(jì)、快速與可重復(fù)性的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所述電阻率成像固結(jié)儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述側(cè)環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所述底盤的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所述銅電極的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，不銹鋼蓋1、塑料圓柱體2、銅電極3、彎曲元4、檢波儀5、排水通道6、排水同心圓環(huán)7、不銹鋼環(huán)8、塑料圓環(huán)9、不銹鋼桶10、塑料內(nèi)襯11、壓力閥12、密封圈13、銅制電極棒31、聚酰胺纖維塑料套32、不銹鋼柄33、導(dǎo)線34。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。如圖1所示，一種評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，該裝置分為頂蓋、側(cè)環(huán)和底盤三個(gè)部分；頂蓋上部為不銹鋼蓋，承受固結(jié)試驗(yàn)所施加的荷載，頂蓋下部為聚酰胺纖維塑料圓柱體，將電阻率成像固結(jié)儀內(nèi)部的電流與不銹鋼蓋絕緣，在頂蓋的內(nèi)部設(shè)置有13個(gè)銅電極，銅電極3由銅制電極棒、O形密封圈、聚酰胺纖維塑料套、不銹鋼柄以及導(dǎo)線組成，其中8個(gè)銅電極等間距分布在與聚酰胺纖維塑料圓柱體同圓心的圓周上，而在聚酰胺纖維塑料圓柱體圓心附近集中安裝有5個(gè)銅電極、I個(gè)彎曲元和I個(gè)檢波儀，在聚酰胺纖維塑料圓柱體內(nèi)部設(shè)有排水通道和3個(gè)排水同心圓環(huán)，在排水通道的上方、彎曲元和檢波儀內(nèi)部均安裝有O形密封圈，防止固結(jié)儀內(nèi)部的水流引起電路短路；該裝置側(cè)環(huán)外壁為不銹鋼環(huán)，內(nèi)壁為聚酰胺纖維塑料圓環(huán)起絕緣作用，在與側(cè)環(huán)同圓心的側(cè)壁圓周上等間距設(shè)置有16個(gè)銅電極；該裝置底盤設(shè)計(jì)與頂蓋相似，底盤下部為不銹鋼桶，不銹鋼桶11內(nèi)壁為聚酰胺纖維塑料所覆蓋，在底盤內(nèi)部設(shè)置有13個(gè)銅電極、I個(gè)彎曲元、I個(gè)檢波儀和3個(gè)排水同心圓環(huán)，各元件與頂蓋中的元件正對，在底盤內(nèi)部同樣設(shè)置有排水通道，而在不銹鋼桶的外壁對立安裝有壓力閥，以調(diào)整和控制固結(jié)儀內(nèi)的排水和應(yīng)力條件，在聚酰胺纖維塑料對應(yīng)于聚酰胺纖維塑料圓環(huán)的凹槽中設(shè)有O形密封圈。聚酰胺纖維塑料圓柱體直徑設(shè)計(jì)為130mm，電阻率約IO13 Ω.m。側(cè)環(huán)的不銹鋼環(huán)外徑為150mm，內(nèi)徑為135mm，側(cè)環(huán)的聚酰胺纖維塑料圓環(huán)外徑為135mm,內(nèi)徑為130mm,側(cè)環(huán)高度為100mm。銅電極的頭部銅制電極棒直徑為2mm，側(cè)環(huán)中16根銅電極與側(cè)環(huán)底面之間的間距為 20mm。3個(gè)排水同心圓環(huán)直徑分別為70mm、90mm和130mm,公差為2_。底盤的不銹鋼桶外徑為170mm，內(nèi)徑為150mm，底盤的聚酰胺纖維塑料外徑為150mm,內(nèi)徑為 130mm。電阻率成像固結(jié)試驗(yàn)中，聚酰胺纖維塑料圓柱體與底盤中聚酰胺纖維塑料表面的間距為20-60mm，也即所測試土樣的高度應(yīng)為20_60mm。本發(fā)明的可用于評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，其滲透特征測試部分主要由頂蓋的不銹鋼蓋和聚酰胺纖維塑料圓柱體、側(cè)環(huán)的不銹鋼環(huán)和聚酰胺纖維塑料圓環(huán)、底盤的不銹鋼桶和聚酰胺纖維塑料、銅電極、排水通道、3個(gè)排水同心圓環(huán)、O形密封圈和壓力閥組成。頂蓋的不銹鋼蓋、側(cè)環(huán)的不銹鋼環(huán)和底盤的不銹鋼桶可承受固結(jié)試驗(yàn)所施加的荷載。頂蓋的聚酰胺纖維塑料圓柱體、側(cè)環(huán)的聚酰胺纖維塑料圓環(huán)、底盤的聚酰胺纖維塑料將電阻率成像固結(jié)儀內(nèi)部電路與外壁的不銹鋼絕緣，保證電勢的正確測量，同時(shí)降低電阻率成像固結(jié)儀內(nèi)壁與土樣之間的摩擦效應(yīng)。42根銅電極設(shè)置在電阻率成像固結(jié)儀的內(nèi)邊界上，16根電極等間距設(shè)置在側(cè)環(huán)內(nèi)壁，與電阻率成像固結(jié)儀內(nèi)壁底面的間距為20mm，而頂蓋和底盤各放置13根電極。集中放置于頂蓋和底盤的5根銅電極增加了土樣中部的電阻率信息，這是由于該處反演分析的分辨率通常很差，集中安裝可更一步增加電學(xué)反演的靈敏度和準(zhǔn)確性。試驗(yàn)時(shí)在側(cè)環(huán)其中兩個(gè)銅電極上施加電壓，在其他銅電極上可以得出電勢差的分布，從而得到土體各部位電阻率的大小，可以同時(shí)從豎向和水平向進(jìn)行電阻率的測量，充分考慮土樣的各向異性和非均質(zhì)性。排水通道和3個(gè)排水同心圓環(huán)提供了固結(jié)試驗(yàn)所需的排水路徑，且為了避免孔隙水的流動(dòng)引起電路短路，在排水通道的附近、彎曲元和檢波儀內(nèi)部均安裝有O形密封圈，從而保證孔隙水始終在設(shè)計(jì)的排水路徑中流動(dòng)。壓力閥則控制固結(jié)試驗(yàn)所需的固結(jié)壓力并提供排水通道。通過數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合反演分析可得到非飽和土的滲透系數(shù)函數(shù)k。Archie方程給出了多孔介質(zhì)測得的電導(dǎo)率與飽和度關(guān)系:
權(quán)利要求
1.一種評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，其特征在于:包括頂蓋、側(cè)環(huán)和底盤，所述側(cè)環(huán)設(shè)在底盤上，所述頂蓋套入側(cè)環(huán)內(nèi)，其中: 所述頂蓋的上部為不銹鋼蓋，下部為塑料圓柱體，所述塑料圓柱體內(nèi)均勻分布有多個(gè)銅電極，同時(shí)還設(shè)有彎曲元和檢波儀，所述塑料圓柱體設(shè)有排水通道和排水同心圓環(huán)，所述排水同心圓環(huán)與排水通道連通； 所述側(cè)環(huán)為內(nèi)襯有塑料圓環(huán)的不銹鋼環(huán)，同時(shí)側(cè)環(huán)的側(cè)壁上等間距的設(shè)有多個(gè)銅電極； 所述底盤包括不銹鋼桶和設(shè)在不銹鋼桶內(nèi)壁的塑料內(nèi)襯，所述塑料內(nèi)襯同樣設(shè)有銅電極、彎曲元、檢波儀和排水同心圓環(huán)，并分別與塑料圓柱體中的銅電極、彎曲元、檢波儀和排水同心圓環(huán)相對應(yīng)；同時(shí)所述塑料內(nèi)襯還設(shè)有排水通道，該排水通道與排水同心圓相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，其特征在于:所述銅電極包括銅制電極棒、聚酰胺纖維塑料套、不銹鋼柄和導(dǎo)線，所述銅制電極棒尾端與導(dǎo)線相連，所述聚酰胺纖維塑料套套在銅制電極棒上，所述導(dǎo)線埋入不銹鋼柄中并留有引線；同時(shí)銅制電極棒與聚酰胺塑料套之間設(shè)有密封圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，其特征在于:所述頂蓋和底盤分別設(shè)有13個(gè)銅電極，且其中8個(gè)銅電極分別均勻分布在與頂蓋和底盤同心的圓周上，另外5個(gè)銅電極則分別安裝在頂蓋和底盤的中心部位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，其特征在于:所述頂蓋與側(cè)環(huán)的接觸面，以及側(cè)環(huán)與底盤的接觸面上設(shè)有密封圈；同時(shí)所述銅電極與塑料圓柱體或塑料內(nèi)襯的接觸面設(shè)有密封圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，其特征在于:所述側(cè)環(huán)上設(shè)有16個(gè)銅電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，其特征在于:所述塑料圓柱體和塑料內(nèi)襯的材質(zhì)為聚酰胺纖維，電阻率為I 9 X IO13 Ω.m。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，其特征在于:所述底盤的外壁設(shè)有與排水通道相連的壓力閥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)的電阻率成像固結(jié)儀，包括頂蓋、側(cè)環(huán)和底盤，所述側(cè)環(huán)設(shè)在底盤上，頂蓋套入側(cè)環(huán)內(nèi)，所述頂蓋的上部為不銹鋼蓋，下部為塑料圓柱體，所述塑料圓柱體內(nèi)均勻分布有多個(gè)銅電極，同時(shí)還設(shè)有彎曲元和檢波儀，所述塑料圓柱體設(shè)有排水通道和與之相連通的排水同心圓環(huán)；所述側(cè)環(huán)為內(nèi)襯有塑料圓環(huán)的不銹鋼環(huán)，側(cè)壁上等間距的設(shè)有多個(gè)銅電極；所述底盤包括不銹鋼桶和設(shè)在不銹鋼桶內(nèi)壁的塑料內(nèi)襯，所述塑料內(nèi)襯設(shè)置與塑料圓柱體排布相對應(yīng)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)不能考慮各向異性、非均質(zhì)性以及試驗(yàn)尺寸小的缺陷，通過測試固結(jié)試驗(yàn)中隨著孔隙水流出引起土體電阻率的改變，進(jìn)行廉價(jià)、方便、快捷地評價(jià)非飽和土滲透系數(shù)。
文檔編號G01N15/08GK103163055SQ20131005310
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月18日
發(fā)明者蔡國軍, 鄒海峰, 劉松玉 申請人:東南大學(xué)