土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，包括：填裝有待測土樣的填樣子系統(tǒng)、向填樣子系統(tǒng)提供滲透液的供液子系統(tǒng)和控制待測土樣的土體溫度的控溫子系統(tǒng)，供液子系統(tǒng)又包括：用于儲存滲透液的儲液裝置、用于調(diào)節(jié)進入填樣子系統(tǒng)的滲透液的壓力的調(diào)壓裝置、用于測量流出填樣子系統(tǒng)的滲透液的流速的測速裝置、與儲液裝置相連通的供液倉以及設(shè)置在供液倉內(nèi)并且與儲液裝置相連通的水泵；該土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)不僅能夠模擬出單一的環(huán)境因素，從而檢測單一環(huán)境因素對待測土樣的滲透系數(shù)的影響，還能夠同時模擬出多種共存的環(huán)境因素，從而同時檢測多個環(huán)境因素對待測土樣的滲透系數(shù)的共同影響。
【專利說明】土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種滲透系數(shù)測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]達西定律是法國水力學(xué)家達西在1852?1855年通過大量實驗得出的反映水在巖土孔隙中滲流規(guī)律的實驗定律，其表達式為Q=KFh/L。其中，滲透系數(shù)K是表征土體滲透能力的重要參數(shù)。因此，測量滲透系數(shù)K成為巖土工程中重要的室內(nèi)土工試驗步驟之一。目前對滲透系數(shù)K的測量主要通過常規(guī)達西滲流儀進行，而常規(guī)達西滲流儀無法模擬復(fù)雜環(huán)境下土體的滲透過程。
[0003]近幾年，對土體在某種復(fù)雜環(huán)境下的滲透系數(shù)K的研究正在逐步地展開。申請?zhí)枮?01010277944.5的發(fā)明專利公開了一種多孔材料流-固-熱多場耦合滲透率測量裝置及其測量方法，該專利考慮了溫度場對土體滲透系數(shù)的影響；申請?zhí)枮?01210324287.4的發(fā)明專利公開了一種孔介質(zhì)生物堵塞模擬測試裝置及模擬測試評估方法，該專利研究了微生物對土體滲透系數(shù)的影響。然而，上述專利一次僅可以研究一種復(fù)雜環(huán)境對土體滲透系數(shù)的影響，不能同時研究多種復(fù)雜環(huán)境對土體滲透系數(shù)的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的在于提供一種能夠同時研究多種復(fù)雜環(huán)境對土體滲透系數(shù)的影響的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
[0006]本發(fā)明提供了一種土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，包括:填裝有待測土樣的填樣子系統(tǒng)、用于向填樣子系統(tǒng)提供滲透液的供液子系統(tǒng)、用于控制待測土樣的土體溫度的控溫子系統(tǒng)以及用于測量待測土樣中位于滲透液上游側(cè)的部分和位于滲透液下游側(cè)的部分的水頭差的水頭測量裝置，供液子系統(tǒng)包括用于儲存滲透液的儲液裝置、用于調(diào)節(jié)進入填樣子系統(tǒng)的滲透液的壓力的調(diào)壓裝置和用于測量流出填樣子系統(tǒng)的滲透液的流速的測速裝置。
[0007]上述控溫子系統(tǒng)包括加熱室、用于檢測加熱室的室內(nèi)溫度的溫度傳感器和用于控制加熱室對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)并且實時顯示室內(nèi)溫度的溫度顯示控制器，填樣子系統(tǒng)設(shè)置在加熱室內(nèi)。
[0008]上述填樣子系統(tǒng)包括自下而上依次設(shè)置的進液腔、填裝了待測土樣的填樣腔以及出液腔，進液腔的進液口和儲液裝置通過進液管相連通，進液腔和填樣腔之間以及出液腔和填樣腔之間均設(shè)有耐腐蝕濾網(wǎng)，出液腔的出液口排出的滲透液中的一部分經(jīng)由導(dǎo)流管被輸送至測速裝置并且另一部分經(jīng)由回流管被輸送至儲液裝置，導(dǎo)流管上設(shè)有用于控制該導(dǎo)流管通斷的第一控流閥，回流管上設(shè)有用于控制該回流管通斷的第二控流閥，第一控流閥和第一控流閥不同時打開。進一步地，上述儲液裝置為儲液箱，儲液箱的頂蓋與回流管相連通并且其底蓋與進液管相連通。上述調(diào)壓裝置為升降架，該升降架用于調(diào)節(jié)儲液箱的高度。
[0009]上述供液子系統(tǒng)還包括:通過溢流管與儲液箱相連通的供液倉以及設(shè)置在供液倉內(nèi)并且通過供液管與儲液箱相連通的水泵，供液管與儲液箱的連通處的高度小于溢流管與儲液箱的連通處的高度。
[0010]上述水頭測量裝置分別通過第一測量管和第二測量管與填樣腔相連通，第一測量管與填樣腔的連通處的高度小于第二測量管與填樣腔的連通處的高度。
[0011]上述滲透液為中性溶液、強酸溶液、強堿溶液或富含微生物的液體。
[0012]由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是:
[0013]在本發(fā)明的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)中，首先，各個構(gòu)成裝置均由耐酸、堿和微生物腐蝕的PVC材料組成，在強酸、強堿和富微生物環(huán)境下也能夠正常工作；其次，供液子系統(tǒng)所采用的供液倉和水泵能夠?qū)崿F(xiàn)滲透液在待測土樣中的不間斷地循環(huán)流動，從而真實地模擬出長期滲流環(huán)境；再次，供液子系統(tǒng)所采用的調(diào)壓裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對滲透液的壓力的控制，從而真實地模擬出多種液體壓力環(huán)境；最后，控溫子系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)待測土樣的土體溫度，從而模擬出多種溫度環(huán)境，因此，土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)不僅能夠模擬出單一的環(huán)境因素，從而能夠檢測單一環(huán)境因素對待測土樣的滲透系數(shù)的影響，還能夠同時模擬出多種共存的環(huán)境因素，，從而能夠同時檢測多個環(huán)境因素對待測土樣的滲透系數(shù)的共同影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實施例中的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。
[0015]附圖標(biāo)記:
[0016]進液口 1、耐腐蝕濾網(wǎng)2、填樣腔3、第一測量管4、排液管5、測速裝置6、回流管7、第二控流閥8、第一控流閥9、供液倉10、水泵11、供液管12、儲液箱13、進液管14、溢流管15、升降架16、加熱室17、溫度感應(yīng)器18、溫度顯示控制器19、第二測量管20、土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)21、進液腔22、水頭測量裝置23、出液腔24、出液口 25、導(dǎo)流管26和耐腐蝕濾網(wǎng)27。
【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0018]實施例
[0019]本實施例提供了一種能夠同時模擬多種環(huán)境并且能夠測量在這些環(huán)境的綜合影響下的土體的滲透系數(shù)的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)。該土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)包括填樣子系統(tǒng)、供液子系統(tǒng)、控溫子系統(tǒng)和水頭測量裝置等。
[0020]如圖1所示，填樣子系統(tǒng)用于填裝待測土樣并為待測土樣提供滲透環(huán)境，包括自下而上依次設(shè)置的進液腔22、填樣腔3以及出液腔24。進液腔22位于填樣子系統(tǒng)的最底層，用于接收供液子系統(tǒng)提供的具有一定壓力的滲透液。填樣腔3位于進液腔22的上方，外形為圓筒狀，其內(nèi)填充有待測土樣。進液腔22和填樣腔3之間設(shè)置了耐腐蝕濾網(wǎng)2。出液腔24位于填樣腔3的上方，用于排出經(jīng)過待測土樣后的滲透液。出液腔24和填樣腔3之間也設(shè)置了耐腐蝕濾網(wǎng)27。待測土樣填充在耐腐蝕濾網(wǎng)2和耐腐蝕濾網(wǎng)27之間。來自供液子系統(tǒng)的滲透液從進液口 I進入進液腔22，自下而上依次經(jīng)過耐腐蝕濾網(wǎng)2、填樣腔3、耐腐蝕濾網(wǎng)27和出液腔24，最終從出液口 25通過排液管5排出。圖1中的黑色箭頭表示滲透液的流向。進液腔22、填樣腔3、出液腔24、耐腐蝕濾網(wǎng)2和耐腐蝕濾網(wǎng)27均由耐腐蝕的聚氯乙烯材料(Polyvinyl chloride polymer, PVC)制成,不僅能耐強酸和強堿的腐蝕，還能耐微生物的腐蝕。
[0021]控溫子系統(tǒng)用于把待測土樣的土體溫度加熱到需要的溫度，包括加熱室17、溫度傳感器18和溫度顯示控制器19。加熱室17為密閉筒狀結(jié)構(gòu)，用于對其內(nèi)的空氣進行加熱。整個填樣子系統(tǒng)設(shè)置于加熱室17內(nèi)，被加熱室17加熱。溫度傳感器18設(shè)置在加熱室17的內(nèi)部底端，用于獲取加熱室17的室內(nèi)溫度的實時數(shù)據(jù)。溫度顯示控制器19分別與溫度傳感器18和加熱室17通信連接，不僅能夠獲取溫度傳感器18發(fā)送而來的實時數(shù)據(jù)并將該實時數(shù)據(jù)實時顯示給用戶，還能夠讓用戶設(shè)定所需要的溫度并控制加熱室17將室內(nèi)溫度加熱到所需要的溫度，從而實現(xiàn)對土體溫度的調(diào)節(jié)。
[0022]供液子系統(tǒng)用于向填樣子系統(tǒng)提供滲透液，包括儲液裝置、調(diào)壓裝置、測速裝置和循環(huán)供液裝置。這些裝置也均由耐腐蝕的聚氯乙烯材料制成。
[0023]儲液裝置用于暫時儲存滲透液，本實施例中為儲液箱13。儲液箱13的頂蓋通過回流管7與排液管5相連通并且其底蓋通過進液管14與進液腔22的進液口 I相連通。滲透液為中性溶液、強酸溶液、強堿溶液和富含微生物的液體中的任意一種。
[0024]調(diào)壓裝置用于調(diào)節(jié)進入填樣子系統(tǒng)的滲透液的壓力，本實施例中為升降架16。升降架16能夠抬升或降低儲液箱13，當(dāng)升降架16抬升儲液箱13時，經(jīng)由進液管14進入填樣子系統(tǒng)的滲透液的壓力會增大；當(dāng)升降架16降低儲液箱13時，經(jīng)由進液管14進入填樣子系統(tǒng)的滲透液的壓力會減小。
[0025]測速裝置6用于測量流出填樣子系統(tǒng)的滲透液的流速。從出液腔24的出液口 25排出的滲透液中的一部分經(jīng)由導(dǎo)流管26被輸送至測速裝置6，另一部分則經(jīng)由回流管7被輸送至儲液箱13。導(dǎo)流管26上設(shè)有用于控制該導(dǎo)流管26通斷的第一控流閥9，回流管7上設(shè)有用于控制該回流管7通斷的第二控流閥8，第一控流閥9和第二控流閥8不同時打開。當(dāng)需要測定流速時，第二控流閥8關(guān)閉，第一控流閥9打開，測速裝置6測定流出填樣子系統(tǒng)的滲透液的流速。本實施例中的測速裝置6采用燒杯來測速，測速方法為公知技術(shù)。
[0026]循環(huán)供液裝置包括供液倉10和水泵11。供液倉10用于收集從儲液箱13中溢流出的滲透液，其通過溢流管15與儲液箱13相連通。水泵11設(shè)置在供液倉10內(nèi)并且通過供液管12與儲液箱13相連通。供液管12與儲液箱13的連通處的高度小于溢流管15與儲液箱13的連通處的高度，因此，當(dāng)儲液箱13中滲透液的液面超過溢流管15與儲液箱13的連通處的高度時，儲液箱13中的滲透液便經(jīng)過溢流管15流入供液倉10內(nèi)。
[0027]水頭測量裝置23用于測量待測土體中位于滲透液上游側(cè)某部分和位于滲透液下游側(cè)某部分的水頭差。水頭測量裝置23通過第一測量管4與填樣腔3的位于滲透液上游側(cè)的部分相連通，并且通過第二測量管20與填樣腔3位于滲透液下游側(cè)的部分相連通。由于滲透液在待測土體中自下而上流動，故第一測量管4與填樣腔3的連通處的高度小于第二測量管20與填樣腔3的連通處的高度。
[0028]使用上述土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)測定待測土體的滲透系數(shù)的步驟如下所述:
[0029]第一步、準(zhǔn)備步驟:將滲透液裝入供液倉10，待測土樣裝入填樣腔3，在溫度顯示控制器19上設(shè)定所需溫度，溫度顯示控制器19控制加熱室17升溫至預(yù)設(shè)溫度T，并維持該預(yù)設(shè)溫度T的不變，通過升降架16將儲液箱13升高至所需高度以調(diào)節(jié)滲透液壓力至預(yù)定壓力P。[0030]第二步、初始滲透系數(shù)測定步驟:首先關(guān)閉第一控流閥9，打開第二控流閥8，然后啟動水泵11使?jié)B透液充滿整個土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，待水頭測量裝置23測得的水頭穩(wěn)定后，打開第一控流閥9，關(guān)閉第二控流閥8，根據(jù)測速裝置6計算出V1 (即單位時間內(nèi)流出的滲透液的體積)，并且在水頭測量裝置23上讀取水頭差A(yù)H1,由達西公式K=V1ZiAH1計算得初始滲透系數(shù)I。
[0031]第三步、循環(huán)過程:在t時刻內(nèi)，關(guān)閉第一控流閥9，打開第二控流閥8，使?jié)B透液在水泵11的作用下，由供液倉10經(jīng)供液管12、儲液箱13、進液管14、進液口 1、待測土樣、出液口 25、回流管7、儲液箱13、溢流管15，循環(huán)回到供液倉10。此過程中溫度、滲透液的液體性質(zhì)、壓力等條件均保持不變，各元件保持正常工作。
[0032]第四步、滲透系數(shù)的測定步驟:t時刻時，重復(fù)第二步，計算得到t時刻時待測土樣的滲透系數(shù)Kt，計算出AK=K1-Kttl ΛΚ即為在預(yù)定壓力P、預(yù)設(shè)溫度T、時長為t的穩(wěn)定循環(huán)滲流條件、預(yù)定的液體性質(zhì)等耦合環(huán)境對土體滲透系數(shù)的影響。
[0033]本實施例中的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:
[0034]首先，本土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)的各個組成裝置均由耐酸、堿和微生物腐蝕的PVC材料組成，在強酸、強堿或富微生物的環(huán)境下也能夠正常工作，從而能夠真實地模擬出真實環(huán)境下的土體的滲流狀態(tài)。
[0035]其次，本土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)的水泵能夠?qū)B透液從供液倉輸送到儲液箱，經(jīng)過待測土樣，并經(jīng)回流管輸送回儲液箱，能夠?qū)崿F(xiàn)滲透液不間斷地循環(huán)流動，從而真實地模擬出土體長期所處的循環(huán)滲流環(huán)境。
[0036]再次，在本土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)中，儲液箱安裝于升降架上，能夠在升降架上改變高度，從而實現(xiàn)對滲透液壓力的控制，進而真實地模擬出土體所處的多種液體壓力環(huán)境。
[0037]最后，本土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)設(shè)有控溫子系統(tǒng)，通過內(nèi)置的溫度傳感器檢測加熱室的溫度值，并對其進行實時溫度控制，使得土體溫度始終保持所需的溫度，從而模擬出土體所處的多種溫度環(huán)境。
[0038]總之，本實施例的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)能夠同時真實模擬出多種共存的環(huán)境因素，能夠同時檢測強酸或強堿、富微生物、溫度場、應(yīng)力場等多個環(huán)境因素對土體的滲透系數(shù)的共同影響。
[0039]上述的對實施例的描述是為便于該【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員能理解和使用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，包括:填裝有待測土樣的填樣子系統(tǒng)以及用于向所述填樣子系統(tǒng)提供滲透液的供液子系統(tǒng)，其特征在于:還包括用于控制所述待測土樣的土體溫度的控溫子系統(tǒng)和用于測量所述待測土樣中位于滲透液上游側(cè)的部分和位于滲透液下游側(cè)的部分的水頭差的水頭測量裝置，所述供液子系統(tǒng)包括用于儲存所述滲透液的儲液裝置、用于調(diào)節(jié)進入所述填樣子系統(tǒng)的滲透液的壓力的調(diào)壓裝置和用于測量流出所述填樣子系統(tǒng)的滲透液的流速的測速裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述控溫子系統(tǒng)包括加熱室、用于檢測所述加熱室的室內(nèi)溫度的溫度傳感器和用于控制所述加熱室對所述室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)并且實時顯示所述室內(nèi)溫度的溫度顯示控制器，所述填樣子系統(tǒng)設(shè)置在所述加熱室內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述填樣子系統(tǒng)包括自下而上依次設(shè)置的進液腔、填裝了所述待測土樣的填樣腔以及出液腔，所述進液腔的進液口和所述儲液裝置通過進液管相連通，所述進液腔和所述填樣腔之間以及所述出液腔和所述填樣腔之間均設(shè)有耐腐蝕濾網(wǎng)，所述出液腔的出液口排出的滲透液中的一部分經(jīng)由導(dǎo)流管被輸送至所述測速裝置并且另一部分經(jīng)由回流管被輸送至所述儲液裝置，所述導(dǎo)流管上設(shè)有用于控制該導(dǎo)流管通斷的第一控流閥，所述回流管上設(shè)有用于控制該回流管通斷的第二控流閥，所述第一控流閥和所述第一控流閥不同時打開。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述儲液裝置為儲液箱，所述儲液箱的頂蓋與所述回流管相連通并且其底蓋與所述進液管相連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述調(diào)壓裝置為升降架，該升降架用于調(diào)節(jié)所述儲液箱的高度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述供液子系統(tǒng)還包括:通過溢流管與所述儲液箱相連通的供液倉以及設(shè)置在所述供液倉內(nèi)并且通過供液管與所述儲液箱相連通的水泵，所述供液管與所述儲液箱的連通處的高度小于所述溢流管與所述儲液箱的連通處的高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述水頭測量裝置分別通過第一測量管和第二測量管與所述填樣腔相連通，所述第一測量管與所述填樣腔的連通處的高度小于所述第二測量管與所述填樣腔的連通處的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項所述的土體滲透系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述滲透液為中性溶液、強酸溶液、強堿溶液或富含微生物的液體。
【文檔編號】G01N15/08GK103868838SQ201410062647
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】楊坪, 張優(yōu)龍, 劉詩堯, 吳民暉, 祝學(xué)文, 高書文 申請人:同濟大學(xué)