本發(fā)明涉及一種室內(nèi)土工試驗(yàn)中用于測(cè)量土樣滲透系數(shù)的裝置。

背景技術(shù)：

滲透系數(shù)是土的一項(xiàng)重要力學(xué)指標(biāo)，它將用來(lái)分析天然地基、堤壩和基坑開(kāi)挖邊坡的滲流穩(wěn)定，確定堤壩斷面和計(jì)算堤壩和地基的滲流量等。由于影響滲透系數(shù)的因素十分復(fù)雜，如土的顆粒組成，膠體含量、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、密度、土粒和水的礦物成分等，都足以影響它的正確測(cè)定。當(dāng)前室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)用的各種方法所測(cè)定的滲透系數(shù)仍然是個(gè)比較粗略的數(shù)值，實(shí)際上滲透系數(shù)的測(cè)定方法，仍處于研究和改進(jìn)之中。對(duì)不同的土類測(cè)定土的滲透系數(shù)，應(yīng)選用不同的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)類型分為常水頭滲透試驗(yàn)和變水頭滲透試驗(yàn)。常水頭滲透試驗(yàn)適用于粗粒土，變水頭滲透試驗(yàn)適用于細(xì)粒土。滲透系數(shù)的測(cè)定，以現(xiàn)場(chǎng)抽水注水法測(cè)定結(jié)果較為可靠，但由于設(shè)備復(fù)雜、耗費(fèi)大，僅在特殊需要時(shí)才采用。目前一般是以室內(nèi)滲透試驗(yàn)測(cè)定滲透系數(shù)。

試驗(yàn)儀器的選擇主要根據(jù)以下原則確定:首先是試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)合理可靠；其次是能滿足細(xì)粒土和粗粒土室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的需要；再則是儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，止水嚴(yán)密，易于排氣。根據(jù)上述原則、我國(guó)以往采用的測(cè)試方法有70型(基馬式)滲透儀法、土樣管(卡明斯基管)滲透儀法、負(fù)壓式滲透儀法、南55型滲透儀法、南59型滲透儀法及試坑滲水法等。

70型滲透儀及土樣管滲透儀適用于粗粒土。土樣管法雖然精度較差，但儀器和步驟較簡(jiǎn)便，易于掌握，可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。70型滲透儀多用于室內(nèi)，由于有測(cè)壓孔，可以分段取值，相互校核，并可取流態(tài)較穩(wěn)定的中段的試驗(yàn)結(jié)果，其不足之處是筒身為金屬制作，不便于觀察試樣內(nèi)部滲流情況，遇有積氣部位不易發(fā)現(xiàn)與排除，這種缺點(diǎn)應(yīng)在裝樣時(shí)注意避免。負(fù)壓式滲透儀和南55型滲透儀都適用于原狀和擾動(dòng)細(xì)粒土的室內(nèi)試驗(yàn)。負(fù)壓式滲透儀的儀器構(gòu)造和操作都較繁瑣，優(yōu)點(diǎn)是它可以和固結(jié)試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行，并可利用一個(gè)試驗(yàn)測(cè)出各種孔隙比下的滲透系數(shù)，可避免試樣與環(huán)壁密合不好的缺點(diǎn)，當(dāng)試樣較小時(shí)宜用此法。南55型滲透儀的特點(diǎn)是儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，止水嚴(yán)密，適用于常水頭和變水頭兩種方法，屬于定型的滲透儀，我國(guó)各試驗(yàn)室普遍采用。南59型滲透儀用的較少。

上述的傳統(tǒng)滲透系數(shù)的測(cè)定方法，不難發(fā)現(xiàn)，都是需要人工計(jì)算滲透系數(shù)，而且按照《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》，往往要重復(fù)測(cè)5—6次，在不同開(kāi)始水頭下測(cè)定的滲透系數(shù)在允許差值范圍內(nèi)時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。由此看出，傳統(tǒng)的滲透系數(shù)測(cè)定方法，即耗費(fèi)人力也耗費(fèi)時(shí)間，由于效率較低，因而也不利于試驗(yàn)連續(xù)操作，精度也不一定準(zhǔn)確。鑒于此，設(shè)計(jì)一種利用計(jì)算機(jī)測(cè)滲透系數(shù)的智能裝置及方法就十分必要了。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種室內(nèi)土工試驗(yàn)中用于測(cè)量土樣滲透系數(shù)的裝置，不僅可以在實(shí)驗(yàn)時(shí)連續(xù)操作，而且試驗(yàn)精度高、操作方便、節(jié)約人力和時(shí)間。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種室內(nèi)土工試驗(yàn)中用于測(cè)量土樣滲透系數(shù)的裝置，包括供水箱、水泵、電控閥、計(jì)算機(jī)、壓力傳感器、溫度傳感器、壓力水管和用來(lái)裝填土樣的試樣管，壓力水管上端通過(guò)進(jìn)水管與供水箱連通，壓力水管下端通過(guò)出水管連通在試樣管下端，水泵安裝在進(jìn)水管上，電控閥和壓力傳感器安裝在出水管上；壓力傳感器和溫度傳感器將檢測(cè)的壓力和溫度傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制水泵和電控閥啟閉。

所述試樣管包括透明管體和可分離式、密封式安裝在透明管體兩端的密封帽，上端密封帽連通排水管，出水管連通下端密封帽，在土樣填充到透明管體內(nèi)后，在土樣兩端設(shè)有反濾層。

一種室內(nèi)土工試驗(yàn)中用于測(cè)量土樣滲透系數(shù)的裝置測(cè)量土樣滲透系數(shù)的方法，包括如下步驟：

1)將制備好的試驗(yàn)土樣填充到透明管體內(nèi)；

2)計(jì)算機(jī)內(nèi)按照《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》的滲透系數(shù)計(jì)算方法設(shè)定計(jì)算程序：滲透系數(shù)計(jì)算公式為；

式中：k_T試驗(yàn)溫度T℃時(shí)試件的滲透系數(shù)cm/s；

2.3為lg和ln的變換因數(shù)，

a為壓力水管斷面面積cm²，

t₁為測(cè)讀水頭起始時(shí)間s，

t₂為測(cè)讀水頭終止時(shí)間s，

H₁為t₁時(shí)間時(shí)壓力水管的液面高度和土樣滲透出口的高度差cm，

H₂為t2時(shí)間時(shí)壓力水管的液面高度和土樣滲透出口的高度差cm，

L為透明管體內(nèi)土樣長(zhǎng)度cm，

A為土樣截面積cm²；

k₂₀標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)試件的滲透系數(shù)cm/s,

η_T、η₂₀分別為T(mén)℃和20℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)kPa.s；

3)在計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)設(shè)約束壓力水管壓力范圍；

4)水泵和電控閥開(kāi)啟，將水抽入到壓力水管中，水穿透土樣后，關(guān)閉閥門(mén)，在水位上升為壓力傳感器檢測(cè)到最高值時(shí)，水泵關(guān)閉；

5)電控閥開(kāi)啟，計(jì)算機(jī)記錄水頭的開(kāi)始下降時(shí)間t₁，同時(shí)壓力傳感器將檢測(cè)到壓力值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將此時(shí)的壓力值轉(zhuǎn)換為壓力水管的液面高度和土樣滲透出口的高度差H₁；

6)隨著壓力水管內(nèi)水位的下降，計(jì)算機(jī)記錄水頭的終止下降時(shí)間t₂，同時(shí)壓力傳感器將檢測(cè)到壓力值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將此時(shí)的壓力值轉(zhuǎn)換為壓力水管的液面高度和土樣滲透出口的高度差H₂，溫度傳感器將檢測(cè)溫度T；

7)計(jì)算機(jī)將檢測(cè)到數(shù)據(jù)t₁、t₂、T、H₁和H₂代入滲透系數(shù)計(jì)算公式中計(jì)算出滲透系數(shù)。

測(cè)量土樣滲透系數(shù)的方法還包括第8)步，所述第8)步為：在水位下降到壓力傳感器檢測(cè)到約束壓力值的最低值時(shí)，計(jì)算機(jī)控制電控閥關(guān)閉、水泵開(kāi)啟，當(dāng)水位達(dá)到約束壓力值的最高值時(shí)，計(jì)算機(jī)控制電磁閥開(kāi)啟、水泵關(guān)閉。

在測(cè)量土樣滲透系數(shù)的方法還包括第1)步中，試驗(yàn)土樣的制備方法包括如下步驟：

1)采集土樣，在取樣過(guò)程中，土樣不得受壓、受擠和受扭，在運(yùn)輸過(guò)程避免振動(dòng)破壞土體結(jié)構(gòu)；

2)將塊狀土碾散，如果土樣含水率較大，可先風(fēng)干至易碾散為止；

3)根據(jù)試驗(yàn)所需土樣數(shù)量，將碾散的土樣過(guò)篩；

4)將第一層反濾層裝入透明管體，然后將篩好的試驗(yàn)土樣灌入到透明管體內(nèi)后，分多次擊實(shí)，每次擊實(shí)次數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)的干密度確定；

5)將第二層反濾層裝入被擊實(shí)的試驗(yàn)土樣上；

6)將兩個(gè)密封帽密封到透明管體兩端，至此試驗(yàn)土樣制備完成。

在試驗(yàn)土樣的制備方法第4)步中，試驗(yàn)土樣灌入到透明管體內(nèi)后，分四次擊實(shí)，第一次灌入透明管體1/3土樣擊實(shí)，第二次灌入透明管體1/3土樣擊實(shí)，第三次灌入透明管體1/6土樣擊實(shí)，第四次將透明管體灌滿后擊實(shí)。

本發(fā)明的有益效果為：與傳統(tǒng)滲透系數(shù)的測(cè)定方法相比，本裝置在試驗(yàn)前土樣截面積、透明管體內(nèi)土樣長(zhǎng)度和壓力水管斷面面積的參數(shù)已設(shè)定好，利用壓力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量壓力水管的液面高度和土樣滲透出口的高度差，通過(guò)計(jì)算機(jī)可以迅速輸出各時(shí)刻土樣的滲透系數(shù)，能解決目前方法耗費(fèi)大量人力和時(shí)間，效率較低，不利于試驗(yàn)連續(xù)操作，精度也不一定準(zhǔn)確的問(wèn)題；此外通過(guò)設(shè)定壓力水管內(nèi)最高水位和最低水位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加水。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：供水箱1、水泵2、壓力水管3、電控閥4、壓力傳感器5、試樣管6、溫度傳感器8、透明管體61、密封帽62、反濾層63、進(jìn)水管71、出水管72。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種室內(nèi)土工試驗(yàn)中用于測(cè)量土樣滲透系數(shù)的裝置，包括供水箱1、水泵2、電控閥4、計(jì)算機(jī)、壓力傳感器5、壓力水管3和用來(lái)裝填土樣的試樣管6，壓力水管3上端通過(guò)進(jìn)水管71與供水箱1連通，壓力水管3下端通過(guò)出水管72連通在試樣管6下端，水泵2安裝在進(jìn)水管71上，電控閥4和壓力傳感器5安裝在出水管72上；壓力傳感器5將檢測(cè)的壓力傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制水泵2和電控閥4啟閉。

所述試樣管6包括透明管體61和可分離式、密封式安裝在透明管體61兩端的密封帽62，上端密封帽62連通排水管，出水管72連通下端密封帽62，在土樣填充到透明管體61內(nèi)后，在土樣兩端設(shè)有反濾層63。

其中反濾層63是一種可以過(guò)水但不過(guò)骨料和土的組合材料。

一種室內(nèi)土工試驗(yàn)中用于測(cè)量土樣滲透系數(shù)的裝置測(cè)量土樣滲透系數(shù)的方法，包括如下步驟：

1)將制備好的試驗(yàn)土樣填充到透明管體61內(nèi)；

2)計(jì)算機(jī)內(nèi)按照《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》的滲透系數(shù)計(jì)算方法設(shè)定計(jì)算程序：滲透系數(shù)計(jì)算公式為；

式中：k_T試驗(yàn)溫度T℃時(shí)試件的滲透系數(shù)cm/s

2.3為lg和ln的變換因數(shù)，

a為壓力水管3斷面面積cm²，

t₁為測(cè)讀水頭起始時(shí)間s，

t₂為測(cè)讀水頭終止時(shí)間s，

H₁為t₁時(shí)間時(shí)壓力水管3的液面高度和土樣滲透出口的高度差cm，

H₂為t2時(shí)間時(shí)壓力水管3的液面高度和土樣滲透出口的高度差cm，

L為透明管體61內(nèi)土樣長(zhǎng)度cm，

A為土樣截面積cm²；

k₂₀標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)試件的滲透系數(shù)cm/s；

η_T、η₂₀分別為T(mén)℃和20℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，kPa.s，可查《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》南京水利科學(xué)研究院表1-12-2。

其中《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》是采用“由南京水利科學(xué)研究院土木研究院編著，人民交通出版社2003年4月出版的《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》”；

水頭是壓力水管3的液面高度和土樣滲透出口的高度差；

壓力傳感器5與H1和H2的關(guān)系為：1m的水頭就等于0.01mpa，壓力感應(yīng)器可以把所測(cè)到的壓力值，轉(zhuǎn)化為水頭值，比如壓力感應(yīng)器測(cè)得壓力值為0.005mpa，則會(huì)輸出為50cm的水頭；

3)在計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)設(shè)約束壓力水管3壓力范圍；

4)水泵2和電控閥4開(kāi)啟，將水抽入到壓力水管3中，水穿透土樣后，關(guān)閉閥門(mén)，在水位上升為壓力傳感器5檢測(cè)到最高值時(shí)，水泵2關(guān)閉；

5)電控閥4開(kāi)啟，計(jì)算機(jī)記錄水頭的開(kāi)始下降時(shí)間t₁，同時(shí)壓力傳感器5將檢測(cè)到壓力值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將此時(shí)的壓力值轉(zhuǎn)換為壓力水管3的液面高度和土樣滲透出口的高度差H₁；

6)隨著壓力水管3內(nèi)水位的下降，計(jì)算機(jī)記錄水頭的終止下降時(shí)間t₂，同時(shí)壓力傳感器5將檢測(cè)到壓力值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將此時(shí)的壓力值轉(zhuǎn)換為壓力水管3的液面高度和土樣滲透出口的高度差H₂，溫度傳感器8將檢測(cè)溫度T；

7)計(jì)算機(jī)將檢測(cè)到數(shù)據(jù)t₁、t₂、T、H₁和H₂代入滲透系數(shù)計(jì)算公式中計(jì)算出滲透系數(shù)。

例如：土樣截面積為A為20cm²，透明管體61內(nèi)土樣長(zhǎng)度14cm，壓力水管3的截面積0.5cm²在10min內(nèi)(t₁到t₂的時(shí)間段)內(nèi)，開(kāi)測(cè)水頭為90cm，終止水頭為89cm，試驗(yàn)水溫19℃，則計(jì)算機(jī)計(jì)算(標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)的)滲透系數(shù)k₂₀為：

則：

傳統(tǒng)的測(cè)土樣滲透系數(shù)方法都是人工去做實(shí)驗(yàn)(其具體操作方法見(jiàn)《土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)》第69頁(yè)第一段)，記錄好試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，然后計(jì)算，只能得到測(cè)這個(gè)時(shí)間段的結(jié)果，而我們的這個(gè)裝置，可以自己設(shè)定好Δt＝t2-t1，也就是測(cè)量時(shí)間間隔，計(jì)算機(jī)每過(guò)一個(gè)Δt就測(cè)一次數(shù)據(jù)，還可以對(duì)所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比如選定時(shí)間段內(nèi)的均值、最大值、最小值、均方差；本發(fā)明在試驗(yàn)前土樣截面積、透明管體61內(nèi)土樣長(zhǎng)度和壓力水管3斷面面積的參數(shù)已設(shè)定好，利用壓力傳感器5實(shí)時(shí)測(cè)量壓力水管3的液面高度和土樣滲透出口的高度差，通過(guò)計(jì)算機(jī)可以迅速輸出各時(shí)刻土樣的滲透系數(shù)，進(jìn)而解決目前方法耗費(fèi)大量人力和時(shí)間，效率較低，不利于試驗(yàn)連續(xù)操作精度也不一定準(zhǔn)確的問(wèn)題。

比如1：設(shè)定時(shí)間段為30min，設(shè)定計(jì)算機(jī)每過(guò)Δt＝10s測(cè)一次滲透系數(shù)，則可采集到180個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)著180個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)生成時(shí)間與滲透系數(shù)的曲線圖，方便直觀，并可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩除，均值等處理，所得數(shù)據(jù)精度很高，排除了人為誤差，計(jì)算機(jī)只要開(kāi)始運(yùn)行，就可以連續(xù)操作。

而傳統(tǒng)滲透系數(shù)的測(cè)定方法就是人工去測(cè)數(shù)據(jù)，去計(jì)算，然后重復(fù)測(cè)5～6次，看是否在允許誤差內(nèi)，結(jié)束試驗(yàn)。

比如2：在工程試驗(yàn)中如果要研究，在持續(xù)過(guò)水服役環(huán)境下土的滲透系數(shù)變化規(guī)律，那么就需要在若干天內(nèi)滲透試驗(yàn)一直進(jìn)行，把所測(cè)的無(wú)數(shù)個(gè)滲透系數(shù)記錄，并研究其規(guī)律，這種情況下，如果傳統(tǒng)人工去測(cè)定滲透系數(shù)，需要實(shí)驗(yàn)人員不間斷的做試驗(yàn)測(cè)滲透系數(shù)，這是人力很難完成的，但是本發(fā)明可以，只要開(kāi)始運(yùn)行它就可以一直測(cè)數(shù)據(jù)，并可以任意間隔測(cè)得一個(gè)數(shù)據(jù)，并記錄好所測(cè)時(shí)間。

因此，本發(fā)明與傳統(tǒng)滲透系數(shù)的測(cè)定方法相比，不需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間，效率高，有利于試驗(yàn)連續(xù)操作，精度也有了提高。

測(cè)量土樣滲透系數(shù)的方法還包括第8)步，所述第8)步為：在水位下降到壓力傳感器5檢測(cè)到約束壓力值的最低值時(shí)，計(jì)算機(jī)控制電控閥4關(guān)閉、水泵2開(kāi)啟，當(dāng)水位達(dá)到約束壓力值的最高值時(shí)，計(jì)算機(jī)控制電磁閥開(kāi)啟、水泵2關(guān)閉。

通過(guò)設(shè)定壓力水管3內(nèi)最高水位和最低水位，即壓力傳感器5檢測(cè)到的最高值和最低值，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加水，使裝置完全自動(dòng)化，并且滲出的水得到循環(huán)利用。

在測(cè)量土樣滲透系數(shù)的方法還包括第1)步中，試驗(yàn)土樣的制備方法包括如下步驟：

1)采集土樣，在取樣過(guò)程中，土樣不得受壓、受擠和受扭，在運(yùn)輸過(guò)程避免振動(dòng)破壞土體結(jié)構(gòu)；

2)將塊狀土碾散，如果土樣含水率較大，可先風(fēng)干至易碾散為止；

3)根據(jù)試驗(yàn)所需土樣數(shù)量，將碾散的土樣過(guò)篩；

4)將第一層反濾層63裝入透明管體61，然后將篩好的試驗(yàn)土樣灌入到透明管體61內(nèi)后，分多次擊實(shí)，每次擊實(shí)次數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)的干密度確定；

5)將第二層反濾層63裝入被擊實(shí)的試驗(yàn)土樣上；

6)將兩個(gè)密封帽62密封到透明管體61兩端，至此試驗(yàn)土樣制備完成。

在試驗(yàn)土樣的制備方法第4)步中，試驗(yàn)土樣灌入到透明管體61內(nèi)后，分四次擊實(shí)，第一次灌入透明管體1/3土樣擊實(shí)，第二次灌入透明管體1/3土樣擊實(shí)，第三次灌入透明管體1/6土樣擊實(shí)，第四次將透明管體61灌滿后擊實(shí)。