一种室内测定土壤渗透系数的装置与方法与流程

1.本发明涉及土壤性能测试领域，具体为一种室内测定土壤渗透系数的装置与方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.地下水丰富的地区存在着区域性特殊土壤裂隙土，裂隙土的渗透性高，在基坑开挖等工程现场极易产生渗水从而引发事故。二裂隙土通常分布在地表以下数米至数十米不等，无法通过地表大面积直观判断出其分布。因此，现有技术通过对土体进行取样并测定渗透系数,目前的技术可以划分为室外室内两个大类。
4.其中，现场抽水试验需要抽取一定水量，并在设定距离的抽水井之间观测不同时间地下水位的变化，利用各种地下水流理论式或其图解法分析抽水试验的结果最终得到渗透系数，这种方式需要单独钻孔时间成本较高，大量的原始数据需要不同的计算方法，使得输出结果所需的时间较多。
5.变水头渗透试验为室内试验的一种，通过试验设备在土体内完成稳定渗流后，获取一定时间内水头降落的差值，根据相应的函数公式计算渗透系数，此种方式适用于渗透系数较小的试验，对于渗透系数过大的裂隙土，会由于瞬间渗水，无法准确读取水头差与时间差值，并且需要在现场钻孔取样的基础上进行二次制样，制样过程中会对原状土产生二次扰动。同时试验土样较小，产生的偶然性较大，测试结果较土体的真实值容易产生较大的误差。
6.常水头渗透试验同样为室内试验，利用试验装置测出渗流量，不同点的水头高度，计算出渗流速度和水力梯度，从而计算出渗透系数。此类方法适用于重塑土，原状土样不适用，并且对于重塑土样是通过分层击实的方法进行制样，难以保证土壤在设定高度内的参数一致。


技术实现要素：

7.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种室内测定土壤渗透系数的装置与方法，对渗透容器的优化改装，更好地适配原状土渗透系数测定，同时满足重塑土样准确控制孔隙参数的要求。具体而言，将渗透容器设计成三瓣膜式样，包裹原状土样后放入圆筒中，将进水管与水头管连接，中间设置开关与孔压计，水头管通过加压泵连接外部进水口，渗透容器有出水口，满足排水需求。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明的第一个方面提供一种室内测定土壤渗透系数的装置，包括连接在顶盖和底座之间的外筒，外筒内部设有三瓣膜，三瓣膜顶部和底部均设有透水石，位于顶部的透水石通过管道与顶盖出水口连接，位于底部的透水石通过管道分别与入水口和出水口连接，
入水口通过入水管连接加压泵，入水管上设有孔压计；
10.三瓣膜包括沿纵向方向切割为三等份筒状容器，切割口处磨砂处理且相邻两组的切割口结构相匹配，三瓣膜容纳圆柱形土样后两端覆盖薄膜。
11.外筒内壁设有沿高度方向均匀布置的多组钢珠，三瓣膜外壁设有与钢珠位置对应的导槽。
12.三瓣膜装入土样后与土样贴合。
13.三瓣膜内壁设有软膜。
14.三瓣膜两端分别与透水石抵接。
15.底座设有有三层凹槽，上层凹槽于放置外筒，中层凹槽放置透水石，下层凹槽容纳进水管穿过并连通进水口与出水口，用于提供渗流水源。
16.外筒两端设有法兰，第一紧固件穿过顶盖和外筒顶端的法兰实现连接，第二紧固件穿过外筒低端的法兰将其连接在底座上。
17.进水管进入底座之前的管路上设有第一止水夹，出水口处设有第二止水夹，加压泵与外部水源之间的管道上设有第三止水夹。
18.孔压计连接外部计算机。
19.本发明的第二个方面提供基于上述装置实现土壤渗透系数测试的方法，包括以下步骤：
20.土体取样后制备为圆柱体装入三瓣膜内，利用导槽与钢珠的配合将带有土样的三瓣膜自上而下装入外筒中，连接外筒与底座以及顶盖；
21.连接入水管、孔压计、加压泵和外部计算机，获取渗透所需用水；
22.打开第一止水夹与第二止水夹，排除装置内部的空气后关闭第二止水夹；根据土壤特性情况控制加压泵的压力大小，充分饱和土体并且不破坏土体结构，利用外部计算机获取孔压计的数据；
23.关闭第三止水夹，同时开始记录孔压变化情况，通过预先设定的计算公式得到渗透系数。
24.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
25.1、通过三瓣膜式设计并遵循变水头法思路，获取一定时间内的水头变化，从而根据公式计算出渗透系数，能够满足不均匀大孔隙结构土体的渗透测试要求同时装配加压、测压装置，解决了室内试验对原状土的大小适配问题，并降低了对原状土样的试验前扰动，提升了测定原状土样的准确性。
26.2、三瓣膜内壁附一层软膜，使得土体和三瓣膜贴合紧密，减小渗流沿壁高速渗流导致的误差，同时在三瓣膜上下两端增加稍厚的薄膜，增加壁侧的密闭性，降低原状土试样切削导致的误差，提高试验的效率
27.3、加压泵通过调节大小，控制进水口出压力大小，模拟提供高水头，解决尺寸扩大或适配低渗透性土壤的问题。
28.4、孔压计连接外部计算机，预设计算公式，获取实时渗透系数。
附图说明
29.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
30.图1是本发明一个或多个实施例一提供的测定土壤渗透系数的装置整体结构示意图；
31.图2是本发明一个或多个实施例一提供的测定土壤渗透系数的装置中三瓣膜的俯视结构示意图；
32.图3是本发明一个或多个实施例一提供的测定土壤渗透系数的装置中外筒的俯视结构示意图；
33.图4是本发明一个或多个实施例一提供的测定土壤渗透系数的装置中底座的正视结构示意图；
34.图5是本发明一个或多个实施例一提供的测定土壤渗透系数的装置中顶盖的正视结构示意图；
35.图中：1-外筒，2-三瓣膜，3-导槽，4-三路钢珠，5-底座，6-入水口，7-上部凹槽，8-中部凹槽，9-透水石，10-下部凹槽，11-入水管，12-变水头管，13-第一止水夹，14-孔压计，15-加压泵，16-外部水源，17-出水口，18-顶盖，19-第一紧固件，20-第二紧固件，21-第二止水夹，22-第三止水夹，23-顶盖出水口。
具体实施方式
36.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
37.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
39.正如背景技术中所描述的，现有技术获得土壤渗透系数的方法氛围室外试验和室内试验，室外试验中的抽水试验需要多个钻井得到地下水位的变化，试验耗时长且成本高，室内试验中的变水头渗透试验只适用于渗透系数较小的土壤，常水头渗透试验只适用于重塑土而不适用于原状土。
40.因此，以下实施例给出一种室内测定土壤渗透系数的装置，将渗透容器设计成三瓣膜式样，包裹原状土样后放入圆筒中，将进水管与水头管连接，中间设置开关与孔压计，水头管通过加压泵连接外部进水口，渗透容器有出水口，满足排水需求。
41.实施例一：
42.如图1-5所示，一种室内测定土壤渗透系数的装置，包括连接在顶盖和底座之间的外筒，外筒内部设有三瓣膜，三瓣膜顶部和底部均设有透水石，位于顶部的透水石通过管道与顶盖出水口连接，位于底部的透水石通过管道分别与入水口和出水口连接，入水口通过入水管连接加压泵，入水管上设有孔压计；
43.三瓣膜包括沿纵向方向切割为三等份筒状容器，切割口处磨砂处理且相邻两组的切割口结构相匹配，三瓣膜容纳圆柱形土样后两端覆盖薄膜。
44.外筒内壁设有沿高度方向均匀布置的多组钢珠，三瓣膜外壁设有与钢珠位置对应的导槽。
45.三瓣膜装入土样后与土样贴合。
46.三瓣膜两端分别与透水石抵接。
47.三瓣膜内壁设有软膜。
48.底座设有有三层凹槽，上层凹槽于放置外筒，中层凹槽放置透水石，下层凹槽容纳进水管穿过并连通进水口与出水口，用于提供渗流水源。
49.外筒两端设有法兰，第一紧固件穿过顶盖和外筒顶端的法兰实现连接，第二紧固件穿过外筒低端的法兰将其连接在底座上。
50.进水管进入底座之前的管路上设有第一止水夹，出水口处设有第二止水夹，加压泵与外部水源之间的管道上设有第三止水夹。
51.孔压计连接外部计算机。
52.具体的：
53.(1)渗透容器分为两个部分，外筒1与内置三瓣膜2，三瓣膜2三个接口处异形并磨砂处理，增加贴合程度，避免渗水。三瓣膜2的上下两个圆形端口内壁采用薄膜覆盖，装样后紧密贴合土体。三瓣膜外侧分别有导槽3。现场取样为直径100mm、高20cm的圆柱体，三瓣膜2内径、高度与之匹配，保证紧密贴合。
54.(2)外筒1内壁设有三路圆形钢珠4，方向沿高度方向设置。
55.(3)用三瓣膜2将圆柱体土样装好后，将导槽3与三路圆形钢珠4方向对准，自上而下将三瓣膜2装入外筒1中，此时三路钢珠4既在纵向减小了三瓣膜2下降的阻力，同时也在内径方向上给予了三瓣膜紧密贴合的外力。
56.(4)将装好的外筒1与三瓣膜2放入底座5中。底座设进水口6，有三层凹槽，其中上层凹槽7用于放置外筒1，中层凹槽8用于放置透水石9，其大小正好为土样底面大小，下层凹槽10用于开通进水口6与出水口17，提供渗流水源。
57.(5)用入水管11将变水头管12与进水口6连接，并在入水管11上设止水夹13，在进水口6外部设孔压计14，孔压计14连接计算机外部计算机。
58.(6)变水头管12上部通过加压泵15与外部水源16连接，从而获取渗透所需用水。
59.(7)使用时，将上部用顶盖18覆盖，顶盖凹槽正好放置透水石，并由第一紧固件19将顶盖18与外筒1固定住。使用第二紧固件20将外筒1和底座5固定，从而试验整个装置的相对位置固定，同时保证了圆筒周围的通透与可操作性。
60.(8)打开止水夹13与止水夹21，排除装置内部的空气后关上止水夹21。根据土壤特性情况适当控制加压泵15的压力大小，充分饱和土体并且不破坏土体结构。打开计算机软件，实时监测孔压情况。
61.(9)关上止水夹22，去除外部水源供给，同时开始记录孔压变化情况，预先输入计算公式，可计算出实时渗透系数。
62.(10)一轮试验后，重复(8)(9)步骤，多次测得土体的渗透系数。
63.(11)使用完毕后，按安装步骤，逆序拆除即可。
64.上述装置遵循变水头法思路，获取一定时间内的水头变化，从而根据公式计算出渗透系数，能够满足不均匀大孔隙结构土体的渗透测试要求同时装配加压、测压装置，实现
智能化测试。
65.通过三瓣膜式设计，解决了室内试验对原状土的大小适配问题，并降低了对原状土样的试验前扰动，综合提升了测定原状土样的准确性。
66.本实施例中，三瓣膜结构整体上是呈现薄壁圆筒结构，俯视图如图2所示。其沿纵向将筒状结构切割三等份，切割口即为图2中的薄壁上的折线部分，目的在于实现后续拼接的紧密性，这样就能保障用三瓣膜逐一包裹圆柱形土体，减少对土体的扰动，三部分逐一包裹完成后，筒状结构包含土体置于外筒1中，这一步的目的是均匀施加径向约束，保障三瓣膜的紧密型，同时外筒1和三瓣膜之间通过滚珠和凹槽滑动插入，减小试验过程中装置的意外扰动，既在纵向减小了三瓣膜下降的阻力，同时也在内径方向上给予了三瓣膜紧密贴合的外力，提高原状土的试验准确性。之后，再将外筒1包含内部的三瓣膜2和土体嵌于底座5中，上面再用顶盖18压住，综合固定试验装置并实现其他目标。
67.与此同时，三瓣膜内壁附一层软膜，使得土体和三瓣膜贴合紧密，减小渗流沿壁高速渗流导致的误差，同时在三瓣膜上下两端增加稍厚的薄膜，增加壁侧的密闭性，降低原状土试样切削导致的误差，提高试验的效率
68.较传统室内试验，通过对试样容器的重新设计，适配了原状土取样。
69.加压泵通过调节大小，控制进水口出压力大小，模拟提供高水头，解决尺寸扩大或适配低渗透性土壤的问题。
70.孔压计连接外部计算机，预设计算公式，获取实时渗透系数。
71.装置采用有机玻璃结构作为主体材料，可以观察水流情况，为试验数据准确性进行分析依据。
72.上述装置以某地区的裂隙土作为试验土样，测得渗透系数为10-3cm/s量级，同步测得的室内常规变水头试验结果为10-4cm/s量级，而现场抽水试验结果为10-3cm/s量级，证明了本本法更加贴合实际渗透系数大小，降低了室内小模型试验尺寸效应带来的大误差，提高了室内试验的可靠性。
73.实施例二：
74.基于实施例一的装置实现土壤渗透系数测试的方法，包括以下步骤：
75.土体取样后制备为圆柱体装入三瓣膜内，利用导槽与钢珠的配合将带有土样的三瓣膜自上而下装入外筒中，连接外筒与底座以及顶盖；
76.连接入水管、孔压计、加压泵和外部计算机，获取渗透所需用水；
77.打开第一止水夹与第二止水夹，排除装置内部的空气后关闭第二止水夹；根据土壤特性情况控制加压泵的压力大小，充分饱和土体并且不破坏土体结构，利用外部计算机获取孔压计的数据；
78.关闭第三止水夹，同时开始记录孔压变化情况，通过预先设定的计算公式得到渗透系数。
79.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种室内测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：包括连接在顶盖和底座之间的外筒，外筒内部设有三瓣膜，三瓣膜顶部和底部均设有透水石，位于顶部的透水石通过管道与顶盖出水口连接，位于底部的透水石通过管道分别与入水口和出水口连接，入水口通过入水管连接加压泵，入水管上设有孔压计；三瓣膜包括沿纵向方向切割为三等份筒状容器，切割口处磨砂处理且相邻两组的切割口结构相匹配，三瓣膜容纳圆柱形土样后两端覆盖薄膜。2.如权利要求1所述的一种室内测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述外筒内壁设有沿高度方向均匀布置的多组钢珠，三瓣膜外壁设有与钢珠位置对应的导槽。3.如权利要求1所述的一种室内测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述三瓣膜内壁设有软膜。4.如权利要求3所述的一种室内测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述三瓣膜装入土样后与土样贴合。5.如权利要求1所述的一种室内测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述三瓣膜两端分别与透水石抵接。6.如权利要求1所述的一种室内测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述底座设有有三层凹槽，上层凹槽于放置外筒，中层凹槽放置透水石，下层凹槽容纳进水管穿过并连通进水口与出水口，用于提供渗流水源。7.如权利要求1所述的一种室内测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述外筒两端设有法兰，第一紧固件穿过顶盖和外筒顶端的法兰实现连接，第二紧固件穿过外筒低端的法兰将其连接在底座上。8.如权利要求1所述的一种室内测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述进水管进入底座之前的管路上设有第一止水夹，出水口处设有第二止水夹，加压泵与外部水源之间的管道上设有第三止水夹。9.如权利要求1所述的一种室内测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述孔压计连接外部计算机。10.基于权利要求1-9任一项所述装置实现土壤渗透系数测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：土体取样后制备为圆柱体装入三瓣膜内，利用导槽与钢珠的配合将带有土样的三瓣膜自上而下装入外筒中，连接外筒与底座以及顶盖；连接入水管、孔压计、加压泵和外部计算机，获取渗透所需用水；打开第一止水夹与第二止水夹，排除装置内部的空气后关闭第二止水夹；根据土壤特性情况控制加压泵的压力大小，充分饱和土体并且不破坏土体结构，利用外部计算机获取孔压计的数据；关闭第三止水夹，同时开始记录孔压变化情况，通过预先设定的计算公式得到渗透系数。

技术总结
本发明涉及一种室内测定土壤渗透系数的装置与方法，包括连接在顶盖和底座之间的外筒，外筒内部设有三瓣膜，三瓣膜顶部和底部均设有透水石，位于顶部的透水石通过管道与顶盖出水口连接，位于底部的透水石通过管道分别与入水口和出水口连接，入水口通过入水管连接加压泵，入水管上设有孔压计；三瓣膜包括沿纵向方向切割为三等份筒状容器，切割口处磨砂处理且相邻两组的切割口结构相匹配，三瓣膜容纳圆柱形土样后两端覆盖薄膜。将渗透容器设计成三瓣膜式样，包裹原状土样后放入圆筒中，将进水管与水头管连接，中间设置开关与孔压计，水头管通过加压泵连接外部进水口，渗透容器有出水口，满足排水需求。满足排水需求。满足排水需求。


技术研发人员：雷炳霄 吴沙沙 吴佳伟 姜巧巧 李俊 张友林 张春辉 曾纯品
受保护的技术使用者：山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队（山东省地矿工程勘察院）
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/19