一种评价非饱和土渗透系数的电阻率成像固结仪

摘要

本发明公开了一种评价非饱和土渗透系数的电阻率成像固结仪，包括顶盖、侧环和底盘，所述侧环设在底盘上，顶盖套入侧环内，所述顶盖的上部为不锈钢盖，下部为塑料圆柱体，所述塑料圆柱体内均匀分布有多个铜电极，同时还设有弯曲元和检波仪，所述塑料圆柱体设有排水通道和与之相连通的排水同心圆环；所述侧环为内衬有塑料圆环的不锈钢环，侧壁上等间距的设有多个铜电极；所述底盘包括不锈钢桶和设在不锈钢桶内壁的塑料内衬，所述塑料内衬设置与塑料圆柱体排布相对应。本发明克服了现有技术不能考虑各向异性、非均质性以及试验尺寸小的缺陷，通过测试固结试验中随着孔隙水流出引起土体电阻率的改变，进行廉价、方便、快捷地评价非饱和土渗透系数。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，尤其涉及用于评价非饱和土渗透系数的电阻率成像固结仪。 

背景技术

随着我国经济的发展，城市地下水资源污染问题日益严重。污染物往往由地表浅部非饱和土向饱和土运移，因此，污染物运移规律的研究首先需要确定非饱和土的渗流特征。非饱和土中渗流特征通常可通过直接试验方法和间接方法获得，直接试验方法包括了现场试验和室内试验。现场试验如张力入渗仪试验适用范围局限在地表以上较浅的区域，且测试时间长，工作量大。室内试验方法通常采用固结试验或常水头与变水头试验测定土的渗透系数，这一方法将所有室内试样视为均质、各向同性的单元，忽视了重塑过程对试样各向异性的影响，且试样体积小，尺寸效应使得测得的非饱和土渗流特征可靠性不强。最新的研究趋势为采用间接方法来评价非饱和土的渗透特征，其中最为常用和简便的是数值反演方法。数值反演方法首先假定和渗透系数函数k可以近似采用若干个有限未知参数的解析式来表达，赋予这些未知参数初值，然后把赋予了初值的k代入表征瞬时流的控制方程，并联合试验可控制的边界条件和初始条件，形成可完整描述渗流状态的数学模型，最终求解该数学模型。将渗流方程的解与试验观测值进行对比和分析，改进和优化未知参数的赋值，重复上述步骤，直至模拟值与实测值之间的误差达到最小，从而确定k的表达式。数值反演方法同样需要进行室内模型试验或现场试验，以提供实际观测值作为对比。电阻率成像技术是一种新兴的试验技术，通过测试土体的电阻率值反映土的性质，由于具有快速、可靠、成本低廉等优点而得到快速发展，可用于污染物分布范围监控、污染程度划分、土体各向异性鉴别以及地基处理质量评价等领域。固结试验中随着荷载的作用，孔隙水流出，孔隙体积发生改变，土的电阻率也随之改变，因此可利用电阻率的改变反演得到土体渗透系数。利用数值反演方法和电阻率成像技术，结合室内常规固结仪，本发明提出了一个可利用数值反演方法来评价非饱和土渗流特征的电阻率成像固结仪。 

发明内容

发明目的：为克服上述存在的问题和缺陷，本发明提出了一种可用于评价非饱和土渗透系数的电阻率成像固结仪。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种评价非饱和土渗透系数的电阻率成像固结仪，包括顶盖、侧环和底盘，所述侧环设在底盘上，所述顶盖套入侧环内，其中：所述顶盖的上部为不锈钢盖，下部为塑料圆柱体，所述塑料圆柱体内均匀分布有多个铜电极，同时还设有弯曲元和检波仪，所述塑料圆柱体设有排水通道和排水同心圆环，所述排水同心圆环与排水通道连通；所述侧环为内衬有塑料圆环的不锈钢环，同时侧环的侧壁上等间距的设有多个铜电极；所述底盘包括不锈钢桶和设在不锈钢桶内壁的塑料内衬，所述塑料内衬同样设有铜电极、弯曲元、检波仪和排水同心圆环，并分别与塑料圆柱体中的铜电极、弯曲元、检波仪和排水同心圆环相对应；同时所述塑料内衬还设有排水通道，该排水通道与排水同心圆相连通。 

进一步改进，所述铜电极包括铜制电极棒、聚酰胺纤维塑料套、不锈钢柄和导线，所述铜制电极棒尾端与导线相连，所述聚酰胺纤维塑料套套在铜制电极棒上，所述导线埋入不锈钢柄中并留有引线；同时铜制电极棒与聚酰胺塑料套之间设有密封圈。 

进一步的，所述顶盖和底盘分别设有13个铜电极，且其中8个铜电极分别均匀分布在与顶盖和底盘同心的圆周上，另外5个铜电极则分别安装在顶盖和底盘的中心部位。 

进一步的，所述顶盖与侧环的接触面，以及侧环与底盘的接触面上设有密封圈；同时所述铜电极与塑料圆柱体或塑料内衬的接触面设有密封圈。 

作为优选，所述侧环上设有16个铜电极。 

作为优选，所述塑料圆柱体和塑料内衬的材质为聚酰胺纤维，电阻率为1～9×10¹³Ω·m。 

作为优选，所述底盘的外壁设有与排水通道相连的压力阀。 

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：污染物往往由地表浅部非饱和土向饱和土方向运移，因此，污染物运移规律的研究首先需要确定非饱和土的渗流特征。本发明解决了国内现有的固结仪评价非饱和土渗流特征时不能考虑各向异性、非均质性以及试验尺寸小的缺陷，通过测试固结试验中随着孔隙水流出引起土体电阻率的改变，进行廉价、方便、快捷地评价非饱和土 渗透系数。该项技术具有可靠、经济、快速与可重复性的特点。 

附图说明

图1为本发明所述电阻率成像固结仪的结构示意图； 

图2为本发明所述侧环的结构示意图； 

图3为本发明所述底盘的结构示意图； 

图4为本发明所述铜电极的结构示意图。 

其中，不锈钢盖1、塑料圆柱体2、铜电极3、弯曲元4、检波仪5、排水通道6、排水同心圆环7、不锈钢环8、塑料圆环9、不锈钢桶10、塑料内衬11、压力阀12、密封圈13、铜制电极棒31、聚酰胺纤维塑料套32、不锈钢柄33、导线34。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

如图1所示，一种评价非饱和土渗透系数的电阻率成像固结仪，该装置分为顶盖、侧环和底盘三个部分；顶盖上部为不锈钢盖，承受固结试验所施加的荷载，顶盖下部为聚酰胺纤维塑料圆柱体，将电阻率成像固结仪内部的电流与不锈钢盖绝缘，在顶盖的内部设置有13个铜电极，铜电极3由铜制电极棒、O形密封圈、聚酰胺纤维塑料套、不锈钢柄以及导线组成，其中8个铜电极等间距分布在与聚酰胺纤维塑料圆柱体同圆心的圆周上，而在聚酰胺纤维塑料圆柱体圆心附近集中安装有5个铜电极、1个弯曲元和1个检波仪，在聚酰胺纤维塑料圆柱体内部设有排水通道和3个排水同心圆环，在排水通道的上方、弯曲元和检波仪内部均安装有O形密封圈，防止固结仪内部的水流引起电路短路；该装置侧环外壁为不锈钢环，内壁为聚酰胺纤维塑料圆环起绝缘作用，在与侧环同圆心的侧壁圆周上等间距设置有16个铜电极；该装置底盘设计与顶盖相似，底盘下部为不锈钢桶，不锈钢桶11内壁为聚酰胺纤维塑料所覆盖，在底盘内部设置有13个铜电极、1个弯曲元、1个检波仪和3个排水同心圆环，各元件与顶盖中的元件正对，在底盘内部同样设置有排水通道，而在不锈钢桶的外壁对立安装有压力阀，以调整和控制固结仪内的排水和应力条件，在聚酰胺纤维塑料对应于聚酰胺纤维塑料圆环的凹槽中设有O形密封圈。 

聚酰胺纤维塑料圆柱体直径设计为130mm，电阻率约10¹³Ω·m。 

侧环的不锈钢环外径为150mm，内径为135mm，侧环的聚酰胺纤维塑料圆 环外径为135mm，内径为130mm，侧环高度为100mm。 

铜电极的头部铜制电极棒直径为2mm，侧环中16根铜电极与侧环底面之间的间距为20mm。 

3个排水同心圆环直径分别为70mm、90mm和130mm，公差为2mm。 

底盘的不锈钢桶外径为170mm，内径为150mm，底盘的聚酰胺纤维塑料外径为150mm，内径为130mm。 

电阻率成像固结试验中，聚酰胺纤维塑料圆柱体与底盘中聚酰胺纤维塑料表面的间距为20-60mm，也即所测试土样的高度应为20-60mm。 

本发明的可用于评价非饱和土渗透系数的电阻率成像固结仪，其渗透特征测试部分主要由顶盖的不锈钢盖和聚酰胺纤维塑料圆柱体、侧环的不锈钢环和聚酰胺纤维塑料圆环、底盘的不锈钢桶和聚酰胺纤维塑料、铜电极、排水通道、3个排水同心圆环、O形密封圈和压力阀组成。顶盖的不锈钢盖、侧环的不锈钢环和底盘的不锈钢桶可承受固结试验所施加的荷载。顶盖的聚酰胺纤维塑料圆柱体、侧环的聚酰胺纤维塑料圆环、底盘的聚酰胺纤维塑料将电阻率成像固结仪内部电路与外壁的不锈钢绝缘，保证电势的正确测量，同时降低电阻率成像固结仪内壁与土样之间的摩擦效应。42根铜电极设置在电阻率成像固结仪的内边界上，16根电极等间距设置在侧环内壁，与电阻率成像固结仪内壁底面的间距为20mm，而顶盖和底盘各放置13根电极。集中放置于顶盖和底盘的5根铜电极增加了土样中部的电阻率信息，这是由于该处反演分析的分辨率通常很差，集中安装可更一步增加电学反演的灵敏度和准确性。试验时在侧环其中两个铜电极上施加电压，在其他铜电极上可以得出电势差的分布，从而得到土体各部位电阻率的大小，可以同时从竖向和水平向进行电阻率的测量，充分考虑土样的各向异性和非均质性。排水通道和3个排水同心圆环提供了固结试验所需的排水路径，且为了避免孔隙水的流动引起电路短路，在排水通道的附近、弯曲元和检波仪内部均安装有O形密封圈，从而保证孔隙水始终在设计的排水路径中流动。压力阀则控制固结试验所需的固结压力并提供排水通道。通过数值模拟技术结合反演分析可得到非饱和土的渗透系数函数k。 

Archie方程给出了多孔介质测得的电导率与饱和度关系： 

$\rho ={\rho }_w{n}^p{S}_r^q$

式中，ρ和ρ_w分别为土和孔隙水的电阻率；n为孔隙率；p和q为经验参数，反 映了内部孔隙连接特征。对于孔隙率和水中盐分含量保持不变时，Archie方法可以写为： 

$\frac{\rho }{{\rho }_{\mathrm{sat}}}=S_r^q$

式中，ρ_sat为饱和土样的电阻率。 

则重塑土样的饱和度可以写为： 

S_r＝(σ/σ_sat)^1/q

由于电阻率成像固结仪所有边界上均安装有铜电极，因此可进行大量的电阻率测试，而孔隙水的改变也得到了反映。 

根据连续介质的质量守恒定律，孔隙水和空气的流动偏微分方程表述如下： 

$\frac{\partial \left(n{S}_r{\gamma }_w\right)}{\partial t}+▿·\left({\gamma }_w{q}_w\right)=0$

$\frac{\partial \left(n(1-S_r){\gamma }_a\right)}{\partial t}+▿·\left({\gamma }_a{q}_a\right)=0$

式中，γ_i为第i相的土容重；q_i为比流量；n为孔隙率；Sr为饱和度；i=w或a，w代表水相，a代表气相。 

可采用Darcy定律描述孔隙水和空气的流动： 

$q_w=-k_w\left(S_r\right)▿(z+\frac{u_w}{{\rho }_{w}g})$

$q_a=-k_a\left(S_r\right)▿(z+\frac{u_a}{{\rho }_{a}g})$

式中，k_a和k_w为分别为气体和水的渗透系数，是饱和度的函数；u_w和u_a分别为水和气的压力。k_w即为非饱和土的渗透系数。 

Brooks和Corey建立了与饱和度之间的关系：式中k_w^sat为饱和土的渗透系数。β为经验系数。 

Corey给出了孔隙气体的渗透系数表达式： 

$k_a=k_a^{\mathrm{dry}}(1-S_r^2){(1-S_r)}^2$

式中k_a^dry为完全干燥条件下土中气体的渗透系数。 

根据van Genuchten关系式，土的持水曲线为： 

$S_e=\frac{S_r-S_r^{\mathrm{RES}}}{1-S_r^{\mathrm{RES}}}={\left[\frac{1}{1+{\left(\mathrm{\alpha s}\right)}^n}\right]}^m$

式中，S_e为有效饱和度；S_r^RES为残余饱和度；α、n、m为经验系数；s=u_a-u_w为 基质吸力。忽视了土水特征曲线的滞后现象，因为试验中经历了多次加水过程。 

据此，水和空气两种流体的本构方程为： 

γ_w＝γ_w0exp(B_wu_w) 

${\gamma }_a=\frac{m_a{u}_a}{\mathrm{RTg}}$

式中，γ_w0为标准大气压下的水容重，γ_w0=10kN/m³；B_w为水的体积压缩系数，B_w＝1×10^-6kPa^-1；m_a为空气视为理想气体时的质量分数，m_a=28.96kg/mol；R为理想气体常数，R=8.31432J/(mol·K)；T为绝对温度，T＝298.23K；g为重力加速度，g=9.8m/s²。 

将本构方程添加合适的边界条件和初始条件后，即可以通过有限元数值模拟软件进行求解。为简化计算流程，可将试验视为轴对称结构进行处理，网格划分为三节点式，在排水通道附近更为密集。除排水通道之外，试样的边界可能为对水和空气均不具备渗透性。 

有限元给出的解为不同时刻的u_a和u_w形式，饱和度和电阻率通过持水曲线和Archie方程得出。上述模型所给出的未知量为α、n、m和β五个参数。采用数值模拟电阻率成像固结试验，得到不同时刻的电阻率模拟值，然后将电阻率模拟值与实际观测值进行对比，通过目标函数Φ(b)表征电阻率模拟值与观测值的区别。 

Φ(b)＝(e^T/ρ_m)·e 

式中，ρ_m为观测的电阻率矢量；b为参数矢量，b=b(α,n,m,β)；e为误差，e＝ρ_m-ρ_s；ρ_s为数值模拟的渗流量矢量；T表示转置。当Φ(b)最小时，可以得到非饱和土的体积渗透系数函数k。目前已有许多方法可使目标函数达到最小值，如最速下降法、牛顿法、高斯法以及LM法(Levenberg-Marquardt法)等，其中LM法作为标准方法而最广泛使用。