一种可测层状砂砾土体多角度渗透系数试验装置

摘要

本发明公开了一种可测层状砂砾土体多角度渗透系数试验装置，包括支撑系统、上游供水装置、渗透装置、下游液体收集装置和数据采集系统；所述支撑系统用于控制渗透装置中试样室与水平方向的夹角；与渗透装置连接的上游供水装置用于饱和试样及提供渗透试验中所需的渗透液体；与渗透装置连接的下游液体收集装置用于收集从试样室渗透的液体；数据采集系统用于将采集的数据传输至计算机进行渗透系数的计算。本发明能够反复多次利用同一试样进行渗透试验得出不同角度下试样的渗透系数，避免不同试样在渗透性能上的差异，更为精确和高效地得到土体多角度渗透系数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可测层状砂砾土体多角度渗透系数试验装置，属于土工试验技术领域。

背景技术

土的渗透性，与强度、变形特性一起是土力学中的几个基本课题，强度、变形、渗流之间是相互影响、相互关联的关系。土体渗透系数是反映土体透水性能的定量指标，在工程中评价土体的透水能力、抗渗透变形能力、抗渗透破坏能力等的一个极其重要的指标。土木工程领域内许多工程问题都与土中水的渗流密切相关，如压实路基引起土体结构具有了层状特性，具有层状性质的土体发生不均匀沉降的现象与土体的渗透性能有一定的关系，即土体在不同角度下的渗透性能表现出明显差异。如何通过试验给出层状土体多角度渗透系数，并对其渗透特性与工程特性的相关性进行深入研究具有重要的科研意义和现实意义。

目前常用于测定土体渗透系数的仪器有三轴渗透仪、TST-70型渗透仪、TST-55型渗透仪等，都普遍存在试样尺寸较小、提供的渗透压力小、无法测量多角度土体渗透系数等缺陷。不少学者针对特定问题，对常规渗透仪进行了改进或研制了新的渗透仪，但仍无法实现同一仪器中对层状砂砾类土体规定多角度渗透系数的测量，影响了土体渗透性的测试及研究。对于此类问题需要研制一种土体渗透系数各向异性测量装置以测试层状砂砾土体多角度渗透系数试验装置，应用于边坡及路堤渗透稳定性工程分析中。

发明内容

本发明提供了一种可测层状砂砾土体多角度渗透系数试验装置，以用于实现多角度渗透系数的测量。

本发明的技术方案是：一种可测层状砂砾土体多角度渗透系数试验装置，包括支撑系统、上游供水装置、渗透装置、下游液体收集装置和数据采集系统；所述支撑系统用于控制渗透装置中试样室31与水平方向的夹角；与渗透装置连接的上游供水装置用于饱和试样及提供渗透试验中所需的渗透液体；与渗透装置连接的下游液体收集装置用于收集从试样室31渗透的液体；数据采集系统用于将采集的数据传输至计算机进行渗透系数的计算。

所述支撑系统包括底座11、竖杆12、紧固件13、横杆14、套管15和支撑杆16；所述底座11上沿垂直方向设置竖杆12，横杆14通过紧固件13与竖杆12连接，上下两层横杆14分别环竖杆12设置成一矩形，两层横杆14平行，各层两侧长边横杆14上均设置套管15，支撑杆16垂直于两侧长边横杆14设置并与横杆14上的套管15进行固定连接；横杆14通过紧固件13的松紧在竖杆12上垂直移动，套管15联动支撑杆16在水平面上移动，上下两层横杆14竖直移动使上下两层支撑杆16呈现不同高差。

所述上游供水装置包括加气压设备21、压力气体进气管22、储液容器23、压力水进水管27和刻度28；所述储液容器23分为气体室24和液体室25，并通过隔塞26进行分离；

所述加气压设备21通过压力气体进气管22连接至气体室24内，压力水进水管27与液体室25连通，加气压设备21通过增加气体室24内部压强使隔塞26挤压液体室25施加予渗透液体并使其通过压力水进水管27进入到渗透装置中，储液容器23内部标有刻度28，通过液体对应刻度28位置分析试验过程中通过渗透装置的液体容积。

所述渗透装置包括试样室31、固定锁环32；

所述试样室31下方连通上游供水装置，试样室31上方连通下游液体收集装置，固定锁环32设置在试样室左右两个侧面的直角处，一个侧面上方的两个固定锁环32与上层支撑杆16进行连接，另一个侧面下方的两个固定锁环32与下层支撑杆16进行连接。

所述固定锁环32呈圆形结构，其内径为支撑杆内径1.2-1.4倍。

所述渗透装置试样室31的形状为a×a×b的长方体形，且b至少为a的1.5倍，不大于4倍；所述试样室31上下两面为a×a的正方形，一面为上游进水处37，一面为下游出水处38，下游出水处38能打开装放试样，上游进水处37则不可以拆卸；所述试样室31侧面为a×b的矩形。

所述下游液体收集装置包括液体收集器41、渗透水出水管42；

所述液体收集器41通过渗透水出水管42连通渗透装置，液体经渗透装置的试样室31渗透入液体收集器41，经液体收集器41底部的重力传感器53测定得出渗流量。

所述数据采集系统包括气体压力传感器51、孔隙水压力传感器52、重力传感器53；多个孔隙水压力传感器52沿渗透装置中试样室31前后两个侧面的竖向中心线上等距离设置，气体压力传感器51设置于上游供水装置中气体室24的内部，重力传感器53设置于下游液体收集装置中液体收集器41的下方，气体压力传感器51、孔隙水压力传感器52和重力传感器53采集的数据通过数据线54传输至计算机。

本发明的有益效果是：

1）可测层状砂砾土体多角度渗透系数试验装置，通过采用电子数字化和自动化技术来采集和处理整个试验装置的数据和结果，能够高度精确和效率地测试层状砂砾土体多角度渗透系数。

2）上游供水装置中储液容器内部有刻度和气体压力传感器，气体压力传感器实时记录内部压强，当其压强保持稳定，液体对应刻度规律变化，即可正式开始试验记录，上游供水装置通过刻度分析计算得出进入到渗透装置的液体容积，与下游液体收集装置得出的经过试样室收集的渗流量进行对比分析，提高了试验结果的准确性和科学性。

3）试样制备无需重复多次制备以求多角度渗透系数，且渗透试验测试的试样能够在该装置的试样室中进行制备试样与饱和，试样室仅一面开口，能够避免装置在一定程度上发生渗漏的可能性。

4）渗透试验测试的试样通过固定锁环与支撑杆进行连接，调节两层支撑杆间距使试样处于试验所需角度，能够反复多次利用同一试样进行渗透试验得出不同角度下试样的渗透系数，避免不同试样在渗透性能上的差异，更为精确和高效地得到土体多角度渗透系数。

附图说明

图1是本发明的上游供水装置结构示意图；

图2是本发明的渗透装置结构示意图；

图3是本发明的多角度渗透系数测试示意图；

图4是本发明的试样室形状及尺寸示意图；

图5是本发明的下游液体收集装置示意图；

图中各标号为：11-底座；12-竖杆；13-紧固件；14-横杆；15-套管；16-支撑杆；21-加气压设备；22-压力气体进气管；23-储液容器；24-气体室；25-液体室；26-隔塞；27-压力水进水管；28-刻度；31-试样室；32-固定锁环；33-土体层状结构；34-进水处过水断面；35-渗透方向；36-出水处过水断面；37-上游进水处；38-下游出水处；41-液体收集器；42-渗透水出水管；51-气体压力传感器；52-孔隙水压力传感器；53-重力传感器；54-数据线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1-图5所示，一种可测层状砂砾土体多角度渗透系数试验装置，包括支撑系统、上游供水装置、渗透装置、下游液体收集装置和数据采集系统；所述支撑系统用于控制渗透装置中试样室31与水平方向的夹角；与渗透装置连接的上游供水装置用于饱和试样及提供渗透试验中所需的渗透液体；与渗透装置连接的下游液体收集装置用于收集从试样室31渗透的液体；数据采集系统用于将采集的数据传输至计算机进行渗透系数的计算。

进一步地，可以设置所述支撑系统包括底座11、竖杆12、紧固件13、横杆14、套管15和支撑杆16；所述底座11上沿垂直方向设置竖杆12，横杆14通过紧固件13与竖杆12连接，上下两层横杆14分别环竖杆12设置成一矩形，两层横杆14平行，各层两侧长边横杆14上均设置套管15，支撑杆16垂直于两侧长边横杆14设置并与横杆14上的套管15进行固定连接；横杆14通过紧固件13的松紧在竖杆12上垂直移动，套管15联动支撑杆16在水平面上移动，上下两层横杆14竖直移动使上下两层支撑杆16呈现不同高差。

进一步地，可以设置所述上游供水装置包括加气压设备21、压力气体进气管22、储液容器23、压力水进水管27和刻度28；所述储液容器23分为气体室24和液体室25，并通过隔塞26进行分离；所述加气压设备21通过压力气体进气管22连接至气体室24内，压力水进水管27与液体室25连通，加气压设备21通过增加气体室24内部压强使隔塞26挤压液体室25施加予渗透液体并使其通过压力水进水管27进入到渗透装置中，储液容器23内部标有刻度28，通过液体对应刻度28位置分析试验过程中通过渗透装置的液体容积。

进一步地，可以设置所述渗透装置包括试样室31、固定锁环32；所述试样室31下方连通上游供水装置，试样室31上方连通下游液体收集装置，固定锁环32设置在试样室左右两个侧面的直角处，一个侧面上方的两个固定锁环32与上层支撑杆16进行连接，另一个侧面下方的两个固定锁环32与下层支撑杆16进行连接。

进一步地，可以设置所述固定锁环32呈圆形结构，其内径为支撑杆内径1.2倍。

进一步地，可以设置所述渗透装置试样室31的形状为a×a×b的长方体形，且b至少为a的1.5倍，不大于4倍；所述试样室31上下两面为a×a的正方形，一面为上游进水处37，一面为下游出水处38，下游出水处38能打开装放试样，上游进水处37则不可以拆卸；所述试样室31侧面为a×b的矩形。

进一步地，可以设置所述下游液体收集装置包括液体收集器41、渗透水出水管42；所述液体收集器41通过渗透水出水管42连通渗透装置，液体经渗透装置的试样室31渗透入液体收集器41，经液体收集器41底部的重力传感器53测定得出渗流量。

进一步地，可以设置所述数据采集系统包括气体压力传感器51、孔隙水压力传感器52、重力传感器53；多个孔隙水压力传感器52沿渗透装置中试样室31前后两个侧面的竖向中心线上等距离设置，气体压力传感器51设置于上游供水装置中气体室24的内部，重力传感器53设置于下游液体收集装置中液体收集器41的下方，气体压力传感器51、孔隙水压力传感器52和重力传感器53采集的数据通过数据线54传输至计算机。

实施例2，与实施例1基本相同，其不同之处在于：所述固定锁环32呈圆形结构，其内径为支撑杆内径1.4倍。

本发明的试验过程是：

采用本发明进行多角度渗透系数试验装置试验，首先需要按一定的要求制备试验用土体试样，然后将土样模拟现场土体的填筑或土层的沉积分层填筑在试样室31中。所述试样制备根据试验目的确定选取层面间距与土料类型，采用在渗透装置内分层虚铺试样土料并逐层压实制样，所制备试样的层面与试样的两短边所成面平行，即与试样室31的长边垂直，使得渗透装置水平放置时层面与渗透方向35垂直；所述试样制备完成后，将试样室31通过固定锁环32与支撑杆16进行连接，且上游进水处37方向朝下，下游出水处38方向朝上；

所述渗透装置根据所需要求安放在支撑系统后，将渗透装置进水口与上游供水装置进行连接，渗透装置出水口与下游水体收集装置进行连接；在储液容器23中存储足够的水量后，打开加气压设备21对储液容器气体室24内部气体施加一定的压力，通过较高的压力挤压隔塞26向下移动，使得液体室25内部液体具有一定的压力并从压力水进水管27被压入至渗透装置中；试验开始前需对试样室31内已制备满足试样要求的试样进行饱和，当液体收集器41中渗透水出水管42流出的液体不再伴随出现气泡后即认为试样已饱和；气体室24内部气体压力传感器51记录内部压强，当其压强保持稳定（气体压力传感器的作用：监控并保证渗透的水头恒定），液体对应刻度28呈规律变化，即可正式开始试验记录。

根据试验目的所需渗透试验角度进行调整，通过调节紧固件13的松紧调整上下两层横杆14间距，进而控制上下两层支撑杆16的间距，支撑杆16可以通过套管15在水平面上移动，试样室21通过固定锁环22在支撑杆16间进行调整，使整个试样室31在支撑系统中维持稳定并且处于一个试验目的角度状态。

所述试验开始后，由安装在试样室31不同位置的多个孔隙水压力传感器52实时测定所在过水断面的水头，取其中两个不同高差的的孔隙水压力传感器52并测出其过水断面的孔隙水压力，分析计算得到两过水断面的水力梯度；通过两过水断面间的距离，分析不同角度下过水断面的面积；所述渗透液体经试样室31渗透入液体收集器41，经过重力传感器53测定得出渗流量。

所述气体压力传感器51、孔隙水压力传感器52和重力传感器53将试验过程中所有数据通过计算机自动收集和处理；根据达西定律，两过水断面的面积和距离已知，水力梯度已知，渗透量已知，即可求得其渗透系数。

所述试验测定土体其他角度渗透系数，无需再次制备试样，调节支撑杆16间距调整试样室21的角度，重复试验过程，测定完成土样所需角度渗透系数，结束试验。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。