一种非饱和粗粒土渗透仪及其测试方法技术

本发明专利技术涉及一种非饱和粗粒土渗透仪及其测试方法，其中渗透仪由密封室、加压系统和测量系统组成。密封室、加压系统和测量系统间通过导气管和导水管连接。密封室由外室和内室组成，内室上、下面均设置陶瓷板，内室侧壁均匀分布小孔。加压系统包括空气压缩机、过滤瓶、调压阀和加压管。测量系统包括测量平台、千分表、气压计、测量管和水箱。该方法基于轴平移的原理，通过测量粗粒土试样在不同吸力下的吸水、排水量，得到试样的土‑水特征曲线和非饱和渗透系数。与现有技术相比，本发明专利技术可实现粗粒土的土‑水特征曲线和非饱和渗透系数的测量，测量对象可以是所有砂土，也可以是碎石土、粉土和混合土料。

【技术实现步骤摘要】
一种非饱和粗粒土渗透仪及其测试方法
本专利技术属岩土工程
，具体涉及一种非饱和粗粒土渗透仪及方法。
技术介绍
非饱和土分布十分广泛，与工程实践紧密联系的地表土几乎都是非饱和土。经典的饱和土力学原理与概念并不完全符合非饱和土的实际性状，在工程设计中采用饱和土力学的方法，会造成设计过于保守或安全系数过低。因此按非饱和状态下研究土体的工程力学性质是土力学发展的趋势，将非饱和土力学理论应用于实际工程是工程实践的需要。粗粒土在工程应用中是较为常见的，如路堤和人工坝的填土。与高岭土、黄土及红土相比，粗粒土非饱和性质参数的确定具有一定困难，主要包括：粗粒土粒径范围广，已有的非饱和渗透仪内径多为3.9～10.0cm，不能满足实验需求；当粗粒土黏粒含量较少时，其进气值较小，为确定其进气值，需要试验仪器能控制较小范围的吸力。虽采用土柱法能控制较小吸力且满足较大内径的需要，但测定进出水量较为困难。虽在土柱法中加入传感器(如TDR传感器、孔压计和张力计或湿度计)可以增加含水量测量的精度，但可测量吸力的范围受仪器高度限制，多不超过10kPa。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可用于测量粗粒土土-水特征曲线和非饱和渗透系数的非饱和粗粒土渗透仪及其应用方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，包括密封室、加压系统和测量系统；所述密封室包括外室(1)和内室(2)，内室(2)置于外室(1)中，外室(1)通过导气管(8)与加压系统相连，内室(2)通过导水管(9)与加压系统相连；所述加压系统包括空气压缩机(3)、过滤瓶(4)、调压阀(5)、加压管(6)和阀门(7)，所述的空气压缩机(3)通过导气管(8)经过过滤瓶(4)后分别连接外室(1)和加压管(6)；所述测量系统包括测量平台(10)、千分表(11)、气压计(12)、测量管(13)和水箱(14)，所述的测量平台(10)内设置多个并联的测量管(13)，各测量管(13)通过导水管(9)与加压管(6)相连，所述的千分表(11)设置在密封室上，所述的气压计(12)通过导气管(8)与加压系统相连，水箱(14)通过导水管(9)与加压管(6)和测量管(13)相连。所述的外室(1)由顶盖(15)、外套筒(16)与底座(17)组成，用O形环(18)密封；所述的内室(2)由内套筒(22)、加载盘(21)与底盘(23)组成，通过O形环(18)密封。所述的内套筒(22)侧壁均匀分布有小孔，可施加均匀的气压于试样侧壁；所述加载盘(21)和底盘(23)上装有陶瓷板(24)，陶瓷板(24)与导水管(9)相连，可控制吸力并进行双面排水。所述的顶盖(15)上安装有加载杆(19)，用于对粗粒土施加所需应力；试验过程中，加载杆(19)和加载盘(21)竖向移动并保持密封，采用千分表(11)测得试样在不同吸力下的体积变化，实现饱和度的精确计算及饱和度对孔隙比影响的测定。所述的加压管(6)包括上加压管(61)和下加压管(62)，分别通过导水管(9)与加载盘(21)和底盘(23)相连。所述的加压管(6)内径为5cm，控制试验过程中水压不变，所述测量管(13)内径为加压管(6)内径的0.4倍，精确测量试验过程中加压管内水量的变化。所述的调压阀(5)包括第一调压阀(51)和第二调压阀(52)，所述的第一调压阀(51)设置在空气压缩机(3)与密封室之间的导气管(8)上，所述的第二调压阀(52)设置在空气压缩机(3)与加压管(6)之间的导气管(8)上，调节第一调压阀(51)实现密封室内气压的控制；调节第二调压阀(52)向加压管(6)内水施加气压，实现试样上水压的控制；调节加压管(6)内水位，实现试样上水压的精确控制。连接加压管(6)与内室(2)的导水管(9)上设有加载阀门(71)，连接测量管(13)与加压管(6)的导水管(9)上设有测量阀门(72)，测量水量变化时，关闭加压管(6)与试样相连的加载阀门(71)，打开测量管(13)和加压管(6)连通的测量阀门(72)，使加压管(6)的水位恢复到初始水位，读取测量管(13)内水位的变化。采用上述非饱和粗粒土渗透仪进行试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在底盘(23)涂上防水的润滑脂，安装在底座(17)的槽中，将加载盘(21)放入密封室中，加入脱气水，使水漫过加载盘(21)，安装好密封室；通过空气压缩机(3)向密封室内加入气压，打开加载阀门(71)和测量阀门(72)，使密封室内的水和陶瓷板(24)内的气体沿导水管(9)排入加压管(6)中，待陶瓷板(24)完全饱和，将导水管(9)内的所有气泡排至加压管(6)中，将气压降为0kPa，关闭所有阀门，打开密封室的顶盖(15)，吸出密封室内多余的脱气水，取出加载盘(21)，并将加载盘(21)放入装有脱气水的容器中，保持饱和；步骤2：安装好内套筒(22)，向内套筒(22)内分层填入称好质量的非饱和土试样并使其均匀分布，试样填充完毕后，在加载盘(21)侧壁涂抹好润滑脂，安装于试样上面并与试样接触，重新安装好密封室，在顶盖(15)上设置千分表(11)，使其与加载杆(19)接触，通过压缩机或砝码对试样加一定荷载；步骤3：调节调压阀(5)和加压管(6)内水位，使试样上的吸力为0kPa，待试样吸水稳定，加压管(6)内水位不再变化后，用测量管(13)测量试样吸水量或排水量，读取千分表(11)读数，计算得试样自然饱和时的饱和度；步骤4：调节调压阀(5)和加压管(6)内水位，向试样施加吸力，待试样吸水或排水稳定，加压管(6)内水位不再变化后，用测量管(13)测量试样吸水量或排水量，读取千分表(11)读数，计算得试样在该吸力下的饱和度；步骤5：重复步骤4，测得试样不同吸力下的饱和度，得到试样的土-水特征曲线，测量完毕后，调节调压阀(5)将仪器内气压降为0kPa，关闭所有阀门(7)和压缩机(3)，拆开仪器，取出试样。步骤4中，试样吸水或排水稳定后，根据测量需要，保持第二调压阀(52)不变，调节上加压管(6)内的水位，在试样上下表面形成不同的水头差，测量一定时间内试样的排水量和吸水量，待排水量与吸水量相同时，认为试样内已形成稳定的非饱和渗流，记录一段时间内的排水量或吸水量，则根据水头差、排水量或吸水量和时间，可计算得到试样该饱和度下的非饱和渗透系数。根据测量需要，在试验过程中用水箱(14)调整加压管(6)和测量管(13)内的水位，实现不同吸力下试样饱和度和非饱和渗透系数的连续测量。步骤4中，试验时间较长时，底座(17)和底盘(23)的管道内存在的气泡通过打开导水管(9)的冲刷阀门(73)，将气泡冲刷出仪器，实现试样吸水、排水量的精确测量。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术内套筒内径设计为16cm，可进行双面排水，实现试验所需时间的缩短，解决了现有非饱和土渗透仪只能进行小尺寸试样试验的问题，满足进行大尺寸试样试验的需求。(2)本专利技术采用轴平移法控制吸力，饱和试样时，调节调压阀和加压管的水位，使试样上的气压和水压相同，即吸力为0kPa，同时使外套筒内的气压大于0kPa，则在试样吸水饱和的过程中，水和土颗粒不会从内套筒的小孔流出，影响自然饱和度的测量。(3)本专利技术采用调压阀调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，包括密封室、加压系统和测量系统；所述密封室包括外室(1)和内室(2)，内室(2)置于外室(1)中，外室(1)通过导气管(8)与加压系统相连，内室(2)通过导水管(9)与加压系统相连；所述加压系统包括空气压缩机(3)、过滤瓶(4)、调压阀(5)、加压管(6)和阀门(7)，所述的空气压缩机(3)通过导气管(8)经过过滤瓶(4)后分别连接外室(1)和加压管(6)；所述测量系统包括测量平台(10)、千分表(11)、气压计(12)、测量管(13)和水箱(14)，所述的测量平台(10)内设置多个并联的测量管(13)，各测量管(13)通过导水管(9)与加压管(6)相连，所述的千分表(11)设置在密封室上，所述的气压计(12)通过导气管(8)与加压系统相连，水箱(14)通过导水管(9)与加压管(6)和测量管(13)相连。

【技术特征摘要】
1.一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，包括密封室、加压系统和测量系统；所述密封室包括外室(1)和内室(2)，内室(2)置于外室(1)中，外室(1)通过导气管(8)与加压系统相连，内室(2)通过导水管(9)与加压系统相连；所述加压系统包括空气压缩机(3)、过滤瓶(4)、调压阀(5)、加压管(6)和阀门(7)，所述的空气压缩机(3)通过导气管(8)经过过滤瓶(4)后分别连接外室(1)和加压管(6)；所述测量系统包括测量平台(10)、千分表(11)、气压计(12)、测量管(13)和水箱(14)，所述的测量平台(10)内设置多个并联的测量管(13)，各测量管(13)通过导水管(9)与加压管(6)相连，所述的千分表(11)设置在密封室上，所述的气压计(12)通过导气管(8)与加压系统相连，水箱(14)通过导水管(9)与加压管(6)和测量管(13)相连。2.根据权利要求1所述的一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，所述的外室(1)由顶盖(15)、外套筒(16)与底座(17)组成，用O形环(18)密封；所述的内室(2)由内套筒(22)、加载盘(21)与底盘(23)组成，通过O形环(18)密封。3.根据权利要求2所述的一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，所述的内套筒(22)侧壁均匀分布有小孔，可施加均匀的气压于试样侧壁；所述加载盘(21)和底盘(23)上装有陶瓷板(24)，陶瓷板(24)与导水管(9)相连，可用于控制吸力并进行双面排水。4.根据权利要求2所述的一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，所述的顶盖(15)上安装有加载杆(19)，用于对粗粒土施加所需应力；试验过程中，加载杆(19)和加载盘(21)竖向移动并保持密封，采用千分表(11)测得试样在不同吸力下的体积变化，实现饱和度的精确计算及饱和度对孔隙比影响的测定。5.根据权利要求2所述的一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，所述的加压管(6)包括上加压管(61)和下加压管(62)，分别通过导水管(9)与加载盘(21)和底盘(23)相连。6.根据权利要求2所述的一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，所述的加压管(6)内径为5cm，控制试验过程中水压不变，所述测量管(13)内径为加压管(6)内径的0.4倍，精确测量试验过程中加压管内水量的变化。7.根据权利要求1所述的一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，所述的调压阀(5)包括第一调压阀(51)和第二调压阀(52)，所述的第一调压阀(51)设置在空气压缩机(3)与密封室之间的导气管(8)上，所述的第二调压阀(52)设置在空气压缩机(3)与加压管(6)之间的导气管(8)上；调节第一调压阀(51)实现密封室内气压的控制，调节第二调压阀(52)向加压管(6)内水施加气压，实现试样上水压的控制；调节加压管(6)内水位，实现试样上水压的精确控制。8.根据权利要求1所述的一种非饱和粗粒土渗透仪，其特征在于，连接加压管(6)与内室(2)的导水管(9)上设有加载阀门(71)，连接测量管(13)与加压管(6)的导水管(9)上设有测量阀...

【专利技术属性】
技术研发人员：石振明，熊曦，俞松波，刘巍然，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31