一种测定非饱和土渗透系数的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种包括样品处理系统、环境调节系统、和数据采集系统的测定非饱和土渗透系数的装置，以及采用该装置测定非饱和土渗透系数的方法，包括以下步骤：(1)进行土样饱和；(2)模拟非饱和土体的蒸发过程；(3)观察干燥锋的推进过程并记录其推进距离及对应时间；(4)采集水分计测得的体积含水率随时间的变化数据以及张力计测得的基质吸力随时间的变化数据；(5)利用干燥锋推进法求解非饱和土渗透系数。本发明专利技术的装置可以极大的缩短测试时间，受到外界的影响较小，并且建立了以体积含水率、基质吸力和干燥锋推进速度为基本变量求解非饱和土渗透系数的新思路。

A device and method for measuring permeability coefficient of unsaturated soil

【技术实现步骤摘要】
一种测定非饱和土渗透系数的装置及方法
本专利技术涉及岩土工程
，更具体的说是涉及一种测定非饱和土渗透系数的装置及方法。本专利技术是在湿润土样的蒸发过程中，干燥锋由非饱和区向饱和区推进，由此建立了以体积含水率、基质吸力和干燥锋推进速度为基本变量的求解非饱和土渗透系数的全新思路。
技术介绍
非饱和土是指土壤孔隙由水和空气填充，即饱和度介于100和0之间的土壤，其广泛分布在地球表面，如天然沉积土、岩土工程项目遇到的土大部分都是非饱和土，在实际的环境岩土工程中，很少遇到饱和土。并且非饱和土的渗透系数是分析降雨对土坡稳定性、固体废物填埋场、水溶性污染物的迁移和填土工程问题中的重要参数，因此非饱和土渗透系数的测定研究对于工程实践意义重大。现有技术中多采用蒸发法测定非饱和土渗透系数，但是已有的蒸发法测定非饱和土渗透系数过程中耗时长，并且受外界环境影响较大。因此，如何提供一种耐受性好、效率高的测定非饱和土渗透系数的装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出了一种测定非饱和土的渗透系数的装置，结构简单，受外界环境影响较小，应用范围广，局限性小；以及一种应用上述装置测定非饱和土渗透系数的方法，采用干燥锋推进法，通过进行土样饱和，模拟非饱和土体的蒸发过程，观察干燥锋的推进过程并记录其推进距离及对应时间，采集水分计测得的体积含水率随时间的变化数据以及张力计测得的基质吸力随时间的变化数据，利用干燥锋推进法求解非饱和土渗透系数，达到了采用一维土柱蒸发试验对单一土柱截面的渗透量进行微分，进而求解非饱和土渗透系数的目的。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种测定非饱和土渗透系数的装置，包括样品处理系统，所述样品处理系统包括调平称，设置于所述调平称顶部的样品室，罩在所述样品室顶部的蒸发罩，以及设置于所述样品室底部的通水孔；环境调节系统，所述环境调节系统包括环境箱，以及用于控制所述环境箱内温度和湿度的控制台；所述环境箱通过通气管道与所述蒸发罩连通；和数据采集系统，所述数据采集系统包括张力计、水分计、数据采集器和计算机；所述张力计和所述水分计插入所述样品室的待测样品中，并且所述张力计和所述水分计分别与所述数据采集器电连接，将采集到的电信号发送至所述计算机。优选的，在上述一种测定非饱和土渗透系数的装置中，所述蒸发罩通过支架固定在所述样品室顶部外缘。优选的，在上述一种测定非饱和土渗透系数的装置中，所述环境箱内部设置有加热器和冷冻器，并由所述控制台控制所述加热器和所述冷冻器来调节所述环境箱内的温度。优选的，在上述一种测定非饱和土渗透系数的装置中，所述环境箱外侧设置有用于显示所述环境箱内部温度的温度表。优选的，在上述一种测定非饱和土渗透系数的装置中，所述环境箱外侧连接有加湿器和除湿器，并由所述控制台控制所述加湿器和所述除湿器来调节所述环境箱内的湿度。优选的，在上述一种测定非饱和土渗透系数的装置中，所述环境箱的出风口设置有鼓风机，并且所述环境箱内部设置有由所述控制台控制的空气混合器。优选的，在上述一种测定非饱和土渗透系数的装置中，所述样品室为有机玻璃柱。上述技术方案的有益效果是：有机玻璃柱作为样品室具有较好的透明性、化学稳定性和力学性能，并且可根据试验需要采用其它材质。本专利技术还公开了一种测定非饱和土渗透系数的方法，采用干燥锋推进法测定非饱和土的渗透系数，包括以下步骤：(1)在样品处理系统中进行土样饱和；(2)模拟非饱和土体的蒸发过程；(3)观察干燥锋的推进过程并记录其推进距离和对应时间；(4)采集水分计测得的体积含水率随时间的变化数据以及张力计测得的基质吸力随时间的变化数据；(5)利用干燥锋推进法求解非饱和土渗透系数。优选的，在上述一种测定非饱和土渗透系数的方法中，步骤(1)具体为：通过所述调平称将所述样品室调节水平后，将土样装入所述样品室内，同时安装所述水分计和所述张力计，将所述通水孔与水源连接，水流由下向上对土样进行饱和。优选的，在上述一种测定非饱和土渗透系数的方法中，步骤(2)具体为：A.土样饱和后将所述蒸汽罩通过所述支架设置在所述样品室的顶端外缘，通过所述通气管道与所述环境箱连接起来；B.由所述控制台控制所述加热器和所述冷冻器来调节所述环境箱内的温度，调节后的温度通过所述温度表显示；C.由所述控制台控制所述除湿器和所述加湿器来调节所述环境箱内的湿度，通过所述鼓风机控制风速，在所述蒸发罩中形成恒温恒湿的稳定气流。优选的，在上述一种测定非饱和土渗透系数的方法中，所述步骤(5)中采用一维土柱蒸发试验对单一土柱截面的渗透量进行微分，得到非饱和土的渗透系数，具体步骤如下：假定截面B为张力计和水分计的安装位置；假定截面A为垂直柱体装置的底部，该截面的蒸发量为零，则通过截面B的蒸发量等于两截面之间缺失的水量，即：QB＝ΔWA-B式中，QB表示通过截面B的水流量，ΔWA-B表示在截面A和截面B之间水量的缺失量；截面A和截面B之间缺失的水量由体积含水率分布函数计算得到，即：式中，θ(h,t)为含水率分布方程；Ac为柱体装置横截面面积；h为截面到柱体装置顶面之间的铅直距离；在较短的时间Δt内，干燥锋的推进距离为Δh，假设在蒸发过程中体积含水率随时间是平稳变化的，则满足下列等式：θ(h,t+Δt)＝θ(h-Δh,t)基质吸力的分布则满足：ψ(h,t+Δt)＝ψ(h-Δh,t)由此得到，截面A和截面B之间缺失的水量表达式为：在蒸发过程中，柱体装置底部始终保持饱和的体积含水率θs，则满足下列等式：当干燥锋推进距离较小时，在截面B的蒸发量忽略不计：最终通过截面B的蒸发量的表达式为：QB≈0.5[2θs-θ(hB,t1)-θ(hB,t2)]AcΔh基质吸力与水力梯度的关系式如下：进一步，根据达西定律得：由此得到渗透系数的表达式为：干燥锋的推进速度可表示为：v＝Δh/Δt最终渗透系数的表达式如下：经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种测定非饱和土渗透系数的装置，结构简单，受外界环境影响较小，应用范围广，局限性小，并且效率高；以及一种应用上述装置测定非饱和土渗透系数的方法，利用干燥锋推进法求解非饱和土渗透系数，达到了采用一维土柱蒸发试验对单一土柱截面的渗透量进行微分，进而求解非饱和土渗透系数的目的；建立了以体积含水率、基质吸力和干燥锋推进速度为基本变量的求解非饱和土渗透系数的全新思路。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测定非饱和土渗透系数的装置，其特征在于，包括/n样品处理系统，所述样品处理系统包括调平称(1)，设置于所述调平称(1)顶部的样品室(2)，罩在所述样品室(2)顶部的蒸发罩(3)，以及设置于所述样品室(2)底部的通水孔(4)；/n环境调节系统，所述环境调节系统包括环境箱(5)，以及用于控制所述环境箱(5)内温度和湿度的控制台(6)；所述环境箱(5)通过通气管道(7)与所述蒸发罩(3)连通；/n和数据采集系统，所述数据采集系统包括张力计(81)、水分计(82)、数据采集器(9)和计算机(10)；所述张力计(81)和所述水分计(82)插入所述样品室(2)的待测样品中，并且所述张力计(81)和所述水分计(82)分别与所述数据采集器(9)电连接，将采集到的电信号发送至所述计算机(10)。/n

【技术特征摘要】
1.一种测定非饱和土渗透系数的装置，其特征在于，包括
样品处理系统，所述样品处理系统包括调平称(1)，设置于所述调平称(1)顶部的样品室(2)，罩在所述样品室(2)顶部的蒸发罩(3)，以及设置于所述样品室(2)底部的通水孔(4)；
环境调节系统，所述环境调节系统包括环境箱(5)，以及用于控制所述环境箱(5)内温度和湿度的控制台(6)；所述环境箱(5)通过通气管道(7)与所述蒸发罩(3)连通；
和数据采集系统，所述数据采集系统包括张力计(81)、水分计(82)、数据采集器(9)和计算机(10)；所述张力计(81)和所述水分计(82)插入所述样品室(2)的待测样品中，并且所述张力计(81)和所述水分计(82)分别与所述数据采集器(9)电连接，将采集到的电信号发送至所述计算机(10)。


2.根据权利要求1所述的一种测定非饱和土渗透系数的装置，其特征在于，所述蒸发罩(3)通过支架(11)固定在所述样品室(2)顶部外缘。


3.根据权利要求1所述的一种测定非饱和土渗透系数的装置，其特征在于，所述环境箱(5)内部设置有加热器(51)和冷冻器(52)，并由所述控制台(6)控制所述加热器(51)和所述冷冻器(52)来调节所述环境箱(5)内的温度。


4.根据权利要求1所述的一种测定非饱和土渗透系数的装置，其特征在于，所述环境箱(5)外侧设置有用于显示所述环境箱(5)内温度的温度表(53)。


5.根据权利要求1所述的一种测定非饱和土渗透系数的装置，其特征在于，所述环境箱(5)外侧连接有加湿器(54)和除湿器(55)，并由所述控制台(6)控制所述加湿器(54)和所述除湿器(55)来调节所述环境箱(5)内的湿度。


6.根据权利要求1所述的一种测定非饱和土渗透系数的装置，其特征在于，所述环境箱(5)的出风口设置有鼓风机(56)，并且所述环境箱(5)内部设置有由所述控制台(6)控制的空气混合器(57)。


7.一种权利要求1-6任一项所述装置测定非饱和土渗...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘强，奚萍，苗佳丽，李效臣，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37