测量土体非饱和渗透特性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测量土体非饱和渗透特性的装置及方法，其中所述一种测量土体非饱和渗透特性的装置包括：土样腔室，其内设有遇水不松动的标准土样，所述土样腔室顶部连通有注水孔，渗透试验用水经注水孔注入标准土样内；集水腔室，与土样腔室底部连通，从标准土样内流出的水进入集水腔室，所述集水腔室可对其内的水量进行测量。有益效果：本发明专利技术的测量土体非饱和渗透特性的方法基于非饱和渗流理论，采用数值方法模拟土体非饱和渗透过程，并结合测量土体非饱和渗透特性的装置测量的土样渗透过程数据，实现土体非饱和渗透关系的反算，测量步骤简单、测量速度快、效率高。效率高。效率高。

【技术实现步骤摘要】
测量土体非饱和渗透特性的装置及方法


[0001]本专利技术涉及土工试验仪器领域，特别涉及一种测量土体非饱和渗透特性的装置及方法。

技术介绍

[0002]在水利工程、岩土工程、环境工程实践中，如降雨诱发滑坡、地下硐室建设、污染物运移评估与场地修复，均无一例外的涉及土体非饱和渗流物理过程。从力学角度看，非饱和渗流可导致岩土体力学性能弱化，影响工程稳定性；从环保角度看，非饱和渗流会导致污染场地污染物随水流扩散进而导致环境恶化。因而非饱和渗流问题是水利、岩土、环境等工程领域研究的重要问题之一。
[0003]地下非饱和渗流具有非可视化的特征，难以直接观测，因此数值模拟成为了非饱和渗流问题研究的重要手段，数值模拟结果的准确性很大程度上取决于软件中土体非饱和渗流特性描述的准确性，该土体非饱和渗流特性包括了土体基质吸力
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土体饱和度相对关系、相对渗透系数
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土体饱和度相对关系、饱和渗透系数等指标，该三项特征指标涉及的测量方法各不相同，故通常采用不同的样本分开测试其中一个指标，由于不同的样本的结构特征无法做到完全一致，因此测试获得的指标始终存在相容性问题，该问题会显著影响数值模拟结果的准确性。
[0004]此外，目前上述三项特征指标的测量多采用直接测量方法，其涉及仪器包括压力板仪、三轴测试仪等，这些仪器虽然测试精度较高，但也存在控制操作系统复杂、环境要求高、试验耗时长等不足，而且仅可在实验室内开展测量，无法获取现场原位状态土体相关指标，从工程角度而言，普遍无法提供土体基质吸力
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饱和度相对关系、非饱和渗透系数
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饱和度相对关系这两项特征指标，因此急需一种测量土体非饱和渗透特性的装置及方法以实现对野外原状土体非饱和渗透特性的快速测量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的是提出一种测量土体非饱和渗透特性的装置及方法，旨在解决现有野外原状土体非饱和渗透特性测量步骤繁琐、耗时长、测量速度慢、效率低的问题。
[0006]为解决上述问题，本专利技术提出了一种测量土体非饱和渗透特性的装置，包括：
[0007]土样腔室，其内设有遇水不松动的标准土样，所述土样腔室顶部连通有注水孔，渗透试验用水经注水孔注入标准土样内；
[0008]集水腔室，与土样腔室底部连通，从标准土样内流出的水进入集水腔室，所述集水腔室可对其内的水量进行测量。
[0009]在一实施例中，所述一种测量土体非饱和渗透特性的装置还包括安装筒，所述安装筒内自下往上依次设置有垫板和盖板，所述垫板与安装筒内壁密封固连，从而在安装筒内垫板以下区域形成所述集水腔室；
[0010]所述盖板与安装筒内壁密封滑动相连，从而在安装筒内盖板和垫板之间的区域形
成所述土样腔室，所述安装筒上开设有罩门，打开罩门后，所述标准土样可进出所述土样腔室，所述注水孔设于盖板上；
[0011]所述安装筒顶部旋接有螺纹杆，所述螺纹杆的下端与盖板回转连接，所述螺纹杆自转可带动盖板紧贴安装筒内壁沿螺纹杆的轴线方向滑动。
[0012]在一实施例中，所述安装筒底部设有与集水腔室连通的排水阀，所述集水腔室内设有液位传感器。
[0013]在一实施例中，所述垫板上贯通设置有排水孔，所述垫板上表面和盖板下表面设有透水石板。
[0014]在一实施例中，所述透水石板外套设有垫圈，所述垫圈与安装筒内壁密封滑动相连。
[0015]在一实施例中，所述注水孔连通有输水管，所述输水管上沿水流方向依次设置有隔膜泵和电子调压阀。
[0016]此外，本专利技术还提出了一种测量土体非饱和渗透特性的方法，包括：
[0017]将标准土样放入土样腔室内并固定，使其遇水不松动；
[0018]往土样腔室内注水，记录集水腔室内水位H随时间t的变化过程；
[0019]计算标准土样底部的瞬态出流量Q(t)，当瞬态出流量Q(t)达到相对稳定状态Q
*
时，停止注水；
[0020]计算土体饱和渗透系数；
[0021]反算土体饱和度与相对渗透系数的关系、反算土体饱和度与土体基质吸力的关系。
[0022]在一实施例中，所述标准土样底部的瞬态出流量Q(t)的计算公式为：Q(t2)＝S(H(t1)
‑
H(t2))/(t1‑
t2)，其中，S为集水腔室的底面面积。
[0023]在一实施例中，所述土体饱和渗透系数的计算公式为：其中，k为土体饱和渗透系数，S
*
为标准土样的横截面积，μ为水粘滞系数，P
u
为电子调压阀的出水水压。
[0024]在一实施例中，所述反算土体饱和度与相对渗透系数的关系、反算土体饱和度与土体基质吸力的关系包括：
[0025]步骤a：建立标准环刀尺寸的土样有限单元模型，设置待测土样边界条件；
[0026]步骤b：假设土体饱和度与相对渗透系数、土体饱和度与土体基质吸力的关系，基于土体非饱和渗流的Ri chard理论，开展土体水渗透过程的数值模拟，求解渗透过程中土样饱和度S
r
的分布及随时间变化过程，求解控制方程如下：
[0027][0028]式中：t为时间，n为土样孔隙率，ρ
w
为水密度，μ为水粘滞系数，g为重力加速度，k为土体饱和渗透系数，k
r
(S
r
)为假定的土体饱和度与相对渗透系数的关系、P
c
(S
r
)为假定的土体饱和度与土体基质吸力的关系，S
r
为土样饱和度；
[0029]步骤c：依据土样底部边界饱和度S*r，进一步求解底部边界瞬态出流量Q
’
(t)，计算方程如下：
[0030][0031]步骤d：对比模拟获得的底部边界瞬态出流量Q
’
(t)曲线和实测获得的标准土样底部的瞬态出流量Q(t)曲线；
[0032]若两者一致，则步骤b中假设的土体非饱和渗透关系即为真实的土体非饱和渗透关系；
[0033]若两者不一致，则返回步骤b重新假设并计算底部边界瞬态出流量Q
’
(t)曲线，直至其与标准土样底部的瞬态出流量Q(t)曲线一致。
[0034]有益效果：本专利技术的测量土体非饱和渗透特性的方法基于非饱和渗流理论，采用数值方法模拟土体非饱和渗透过程，并结合测量土体非饱和渗透特性的装置测量的土样渗透过程数据，实现土体非饱和渗透关系的反算，测量步骤简单、测量速度快、效率高。
附图说明
[0035]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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]图1是本专利技术一种测量土体非饱和渗透特性的装置的结构示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.测量土体非饱和渗透特性的装置，其特征在于，包括：土样腔室，其内设有遇水不松动的标准土样，所述土样腔室顶部连通有注水孔，渗透试验用水经注水孔注入标准土样内；集水腔室，与土样腔室底部连通，从标准土样内流出的水进入集水腔室，所述集水腔室可对其内的水量进行测量。2.如权利要求1所述的测量土体非饱和渗透特性的装置，其特征在于，还包括安装筒，所述安装筒内自下往上依次设置有垫板和盖板，所述垫板与安装筒内壁密封固连，从而在安装筒内垫板以下区域形成所述集水腔室；所述盖板与安装筒内壁密封滑动相连，从而在安装筒内盖板和垫板之间的区域形成所述土样腔室，所述安装筒上开设有罩门，打开罩门后，所述标准土样可进出所述土样腔室，所述注水孔设于盖板上；所述安装筒顶部旋接有螺纹杆，所述螺纹杆的下端与盖板回转连接，所述螺纹杆自转可带动盖板紧贴安装筒内壁沿螺纹杆的轴线方向滑动。3.如权利要求2所述的测量土体非饱和渗透特性的装置，其特征在于，所述安装筒底部设有与集水腔室连通的排水阀，所述集水腔室内设有液位传感器。4.如权利要求2所述的测量土体非饱和渗透特性的装置，其特征在于，所述垫板上贯通设置有排水孔，所述垫板上表面和盖板下表面设有透水石板。5.如权利要求4所述的测量土体非饱和渗透特性的装置，其特征在于，所述透水石板外套设有垫圈，所述垫圈与安装筒内壁密封滑动相连。6.如权利要求2所述的测量土体非饱和渗透特性的装置，其特征在于，所述注水孔连通有输水管，所述输水管上沿水流方向依次设置有隔膜泵和电子调压阀。7.测量土体非饱和渗透特性的方法，其特征在于，包括：将标准土样放入土样腔室内并固定，使其遇水不松动；往土样腔室内注水，记录集水腔室内水位H随时间t的变化过程；计算标准土样底部的瞬态出流量Q(t)，当瞬态出流量Q(t)达到相对稳定状态Q
*
时，停止注水；计算土体饱和渗透系数；反算土体饱和度与相对渗透系数的关系、反算土体饱和度与土体基质吸力的关系。8.如权利要求7所述的测量土体非饱和渗透特性的方法，其特征在于，所述标准土样底部的瞬态出流量Q...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海龙，冯业林，卢吉，薛松，陈光明，陈鸿杰，童富果，金久峰，王朋，詹虎跃，刘刚，崔景涛，
申请(专利权)人：华能澜沧江水电股份有限公司三峡大学，
类型：发明
国别省市：