一种相似模拟材料渗透系数的测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种相似模拟材料渗透系数的测量装置，包括实验架，所述实验架包括玻璃管安装架及模具安置架，所述玻璃管安装架位于模具安置架的上方且与之固连；所述玻璃管安装架上设置有多根玻璃管，所述玻璃管轴向设置有刻度标记，所述玻璃管的上端与漏斗相连通，下端与导水管相连通，所述导水管用于与安放在上述模具安置架上的模具相连通；本发明还公开了一种相似模拟材料渗透系数的测量方法，该方法可直接将做好的标准试件放入模具内并施加围压进行测量，大大节省了实验时间和劳动强度。
【专利说明】ー种相似模拟材料滲透系数的测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及ー种相似模拟材料滲透系数的測量装置及其測量方法。
【背景技术】
[0002]相似材料模拟是ー种建立在相似理论基础上，用扩大或缩小的模型，去研究对应原型的力学运动以及其它相关特性的一种实验方法。该方法在矿山、地质、水利以及建筑等领域应用广泛。在采矿领域，该方法已经广泛应用于诸如测定矿山来压，岩层破坏运移，地下水渗透以及无流动水的边坡稳定等问题的研究。
[0003]渗透系数K是综合反映土体渗透能力的一个指标,其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。在固液耦合相似材料的制作过程中，材料亲水后的抗压强度和滲透系数必须满足一定的条件，现有的相似材料滲透系数的測量工具不能对材料是否被破坏以及水是否渗透过相似材料这些问题进行验证，最終会导致测量数据失真。常用的MTS实验机器等施加围压的測量设备，在材料強度低的情况下，施加围压，材料试件会出现破裂导致再次被压实，这种情况下所测量的数据是极不准确的。此外，现有的測量工具一次仅能进行一个试件的測量，工作效率低。
[0004]由此可见,现有技术有待于进一步的改进和提闻。
【发明内容】
[0005]本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了ー种相似模拟材料滲透系数的測量装置及其測量方法。
[0006]本发明所采用的技术方案为:
[0007]—种相似模拟材料滲透系数的測量装置，包括实验架，所述实验架包括玻璃管安装架及模具安置架，所述玻璃管安装架位于模具安置架的上方且与之固连；所述玻璃管安装架上设置有多根玻璃管，所述玻璃管轴向设置有刻度标记，所述玻璃管的上端与漏斗相连通，下端与导水管相连通，所述导水管用干与安放在上述模具安置架上的模具相连通；所述模具包括两对置的外壳，所述外壳呈半圆柱状且中间开有通槽，两外壳配合后呈圆柱状且中间形成一可供试件放入的第一通孔，所述两外壳的配合端面上设置有密封橡胶圈，所述外壳的顶端开有导水槽，下部开有放气孔；两外壳配合后，其外侧设置有用于加围压的套箍；所述模具还包括与配合后的两外壳相适配的墩栓、第一托盘以及第ニ托盘，所述第一托盘的底端封闭，第二托盘的底端设置有可供来自上述导水管内的水流通过的阀门。
[0008]所述通槽的下部设置有内螺纹，所述第二托盘包括与上述两配合后的外壳相适配的连接柱，所述连接柱上开设有第二通孔且所述连接柱的外侧设置有外螺纹，所述连接柱的直径略小于上述第一通孔的直径，所述连接柱的底端固连有第二托盘，所述第二托盘的直径大于上述第一通孔的直径，所述第二托盘上开设有与上述第二通孔相连通的第三通孔，上述阀门安装在所述第二托盘的底端且与所述第三通孔相对应；所述第一托盘包括与上述两配合后的外壳相卡接的卡接柱，所述卡接柱呈圆柱状且其直径略小于上述第一通孔的直径，所述卡接柱的底端固连有第一底盘，所述第一底盘的直径大于上述第一通孔的直径；所述墩栓为一圆柱体且其直径略小于上述第一通孔的直径。
[0009]所述套箍包括两结构相同的第一套箍和第二套箍，所述第一、第二套箍均包括呈半环状的卡接部和分别与所述卡接部的两端一体固连的定位部，所述卡接部的直径略大于上述两外壳配合后的外径，所述定位部上开设有定位孔，所述第一、第二套箍通过螺柱相连接；所述套箍有两个，其分别设置在两外壳配合后的上部和下部。
[0010]所述玻璃管安装架包括一立杆及分别设置在所述立杆的上部和下部的两相互平行的横杆，所述横杆上均布有多个定位通孔，所述定位通孔的数量与上述玻璃管的数量相同；所述模具安置架包括顶部支撑架及与所述顶部支撑架的四个顶角固连的底部支撑腿，所述顶部支撑架包括呈矩形的围框及设置在所述围框内部的多条相互平行的横梁，所述各横梁间的间距不一，其中，各间距中的最小间距小于上述两外壳配合后的外径。
[0011]一种相似模拟材料渗透系数的测量方法，其步骤包括:
[0012](I)、选取带有刻度标记的玻璃管并对该玻璃管进行管径测量，从而得出所述玻璃管的断面积a，将所述玻璃管安装在玻璃管安装架上并使玻璃管的上端连通漏斗，下端连通导水管；
[0013](2)、模具的组装及材料试件的导入，选取两个呈半圆柱状、中间开有通槽且其上端设置有导水槽、下端设置有放气孔的外壳，所述通槽的下部设置有内螺纹，将所述两外壳配合后在其外侧套上套箍，两外壳配合后其中间形成一第一通孔，从该第一通孔的底部旋入第一托盘，然后将搅拌好的相似模拟材料从所述第一通孔的顶端倒入该第一通孔内，塞上墩栓并用橡皮锤锤实，冷却后记录墩栓进入所述第一通孔的距离，并通过该距离间接计算得出材料的长度L ;
[0014](3)、模具的重组及材料试件的浸泡，将上述第一托盘和墩栓从所述第一通孔内取下，所述两外壳及套箍均保持步骤(2)中的状态，从所述第一通孔的底部旋入第二托盘，所述第二托盘与第一通孔是相连通的，把重组后的模具置放在模具安置架上，并将上述导水管插入所述第二托盘中并固定，通过所述漏斗将水倒入玻璃管中并经导水管后自下而上导入所述第一通孔内，将模具平卧并打开放气孔直至放完模具内的空气后将模具竖立；将模具静置一段时间，直至有水从所述导水槽中渗出，说明材料时间已进入饱水状态，此时，即可进行渗透系数的测量；
[0015](4)、材料试件渗透系数的测量，将步骤(3)中模具的第一通孔内倒满水，玻璃管内加入一定量的水，通过刻度标记记录玻璃管的水位与模具高度的高度差Λ Ii1，经过一段时间t后水从模具的导水槽处溢出，此时记录玻璃管的水位与模具高度的高度差Λ h2，通过建
立通过建立瞬时达西定律推导出的渗透系数K的表达式A即可推导出渗透系
数的数值，其中，A为材料试件的断面积，其可由所述第一通孔的直径推导得出；
[0016]上述(I)?(4)为对一个材料试件的渗透系数进行测量的测量方法，若需对多个材料试件进行同时测量，只需增加玻璃管、漏斗、导水管及模具的数量即可，各材料试件的测量步骤与上述(I)?(4)的测量步骤相同。
[0017]所述步骤(I)中的玻璃管安装架包括一立杆及分别设置在所述立杆的上部和下部的两相互平行的横杆，所述横杆上均布有多个定位通孔，所述定位通孔的数量与上述玻璃管的数量相同。
[0018]所述步骤(3)的模具安置架包括顶部支撑架及与所述顶部支撑架的四个顶角固连的底部支撑腿，所述顶部支撑架包括呈矩形的围框及设置在所述围框内部的多条相互平行的横梁，所述各横梁间的间距不一，其中，各间距中的最小间距小于上述两外壳配合后的外径。
[0019]所述步骤(2)中的套箍包括两结构相同的第一套箍和第二套箍，所述第一、第二套箍均包括呈半环状的卡接部和分别与所述卡接部的两端一体固连的定位部，所述卡接部的直径略大于上述两外壳配合后的外径，所述定位部上开设有定位孔，所述第一、第二套箍通过螺柱相连接；所述套箍有两个，其分别设置在两外壳配合后的上部和下部。
[0020]所述步骤(2)中的第一托盘包括与上述两配合后的外壳相卡接的卡接柱，所述卡接柱呈圆柱状且其直径略小于上述第一通孔的直径，所述卡接柱的底端固连有第一底盘，所述第一底盘的直径大于上述第一通孔的直径；所述墩栓为ー圆柱体且其直径略小于上述第一通孔的直径。
[0021]所述步骤(3)中的第二托盘包括与上述两配合后的外壳相适配的连接柱，所述连接柱上开设有第二通孔且所述连接柱的外侧设置有外螺纹，所述连接柱的直径略小于上述第一通孔的直径，所述连接柱的底端固连有第二托盘，所述第二托盘的直径大于上述第一通孔的直径，所述第二托盘上开设有与上述第二通孔相连通的第三通孔，上述阀门安装在所述第二托盘的底端且与所述第三通孔相对应。
[0022]由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为:
[0023]本发明可直接将做好的标准试件放入模具内并施加围压进行測量，大大节省了实验时间和劳动强度，从而可在实验条件下简单快捷的测量相似模拟材料的滲透系数，此外，本发明可对多个试件同时进行測量，提高了测量效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的结构示意图。
[0025]图2为本发明中墩栓的结构示意图。
[0026]图3为本发明中第一托盘的结构示意图。
[0027]图4为本发明中第二托盘的结构示意图。
[0028]图5为本发明中外壳的结构示意图。
[0029]图6为本发明中套箍的结构示意图。
[0030]其中，
[0031]1、玻璃管安装架 1_1、立杆 1-2、横杆 2、模具安置架 2-1、围框 2-2、底部支撑腿 2-3、横梁 3、玻璃管 4、刻度标记 5、漏斗6、导水管 7、模具7_1、外壳7-2、导水槽7-3、放气孔7-4、内螺纹7-5、密封橡胶圈7_6、墩栓7_7、卡接柱7-8、第一底盘 7-9、连接柱 7-10、外螺纹 7-11、第二底盘 7-12、阀门7-13、卡接部7-14、定位部7-15、定位孔7-16、螺柱7-18、通槽7_19、第一通孔
【具体实施方式】
[0032]达西定律是反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律，其表达式为:Q=KFh/L，式中Q为单位时间渗流量，F为过水断面,h为总水头损失，L为渗流路径长度,K为渗透系数。渗透系数K是综合反映土体渗透能力的一个指标，影响渗透系数大小的因素有很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义，渗透系数的测定方法主要分“实验室测定”和“野外现场测定”两大类，其中，变水头试验法是“实验室测定”方法中最常用的一种，变水头试验法就是水从一根直立的带有刻度的玻璃管和U形管自下而上流经土样，试验过程中水头差一直随时间而变化，试验时，将玻璃管充水至需要的高度后，开动秒表，测记起始水头差Λ Ii1，经时间t后，再测记终了水头差Λ h2，通过建立瞬时达西定律，即可推出渗透系数K的表达式:
【权利要求】
1.一种相似模拟材料渗透系数的测量装置，包括实验架，其特征在于:所述实验架包括玻璃管安装架及模具安置架，所述玻璃管安装架位于模具安置架的上方且与之固连；所述玻璃管安装架上设置有多根玻璃管，所述玻璃管轴向设置有刻度标记，所述玻璃管的上端与漏斗相连通，下端与导水管相连通，所述导水管用于与安放在上述模具安置架上的模具相连通；所述模具包括两对置的外壳，所述外壳呈半圆柱状且中间开有通槽，两外壳配合后呈圆柱状且中间形成一可供试件放入的第一通孔，所述两外壳的配合端面上设置有密封橡胶圈，所述外壳的顶端开有导水槽，下部开有放气孔；两外壳配合后，其外侧设置有用于加围压的套箍；所述模具还包括与配合后的两外壳相适配的墩栓、第一托盘以及第二托盘，所述第一托盘的底端封闭，第二托盘的底端设置有可供来自上述导水管内的水流通过的阀门。
2.根据权利要求1所述的一种相似模拟材料渗透系数的测量装置，其特征在于:所述通槽的下部设置有内螺纹，所述第二托盘包括与上述两配合后的外壳相适配的连接柱，所述连接柱上开设有第二通孔且所述连接柱的外侧设置有外螺纹，所述连接柱的直径略小于上述第一通孔的直径，所述连接柱的底端固连有第二托盘，所述第二托盘的直径大于上述第一通孔的直径，所述第二托盘上开设有与上述第二通孔相连通的第三通孔，上述阀门安装在所述第二托盘的底端且与所述第三通孔相对应；所述第一托盘包括与上述两配合后的外壳相卡接的卡接柱，所述卡接柱呈圆柱状且其直径略小于上述第一通孔的直径，所述卡接柱的底端固连有第一底盘，所述第一底盘的直径大于上述第一通孔的直径；所述墩栓为一圆柱体且其直径略小于上述第一通孔的直径。
3.根据权利要求1所述的一种相似模拟材料渗透系数的测量装置，其特征在于:所述套箍包括两结构相同的第一套箍和第二套箍，所述第一、第二套箍均包括呈半环状的卡接部和分别与所述卡接部的两端一体固连的定位部，所述卡接部的直径略大于上述两外壳配合后的外径，所述定位部上开设有定位孔，所述第一、第二套箍通过螺柱相连接；所述套箍有两个，其分别设置在两外壳配合后的上部和下部。
4.根据权利要求1所述的一种相似模拟材料渗透系数的测量装置，其特征在于:所述玻璃管安装架包括一立杆及分别设置在所述立杆的上部和下部的两相互平行的横杆，所述横杆上均布有多个定位通孔，所述定位通孔的数量与上述玻璃管的数量相同；所述模具安置架包括顶部支撑架及与所述顶部支撑架的四个顶角固连的底部支撑腿，所述顶部支撑架包括呈矩形的围框及设置在所述围框内部的多条相互平行的横梁，所述各横梁间的间距不一，其中，各间距中的最小间距小于上述两外壳配合后的外径。
5.一种相似模拟材料渗透系数的测量方法，其特征在于:其步骤包括: (1)、选取带有刻度标记的玻璃管并对该玻璃管进行管径测量，从而得出所述玻璃管的断面积a，将所述玻璃管安装在玻璃管安装架上并使玻璃管的上端连通漏斗，下端连通导水管； (2)、模具的组装及材料试件的导入，选取两个呈半圆柱状、中间开有通槽且其上端设置有导水槽、下端设置有放气孔的外壳，所述通槽的下部设置有内螺纹，将所述两外壳配合后在其外侧套上套箍，两外壳配合后其中间形成一第一通孔，从该第一通孔的底部旋入第一托盘，然后将搅拌好的相似模拟材料从所述第一通孔的顶端倒入该第一通孔内，塞上墩栓并用橡皮锤锤实，冷却后记录墩栓进入所述第一通孔的距离，并通过该距离间接计算得出材料的长度L ; (3)、模具的重组及材料试件的浸泡，将上述第一托盘和墩栓从所述第一通孔内取下，所述两外壳及套箍均保持步骤(2)中的状态，从所述第一通孔的底部旋入第二托盘，所述第ニ托盘与第一通孔是相连通的，把重组后的模具置放在模具安置架上，并将上述导水管插入所述第二托盘中并固定，通过所述漏斗将水倒入玻璃管中并经导水管后自下而上导入所述第一通孔内，将模具平卧并打开放气孔直至放完模具内的空气后将模具竖立；将模具静置一段时间，直至有水从所述导水槽中滲出，说明材料时间已进入饱水状态，此时，即可进行滲透系数的測量； (4)、材料试件渗透系数的測量，将步骤(3)中模具的第一通孔内倒满水，玻璃管内加入一定量的水，通过刻度标记记录玻璃管的水位与模具高度的高度差A Ii1，经过一段时间t后水从模具的导水槽处溢出，此时记录玻璃管的水位与模具高度的高度差A h2，通过建立通过建立瞬时达西定律推导出的滲透系数K的表达式:即可推导出渗透系数的数值，其中，A为材料试件的断面积，其可由所述第一通孔的直径推导得出； 上述(I)-(4)为对ー个材料试件的滲透系数进行测量的測量方法，若需对多个材料试件进行同时测量，只需增加玻璃管、漏斗、导水管及模具的数量即可，各材料试件的測量步骤与上述(I)-(4)的測量步骤相同。
6.根据权利要求5所述的ー种相似模拟材料滲透系数的測量方法，其特征在于:所述步骤(I)中的玻璃管安装架包括一立杆及分别设置在所述立杆的上部和下部的两相互平行的横杆，所述横杆上均布 有多个定位通孔，所述定位通孔的数量与上述玻璃管的数量相同。
7.根据权利要求5所述的ー种相似模拟材料滲透系数的測量方法，其特征在于:所述步骤(3)中的模具安置架包括顶部支撑架及与所述顶部支撑架的四个顶角固连的底部支撑腿，所述顶部支撑架包括呈矩形的围框及设置在所述围框内部的多条相互平行的横梁，所述各横梁间的间距不一，其中，各间距中的最小间距小于上述两外壳配合后的外径。
8.根据权利要求6或7任一项权利要求所述的ー种相似模拟材料滲透系数的測量方法，其特征在于:所述步骤(2)中的套箍包括两结构相同的第一套箍和第二套箍，所述第一、第二套箍均包括呈半环状的卡接部和分别与所述卡接部的两端一体固连的定位部，所述卡接部的直径略大于上述两外壳配合后的外径，所述定位部上开设有定位孔，所述第一、第二套箍通过螺柱相连接；所述套箍有两个，其分别设置在两外壳配合后的上部和下部。
9.根据权利要求6或7任一项权利要求所述的ー种相似模拟材料滲透系数的測量方法，其特征在于:所述步骤(2)中的第一托盘包括与上述两配合后的外壳相卡接的卡接柱，所述卡接柱呈圆柱状且其直径略小于上述第一通孔的直径，所述卡接柱的底端固连有第一底盘，所述第一底盘的直径大于上述第一通孔的直径；所述墩栓为ー圆柱体且其直径略小于上述第一通孔的直径。
10.根据权利要求6或7任一项权利要求所述的ー种相似模拟材料滲透系数的測量方法，其特征在于:所述步骤(3)中的第二托盘包括与上述两配合后的外壳相适配的连接柱，所述连接柱上开设有第二通孔且所述连接柱的外侧设置有外螺纹，所述连接柱的直径略小于上述第一通孔的直径，所述连接柱的底端固连有第二托盘，所述第二托盘的直径大于上述第一通孔的直径，所述第二托盘上开设有与上述第二通孔相连通的第三通孔，上述阀门安装在所述第 二托盘的底端且与所述第三通孔相对应。
【文档编号】G01N15/08GK103454199SQ201310320740
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年7月29日 优先权日:2013年7月29日
【发明者】孙文斌, 郭惟嘉, 张士川, 朱霞, 张保良, 尹立明, 刘进晓, 陈绍杰 申请人:山东科技大学