一种土体电导性和渗透性多功能测试装置及测试方法与流程

本发明涉及土体电导性和渗透性多功能测试装置及测试方法，属于多孔介质的渗透性能测试和电导性测试技术领域。

背景技术：

地震是一种突发的自然灾害，其已造成的人员伤亡和财产损失无法估计。我国是个地震多发的国家，据统计，我国有41％的国土、一半以上的城市位于地震基本烈度7度及以上的地区。砂土液化是地震中一种普遍的震害现象，砂土液化已经造成巨大的损失迫使人们对其进行深入的研究。液化过程伴随着孔隙水的流动即渗流，国内有学者已经研究过土壤电导性特征，我们把土壤电导性测试技术引进到液化研究中，国外有学者做过相关的研究，但其没有考虑渗流对电导性的影响，为了更好的研究砂土液化的机理，研究土体的渗透场和电场的耦合，探讨二者的关系。发明了一种能同时测土体渗透性能和电导性的装置。

目前，常水头渗透试验中基本采用70型土壤渗透仪，主要由渗水部件和击实部件组成，其有以下弊端。筒的材料多采用金属材料不能用于电导性的测试，且筒壁不透明，无法观测试样均匀性的观察；试样直径和高度比较大用木锤击实法过于粗糙，试样密实均匀性难以保证；试样饱和过程中，止水夹对供水管的控制不够灵活，无法较好的控制试样饱和的速度和减少对试样的冲刷；试样内水流先经过测压孔，再经铜丝布到测压管，容易造成测压孔堵塞，尤其是当试样为粉细砂样时更容易发生测压孔堵塞的情况。现有的室内电导性测试实验，电极多采用插入的方法，对试样会产生扰动，而且电极接线的导出常常会对试样造成扰动或者影响仪器的密封性。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种土体电导性和渗透性多功能测试装置及测试方法，通过控制主筒体的尺寸、抗击实能力以及材料，改造电导性和渗透性多功能测试装置的局部结构，使该测试装置能够更为准确、便捷和高效地测定土体的渗透性能，以及其竖向和横向的电导性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种土体电导性和渗透性多功能测试装置，包括主体装置、支撑台座、水流输送装置和收集装置，所述主体装置包含主筒体、上副筒和下副筒，所述上副筒和下副筒与主筒体分别通过亚克力拼接件连接，所述上副筒和下副筒内均填充有透水石；所述支撑台座包含支撑顶板、支撑底板和支撑螺杆，所述支撑顶板和支撑底板之间通过支撑螺杆连接，在支撑底板上安装有小支撑台，在小支撑台上安装有下副筒；所述水流输送装置包含位于支撑顶板上的供水容器，供水容器通过供水管与上副筒连接，在供水管上安装有进水阀门；所述收集装置包含调节管和水流收集容器，所述调节管与下副筒的底部连接，调节管通过调节杆挂在支撑螺杆上；所述主筒体内放置有试样，试样通过击锤分层击实在主筒体内，在试样的上下两个端面上安装有铜网电极，在主筒体的内壁上预埋有两个铜圈电极，在主筒体内沿轴线方向等间距的预埋有三对铜丝电极，铜网电极、铜圈电极和铜丝电极均与电导性测量系统连接。

作为优选，所述主筒体沿轴线方向等间距的设有三个测压管接口，每个测压管接口与带有刻度板的测压管连接。

作为优选，所述测压管接口内设有小块透水石。

作为优选，所述上副筒的底部和下副筒的顶部均设有圆形截面环形凹槽和铜网电极卡槽，在圆形截面环形凹槽内预埋有防水密封圈，铜网电极卡在铜网电极卡槽内。

作为优选，所述上副筒顶部安装有溢水口。

一种上述的土体电导性和渗透性多功能测试装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤1)安装好主筒体和下副筒，连通供水管与调节管，打开进水阀门，下副筒由下向上充水至下副筒顶部，关闭进水阀门；

步骤2)取一定量试样烘干，称重精确至0.1g，将试样分层装入主筒体，每层厚3cm，用击锤击实到一定厚度，达到试验要求的孔隙比；

步骤3)每层试样装好后，微开进水阀门，使试样饱和，当水面略高出试样顶面时，关闭进水阀门，最后一层试样压实结束后，先安装好上副筒，然后再加水饱和试样，当溢水口有水溢出时，关闭进水阀门；

步骤4)按顺序铜网电极、铜圈电极和铜丝电极分别与外加的电导性测定系统连接，打开测定系统测试饱和试样的电导性，并检查各电极是否连接良好；

步骤5)静置数分钟，检查各测压管水位是否与溢水口齐平，检查各接口、拼接处是否漏水；

步骤6)把调节管固定在调节杆上，并使其位置略高于溢水口，然后分开供水管与调节管，把供水管与上副筒联通，打开进水阀门，让水由上部注入上副筒；

步骤7)降低调节杆，造成水位差，水即经过试样，经调节管流出，待测压管水位稳定后，记录测压管的水位，计算各测压管间的水位差；

步骤8)开动秒表，同时用水流收集容器接取经一定时间的渗透水量，并重复几次；

步骤9)用温度计测量供水容器与水流收集容器中水的温度，记录并求出温度平均值；

步骤10)重复操作步骤7)至9)；

步骤11)处理实验数据，计算所制备该孔隙比下的渗透系数，处理渗流过程中测得的土壤电导性值。

在本发明中，主体装置的设计充分考虑了绝缘、防渗和密封，其中防渗包括防止水和土体的流失；所有电极接口、水流进出口、构件之间的拼接以及与其他部件的连接都做了防渗密封处理。所有电极都是内嵌或预埋在筒壁内，避免了电极对试样的扰动，电极都有对应的电极接口，保护了整个装置的密封防水性。为了使筒内预埋的电极能很好的与外加的电导性测量系统连接，所有的电极都设计有对应的电极接口，电极接线与筒内预埋的电极连接，直接通过筒内壁，并通过镶在筒外壁上的密封防水接头形成电极接口。

在本发明中，该系统的设计充分利用了这三种电极各自因形状不同具有的适用范围和各自形状的优点，在满足测试要求的前提下，预埋了最合适的电极类型，采用铜网电极不影响试样的正常渗流；采用预埋铜圈电极和铜丝电极即避免了对土壤的扰动，避免了各个测试方向及各层之间电导性测试的相互干扰，避免了电极间距在试样制备和测试过程中发生改变；上述电极都满足安装方便和测试要求的条件。

有益效果：本发明实现了土体电导性和渗透性的联合测试，土体电导性和渗透性多功能测试装置测试渗流作用下土体电导性试验，通过改变供水管的接法，可以实现水流由上至下和水流由下至上渗透时，土体导电性测试；本装置即可单独测定土体的渗透性能或电导性这两项，又能同时测定这两项；电导性的测试包含横向和纵向两个方向，测试方法包括四电极法和二电极法两种方法；解决了背景技术中所提到的现有土体电导性和渗透性测试中的一些问题，使测试变得更加准确、便捷和高效。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为测压管的连接示意图；

图3为下副筒的结构示意图；

图4为上副筒的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明的一种土体电导性和渗透性多功能测试装置，包括支撑台座、主体装置以及水流输送和收集装置。支撑台座包括支撑顶板4、支撑底板24、支撑螺杆5、小支撑台19和调节杆23，其中支撑顶板4和支撑底板24通过四根螺杆5连接形成一个空间的支撑台座；调节杆23安装在支撑螺杆5上，小支撑台19粘结在支撑底板24上。主体装置包括主筒体11、上副筒7、下副筒16和击锤29，其中上副筒7和下副筒16与主筒体11分别通过亚克力拼接件9连接，主体装置安放在小支撑台19上并通过螺杆固定在支撑底板24上，击锤29用来击实试样。水流输送装置和收集装置包括供水容器1、供水管3、调节管18以及水流收集容器20，其中供水容器1放在支撑顶板4上，通过供水管3与上副筒7的水流进出口6相连，水流收集容器20放在支撑底板24上，通过调节管18与下副筒16的水流进出口6相连。

在发明中，主体装置是由上副筒7和下副筒16通过密封防水的亚克力拼接件9分别与主筒体11连接组成；试样通过击锤29在主筒体11内制备，也可以加上垫片，结合现有的手动击实仪来制备；主筒体11、上副筒7和下副筒16的材料采用绝缘透明的亚克力材料，形状为等直径等厚度的小型圆环柱体，其厚度满足抵抗击锤29产生最大侧向压力的要求。供水容器1、水流收集容器20与上副筒7、下副筒16的连接顺序可以根据实验要求调整，即渗流的方向可以从上到下或从下到上，可以实现不同渗流方向下土体电导性的测试。

在本发明中，在主筒体11的内壁上预埋有两个铜圈电极12，并开有两个对应的竖向电极接口13，在主筒体11的一个轴线方向上等间距的开有三个测压管接口14，接口内预埋有小块透水石26防止土体流入并堵塞测压管21，在接口外部连接着三个带有刻度板22的测压管21，在另一个轴线方向上等距离的开有三对横向电极接口14并在其中预埋有铜丝作为电极。下副筒16底部开有一个水流进出口6，顶部抠有圆形截面环形凹槽27并在其中预埋防水密封圈，还开有铜网电极卡槽并在其中预埋有铜网电极10，而且在侧壁开有对应的竖向电极接口13，下副筒16内充填有透水石8，起支撑和缓冲水流作用。上副筒7顶部开有一个水流进出口6，底部抠有圆形截面环形凹槽27并在其中预埋防水密封圈，还开有铜网电极卡槽并在其中预埋有铜网电极10，而且在侧壁开有对应的竖向电极接口13，上副筒7内充填有透水石8，起缓冲水流作用。

在本发明中，主体装置的设计充分考虑了绝缘、防渗和密封，其中防渗包括防止水和土体的流失；所有电极接口13、14，水流进出口6、构件之间的拼接以及与其他部件的连接都做了防渗密封处理。所有电极都是内嵌或预埋在筒壁内，避免了电极对试样的扰动，电极都有对应的电极接口13、14，保护了整个装置的密封防水性。

在本发明中，为了使筒内预埋的电极能很好的与外加的电导性测量系统连接，所有的电极都设计有对应的电极接口13或者电极接口14，电极接线与筒内预埋的电极连接，直接通过筒内壁，并通过镶在筒外壁上的密封防水接头28形成电极接口13、14。

实施例：参照图1所示，本发明的土体电导性和渗透性多功能测试装置，测试渗流作用下土体电导性试验的具体方法如下：

步骤1)按图1安装好装置，上副筒7不要安装，连通供水管3与调节管18，打开进水阀门2，由下副筒16的水流进出口6向上充水至下副筒16顶部，关闭进水阀门2；

步骤2)取一定量烘干试样，称重精确至0.1g，将试样分层装入主筒体11，每层厚3cm，用击锤29击实到一定厚度，以控制其孔隙比，得到试验要求的孔隙比；

步骤3)每层试样装好后，微开进水阀门2，使试样饱和，当水面略高出试样顶面时，关闭进水阀门2，最后一层试样压实结束后，先安装好上副筒7，然后再加水饱和试样，当溢水口25有水溢出时，关闭进水阀门2；

步骤4)把电极接口13、14按顺序分别与外加的电导性测定系统连接，打开测定系统测试饱和试样的电导性，并检查各电极是否连接良好；

步骤5)静置数分钟，检查各测压管21水位是否与溢水口25齐平，检查各接口、拼接处是否漏水；

步骤6)把调节管18固定在调节杆23上，并使其位置略高于溢水口25，然后分开供水管3与调节管18，把供水管3与上副筒7的水流进出口6联通，打开进水阀门2，让水由上部注入上副筒7；

步骤7)降低调节杆23，造成水位差，水即经过试样，经调节管18流出；待测压管21水位稳定后，记录测压管21的水位，计算各测压管21间的水位差；

步骤8)开动秒表，同时用水流收集容器20接取经一定时间的渗透水量，并重复几次；

步骤9)用温度计测量供水容器1与水流收集容器20中水的的温度，记录并求出温度平均值；

步骤10)重复操作步骤7)至9)；

步骤11)处理实验数据，计算所制备孔隙比下的渗透系数，处理渗流过程中测得的土壤电导性值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。