一种可加载的渗透试验装置的制作方法

本发明涉及岩土工程领域，具体地指一种可加载的渗透试验装置。

技术背景

渗透仪常用于测定土体的渗透系数，属于一种常规土工仪器，土体的渗透系数与土体自身的类型，土体结构，温度，所受荷载状态等都息息相关，十分复杂。然而现有土工仪器渗透仪功能却较为单一，现有渗透装置只能测定土体在自然不受力状况下的静止性渗透特性参数，无法根据实际情况来模拟外部荷载作用下土体的渗透系数变化情况，这与实际土体环境不相符，实际情况土体常受荷载受力、环境荷载、施工加卸荷载作用，会导致土体自身渗透特性产生变化，其渗透系数的测定也十分重要，例如在建设工程中，随着建筑物的修建，下部土体上部的荷载也处于变化过程，例如周围土体的开挖填埋会导致土体的加卸荷载，加上人员出入、设备振动以及施工荷载，会使土体经常处于静荷载和动荷载的环境中，诸如此类的外部荷载的作用导致土体发生压缩变形，土体孔隙被压密，其渗透系数也会发生改变。再例如对于砂性土而言，其颗粒大小并不位移，在土体理论中经常被视为具有连续颗粒大小的砂粒组成，细小颗粒与大颗粒共同组成了土体的骨架，在一些水动力环境十分丰富的地方，例如临海路堤或海滩地，由较为频繁的水位波动现象，例如潮汐，水动力的作用下，砂性土土体骨架的细小颗粒在水流力的作用下，会出现流动，其位置发生相应的改变，此时土体的渗透系数也会发生相应的改变；只能测定在不加载情况下土体的渗透性能变化，无法与实际工程背景相匹配；同时在一些干湿交替频繁的地区，还会出现土体反复的降雨蒸发循环，气体在土体中的流动，会使得土体内部孔隙出现变化，也会导致土体渗透系数的变化。因此，现有的渗透试验不能测定土体的实际状态，如1、竖向受到荷载作用时候的渗透系数变化。2、无法测定在临水环境下水位波动导致土体尤其是砂土颗粒细小颗粒流动，导致其土体结构发生改变，而引起的土体渗透性变化。3、无法测定在干湿循环状态下土体的渗透性系数变化。4、更无法测定在外部荷载作用下土体自身变形。因此现有技术无法根据实际情况来模拟外部荷载作用下土体的渗透系数变化情况。

技术实现要素：

本发明的目的就是要克服上述不足，提供一种更能真实反应土体受力状态，可测定土体在外部荷载作用下其自身渗流特性变化的可加载的渗透装置。

为实现上述目的，本发明所设计的可加载的渗透装置，包括渗透仪和用于采集试样渗透参数的传感器采集模块，其特征在：还包括竖向载荷加载模块、水位波动模块、干湿循环模块和试样变形监测模块；

所述竖向载荷加载模块设置在渗透仪顶部，用于为试样提供竖向荷载；

所述水位波动模块连接在渗透仪一侧，用于模拟潮汐荷载；

所述干湿循环模块与渗透仪底部连接，用于模拟降雨和蒸发；

所述试样变形监测模块设置在渗透仪侧边，用于观测并记录试样在实验过程中的变形。

进一步地，所述竖向载荷加载模块的载荷可以为冲击动荷载、恒静压荷载或者循环静荷载。现有的渗透仪只能测定不加荷载时，土体的渗透性能变化；然而实际工程中，土体往往会受到多种竖向荷载，如冲击动荷载、恒静压荷载和循环静荷载，此时土体的渗透性能与现有的渗透仪所测得存在一定差别；本发明可测定土体在受到冲击动荷载、恒静压荷载或者循环静荷载时的渗透性能，所得结果更接近实际工程。

更进一步地，所述竖向载荷加载模块的载荷为冲击动荷载时的具体结构为：包括依次电路连接的直流电源、时间继电器和电磁阀依次电路连接；还包括依次气路连通的空气压缩机、气压调压阀、气缸开关和气缸，所述电磁阀安装在气缸开关上，用于控制气缸开关，所述气缸与渗透仪顶部连接。实际工程中土体经常受到竖向的冲击动荷载，如夯击过程等，此时土体的渗透性能可能会发生变化，而现有的渗透仪无法对这一条件下的渗透性能进行测定；为解决这一问题，本发明可对土体施加竖向冲击动荷载，并且测定其渗透性能的变化，结果更接近实际工程。

再进一步地，所述竖向载荷加载模块的载荷为恒静压荷载时的具体结构为：包括依次气路连通的空气压缩机、调压阀、气缸开关和气缸，所述气缸开关上设置有控制气缸开关的电磁阀，所述气缸与渗透仪顶部连接。实际工程中土体经常受到恒静压荷载，如压实过程等，此时土体的渗透性能可能会发生变化，而现有的渗透仪无法对这一条件下的渗透性能进行测定；为解决这一问题，本发明可对土体施加恒静压荷载，并且测定其渗透性能的变化，结果更接近实际工程。

再进一步地，所述竖向载荷加载模块的载荷为循环静荷载时的具体结构为：包括依次电路连接的直流电源、电气比例阀和函数信号发生器；还包括依次气路连通的空气压缩机、气压调压阀、电气比例阀和气缸，所述气缸与渗透仪顶部连接。实际工程中土体经常受到循环静荷载，如来回碾压过程等，此时土体的渗透性能可能会发生变化，而现有的渗透仪无法对这一条件下的渗透性能进行测定；为解决这一问题，本发明可对土体施加循环静荷载，并且测定其渗透性能的变化，结果更接近实际工程。

再进一步地，所述渗透仪装置包括带有底面的透明圆筒，所述透明圆筒内从下到上依次设有底部透水石、试样、顶部透水石和加载盖，所述透明圆筒底顶部和底部分别设置有圆筒进水口和圆筒出水口，所述透明圆筒侧壁上设置有三个等间距的测压孔。本发明采用透明圆筒，可观察试验过程中土体的变化，而现有的渗透仪无法观察土体变化；现有渗透仪通过三根竖直的透明水位管测量土体的水压力差，只能由人工读数，本发明采用精密孔隙水压力传感器测量土体的水压力，且由计算机记录，减少了人工读数产生的误差，更为方便。

再进一步地，所述水位波动模块包括水箱，所述水箱底部连接有升降台，所述升降台底部连接有电动推杆，所述电动推杆由控制器控制，并由驱动器驱动，所述水箱为筒状结构，水箱侧壁从上至下依次设置有水箱进水口、水箱溢水口和水箱出水口，所述水箱出水口与渗透仪的进水口连接。现有的渗透仪仅能从上部加水，无法控制土体的水位变化，而现实工程中，土体中的水位经常发生变化；为解决这一问题，本发明通过水位波动模块实现对土体内水位变化进行控制，更接近实际工程中土体的环境变化。

再进一步地，所述干湿循环模块包括PID温控系统和三通阀门，所述三通阀门一端用于连接渗透仪出水口，一端与PID温控系统连接，另一端用于连接水位波动模块出水口。实际工程中土体经常受到雨淋和日嗮，土体经历了干湿的循环变化，此时土体的渗透性能可能会发生变化，而现有的渗透仪无法对这一条件下的渗透性能进行测定；为解决这一问题，本发明可对土体施加干湿循环，用来模拟降雨和蒸发导致的土体含水量变化，并且测定其渗透性能的变化，结果更接近实际工程。

再进一步地，所述试样变形监测模块包括高清摄像头和一对呈一定角度连接的平面镜，所述高清摄像头和平面镜相对布置，设置在渗透仪两侧。现有渗透仪无法监测试验过程中土体的变形，本发明能实时监测试验过程中的土体的形变，为不同的环境因素对土体的渗透性能影响提供试验依据。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、通过竖向荷载模块对试样施加冲击动荷载、恒静压荷载和循环静荷载。和传统渗透装置相比，本发明可以对试样荷载前后渗透系数进行对比，得出荷载的大小、频率、时间和加载方式对试样渗透系数的影响；传统渗透装置仅能测得放样时的试样渗透系数。

2、本发明可对试样进行干湿循环，用来模拟降雨和蒸发。和传统渗透装置相比，本发明可以对试样干湿循环前后渗透系数进行对比，得出干湿循环的次数、频率和时间对试样渗透系数的影响；传统渗透装置仅能测得放样时的试样渗透系数，和自然环境下存在一定区别，影响了渗透参数的准确性。

3、本发明可对试样进行水位波动，用来模拟潮汐的涨落。和传统渗透装置相比，本发明可以对试样水位波动循环前后渗透系数进行对比，得出水位波动循环的次数、频率和时间对试样渗透系数的影响；传统渗透装置仅能测得放样时的试样渗透系数。

4、本发明可观察试样在试验过程中的形变。本发明通过试样变形监测模块对试样在竖向荷载，干湿循环，水位波动过程中的试样形变进行观察。可清楚的看见试样的变化。而传统渗透装置无法观察记录试样的变形。

5、本发明通过传感器采集模块与计算机连接采集和记录试验数据，可以采集连续的数据变化，使得采集的试验数据更精确，而传统渗透装置只能测得瞬时的数据。

附图说明

图1为本发明可加载的渗透装置结构示意图。

图2为渗透仪结构示意图。

图3为竖向冲击荷载连接方式结构示意图。

图4为竖向恒压静荷载连接方式结构示意图。

图5为竖向循环静压荷载连接方式结构示意图。

图6为水位波动模块结构示意图。

图7为PID温控系统结构示意图。

图8为本发明中三通阀结构示意图。

图9为干湿循环结构示意图。

图10为试样变形监测模块结构示意图。

图11为传感器采集模块结构示意图。

其中：试样A，渗透仪100，透明圆筒101，底部透水石102a，顶部透水石102b，带孔圆环103，加载盖104，测压孔101b，竖向载荷加载模块200，气压系统210，空气压缩机211，气压调压阀212，气缸开关213，气缸214，直流电源221，电气比例阀222，函数信号发生器223，电磁阀224，时间继电器225，水位波动模块300，水箱301，升降台302，电动推杆303，箱进水口310a，水箱溢水口310b，水箱出水口310c，驱动器304，控制器305，干湿循环模块400，PID温控系统410，风机411，电热丝412，温控开关413，三通阀门420，试样变形监测模块500，高清摄像头501，平面镜502，传感器采集模块600，精密孔隙水压力传感器601，流量计602。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示的可加载的渗透装置，包括渗透仪100和用于采集试样渗透参数的传感器采集模块600，其特征在：还包括竖向载荷加载模块200、水位波动模块300、干湿循环模块400和试样变形监测模块500；

所述竖向载荷加载模块200设置在渗透仪100顶部，用于为试样提供竖向荷载；

所述水位波动模块300连接在渗透仪100一侧，用于模拟潮汐荷载；

所述干湿循环模块400与渗透仪100底部连接，用于模拟降雨和蒸发；

所述试样变形监测模块200设置在渗透仪100侧边，用于观测并记录试样在实验过程中的变形。

1、渗透仪

如图2所示，渗透仪100包括带有筒底的透明圆筒101，透明圆筒101内从下到上依次设有底部透水石102a、试样A、顶部透水石102b、带孔圆环103和加载盖104，透明圆筒101顶部和底部分别设置有圆筒进水口101a和圆筒出水口101c，透明圆筒101侧壁上设置有三个等间距的测压孔101b。

渗透仪100工作原理：水从渗透仪进水口101a进入，从渗透仪出水口101c流出；当水位稳定时，由传感器采集模块600记录数据，传输给计算机计算出渗透系数。

2、竖向载荷加载模块

竖向载荷加载模块200包括相互连接的气压系统210和气压电路控制系统；气压电路控制系统控制气压系统210。

1）、气压系统210

所述的气压系统210包括依次连接的空气压缩机211、气压调压阀212、气缸开关213和气缸214。

2）、气压电路控制系统

所述的气压电路控制系统包括直流电源221、电气比例阀222、函数信号发生器223、电磁阀224和时间继电器225；

具体实施方式如下：气压系统210提供动力源，依次通过加载盖104和带孔圆环103施加到透水石102和试样上。气压电路控制系统控制加载方式、施加大小和施加时间。通过冲击荷载连接方式、恒压静压荷载连接方式和循环静压荷载连接方式三种气路电路连接方式可以对试样施加冲击荷载、恒静压荷载和循环静压荷载。

其中，竖向载荷加载模块200的载荷为冲击动荷载时，如图3所示的具体结构为：包括依次电路连接的直流电源221、时间继电器225和电磁阀224依次电路连接；还包括依次气路连通的空气压缩机211、气压调压阀212、气缸开关213和气缸214，电磁阀224安装在气缸开关213上，用于控制气缸开关213，气缸214与渗透仪100顶部连接。所述冲击荷载连接方式工作原理为：电磁阀224由时间继电器225控制，时间继电器225可通过时间控制电磁阀224的通断，从而控制气缸214的伸缩；

当竖向载荷加载模块200的载荷为恒静压荷载时，如图4所示的具体结构为：包括依次气路连通的空气压缩机211、气压调压阀212、气缸开关213和气缸214，所述气缸开关213上设置有控制气缸开关的电磁阀224，所述气缸214与渗透仪100顶部连接。所述恒压静压荷载连接方式工作原理为：气压调压阀212可调节空气压缩机211的输出压力，从而施加静荷载。

当竖向载荷加载模块200的载荷为循环静荷载时，如图6所示的具体结构为：包括依次电路连接的直流电源221、电气比例阀222和函数信号发生器223；还包括依次气路连通的空气压缩机211、气压调压阀212、电气比例阀222和气缸214，所述气缸214与渗透仪100顶部连接。所述循环静压荷载连接方式工作原理如下：

函数信号发生器213的作用是提供变化的电压信号；电气比例阀222的作用是在接受电压信号后改变输出空气压力值的大小，其特点是随着电压信号的线性变化，提供线性变化的空气压力；循环静压荷载连接方式可由函数信号发生器223控制循环荷载的大小与周期。

3、水位波动模块

水位波动模块300包括水箱301，所述水箱301底部连接有平板状的升降台302，所述升降台302底部连接有电动推杆303，所述电动推杆303由控制器304控制，并由驱动器305驱动，所述水箱301为圆筒状结构，水箱侧壁从上至下依次设置有水箱进水口310a、水箱溢水口310b和水箱出水口310c，所述水箱出水口310c与圆筒进水口101a连接。电动推杆303为通用件，电动推杆303下部和水平面固定，电动推杆303的升降由驱动器304和控制器305控制。

通过驱动器304和控制器305可实现定时，定距离的水箱301升降，水箱溢水口301b高为水箱301的水位高度，水箱进水口301a与实验室供水管相连，水箱出水口301c与渗透仪的进水口101a相连，可为试验渗透系数的测量试验提供固定水位；水箱出水口301c与渗透仪的圆筒出水口101c相连，可实现试样的水位波动。

4、干湿循环模块

如图8、9、10所示，干湿循环模块400包括PID温控系统410和三通阀门420，所述三通阀门420一端用于连接渗透仪的圆筒出水口101c，一端与PID温控系统410连接，另一端用于连接水位波动模块的水箱出水口310c。

所述PID温控系统410为一加热系统，包括风机411，电热丝412，温控开关413；

风机411通电时可向前吹出空气，并可调节风力大小；风机内装有电热丝412，可加热空气，使风机411吹出一定温度的空气；温控开关413可控制吹出空气的温度。

干湿循环模块工作原理：打开渗透仪的圆筒出水口101c和水位波动模块水箱301c的阀门时，水箱301中的水流入渗透仪101中，使试样A饱和；打开渗透仪的圆筒出水口101c和PID温控系统410的阀门时，PID温控系统410向渗透仪100中吹入一定温度的空气，使得试样中的水分蒸发，从而实现干湿循环。

5、试样变形监测模块

试样变形监测模块500包括高清摄像头501和一对呈一定角度连接的平面镜502，所述高清摄像头501和平面镜502相对布置，设置在渗透仪100两侧。

高清摄像头501放置在渗透仪100前方，利用平面镜502，可拍摄试验过程中试样A各个方向的变形。

试样变形监测模块工作原理：通过高清摄像头501记录试样各方向的试样A变形，便于观察。

6、传感器采集模块

传感器采集模块600包括精密孔隙水压力传感器601和流量计602，所述精密孔隙水压力传感器601安装在渗透仪的测压孔101b上，所述流量计602和渗透仪的圆筒出水口101c相连，所述精密孔隙水压力传感器601和流量计602均与外部计算机连接，用于收集存储测量参数。

传感采集模块工作原理：利用精密孔隙水压力传感器601和流量计602测量试验的数据，可提高试验精度，减少人为误差。

本发明模拟潮汐的水位波动、降雨和蒸发的干湿循环、为试样提供竖向荷载和渗透系数测量的方法：

1、水位波动方法

水箱出水口301c和渗透仪出水口101c相连，水箱进水口301a和实验室供水管相连；通过控制器304设置电动推杆303伸缩的距离和时间，使渗透仪100内试样A的水位随水箱301的升降发生变化；水位的变化可通过透明圆筒101观察。

2、干湿循环方法

三通阀门420一端连接渗透仪出水口101c，一端连接PID温控系统410，一端连接水位波动模块出水口301c，水位波动模块300提供一定的水压。

打开渗透仪出水口101c和水位波动模块出水口301c的阀门时，水箱301中的水流入渗透仪100中，使试样A饱和；打开渗透仪出水口101c和PID温控系统410的阀门时，PID温控系统410向渗透仪100中吹入一定温度的空气，使得试样A中的水分蒸发，从而实现干湿循环。

3、竖向荷载施加方法

竖向荷载施加有三种方式：竖向冲击荷载，竖向恒静压荷载和竖向循环静压荷载。

1）竖向冲击荷载

按竖向冲击荷载连接方式连接，时间继电器225和气缸开关213，电磁阀224组成定时电控开关线路如图3，可以根据冲击荷载频率，控制电磁阀224的通断时间，从而间接控制气缸开关213，进一步控制气缸214活塞的伸出和回缩时间，以模拟环境中的冲击荷载。

2）竖向恒静压荷载

如图4，按竖向恒静压荷载连接方式连接，打开空气压缩机211，通过气压调压阀212设置好所需空气压力值，气动加载系统开始工作，气缸214在空气压力的推动下对试样A施加静荷载，如需在一段时间后调整气缸214压力值大小，只需调节调压阀，使其达到对应的压力值即可。

3）竖向循环静压荷

按竖向循环静压荷载连接方式连接，如图6，所需线性电控开关施加荷载的主要原理是：直流电源221给电气比例阀222供电。电气比例阀222可在外部电压信号作用下改变通过开关的气流气压值大小。

函数信号发生器223的作用是输出一个线性变化的电压信号，电压信号作用于电气比例阀222。

通过人为设定信号发生器223的电压变化函数，进一步通过电气比例阀222控制输入到气缸214的压力值大小，实现线性荷载的施加。

4、渗透系数测量方法

接通传感采集模块600，水箱出水口301c和渗透仪进水口101a相连，流量计602和渗透仪出水口101c相连。打开水箱出水口301c，使水流出，待渗透仪100内水位稳定时，记录精密孔隙水压力传感器601和流量计602的数值，计算试验渗透系数。

本发明的优点如下：

1、通过竖向荷载模块对试样施加冲击动荷载、恒静压荷载和循环静荷载。和传统渗透装置相比，本发明可以对试样荷载前后渗透系数进行对比，得出荷载的大小、频率、时间和加载方式对试样渗透系数的影响；传统渗透装置仅能测得放样时的试样渗透系数。

2、本发明可对试样进行干湿循环，用来模拟降雨和蒸发。和传统渗透装置相比，本发明可以对试样干湿循环前后渗透系数进行对比，得出干湿循环的次数、频率和时间对试样渗透系数的影响；传统渗透装置仅能测得放样时的试样渗透系数，和自然环境下存在一定区别，影响了渗透参数的准确性。

3、本发明可对试样进行水位波动，用来模拟潮汐的涨落。和传统渗透装置相比，本发明可以对试样水位波动循环前后渗透系数进行对比，得出水位波动循环的次数、频率和时间对试样渗透系数的影响；传统渗透装置仅能测得放样时的试样渗透系数。

4、本发明可观察试样在试验过程中的形变。本发明通过试样变形监测模块对试样在竖向荷载，干湿循环，水位波动过程中的试样形变进行观察。可清楚的看见试样的变化。而传统渗透装置无法观察记录试样的变形。

5、本发明通过传感器采集模块与计算机连接采集和记录试验数据，可以采集连续的数据变化，使得采集的试验数据更精确，而传统渗透装置只能测得瞬时的数据。