一种快速测定粗粒土渗透系数的装置及测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种测定粗粒±渗透系数的装置及方法，属于±工试验技术领域。
【背景技术】
[0002] ±中孔隙相互连通时可形成透水通道，虽然该些通道很不规则，且往往很狭窄，但 水可W靠重力沿着该些通道在上中流动。水在上孔隙通道中流动的现象，叫做水的渗流；上 可W被水透过的性质，称为±的渗透性或透水性，它是±的力学性质之一。±的渗透系数是 评定±渗透性大小的参数，±的渗透系数越大，则透水性越强；反之，则越弱。
[0003] 粗粒±的渗透系数约为1(T2?10 -4cm/s，是一种透水性较好的材料，可W通过渗透 仪渗水的方式直接测定其渗透系数，即常水头渗透测试试验；粗粒±在圆柱形的渗透仪内 分层制样饱和后，水由上部注入渗透仪，调整渗透仪下部出水口高度W施加常水头（常水 压），读取渗透仪侧壁上的两个测压管的水位差（水压差）Ah,将该水位差Ah除W两个测 压管在渗透仪侧壁上的垂直间距L得到单位流程的水头损失即水力梯度i ;同时用量筒接 取、测量出渗透仪下部出水口单位时间流出的渗透水量q，由达西定律q = k ? i ? A算出其 渗透系数k。（式中A为渗透仪内腔的横截面面积）。该种方法测试结果精确，在室内的实 验室测试中使用广泛。但其存在W下问题：需要专口的渗透仪，测试不方便。由于侧壁上的 两个测压管孔径小，渗透水渗入测压管缓慢、两个测压管的的水位上升至达到平衡的稳定 水位点的时间长，导致测试时间长。无法满足野外工程现场，简单、快速测定粗粒±的渗透 系数的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的第一发明目的是提供一种快速测定粗粒±渗透系数的装置，该装置易于 构造，可快速、方便的测定粗粒±的渗透系数，尤其适合施工现场使用。
[0005] 本发明实现其第一发明目的所采取的技术方案是：一种快速测定粗粒±渗透系数 的装置，其组成是；圆柱形的且无底无盖的±样筒，±样筒置于圆形透水板上，圆形透水板 通过支撑架置于集水容器内。
[0006] 本发明的第二发明目的是提供一种使用上述快速测定粗粒±渗透系数的装置，测 定粗粒±渗透系数的方法，该方法操作简便，可快速、方便的测定出粗粒±的渗透系数，尤 其适合施工现场使用。
[0007] 本发明实现其第二发明目的所采取的技术方案是，一种使用上述快速测定粗粒± 渗透系数的装置，测定粗粒±渗透系数的方法，其步骤为：
[000引 a、试验准备
[0009] 将粗粒±在±样筒内分层制样、饱和，在±样筒内得到饱和的待测的粗粒±样；随 即将±样筒置于圆形透水板上，同时，圆形透水板通过支撑架置于集水容器内；
[0010] b、渗透试验
[0011] 用滴管向±样筒内的粗粒±样上表面均匀滴水，直至粗粒±样上表面形成水膜， 并通过不断滴水使水膜保持；同时，±样筒内的水不断经粗粒±样向下渗透，经圆形透水板 滴入集水容器；
[001引 C、渗透系数测定
[0013] 渗透试验进行的同时，在规定的时间t内，收集并测量集水容器内的水量；如此操 作重复进行，直至连续四次测量出的水量相互间的差值小于设定的阔值；然后，将四次测量 出的水量取平均值Q，通过k = Q/(A ? t)，即测得粗粒±样的渗透系数k，式中；A为±样筒 内腔的横截面面积。
[0014] 进一步，本发明的±样筒置于圆形透水板上的方式为±样筒的底部与圆形透水板 固定连接；所述的支撑架为固定连接在圆形透水板上的=角架。
[0015] 该种部件相互固定连接的测定装置相对于部件相互分离的测定装置，制样时±样 筒会和其他部件一起移动，不够方便灵活，便携性不足；但操作时省去了组装部件的步骤， 节省了测量时间，重复性和再现性更好。
[0016] 本发明的原理是；
[0017] 水在±中流动遵从水力学的能量方程，即著名的伯努利方程。根据该方程，相对于 任意确定的基准面，±中一点的总水头h为：
[001 引 h = z+hw+hy
[0019] 式中；z-一位置水头，即该点与基准面的高度；
[0020] h，一一压力水头，即该点处开口测压管的液柱高度；
[0021] hy-一动水头，即该点处水垂直向上喷射到空气中所达到高度。
[0022] 动水头hy与速度平方成正比，由于水在±中渗流的速度一般很小，hy可W忽略不 计，该样，总水头h z+h，。
[002引如果±中存在总水头差，即水头损失，则水将从总水头高处沿着±中孔隙通道向 总水头低处流动，单位流程的水头损失即为渗流水力梯度i，可按式（1)计算。
[0024] i = - (1) L
[0025] 式中；Ah--水头损失；
[0026] L--流程。
[0027] 水在±中的流动大多缓慢，属于层流，符合达西定律，满足式（2)的关系。
[002引 q = k ? A ? i 似
[0029] 式中；q--单位时间通过±体横截面的水量；
[0030] A--±体截面积；
[0031] i--水力梯度；
[0032] k-渗透系数。
[0033] 故可W通过达西定律测定粗粒上的渗透系数k = q/(A ? i)。
[0034] 在本发明中，由于试样上表面的自由液面厚度只有1mm，几乎没有静水压力，则上 表面压力水头0,上表面总水头h 1近似等于位置水头Z 1，即Z 1;在试样下表面由 于液体自由流出，也几乎没有静水压力，则下表面压力水头0,下表面总水头h 2近似等 于位置水头Z2,即h2> Z 2。故试样上下表面的水头损失Ah = hi-h2> Z 1-Z2= H，水力梯 度a二^ ^ = 1，其中，H为试样高度，又为本试验中渗流的流程。由此可见，在本装 置中，沿±样渗流路径的水力梯度i = 1为恒定值，且与±样性质无关。待渗流稳定，渗流 流量q可通过一定时间t内收集的渗流水的体积Q得出；q = Q/t，再由达西定律计算出试 样的渗透系数： q Q Q
[0035] k 二-- -- A i A -1 -1 A ? t
[0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0037] 一、试验装置中±样筒为上下无底圆筒，其侧壁不设测压孔和测压管，也无需设置 试样的进出水位调节机构，试验准备及其试验操作非常简单。仅仅需要一个无底无盖的筒 状器具、一个可透水的板材、一个集水容器及一个可将板材支撑于集水容器内的支撑架即 可，甚至可W在现场临时组装、构造，使野外工程现场在没有专用器具的情况下，也能测定 粗粒±渗透系数。
[003引二、现有设备及方法需要通过测压管测定沿流程的水力梯度i，而本发明中，基于 ±样顶面和底面均没有压力水头，只有位置水头，渗流路径又为±样的整体高度，故推出其 水力梯度i > 1，而无需通过测压管读取渗流过程中±样内两点的水头损失，试验操作更加 简便；同时，由于无需等待侧壁上的两个小孔径测压管内的渗透水的缓慢渗入、水位上升至 达到平衡的稳定水位点过程，使得测试时间大大缩短，满足野外工程快速测定粗粒±渗透 系数的要求。本发明基于±样顶面和底面无素流的、层流水力学计算，大大简化了试验装置 和试验方法，测定结果与现有方法的测量结果在同一个评定级内，其测定误差满足工程要 求。
[0039] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明实施例的剖视结构示意图。
【具体实施方式】
[0041] 实施例一
[0042] 图1示出，本发明的一种【具体实施方式】是，一种快速测定粗粒±渗透系数的装置， 其组成是；圆柱形的且无底无盖的±样筒1，±样筒1置于圆形透水板2上，圆形透水板2通 过支撑架3置于集水容器4内。
[0043] 使用本例的用于快速测定粗粒±渗透系数的装置，测定粗粒±渗透系数的方法， 其步骤为：
[0044] a、试验准备
[0045] 将粗粒±在±样筒1内分层制样、饱和，在±样筒1内得到饱和的待测的粗粒±样 5 ;随即将±样筒1置于圆形透水板2上，同时，圆形透水板2通过支撑架3置于集水容器4 内；
[0046] b、渗透试验
[0047] 渗水随后，用滴管向±样筒1内的粗粒±样5上表面均匀滴水，直至粗粒±样5上 表面形成水膜，并通过不断滴水使水膜保持；同时，±样筒1内的水不断经粗粒±样5向下 渗透，经圆形透水板2滴入集水容器4 ;
[0048] C、渗透系数测定
[0049] 渗透试验进行的同时，在规定的时间t内，收集并测量集水容器4内的水量；如此 操作重复进行，直至连续四次测量出的水量相互间的差值小于设定的阔值；然后，将四次测 量出的水量取平均值Q，通过k = Q/(A ? t)，即测得粗粒±样5的渗透系数k，式中；A为± 样筒1内腔的横截面面积。
[0化日]试验验证；
[0051] 采用W上实施例的装置及测定方法，对某粗粒±样的渗透系数进行了测定，测试 结果见表3。该粗粒±试样参数见表1，粒径组成见表2。
[0化2] 采用现有的标准常水头渗透试验测定同种粗粒±样渗透系数的试验数据W及结 果见表4。
[0053] 由于±的透水性强弱是通过渗透系数的数量级的量级差异来判定，本发明测定出 的渗透系数为4. 60 X l(T4cm/s，而现有方法测出的渗透系数为5. 62 X l(T4cm/s。两种方法测 定结果属于同一个评定级（数量级），其测定误差满足工程要求。
[0化4] 表1试样及渗透试验参数 [0 化 5]
【主权项】
1. 一种快速测定粗粒土渗透系数的装置，其组成是：圆柱形的且无底无盖的土样筒 (1)，土样筒（1)置于圆形透水板（2)上，圆形透水板（2)通过支撑架（3)置于集水容器（4) 内。
2. 根据权利要求1所述的一种快速测定粗粒土渗透系数的装置，其特征在于：所述的 土样筒（1)置于圆形透水板（2)上的方式为：土样筒（1)的底部与圆形透水板（2)固定连 接；所述的支撑架（3)为固定连接在圆形透水板（2)上的三角架。
3. -种使用权利要求1所述的快速测定粗粒土渗透系数的装置，测定粗粒土渗透系数 的方法，其步骤为： a、 试验准备 将粗粒土在土样筒（1)内分层制样、饱和，在土样筒（1)内得到饱和的待测的粗粒土样 (5);随即将土样筒⑴置于圆形透水板⑵上，同时，圆形透水板⑵通过支撑架⑶置于 集水容器⑷内； b、 渗透试验 用滴管向土样筒（1)内的粗粒土样（5)上表面均匀滴水，直至粗粒土样（5)上表面形 成水膜，并通过不断滴水使水膜保持；同时，土样筒（1)内的水不断经粗粒土样（5)向下渗 透，经圆形透水板（2)滴入集水容器（4); c、 渗透系数测定 渗透试验进行的同时，在规定的时间t内，收集并测量集水容器（4)内的水量；如此操 作重复进行，直至连续四次测量出的水量相互间的差值小于设定的阈值；然后，将四次测量 出的水量取平均值Q，通过k = QAA *t)，即测得粗粒土样（5)的渗透系数k，式中：A为土 样筒（1)内腔的横截面面积。
【专利摘要】一种快速测定粗粒土渗透系数的装置及测定方法,其装置的组成是：圆柱形的且无底无盖的土样筒(1)，土样筒(1)置于圆形透水板(2)上，圆形透水板(2)通过支撑架(3)置于集水容器(4)内。该装置易于构造，可快速、方便的测定出粗粒土的渗透系数，尤其适合施工现场使用。
【IPC分类】G01N15-08
【公开号】CN104568696
【申请号】CN201410822144
【发明人】罗强, 刘孟适, 梁多伟, 陈坚, 张良, 蒋良潍, 谢涛, 连继峰, 石晓旺, 薛猛
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月25日