一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置、测量方法及评价方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置，其特征在于，包括容土单元、供水装置和智能测试单元，所述容土单元包括圆柱形玻璃筒、渗水阀门、圆柱形底座、渗水管和金属孔板；供水单元包括恒压水泵、水管、喷头依次连接；智能测试单元包括含水率传感器、渗水量传感器和水压力传感器并分别通过信号接收器与计算机连接；所述供水单元位于容土单元的正上方；所述圆柱形玻璃筒内自下而上设有多个相等高度的土体分层结构，每个分层结构的内侧壁上分别设有含水率传感器、渗水量传感器和水压力传感器。本发明能够简便而又精确地测试土体分层渗透特性状况，并给出系统的定位精度、测量方法和评价方法，适用于替代本领域的现有产品。
【专利说明】
一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置、测量方法 及评价方法
技术领域
[0001] 本发明属于室内渗透试验研究技术领域，特别是涉及一种用于土体分层渗透特性 分析的智能测试装置、测量方法及评价方法。
【背景技术】
[0002] 据统计分析，大多数地质灾害及岩土工程中发生的事故都与土中水有关。土中水 的增加会使非饱和土的基质吸力锐减;部分岩土软化，土的结构破坏；当发生渗流时还可能 由于渗透力的作用而增加许多不利因素。目前试验室对土的渗透特性测试主要有常水头渗 透试验和变水头渗透试验，传统的渗透试验，砂性土和粘性土需要分开来做，不能实现在于 一种仪器上测试出土的渗透特性且普通的室内渗透试验不能测试分层土体的渗透特性。土 的含水量是标志土含水程度的一个重要的物理指标，而普通的室内渗透试验不能实时测试 土层饱和前的含水量。中国专利申请201220321449.4公开的一种"一种土料渗透特性智能 测试系统"，它虽然具有数据采集系统，于常水头渗透试验和变水头渗透试验于一体，但还 是存在以下不足:一是不能实现土体的分层，没有监测各层土试验时过土层横截面的水流 量;二是不能监测试验过程中各层土饱和前含水率的变化。中国专利申请201220655588.0 公开的一种"一种新型常水头渗透仪"，它虽然实现了对土体的分层，但还是存在以下不足： 一是该仪器只能用于砂性土，不能对粘性土的渗透特性进行测试，对土的性质要求单一;二 是缺少数据采集系统，不能在试验过程中对通过各层土横截面的水流量进行测试。
[0003] 综上所述，探索一种集性能可靠、智能化程度高、观测精度高、数据量充足、使用简 便和成本可控等为一体的新型土体分层渗透特性分析的测试装置，是一项紧迫的任务。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种用于土体分层渗透特 性分析的智能测试装置、测量方法及评价方法，本发明能够简便而又精确地测试土体分层 渗透特性状况，并给出系统的定位精度、测量方法和评价方法，适用于替代本领域的现有产 品。
[0005] 根据本发明提出的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置，其特征在 于，包括容土单元、供水装置和智能测试单元，所述容土单元包括圆柱形玻璃筒、渗水阀门、 圆柱形底座、渗水管和金属孔板;所述圆柱形玻璃筒设置在圆柱形底座的上部，该圆柱形玻 璃筒的底部设有金属孔板，圆柱形玻璃筒的轴向外侧壁上设有连接渗水管的渗水阀门；供 水单元包括恒压水栗、水管、喷头依次连接;智能测试单元包括含水率传感器、渗水量传感 器和水压力传感器并分别通过信号接收器与计算机连接;所述供水单元位于容土单元的正 上方;所述圆柱形玻璃筒内自下而上设有多个相等高度的土体分层结构，每个分层结构的 内侧壁上分别设有含水率传感器、渗水量传感器和水压力传感器。
[0006] 本发明的智能测试装置的实现原理是:本发明在使用中，首先将装填土样置于容 土单元的圆柱形玻璃筒中，以达西定律为依据，打开恒压水栗使喷嘴能够向圆柱形玻璃筒 注入水流量，从外部观察并记录各层土开始渗透时间直至渗透结束，拿量筒接各渗水管渗 出的水量，与经智能测试单元的数据采集处理后记录的时间和流量进行比较，得到提供测 试评价的范围。
[0007] 本发明与现有技术相比其显著优点在于：
[0008] 一是本发明能够以简便而又精确地测试室内土体分层渗透状况，填补了本领域现 有土体分层渗透特性监测装置的空白。
[0009] 二是本发明通过智能测试装置可以监测分层土在饱和前的含水率和实时监测分 层土体在渗透试验过程中的通过各层横截面的水流量和水压力，在其定位精度、测量方法 和评价方法方面具有显著的优越性。
[0010]三是本发明既可以测试砂性土的渗透特性，又可以测试粘性土的渗透特性，对土 体类型的适应性强。
[0011]四是本发明提出的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置、测量方法及 评价方法是完整的一体化的室内监测测试系统，操作简便、快速，测试精确、可靠，既节约了 大量的人力成本，又节约了时间成本。适用于替代本领域的现有产品。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明提出的一种用于土体分层渗透特性分析的测试装置的结构示意图。
[0013] 图2是本发明提出的供水装置的结构示意图。
[0014] 图3是本发明提出的容土装置结构示意图。
[0015] 图4是本发明提出的智能测试装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细描述。
[0017] 结合图1-4,本发明提出的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置，包括 容土单元、供水装置和智能测试单元，所述容土单元包括圆柱形玻璃筒(4)、渗水阀门（5)、 圆柱形底座(9)、渗水管(6)和金属孔板（11);所述圆柱形玻璃筒(4)设置在圆柱形底座(9) 的上部，该圆柱形玻璃筒(4)的底部设有金属孔板（11)，圆柱形玻璃筒(4)的轴向外侧壁上 设有连接渗水管(6)的渗水阀门（5);供水单元包括恒压水栗（1)、水管(2)、喷头(3)依次连 接;智能测试单元包括含水率传感器(7)、渗水量传感器(8)和水压力传感器（12)并分别通 过信号接收器（13)与计算机（10)连接;所述供水单元位于容土单元的正上方;所述圆柱形 玻璃筒(4)内自下而上设有多个相等高度的土体分层结构，每个分层结构的内侧壁上分别 设有含水率传感器(7 )、渗水量传感器(8)和水压力传感器。
[0018]实施例1。本发明提出的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置的主要 部件的设计参数和要求进一步公开如下：
[0019]本发明所述的圆柱形玻璃筒(4)的材质为透明有机玻璃、高度为lm、内径为20cm; 所述圆柱形玻璃筒(4)的底部设有向下凹的凹槽、该凹槽的高度为2cm;所述金属孔板（11) 与圆柱形玻璃筒（4)底部之间的距离为2cm，金属孔板（11)的直径为19.8cm、孔的内径为 2mm;所述圆柱形玻璃筒(4)的侧边设有多个口径为0.5cm的渗水阀门（5)，以8-10个渗水阀 门（5)为佳，本实施例1采用9个渗水阀门（5)，相邻的两个渗水阀门（5)之间的距离均为 12cm;所述最上部的渗水阀门（5)与圆柱形玻璃筒(4)顶部之间的距离为3cm;最下部的渗水 阀门（5)与凹槽底部之间的距离为lcm;各渗水阀门（5)外接长度为1.5m的渗水管(6)，该渗 水管(6)可采用塑料软管;含水率传感器(7)设置于圆柱形玻璃筒(4)的左侧内壁，渗水流量 传感器(8)和水压力传感器(12)分别设置于圆柱形玻璃筒(4)的右侧内壁，所述的各个传感 器均与各个相等高度的土体分层结构中的土体层相连接;所述恒压水栗（1)和喷头(3)的材 质为金属材料，水管(2)的材质为硬塑料;所述含水率传感器(7)可采用HX49系列，渗水流量 传感器(8)可采用FTB300系列，水压力传感器（12)可采用PX81系列，信号接收器（13)可采用 0M系列，计算机(10)可采用De 11台式机等。
[0020] 实施例2。本发明提出的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置的测量 方法，其特征在于，包括如下基本步骤：
[0021] 步骤1，组装智能测试装置:先将圆形底座(9)水平设置，将容土单元的圆柱形玻璃 筒(4)固定在圆形底座（9)上，金属孔板（11)水平设置在距离圆柱形玻璃筒(4)底部的2cm 处，所述渗水管(6)与各个渗水阀门（5)紧密连接;将供水装置恒压水栗（1)、水管(2)、喷嘴 (3) 依次连接，该供水装置设于圆柱形玻璃筒(4)的正上方;所述圆柱形玻璃筒(4)内自下而 上设有多个相等高度的土体分层结构，每个分层结构的内侧壁上分别设有含水率传感器 (7) 、渗水量传感器(8)和水压力传感器;所述含水率传感器(7)、渗水量传感器(8)和水压力 传感器(12)还分别通过信号接收器(13)与计算机(10)连接；
[0022] 步骤2,检查智能测试装置状态：圆形底座(9)保持水平设置;渗水管(6)与各个渗 水阀门（5)可靠连接;供水单元能够正常出水，恒压水栗（1)、水管(2)、喷嘴(3)依次可靠连 接且无漏气;金属孔板（11)水平设置且无倾斜;所述包括含水率传感器(7)、渗水量传感器 (8) 、水压力传感器(12)、信号接收器(13)和计算机(10)组成的智能测试单元运行正常； [0023]步骤3,安放测试土样:将测试土样分层放入圆柱形玻璃筒(4)中，从圆柱形玻璃筒 (4) 的外部可清晰地看到测试土样的分层状况，每层测试土样放好后，击实至预定的密度； 打开供水单元能够正常出水且无漏气现象;所述含水率传感器(7)、渗水量传感器(8)和水 压力传感器(12)分别通过信号接收器（13)将采集的数据送入计算机（10)处理，最后由计算 机(10)显示数据；
[0024]步骤4,测试试验:打开恒压水栗（1)使喷嘴(3)向圆柱形玻璃筒(4)注入水流量，各 层土样开始渗透，先观察计算机（10)上显示的含水率变化情况，直至各层土样达到饱和，再 观察计算机（10)上显示的压力变化情况;记录各层土样开始渗水的时刻，并用量筒接各渗 水管(6)中的水流量;根据公式
[0026]可得各层土样的渗透系数，其中:F为水压力、P为水的密度、g为重力加速度、h为水 压高度、k为渗透系数、Q为渗水量、L为土层高度、A为土层横截面积、Δ h为高度差、t为时间；
[0027] 步骤5,稳定性评价:从外部观察各层土样开始渗透记录时间并拿量筒接各渗水管 (6)渗出的水量，与经智能测试单元的数据采集处理后记录的时间和流量进行比较，得到提 供测试评价的范围。
[0028] 实施例3。本发明提出的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置的测量 方法的评价方法，其特征在于，包括如下基本评价内容：
[0029] 评价1，精度:渗水量传感器测得的水量与量筒接水量的误差为26-30分的，测量误 差< 1 % ;误差为21-25分的，测量误差< 2% ;误差为11-20分的，测量误差< 5% ;误差为0-10分，测量误差>5% ;
[0030] 评价2,反应时差:渗水量传感器计时与秒表计时误差为26-30分的，反应误差< 2s;误差为21-25分的，反应误差< 5s;误差为11-20分的，反应误差< 10s;误差为0-10分，反 应误差>10s;
[0031] 评价3,特异性:误差为16-20分的，适用于所有土样；误差为11-15分的，适用于砂 性土和粘性土;误差为6-10分的，只适用于砂性土或粘性土;误差为0-5分的，任何土都不适 合；
[0032] 评价4,温度影响：误差为16-20分的，几乎不受影响；误差为11-15分的，受影响较 小;误差为6-10分的，受影响小;误差为0-5分，受影响较大；
[0033]表1，渗透仪效果评分细则：
[0036]根据以上基本评价内容进行综合打分并得到分数总和，若：
[0037] (1)分数在85-100分之间，则该测试装置适用于室内渗透试验；
[0038] (2)分数在75-84分之间，则该测试装置需要部分修改；
[0039] (3)分数在60-74分之间，则该测试装置需要修改测试原理；
[0040] (4)分数低于60分，则该测试装置不适用；
[0041]表2,渗透仪效果评估表：
[0042]
[0043] 最后，计算总得分。
[0044] 本发明的【具体实施方式】中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技 术加以实施。
[0045] 本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
[0046] 以上【具体实施方式】及实施例是对本发明提出的一种用于土体分层渗透特性分析 的智能测试装置、测量方法及评价方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护 范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效 的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
【主权项】
1. 一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置，其特征在于，包括容土单元、供水 装置和智能测试单元，所述容土单元包括圆柱形玻璃筒(4)、渗水阀门（5)、圆柱形底座(9)、 渗水管(6)和金属孔板（11);所述圆柱形玻璃筒(4)设置在圆柱形底座(9)的上部，该圆柱形 玻璃筒(4)的底部设有金属孔板（11)，圆柱形玻璃筒(4)的轴向外侧壁上设有连接渗水管 (6) 的渗水阀门（5);供水单元包括恒压水栗（1)、水管(2)、喷头(3)依次连接;智能测试单元 包括含水率传感器(7)、渗水量传感器(8)和水压力传感器（12)并分别通过信号接收器（13) 与计算机(10)连接;所述供水单元位于容土单元的正上方;所述圆柱形玻璃筒(4)内自下而 上设有多个相等高度的土体分层结构，每个分层结构的内侧壁上分别设有含水率传感器 (7) 、渗水量传感器(8)和水压力传感器(12)。2. 根据权利要求1所述的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置，其特征在 于，所述圆柱形玻璃筒(4)的材质为透明有机玻璃、高度为lm、内径为20cm。3. 根据权利要求2所述的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置，其特征在 于，所述圆柱形玻璃筒(4)的底部设有向下凹的凹槽、该凹槽的高度为2cm。4. 根据权利要求3所述的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置，其特征在 于，所述金属孔板（11)与圆柱形玻璃筒(4)底部之间的距离为2cm;金属孔板（11)的直径为 19 · 8cm、孔的内径为2mm。5. 根据权利要求4所述的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置，其特征在 于，所述圆柱形玻璃筒(4)的侧边设有多个口径为0.5cm的渗水阀门（5)，相邻的两个渗水阀 门（5)之间的距离均为12cm〇6. 根据权利要求5所述的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置，其特征在 于，所述最上部的渗水阀门（5)与圆柱形玻璃筒(4)顶部之间的距离为3cm;最下部的渗水阀 门（5)与凹槽底部之间的距离为lcm〇7. 根据权利要求1-5任一项所述的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置的 测量方法，其特征在于，包括如下基本步骤： 步骤1，组装智能测试装置：先将圆形底座（9)水平设置，将容土单元的圆柱形玻璃筒 (4)固定在圆形底座(9)上，金属孔板（11)水平设置在距离圆柱形玻璃筒(4)底部的2cm处， 所述渗水管(6)与各个渗水阀门（5)孔紧密连接;将供水装置恒压水栗（1 )、水管（2 )、喷嘴 (3)依次连接，该供水装置设于圆柱形玻璃筒(4)的正上方;所述圆柱形玻璃筒(4)内自下而 上设有多个相等高度的土体分层结构，每个分层结构的内侧壁上分别设有含水率传感器 (7)、渗水量传感器(8)和水压力传感器;所述含水率传感器(7)、渗水量传感器(8)和水压力 传感器(12)还分别通过信号接收器(13)与计算机(10)连接； 步骤2,检查智能测试装置状态：圆形底座(9)保持水平设置;渗水管(6)与各个渗水阀 门（5)可靠连接;供水单元能够正常出水，恒压水栗（1)、水管(2)、喷嘴(3)依次可靠连接且 无漏气;金属孔板（11)水平设置且无倾斜;所述包括含水率传感器(7)、渗水量传感器(8)、 水压力传感器(12)、信号接收器(13)和计算机(10)组成的智能测试单元运行正常； 步骤3,安放测试土样:将测试土样分层放入圆柱形玻璃筒(4)中，从圆柱形玻璃筒(4) 的外部可清晰地看到测试土样的分层状况，每层测试土样放好后，击实至预定的密度;打开 供水单元能够正常出水且无漏气现象;所述含水率传感器(7)、渗水量传感器(8)和水压力 传感器（12)分别通过信号接收器（13)将采集的数据送入计算机（10)处理，最后由计算机 (10)显示数据； 步骤4,测试试验:打开恒压水栗（1)使喷嘴(3)向圆柱形玻璃筒(4)注入水流量，各层土 样开始渗透，先观察计算机（10)上显示的含水率变化情况，直至各层土样达到饱和，再观察 计算机（10)上显示的压力变化情况;记录各层土样开始渗水的时刻，并用量筒接各渗水管 (6)中的水流量;根据公式：可得各层土样的渗透系数，其中:F为水压力、P为水的密度、g为重力加速度、h为水压高 度、k为渗透系数、Q为渗水量、L为土层高度、A为土层横截面积、Δ h为高度差、t为时间； 步骤5,稳定性评价:从外部观察各层土样开始渗透记录时间并拿量筒接各渗水管(6) 渗出的水量，与经智能测试单元的数据采集处理后记录的时间和流量进行比较，得到提供 测试评价的范围。8.根据权利要求7所述的一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置的测量方法 的评价方法，其特征在于，包括如下基本评价内容： 评价1，精度:渗水量传感器测得的水量与量筒接水量的误差为26-30分的，测量误差< 1% ;误差为21-25分的，测量误差< 2% ;误差为11-20分的，测量误差< 5% ;误差为0-10分， 测量误差>5%; 评价2，反应时差:渗水量传感器计时与秒表计时误差为26-30分的，反应误差< 2s ;误 差为21-25分的，反应误差< 5s;误差为11-20分的，反应误差< 10s;误差为0-10分，反应误 差 >10s; 评价3,特异性:误差为16-20分的，适用于所有土样；误差为11-15分的，适用于砂性土 和粘性土;误差为6-10分的，只适用于砂性土或粘性土;误差为0-5分的，任何土都不适合； 评价4,温度影响:误差为16-20分的，几乎不受影响;误差为11-15分的，受影响较小;误 差为6-10分的，受影响小;误差为0-5分，受影响较大； 表1，渗透仪效果评分细则：根据以上基本评价内容进行综合打分并得到分数总和，若： (1) 分数在85-100分之间，则该测试装置适用于室内渗透试验； (2) 分数在75-84分之间，则该测试装置需要部分修改； (3) 分数在60-74分之间，则该测试装置需要修改测试原理； (4) 分数低于60分，则该测试装置不适用； 表2，渗透仪效果评估表：最后，计算总得分。
【文档编号】G01N15/08GK105866005SQ201610343208
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】刘瑾, 张达, 亓孝辉, 汪勇, 冯巧, 王芊, 祁长青, 钱卫
【申请人】河海大学