专利名称：水力—电力渗透系数测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种水力一电力渗透系数测量装置及测量方法，属于土木工程中岩土工程领域。
背景技术：
随着国民经济的快速发展及沿海城市的开发，急需处理的软土地基也变得越来越复杂、多样。软黏土地基具有高含水率、低渗透性等特点，采用传统的排水固结方法费用较高、工期较长。而电渗法对低渗透性软土地基具有处理效率高、处理效果好等优点，近年来已逐渐受到人们关注。随着电渗法在软黏土地基处理中的应用，水力渗透系数和电渗透系数已逐渐成为电渗固结工程计算中不可或缺的技术参数。水力渗透系数是描述土体渗透性的基本参数，在传统固结法工程计算中已很常见，专门用于其测量的装置也有多种。电渗透系数是衡量土体电渗透性的重要指标，是指单位电力梯度下土体中的水流速度。20世纪早期，研究人员根据双电层板间电容的概念导出电渗透系数的表达式。该表达式参数较多，且测量计算复杂，不适合工程应用。常见的电渗透系数测量方法是根据室内电渗固结试验由渗流量直接推算得出，这种方法得出的电渗透系数是一个与水力渗透系数综合后的数值，不能单纯反应实际的电渗透系数；且容易受到电极腐蚀、土体开裂等因素的影响，准确性差。
发明内容
本发明提供的装置及测量方法可依次测出饱和软黏土的水力渗透系数和电渗透系数。且装置操作容易、准确性高，成本低。其特征在于首先利用该装置通过变水头法测出饱和试样的水力渗透系数kh，再根据饱和试样在直流电场作用下快速形成反向水力梯度，水力梯度与电势梯度快速达到平衡，测得平衡状态下的电势梯度L和水力梯度ih，根据平衡状态下耦合出流khih=keie，计算出电渗透系数ke。该方法消除了传统测量方法中kh对的影响，提高了电渗透系数的准确性，为电渗法在岩土工程中的应用提供可靠的技术参数。本发明所述水力一电力渗透系数测量装置，包括渗透容器、直流电源、测量管、供水系统及紧固框架，其特征在于:所述渗透容器包括容器体、电极网和透水石。所述测量管包括测量管A和测量管B，测量管A通过相应的柔性连接管与排水管连接，测量管B通过相应的柔性连接管与进水管连接。所述容器体采用绝缘材料，容器体上盖设有阴极导线管和排水管；所述容器体中部沿轴向设有两个电势量测孔，电势量测探针通过电势测量孔插入饱和试样中，方向与容器体轴向垂直；所述容器体下部侧面设有阳极导线管、进水管和排气管；所述电极网选用耐腐蚀材料，置于待测土体和透水石之间；透水石中心留有直径Imm小孔，方便导线穿过。所述透水石距容器体上盖和底部分别为Icm ;两透水石间距4cm ；所述电势量测孔位于两透水石之间，间距为2cm，到最近透水石的距离为1cm。所述电势量测探针插入饱和试样的深度以达到饱和试样中部为最佳。所述水力一电力渗透系数测量装置的测量方法，其特征在于:包括如下步骤:第一步、将直流电源的阴极导线分别通过阴极导线管和上层透水石的中心小孔与阴极电极网连接，同样阳极导线分别通过阳极导线管和下层透水石的中心小孔与阳极电极网连接，然后用玻璃胶或橡胶塞封闭导线管。第二步、将待测饱和试样装入渗透容器，电势量测探针通过电势量测孔插入试样中，插入深度以试样半径为最佳，用玻璃胶或橡胶塞封闭电势量测孔。将电极网和透水石依次放置于饱和试样上，并盖上容器上盖。将渗透容器放置于紧固框架上，用螺母旋紧，要求密封至不漏水不漏气。第三步、开排水管夹，利用供水瓶中的纯水向进水管注满水，并渗入渗透容器，开排气阀，排除渗透容器底部的空气，直至溢出水中无气泡，关排气阀，放平渗透容器，关进水管夹。第四步、向测量管B注纯水。使水升至预定高度，水头高度根据试样结构的疏松程度确定，一般不应大于2m，待水位稳定后切断水源，开进水管夹，使水通过试样，当出水口有水溢出时开始测记测量管B中起始水头高度和起始时间，按预定时间间隔测记水头和时间的变化，并测记出水口的水温。第五步、将测量管B中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水头和时间变化，重复试验5 6次。当不同开始水头下测定的水力渗透系数在允许差值范围内时，结束水力渗透试验。第六步、关排水管夹，向测量管B注纯水。使水升至预定高度，静置至测量管A和测量管B水头平齐。第七步、电源调整至预定电压，接通线路。待测量管A中水位稳定，测记两测量管水头及两电势量测探针之间的电压差。第八步、变换电源电压，重复试验5 6次。当不同电压下测定的电渗透系数在允许差值范围内时，结束电渗透试验。本发明优点:本发明电渗透系数测量装置设备简单，操作容易，准确性高。可以作为测量软黏土水力渗透系数和电渗透系数的专用装置。充分利用电渗流产生的反向水力梯度，克服了传统测量方法没有消除水力渗透系数影响的缺点。
图1为测量装置示意图；图2为渗透容器示意图；图3为紧固框架示意图；图中，1、测量管A ;2、测量管B ;3、渗透容器；4、供水瓶；5、接水源管；6、排气管；
7、排水管；8、紧固框架；9、进水管夹；10(1)、排水管夹；10(2)、排气管夹；11、容器体；12、上盖；13、进水管；14、排水管；15、排气管；16、透水石；17、电极网；18、土样；19、电势探针；20、封闭橡圈；21、阴极导线管；22、阳极导线管；23、紧固螺栓；24、支架；25、底板。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明。如附图1所示，测量装置主体由渗透容器3、测量管I和2、供水系统4和5、及紧固框架8组成。测量管由玻璃管和刻度尺组成。排气管6和排气管夹10 (2)用于在渗透初始阶段排出渗透容器3中的空气。排水管7和排水管夹10(1)用于控制渗透过程中渗透容器3的排水。进水管夹9用于控制向测量管I和渗透容器3中注水。在图2中，渗透容器为圆柱形，容器体11和上盖12用绝缘材料制作而成。上盖12上设有排水管14和阴极导线管21 ;容器体11中部设有电势量测孔19，下部设有进水管13、排气管15和阳极导线管22。透水石16、电极网17和试验土样18依次装入渗透容器中。封闭橡圈20置于容器体11和上盖12之间，起密封作用。在图3中，紧固框架包括螺栓23、支架24和底板25。紧固框架用金属材料制作而成。水力一电力渗透系数测量装置的测量方法，包括如下步骤:第一步、将直流电源的阴极导线分别通过阴极导线管21和透水石16 (I)的中心小孔与电极网17(1)连接，同样阳极导线分别通过阳极导线管22和透水石16 (2)的中心小孔与电极网17(2)连接，然后用玻璃胶或橡胶塞封闭导线管21、22。第二步、将待测饱和试样18装入渗透容器3，电势量测探针19通过电势量测孔插入试样18中，插入深度以试样半径为最佳，用玻璃胶或橡胶塞封闭电势量测孔。将电极网17(1)和透水石16(1)以此放置于饱和试样18上，并盖上容器上盖。将渗透容器3放置于紧固框架8上，用螺母23旋紧，要求密封至不漏水不漏气。第三步、开排水管夹10(1)，利用供水瓶4中的纯水向进水管注满水，并渗入渗透容器3，开排气管夹10 (2)，排除渗透容器3底部的空气，直至溢出水中无气泡，关排气管夹10 (2)，放平渗透容器，关进水管夹9 (I)。第四步、向测量管2注纯水。使水升至预定高度，水头高度根据试样结构的疏松程度确定，一般不应大于2m，待水位稳定后切断水源，开进水管夹9 (I)，使水通过试样，当出水口有水溢出时开始测记测量管2中起始水头高度和起始时间，按预定时间间隔测记水头和时间的变化，并测记出水口的水温。第五步、将测量管2中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水头和时间变化，重复试验5 6次。当不同开始水头下测定的水力渗透系数在允许差值范围内时，结束水力渗透试验。第六步、关排水管夹10(1)，向测量管I注纯水。使水升至预定高度，静置至测量管I和测量管2水头平齐。第七步、电源调整至预定电压，接通线路。待测量管I中水位稳定，测记两测量管水头及两电势量测探针19之间的电压差。第八步、变换电源电压，重复试验5 6次。当不同电压下测定的电渗透系数在允许差值范围内时，结束电渗透试验。本发明充分利用电渗流产生的反向水力梯度，克服了传统测量方法没有消除水力渗透系数影响的缺点。可依次测出饱和软黏土的水力渗透系数和电渗透系数。且装置操作容易、准确性高，成本低。可以作为测量饱和软黏土水力渗透系数和电渗透系数的专用装置。
权利要求
1.水力一电力渗透系数测量装置，包括渗透容器、直流电源、测量管、供水系统及紧固框架，其特征在于:所述渗透容器包括容器体、电极网和透水石，所述测量管包括测量管A和测量管B，测量管A通过相应的柔性连接管与排水管连接，测量管B通过相应的柔性连接管与进水管连接。
2.根据权利要求1所述的水力一电力渗透系数测量装置，其特征在于:所述容器体采用绝缘材料，容器体上盖设有阴极导线管和排水管；所述容器体中部沿轴向设有两个电势量测孔，电势量测探针通过电势测量孔插入饱和试样中，方向与容器体轴向垂直；所述容器体下部侧面设有阳极导线管、进水管和排气管。
3.根据权利要求1所述的水力一电力渗透系数测量装置，其特征在于:所述电极网选用耐腐蚀材料，置于饱和试样和透水石之间；透水石中心留有直径Imm小孔，方便导线穿过。
4.根据权利要求1所述的水力一电力渗透系数测量装置，其特征在于:所述透水石距容器体上盖和底部分别为Icm ;两透水石间距4cm。
5.根据权利要求1所述的水力一电力渗透系数测量装置，其特征在于:所述电势量测孔位于两透水石之间，间距为2cm，到最近透水石的距离为1cm，所述电势量测探针插入饱和试样的深度以达到饱和试样中部为最佳。
6.水力一电力渗透系数测量装置的测量方法，其特征在于:包括如下步骤: 第一步、将直流电源的阴极导线分别通过阴极导线管和上层透水石的中心小孔与阴极电极网连接，同样阳极导线分别通过阳极导线管和下层透水石的中心小孔与阳极电极网连接，然后用玻璃胶或橡胶塞封闭导线管； 第二步、将待测饱和试样装入渗透容器，电势量测探针通过电势量测孔插入试样中，插入深度以试样半径为最佳，用玻璃胶或橡胶塞封闭电势量测孔，将电极网和透水石依次放置于饱和试样上，盖上容器上盖，将渗透容器放置于紧固框架上，用螺母旋紧，要求密封至不漏水不漏气； 第三步、开排水管夹，利用供水瓶中的纯水向进水管注满水，并渗入渗透容器，开排气阀，排除渗透容器底部的空气，直至溢出水中无气泡，关排气阀，放平渗透容器，关进水管夹; 第四步、向测量管B注纯水，使水升至预定高度，水头高度根据试样结构的疏松程度确定，一般不应大于2m，待水位稳定后切断水源，开进水管夹，使水通过试样，当出水口有水溢出时开始测记测量管B中起始水头高度和起始时间，按预定时间间隔测记水头和时间的变化，并测记出水口的水温； 第五步、将测量管B中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水头和时间变化，重复试验5 6次，当不同开始水头下测定的水力渗透系数在允许差值范围内时，结束水力渗透试验； 第六步、关排水管夹，向测量管B注纯水，使水升至预定高度，静置至测量管A和测量管B水头平齐； 第七步、电源调整至预定电压，接通线路，待测量管A中水位稳定，测记两测量管水头及两电势量测探针之间的电压差； 第八步、变换电源电压，重复试验5 6次，当不同电压下测定的电渗透系数在允许差值范围内 时，结束电渗透试验。
全文摘要
一种水力—电力渗透系数测量装置及测量方法，装置包括渗透容器、直流电源、测量管、供水系统及紧固框架。渗透容器包括容器体、电极网和透水石。测量管包括测量管A和测量管B，测量管A通过相应的柔性连接管与排水管连接，测量管B通过相应的柔性连接管与进水管连接。容器体采用绝缘材料，容器体上盖设有阴极导线管和排水管。其测量方法是充分利用电渗流产生的反向水力梯度，克服了传统测量方法没有消除水力渗透系数影响的缺点。可依次测出饱和软黏土的水力渗透系数和电渗透系数。且装置操作容易、准确性高，成本低。提高了电渗透系数的准确性，为电渗法在岩土工程中的应用提供可靠的技术参数。
文档编号G01N27/00GK103207136SQ20131008895
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者周亚东, 王保田, 张明, 祁生旺, 孙贝贝 申请人:河海大学