本发明涉及一种粉土、黏性土水平和竖向渗透系数联合测定装置及其试验方法。
背景技术
水在土体孔隙中流动的现象称为渗流，由于水头差或水力梯度的作用，使得水在土体中发生渗流，实际工程中，渗流在水平方向和竖直方向是同时存在的，且相互影响。目前的渗流试验装置，主要为独立测定粉土和黏性土竖向渗透系数和水平渗透系数的装置，还没有同时测定的试验仪器。为此，需要一种粉土、黏性土水平和竖向渗透系数联合测定装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种粉土、黏性土水平和竖向渗透系数联合测定装置及其试验方法，该装置能真实反映粉土和黏性土中水在水平和竖直方向的渗流，同时试验方法简便，可测定粉土及黏土在水平方向和竖直方向的渗透系数。
本发明的技术方案在于：一种粉土、黏性土水平和竖向渗透系数联合测定装置，包括用于盛放粉土或黏性土土样的试样容器，所述试样容器的上端竖直连接有与变水头注水系统相连接的水位管，试样容器的侧壁布设有土体颗粒无法穿过的透水孔，试样容器外套有上、下端分别与试样容器密封连接的透明外筒，所述透明外筒的下部设置有通往变水头注水系统的一号排水管，所述一号排水管上设置有水平向数据采集仪，所述试样容器下部设置有透水石，试样容器的底部呈漏斗状并设置有通往变水头注水系统的二号排水管，所述二号排水管上设置有竖向数据采集仪。
进一步地，所述试样容器的上端设置有与其可拆连接并经密封处理的顶盖，试样容器的土样中位于试样容器的轴线和靠近试样容器侧壁处自上而下均匀对称埋置有孔隙水压力计。
进一步地，所述试样容器的下部设置有支撑台，试样容器的侧壁由高强度铜制的金属透水板制成，试样容器的内壁与土样之间还设置有一层铜制金属透水板，试样容器的外侧壁中部沿周向间隔设置有与透明外筒固定连接的连接件。
进一步地，所述变水头注水系统包括储水箱，所述储水箱上竖直设置有出水管，所述出水管的上端设置有智能水泵，所述智能水泵的输出端连接有注水管，所述注水管的输出端与设置于水位管上端的漏斗状连接部相连接，所述水位管的内侧壁贴设有水位量测仪器。
进一步地，所述一号排水管上位于水平向数据采集仪与透明外筒之间设置有一号阀门，所述二号排水管上位于竖向数据采集仪与试样容器之间设置有二号阀门。
进一步地，所述水位管的底部设置有三号阀门。
进一步地，所述透明外筒的下端与试样容器配合形成的引流通道倾斜设置，所述引流通道的最低端与一号排水管相连接。
进一步地，所述透明外筒由透明有机玻璃制成。
进一步地，所述透水石上间隔布设有排水孔，所述排水孔孔径为2mm。
一种应用于粉土、黏性土水平和竖向渗透系数联合测定装置的试验方法，包括以下步骤：
（1）打开顶盖，用超声波清洗仪清洗试样容器内侧壁，在试样容器内侧布置一层铜制金属透水板，每次试验前更换并清洗金属透水板，并将待测粉土或黏性土土样装入试样容器，同时沿试样容器轴线和同一水平面内靠近试样容器侧壁处分别自上而下均匀对称埋置5个孔隙水压力计；
（2）盖上顶盖并完成固定、密封；
（3）打开智能水泵，设定初始水压，关闭三号阀门，向试样容器内注水至设定高度，同时打开一号阀门和二号阀门，打开水平向数据采集仪及竖向数据采集仪；
（4）打开水位管底部的三号阀门；
（5）待水平向数据采集仪、竖向数据采集仪所测单位时间内的水平方向渗流量和竖向渗流量稳定后，分别记录t1、t2时刻水位管水位距离试样容器底面高度h1、h2，以及水平向数据采集仪所测的一号排水管流出水的水压力pwh1和pwh2，竖向数据采集仪所测的二号排水管流出水的水压力pwv1和pwv2；
（6）采集数据输入到计算机，计算得到土样水平向和竖向渗流同时发生时的水平向渗透系数和竖向渗透系数：
式中：kh-水平方向渗透系数，kv-竖向渗透系数，l-土体试样高度，a-试样截面面积，a-水位管截面面积，pwh1、pwh2-t1、t2时刻一号排水管水压，pwv1、pwv2-t1、t2时刻二号排水管水压，γw-水的重度，h1、h2-t1、t2时刻水位管水位距离试样容器底面高度。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：该粉土、黏性土水平和竖向渗透系数联合测定装置能够真实反映粉土和黏性土中水在水平和竖直方向的渗流，同时能分别获得水平、竖向渗透系数，满足岩土工程及教学及工程测试需要。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的试样容器剖视图；
图3为本发明的试样容器剖面图；
图4为本发明的图2的a-a剖视图；
图5为本发明的试样筒底部的透水石俯视图；
图中：1-储水箱，2-试样容器，3-透明外筒，4-支撑台，5-顶盖，6-智能水泵，7-一号排水管，8-一号阀门，9-水平向数据采集仪，10-二号排水管，11-二号阀门，12-竖向数据采集仪，13-水位管，131-漏斗状连接部，14-三号阀门，15-孔隙水压力计，16-螺栓，17-连接件，18-透水石，19-铜制金属透水板，20-排水孔，21-出水管，22-注水管。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1至图5
一种粉土、黏性土水平和竖向渗透系数联合测定装置，包括用于盛放粉土或黏性土土样的试样容器2，所述试样容器的上端竖直连接有与变水头注水系统相连接的水位管13，试样容器的侧壁布设有水体可以自由穿过而土体颗粒无法穿过的透水孔，试样容器外套有上、下端分别与试样容器密封连接的透明外筒3，所述透明外筒的下部设置有通往变水头注水系统的一号排水管7，所述一号排水管上设置有水平向数据采集仪9，以便用于采集一号排水管内水压及单位时间内渗流量。所述试样容器下部设置有透水石18，试样容器的底部呈漏斗状并设置有通往变水头注水系统的二号排水管10，所述二号排水管上设置有竖向数据采集仪12，以便用于采集二号排水管内水压及单位时间内渗流量。
本实施例中，所述试样容器的上端设置有与其可拆连接并经密封处理的顶盖5，顶盖与试样容器通过螺栓16固定，方便拆卸。试样容器的土样中位于试样容器的轴线和靠近试样容器侧壁处自上而下均匀对称埋置有孔隙水压力计15，以便用于测量试验过程中侧壁各点的孔隙水压力值，以及测定发生水平方向渗流时的水头损失。
本实施例中，所述试样容器的下部设置有支撑台4，试样容器的侧壁由高强度铜制的金属透水板19制成，便于水平方向水渗出，最终汇流至透明外筒3的筒底。试样容器的内壁与土样之间还设置有一层铜制金属透水板，通过金属透水板防止土体流失，且在每次试验前使用超声波清洗仪清洗金属透水板。试样容器的外侧壁中部沿周向间隔设置有与透明外筒固定连接的连接件17，防止在水压的作用下试样容器变形。
本实施例中，所述注水管与顶盖连接并进行密封处理，顶盖5与试样容器之间设置密封条，防止渗水。
本实施例中，所述变水头注水系统包括储水箱1，所述储水箱上端设置有智能水泵6，所述智能水泵的输出端与设置于水位管上端的漏斗状连接部131相连接，所述水位管的内侧壁贴设有水位量测仪器。从而通过水位量测仪器量测不同时刻的水位高度并输出到电脑。
本实施例中，所述一号排水管上位于水平向数据采集仪与透明外筒之间设置有一号阀门8，所述二号排水管上位于竖向数据采集仪与试样容器之间设置有二号阀门11。
本实施例中，所述水位管的底部设置有三号阀门14。
本实施例中，所述透明外筒的下端与试样容器配合形成的引流通道倾斜设置，所述引流通道的最低端与一号排水管相连接，以便收集水平方向渗流出的水。
本实施例中，所述透明外筒由透明有机玻璃制成。
本实施例中，所述透水石上间隔布设有排水孔20，所述排水孔孔径为2mm。所述透水石18使竖向渗流的水顺利通过，并通过试样容器的漏斗状底部来收集竖向渗透的水。
一种应用于粉土、黏性土水平和竖向渗透系数联合测定装置的试验方法，如渗透系数较小的黏性土样，采用变水头渗透试验测定，包括以下步骤：
（1）打开顶盖，用超声波清洗仪清洗试样容器内侧壁，在试样容器内侧布置一层铜制金属透水板，每次试验前更换并清洗金属透水板，并将待测粉土或黏性土土样装入试样容器，同时沿试样容器轴线和同一水平面内靠近试样容器侧壁处分别自上而下均匀对称埋置5个孔隙水压力计；
（2）盖上顶盖并完成固定、密封；
（3）打开智能水泵，设定初始水压，关闭三号阀门向试样容器内注水至设定高度，同时打开一号阀门和二号阀门，打开水平向数据采集仪及竖向数据采集仪；
（4）打开水位管底部的三号阀门；
（5）待水平向数据采集仪、竖向数据采集仪所测单位时间内的水平方向渗流量和竖向渗流量稳定后，分别记录t1、t2时刻水位管水位距离试样容器底面高度h1、h2，以及水平向数据采集仪所测的一号排水管流出水的水压力pwh1和pwh2，竖向数据采集仪所测的二号排水管流出水的水压力pwv1和pwv2；
（7）采集数据输入到计算机，计算得到土样水平向和竖向渗流同时发生时的水平向渗透系数和竖向渗透系数：
式中：kh-水平方向渗透系数，kv-竖向渗透系数，l-土体试样高度，a-试样截面面积，a-水位管截面面积，pwh1、pwh2-t1、t2时刻一号排水管水压，pwv1、pwv2-t1、t2时刻二号排水管水压，γw-水的重度，h1、h2-t1、t2时刻水位管水位距离试样容器底面高度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的粉土、黏性土水平和竖向渗透系数联合测定装置及其试验方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。