一种测定非饱和土渗透系数的装置及方法与流程

本发明涉及岩土实验技术领域，具体地指一种测定非饱和土渗透系数的装置及方法。

背景技术：

随着我国在岩土工程领域的逐渐发展，对于非饱和土的研究越来越受研究学者的重视，非饱和土的渗透系数是研究雨水入渗、坝坡渗流等工程问题的重要参数。目前，测定到饱和土的渗透系数相对简单，而非饱和土的渗透系数的只能通过较为复杂的稳态试验法、瞬态剖面法，也有研究者把实验测定的土水特征曲线分割成若干段，并假设每段为均匀基质吸力段，间接计算非饱和土的渗透系数，其试验设备相对复杂、成本高昂、且耗时较长。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种测定非饱和土渗透系数的装置及方法，解决现有间接法测定非饱和土体渗透系数时操作复杂、成本高和耗时长的技术问题，可根据时间t、流量q以及对应的负孔隙水压力，确定不同饱和度土样的渗透系数，建立基质吸力与渗透系数的关系。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种测定非饱和土渗透系数的装置，包括用于盛装非饱和土试样的容器，非饱和土试样内插设有张力计，所述容器底部设有筛网，筛网上表面铺设有滤纸，容器底部与第一测量管顶部连通，第一测量管底部与连接管一端连接，连接管另一端与第二测量管底部连接，第二测量管上设有刻度线。

优选地，第一测量管上设有第一阀门，第二测量管顶部通过第二阀门与量筒底部连通。

优选地，所述第二阀门为电磁阀，第二测量管两侧分别设有红外线信号发射器和红外线信号接收器，红外线信号接收器与控制器信号输入端连接，控制器与第二阀门控制端连接。

优选地，所述容器、第一测量管和第二测量管均为透明玻璃材质，连接管为橡胶管，所述容器为圆柱形结构，容器底部与第一测量管顶部连通的位置处设置筛网。

优选地，所述第一测量管安装于第一支撑架上，第二测量管安装于第二支撑架上。

另外，本发明还提供使用上述装置来测定非饱和土渗透系数的方法，它包括以下步骤：

步骤1）：在容器底部安装筛网，再在筛网上铺设滤纸；

步骤2）：将非饱和土试样放入容器，并确保其与滤纸完全接触；

步骤3）：在非饱和土试样中安装张力计，测定非饱和土试样的初始负孔隙水压力；

步骤4）：向第二测量管顶部的量筒注水，打开第二阀门，使得水依次流入第二测量管、连接管和第一测量管，保证注水后第一测量管和第二测量管内的液面高度与圆柱形容器内的滤纸平齐，然后关闭第二阀门；

步骤5）：关闭第一阀门，降低第二测量管高度，直至第二测量管顶部降低到滤纸所在水平位置以下，这时第一测量管和第二测量管所形成的水头差对滤纸产生向下的负压力，非饱和土试样对滤纸产生向上的负孔隙水压力，并且使得水头差对滤纸产生的负压力绝对值小于非饱和土试样对滤纸产生的负孔隙水压力绝对值；

步骤6）：记录量筒水位，打开第一阀门；

步骤7）：在非饱和土试样的负孔隙水压力作用下，第一测量管内的水会透过滤纸逐步向容器内流动，与之连通的第二测量管的水位会随之下降，这时打开第二阀门，量筒内的水进入到第二测量管内，确保第一测量管和第二测量管所形成的水头差不变后，再次关闭第二阀门；

步骤8）：一段时间以后，非饱和土试样的负孔隙水压力逐渐减小，直至负孔隙水压力绝对值与负压力绝对值相等后，渗透达到平衡，这时关闭第一阀门，并通过张力计测定此时非饱和土试样的负孔隙水压力；

步骤9）：记录时间间隔t，通过量筒读取此时间内的供水量q，根据达西定律q=khta/l，确定此一级基质吸力下非饱和土渗透系数k（a、l分别为非饱和土试样面积和高度，h为两侧水头差）。

优选地，上述方法还包括以下步骤：

步骤10）：升高第二测量管高度，使得第一测量管和第二测量管所形成的水头差减小，使得水头差对滤纸产生的负压力绝对值再次小于非饱和土试样对滤纸产生的负孔隙水压力绝对值，然后开启第一阀门，重复步骤6）至步骤9），记录此一级基质吸力下非饱和土渗透系数k；

步骤11）：逐级提高第二测量管高度多次，直至第一测量管和第二测量管所形成的水头差为0时停止，每次提高第二测量管高度后，按照步骤10）记录每一级基质吸力下非饱和土渗透系数k，并做出基质吸力与渗透系数关系曲线图。

优选地，所述步骤7）中，控制器可以自动控制第二阀门的自动开启和关闭过程，具体步骤如下：

首先，与之连通的第二测量管的水位会随之下降后，会低于红外线信号发射器和红外线信号接收器所在的水平高度，这时红外线信号接收器会接收到红外线信号发射器发射的信号，然后红外线信号接收器将相应信号传输给控制器，控制器会控制第二阀门开启，量筒内的水进入到第二测量管内，当第二测量管内的水位超过红外线信号发射器和红外线信号接收器所在的水平高度后，红外线信号发射器发射的信号会因为水阻挡而使得红外线信号接收器接收到的信号发生变化，红外线信号接收器传送相应信号给控制器，控制器会控制第二阀门关闭，量筒内的水停止进入到第二测量管内，通过上述过程可以保证第二测量管的水位维持在固定水位，从而保证第一测量管和第二测量管所形成的水头差不变。

本发明的有益效果：

1、本发明解决了现有间接法测定非饱和土体渗透系数时操作复杂、成本高和耗时长的技术问题，可根据时间t、流量q以及对应的负孔隙水压力，确定不同饱和度土样的渗透系数，建立基质吸力与渗透系数的关系。

2、本发明装置结构简单、使用方便，在测量过程中，通过逐级提高第二测量管高度，可以控制土体渗透过程能够缓慢均匀地进行，其测量更加准确。

3、通过改变土样的干密度、初始含水率，本发明可分别进行相同的渗透系数试验，得到非饱和土渗透系数曲线与初始干密度的关系。

4、通过改变土样的颗粒级配，本发明可分别进行相同的渗透系数试验，得到在不同的颗粒级配的非饱和土的渗透系数曲线。

5、当在水中加入不同种类和浓度的污染物，本发明可以用于分析污染物在非饱和土中运移的速度和过程。

6、根据本发明确定的基质吸力与渗透系数关系曲线，可用于在导入数值分析软件中，计算和描述土中渗流场随降雨或流水浸泡的变化发展过程。

附图说明

图1为一种测定非饱和土渗透系数的装置的结构示意图；

图2为红外线信号接收器、控制器和第二阀门的连接结构示意图；

图3为本实施例中某砂土的渗透系数曲线图；

图中，容器1、张力计2、筛网3、滤纸4、第一测量管5、第一阀门5.1、连接管6、第二测量管7、刻度线7.1、第二阀门7.2、量筒8、红外线信号发射器9、红外线信号接收器10、控制器11、第一支撑架12、第二支撑架13。

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和2所示，一种测定非饱和土渗透系数的装置，包括用于盛装非饱和土试样的容器1，非饱和土试样内插设有张力计2，所述容器1底部设有筛网3，筛网3上表面铺设有滤纸4，容器1底部与第一测量管5顶部连通，第一测量管5底部与连接管6一端连接，连接管6另一端与第二测量管7底部连接，第二测量管7上设有刻度线7.1。在本实施例中，刻度线7.1可以方便看清楚第二测量管7内的水位位置，方便确定红外线信号发射器9和红外线信号接收器10的安装高度。

优选地，第一测量管5上设有第一阀门5.1，第二测量管7顶部通过第二阀门7.2与量筒8底部连通。在本实施例中第二测量管7顶部与第二阀门7.2底部连通的位置不密封其与外界大气连通，这样保证第二测量管7内顶部气压与外界大气压相同，这样第一测量管5和第二测量管7的水头差才能方便后续测量过程。

优选地，所述第二阀门7.2为电磁阀，第二测量管7两侧分别设有红外线信号发射器9和红外线信号接收器10，红外线信号接收器10与控制器11信号输入端连接，控制器11与第二阀门7.2控制端连接。当确定第二测量管7内的水位所需要维持的高度时，根据刻度线7.1的读数，调整红外线信号发射器9和红外线信号接收器10的安装高度与刻度线7.1某一刻度平齐，当水位高于这一刻度时，红外线信号接收器10将信号变化传送给控制器11，控制器11控制第二阀门7.2关闭，当水位低于这一刻度时，红外线信号接收器10将信号变化传送给控制器11，控制器11控制第二阀门7.2关闭，这样便可以实现第二阀门7.2自动开闭过程；本实施例中，控制器11优选选用选用西门子s7—300plc控制器。

优选地，所述容器1、第一测量管5和第二测量管7均为透明玻璃材质，连接管6为橡胶管，所述容器1为圆柱形结构，容器1底部与第一测量管5顶部连通的位置处设置筛网3。

优选地，所述第一测量管5安装于第一支撑架12上，第二测量管7安装于第二支撑架13上。

本实施例中，使用上述装置来测定非饱和土渗透系数的方法包括以下步骤：

步骤1）：在容器1底部安装筛网3，再在筛网3上铺设滤纸4；筛网3上铺设滤纸4，其不同厚度的滤纸4会产生不同的过气压力值，可以通过更换不同厚度的滤纸4来改变初始设置的负水压力；

步骤2）：将非饱和土试样放入容器1，并确保其与滤纸4完全接触；

步骤3）：在非饱和土试样中安装张力计2，测定非饱和土试样的初始负孔隙水压力；在本实施例中在非饱和土试样中分别安装两个张力计2，用于测定在某一时刻非饱和土试样内部不同位置的负孔隙水压力值，并利用两个读数的平均值来代表土样的负孔隙水压力值，这样测量更加准确；

步骤4）：向第二测量管7顶部的量筒8注水，打开第二阀门7.2，使得水依次流入第二测量管7、连接管6和第一测量管5，保证注水后第一测量管5和第二测量管7内的液面高度与圆柱形容器内的滤纸4平齐，然后关闭第二阀门7.2；

步骤5）：关闭第一阀门5.1，降低第二测量管7高度，直至第二测量管7顶部降低到滤纸4所在水平位置以下，这时第一测量管5和第二测量管7所形成的水头差对滤纸4产生向下的负压力，非饱和土试样对滤纸4产生向上的负孔隙水压力，并且使得水头差对滤纸4产生的负压力绝对值小于非饱和土试样对滤纸4产生的负孔隙水压力绝对值；

步骤6）：记录量筒8水位，打开第一阀门5.1；

步骤7）：在非饱和土试样的负孔隙水压力作用下，第一测量管5内的水会透过滤纸4逐步向容器1内流动，与之连通的第二测量管7的水位会随之下降，这时打开第二阀门7.2，量筒8内的水进入到第二测量管7内，确保第一测量管5和第二测量管7所形成的水头差不变后，再次关闭第二阀门7.2；

步骤8）：一段时间以后，非饱和土试样的负孔隙水压力逐渐减小，直至负孔隙水压力绝对值与负压力绝对值相等后，渗透达到平衡，这时关闭第一阀门5.1，并通过张力计2测定此时非饱和土试样的负孔隙水压力；

步骤9）：记录时间间隔t，通过量筒8读取此时间内的供水量q，根据达西定律q=khta/l，确定此一级基质吸力下非饱和土渗透系数k（a、l分别为非饱和土试样面积和高度，h为两侧水头差）；在本实施例中可以利用电脑记录时间，在电脑中计算相关数据；

步骤10）：升高第二测量管7高度，使得第一测量管5和第二测量管7所形成的水头差减小，使得水头差对滤纸4产生的负压力绝对值再次小于非饱和土试样对滤纸4产生的负孔隙水压力绝对值，然后开启第一阀门5.1，重复步骤6）至步骤9），记录此一级基质吸力下非饱和土渗透系数k；

步骤11）：逐级提高第二测量管7高度多次，直至第一测量管5和第二测量管7所形成的水头差为0时停止，每次提高第二测量管7高度后，按照步骤10）记录每一级基质吸力下非饱和土渗透系数k，并做出基质吸力与渗透系数关系曲线图。

优选地，所述步骤7）中，控制器11可以自动控制第二阀门7.2的自动开启和关闭过程，具体步骤如下：

首先，与之连通的第二测量管7的水位会随之下降后，会低于红外线信号发射器9和红外线信号接收器10所在的水平高度，这时红外线信号接收器10会接收到红外线信号发射器9发射的信号，然后红外线信号接收器10将相应信号传输给控制器11，控制器11会控制第二阀门7.2开启，量筒8内的水进入到第二测量管7内，当第二测量管7内的水位超过红外线信号发射器9和红外线信号接收器10所在的水平高度后，红外线信号发射器9发射的信号会因为水阻挡而使得红外线信号接收器10接收到的信号发生变化，红外线信号接收器10传送相应信号给控制器11，控制器11会控制第二阀门7.2关闭，量筒8内的水停止进入到第二测量管7内，通过上述过程可以保证第二测量管7的水位维持在固定水位，从而保证第一测量管5和第二测量管7所形成的水头差不变。

下面通过具体的试验数值来准备说明上述步骤：

如图3所示，在本实施例步骤3）中，通过张力计2测定非饱和土试样的初始负孔隙水压力-70kpa，然后在步骤5）中，使得第二测量管7顶部降低到滤纸4所在水平位置以下0.65m处，水头差为0.65m，由于水的压强与高度呈正比，根据水的压强公式计算，这时水头差对滤纸4下表面产生的负压力为-65kpa，这样负压力绝对值是略小于负孔隙水压力绝对值的，因此第一测量管5内的水会透过滤纸4逐步向容器1内流动，一段时间以后，非饱和土试样的负孔隙水压力逐渐减小，直至负孔隙水压力绝对值与负压力绝对值相等后，渗透达到平衡；然后升高第二测量管0.05m，使得第一测量管5和第二测量管7所形成的水头差减小，使得水头差对滤纸4产生的负压力绝对值再次小于非饱和土试样对滤纸4产生的负孔隙水压力绝对值，第一测量管5内的水会再次透过滤纸4逐步向容器1内流动；依次类推，每次逐级增高第二测量管7高度0.05m，重复上述过程，根据步骤9）里面的公式确定不同基质吸力下的渗透系数，完成非饱和土体渗透系数曲线的测定，如图3为某砂土的渗透系数曲线图。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。