多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置及测试方法与流程

本发明涉及土体渗流试验装置，尤其涉及一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置及测试方法。

背景技术：

土体的渗流问题对于岩土工程的结构安全有着重要的影响，甚至影响到城市公共安全，以边坡工程为例，边坡工程主要由土体颗粒组成，在强降雨下，边坡工程的滑坡事故屡见不鲜，同时，堤坝工程等土石组成的结构在水位提高的条件下引起的渗透破坏也极为常见。因此，如何科学地，贴近工程实际条件地开展土样渗透试验，研究复杂渗透条件作用下的复杂地质条件中的土体渗透水力学变化规律对于理解和预防岩土工程渗透导致的工程事故有重要意义。现有的土体渗流试验手段和条件普遍较为传统和落后，大部分的渗透试验对象土体是均质土体，同时渗透试验加载条件也较为单一基本上为单向渗透加载试验，而且非扰动的渗透土体内部的渗流状态变化很难观察到。

一方面，考虑到实际岩土工程的复杂性，由于地质成因等因素影响，实际的岩土工程现场的土样极少出现均匀的土样，而且较为复杂的情况为两层低渗透特性相同的土样中间夹含了一层高渗透特性的土样，这种复杂土样的渗透问题研究极少被涉及和讨论。已有的实验技术并不能较好地解决这种复杂土样的制样问题，现有的渗透试验模型箱基本以一个完整的模型箱为试验对象，在渗透土样的制备过程中并不能根据研究问题的需要有针对性地制备某一层土（包括中间高渗透性夹层土样）并控制该土样的相关物理特性如密度，压实度，强度等。

另一方面，传统试验装置的加载条件较为简单，基本上以单一的水压加载为主，而且较落后的提高梯度水头进行水压加载的方法仍然被广泛应用，此类的加载方法的水压加载量程有限，达不到高量程的渗透压力，因此对于研究大型边坡或者土石坝等高渗透压力的工程问题束手无策。同时，现有的渗透试验几乎全为单向的渗透试验，面对复杂工程渗流问题的时候，也没有办法解决。所以，有必要发明一种可以达到高渗透压力的，并可实现双向渗流加载的土体渗流试验装置。

此外，由于现有试验手段都以一个完整的土压为渗流研究对象，如果需要研究一定深度土体的渗流状态时，无可避免的要挖取所研究深度上部的土体，并对研究土体产生了扰动影响了土体原状结构，不能得到真实原状土样的渗流状态。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置及测试方法。

本发明提供了一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置，包括渗流模型箱、渗流试验加载装置、渗流试验传感监测系统和渗流试验控制系统，所述渗流试验控制系统分别与所述渗流试验加载装置、渗流试验传感监测系统连接，所述渗流试验加载装置、渗流试验传感监测系统分别与所述渗流模型箱连接，设定从所述渗流模型箱的顶部向底部渗流为正向渗流，从所述渗流模型箱的底部向顶部渗流为反向渗流，所述渗流试验加载装置包括正向渗流加载装置和反向渗流加载装置，所述渗流模型箱包括至少两个上下层叠设置的箱室，所述上下相邻的箱室之间为可拆卸可装配连接，所述正向渗流加载装置与位于所述渗流模型箱顶部的箱室连接，所述反向渗流加载装置与位于所述渗流模型箱底部的箱室连接。

作为本发明的进一步改进，所述渗流模型箱包括多个可拆卸可装配并且密封连接的箱室，从上至下分别为空气压力室、液体存储室、多层土体存储室和渗出液体控制腔体，所述渗流试验加载装置还包括正向渗流的气压加载装置，所述正向渗流的气压加载装置与所述空气压力室连接，所述正向渗流加载装置与所述液体存储室连接，所述反向渗流加载装置与所述渗出液体控制腔体连接。

作为本发明的进一步改进，所述正向渗流加载装置包括第一压力体积控制器和第一水槽，所述第一压力体积控制器与所述第一水槽连接，所述第一水槽与所述液体存储室连接；所述反向渗流加载装置包括第二压力体积控制器和第二水槽，所述第二压力体积控制器与所述第二水槽连接，所述第二水槽与所述渗出液体控制腔体连接；所述正向渗流的气压加载装置包括第三压力体积控制器和气压源，所述第三压力体积控制器与所述气压源连接，所述气压源与所述空气压力室连接，所述第一压力体积控制器、第二压力体积控制器、第三压力体积控制器分别与所述渗流试验控制系统连接。

作为本发明的进一步改进，所述渗流试验传感监测系统包括传感器单元，每一层的所述土体存储室上均设有所述传感器单元，所述传感器单元与所述渗流试验控制系统连接。

作为本发明的进一步改进，所述传感器单元包括土压力计、气隙水压力计和气压力计，所述土压力计、气隙水压力计和气压力计分别与所述渗流试验控制系统连接。

作为本发明的进一步改进，所述渗流试验传感监测系统包括排水容器和水量称量装置，所述排水容器与所述渗出液体控制腔体连接，所述排水容器设置在所述水量称量装置上，所述水量称量装置与所述渗流试验控制系统连接。

作为本发明的进一步改进，最上层的所述空气压力室的上部连接有密封顶盖，最下层的所述渗出液体控制腔体连接有底部固定支座，上下相邻的箱室之间为螺纹连接，上下相邻的箱室之间设有密封橡胶圈，所述箱室为圆筒状。

本发明还提供了一种根据上述中任一项所述多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤一，分层制备渗透用的土样，组装渗流模型箱；

步骤二，在渗流模型箱的侧壁上安装和调试渗流试验传感监测系统；

步骤三，安装和设置渗流试验加载装置，进行调试和测试；

步骤四，打开渗流试验加载装置，开始渗透试验，并实时监测渗流试验传感监测系统的信号变化，完成测试。

作为本发明的进一步改进，步骤一包括以下子步骤：

a、根据研究目的和实验要求，设计包含了三层的渗流测试土样，采用三层土体存储室，确认每层土体存储室内土层包括物理力学特性、密度、压实度、弹性模量在内的制备试验要求；

b、根据设定的两层低透水特性中夹含一层高透水特性的土层要求，分别完成每个分层的土体存储室内的土样制备，每个分层的土体存储室土样中各埋置1组土压力盒和孔隙水压力计，用于测量和记录渗流过程中流体与土颗粒相互作用的压力变化规律；

c、试验用单层的箱室均为等直径和高度的圆筒状有机玻璃板，每一层圆筒状有机玻璃板都印刻有顶部的凸起外旋螺纹和底部的内凹内旋螺纹，将每一层的箱室的顶部凸起外旋螺纹与紧邻的上层模箱室的底部内凹内旋螺纹对准并旋紧，将每一层的箱室的底部内凹内旋螺纹与紧邻的下层箱室的顶部凸起外旋螺纹对准并旋紧，依次旋紧并最终形成一个完整密封的渗流模型箱；

d、将实心的底部固定支座平方于地面上，将上述已安装完成的渗流模型箱对齐于底部固定支座并旋紧，将有内凹内旋螺纹的顶盖对齐于上述已安装完成的渗流模型箱并旋紧；

其中，在渗流模型箱的组装过程中，为了保证每层箱室安装后均具有完整密封的气密性和水密性，在每层箱室的顶部的凸起外旋螺纹和底部的内凹内旋螺纹都均匀涂抹凡士林，并在每层箱室顶部的凸起外旋螺纹外部套一层密封橡胶圈。

作为本发明的进一步改进，在步骤四中，先设置正向渗流的气压加载装置的压力加载路径，通过正向渗流的气压加载装置将空气压力室中的气体压力调整到预定值，然后设置正向渗流加载装置的加载路径，同时，设置反向渗流加载装置的加载路径，使正向渗流气压和水压的总压力大于反向渗流水压的压力，产生正向渗流，控制渗出液体控制腔体中的水压，通过正向渗流加载装置向液体存储室中注入液体并开始渗流试验，渗流试验传感监测系统采集渗透土样侧壁的压力传感器读数，包括气压力，水压力和土压力，并使用水量称量装置称量渗出液体控制腔体流出的液体质量，实时记录渗流量的快慢。

本发明的有益效果是：通过上述方案，具有可拆卸的，灵活的，方便的等优点，而且采用多层可拆卸制样取样和双向土体渗流加载试，克服了传统的土体渗流试验方法中土体均匀单一，加载量程较小，模拟渗流工况单一，以及无法研究渗流土体原状结构特点等问题。

附图说明

图1是本发明一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置的结构示意图。

图2是本发明一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置的渗流模型箱的单层的箱室的结构示意图。

图3是本发明一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置的土体存储室的结构示意图。

图4是本发明一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置的土体存储室的截面示意图。

图5是图3的剖面图a-a。

图6是图3的剖面图b-b。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图6所示，一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置，包括渗流模型箱1、渗流试验加载装置3、渗流试验传感监测系统2和渗流试验控制系统4，所述渗流试验控制系统4分别与所述渗流试验加载装置3、渗流试验传感监测系统2连接，所述渗流试验加载装置3、渗流试验传感监测系统2分别与所述渗流模型箱1连接，设定从所述渗流模型箱1的顶部向底部渗流为正向渗流，从所述渗流模型箱1的底部向顶部渗流为反向渗流，所述渗流试验加载装置3包括正向渗流加载装置和反向渗流加载装置，所述渗流模型箱1包括至少两个上下层叠设置的箱室，所述上下相邻的箱室之间为可拆卸可装配连接，所述正向渗流加载装置与位于所述渗流模型箱1顶部的箱室连接，所述反向渗流加载装置与位于所述渗流模型箱1底部的箱室连接。

如图1至图6所示，所述渗流模型箱1包括多个可拆卸可装配并且密封连接的箱室，从上至下分别为空气压力室11、液体存储室12、多层土体存储室13、14、15和渗出液体控制腔体16，所述渗流试验加载装置3还包括正向渗流的气压加载装置，所述正向渗流的气压加载装置与所述空气压力室11连接，所述正向渗流加载装置与所述液体存储室12连接，所述反向渗流加载装置与所述渗出液体控制腔体16连接。

如图1至图6所示，所述正向渗流加载装置包括第一压力体积控制器31和第一水槽32，所述第一压力体积控制器31与所述第一水槽32连接，所述第一水槽32与所述液体存储室12连接；所述反向渗流加载装置包括第二压力体积控制器33和第二水槽34，所述第二压力体积控制器33与所述第二水槽34连接，所述第二水槽34与所述渗出液体控制腔体16连接；所述正向渗流的气压加载装置包括第三压力体积控制器35和气压源36，所述第三压力体积控制器35与所述气压源36连接，所述气压源36与所述空气压力室11连接，所述第一压力体积控制器31、第二压力体积控制器33、第三压力体积控制器35分别与所述渗流试验控制系统4连接。

如图1至图6所示，渗流试验控制系统4可以根据研究需要，设定不同路径的水压和气压加载条件，并可通过第一压力体积控制器31、第二压力体积控制器33、第三压力体积控制器35进行加载水压和气压的实时控制和调整。

如图1至图6所示，所述渗流试验传感监测系统4包括传感器单元21，每一层的所述土体存储室13、14、15上均设有所述传感器单元21，所述传感器单元21与所述渗流试验控制系统4连接。

如图1至图6所示，所述传感器单元包括土压力计211、气隙水压力计212和气压力计213，所述土压力计211、气隙水压力计212和气压力计213分别与所述渗流试验控制系统4连接。

如图1至图6所示，所述渗流试验传感监测系统2包括排水容器22和水量称量装置23，所述排水容器22与所述渗出液体控制腔体16连接，所述排水容器22设置在所述水量称量装置23上，所述水量称量装置23与所述渗流试验控制系统4连接。

如图1至图6所示，最上层的所述空气压力室11的上部连接有密封顶盖17，最下层的所述渗出液体控制腔体16连接有底部固定支座18，上下相邻的箱室之间为螺纹连接，上下相邻的箱室之间设有密封橡胶圈103，所述箱室为圆筒状，密封顶盖17和底部固定支座18的材料优选为有机玻璃。

如图1至图6所示，单层的箱室都是一个圆筒状有机玻璃板，在每块圆筒状有机玻璃板的顶部和底部都进行了螺纹印刻设计，通过圆筒状有机玻璃板顶部的凸起外旋螺纹101和底部的内凹内旋螺纹102，每一层的箱室都可以与紧邻的上部和下部箱室充分旋紧并形成完整密封的渗流模型箱1。

如图1至图6所示，单层的土体存储室13、14、15由一块模型箱内土样和一个圆筒状有机玻璃板组成，在每块圆筒状有机玻璃板的侧壁上开设有安装压力传感器的钻孔，通过钻孔结构可以将所需安装的传感器固定于圆筒状有机玻璃板侧壁，并与圆筒状有机玻璃板板内的土样紧密接触。

如图1至图6所示，本发明还提供了一种根据上述中任一项所述多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置的测试方法，包括以下步骤：

步骤一，分层制备渗透用的土样51、52、53，组装渗流模型箱1；

步骤二，在渗流模型箱1的侧壁上安装和调试渗流试验传感监测系统2；

步骤三，安装和设置渗流试验加载装置3，进行调试和测试；

步骤四，打开渗流试验加载装置3，开始渗透试验，并实时监测渗流试验传感监测系统2的信号变化，完成测试。

在步骤1中，包括如下步骤内容：

a、根据研究目的和实验要求，设计包含了三层的渗流测试土样，确认每层土体存储室13、14、15内土层包括物理力学特性、密度、压实度、弹性模量在内的制备试验要求；

b、根据设定的两层低透水特性中夹含一层高透水特性的土层要求，分别完成每层土体存储室13、14、15箱内的土样制备，每层土体存储室13、14、15土样中各埋置1组土压力盒和孔隙水压力计，用于测量和记录渗流过程中流体与土颗粒相互作用的压力变化规律；

c、试验用单层的箱室均为等直径和高度的圆筒状有机玻璃板，每一层筒状的有机玻璃板都印刻有顶部的凸起外旋螺纹101和底部的内凹内旋螺纹102，将每一层的箱室的顶部凸起外旋螺纹101与紧邻的上层箱室的底部内凹内旋螺纹102对准并旋紧，将每一层的箱室的底部内凹内旋螺纹102与紧邻的下层箱室的顶部凸起外旋螺纹101对准并旋紧，依次旋紧并最终形成一个完整密封的渗流模型筒1。

d、将实心的底部固定支座28平方于地面上，将上述已安装完成的渗流模型筒1对齐于底部固定支座18并旋紧，将有内凹内旋螺纹102的顶盖17对齐于上述已安装完成的渗流模型筒1并旋紧，至此，完成渗流模型筒1的组装。

e、值得注意的，在渗流模型筒1的组装过程中，为了保证分层箱室安装后具有完整的气密性和水密性，在每一层的箱室顶部的凸起外旋螺纹101和底部的内凹内旋螺纹102都均匀涂抹凡士林，并在每一层箱室的顶部的凸起外旋螺纹101外部套一层密封橡胶圈103，这两个细节可以充分保证试验过程中组装后的模型箱的完整性与密封性。

在步骤二中，在土样准备和模型箱组装之前，先将所有的土体存储室13、14、15的侧壁上钻孔都用实心堵头堵上，保证土样制备不会有土样从未插传感器的钻孔中挤压出来。在土样制备完成并完成模型箱组装后，将堵头取出并插入传感器及套件，并打开监测系统，连接传感器进行调试。

在步骤四中，先设置第三压力体积控制器35的压力加载路径，然后打开气压源35，将空气压力室11中的气体压力调整到预定值。然后设置第一压力体积控制器31的加载路径，再连接正向渗流的第一水槽32和液体存储室12，同时，设置第二压力体积控制器33的加载路径（保证正向渗流气压和水压的总压力大于反向渗流水压的压力，产生正向渗流），控制渗出液体控制腔体16中的水压，通过第一压力体积控制器31向液体存储室12中注入液体并开始渗流试验。渗流试验传感监测系统2实施采集渗透土样侧壁的压力传感器读数，包括气压力，水压力和土压力等，并使用水量称量装置23称量渗出液体控制腔流出的液体质量，实时记录渗流量的快慢。

本发明提供的一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置及测试方法，渗流模型箱1的多层箱室可以根据测试需要灵活组装和拆卸，渗流试验传感监测系统2，包括了监测所用的不同类型压力传感器，如孔隙水压力，气压，土压力等监测数据采集传感器，可用于实时监测土样中的内部渗流状态变化；渗透试验控制系统，根据研究需要可设定不同路径的水压和气压加载条件，并可通过压力体积控制器进行加载水压和气压的实时控制和调整；本发明采用了多层分层模型箱室制样和取样的方法，可以根据要求制备不同厚度的和不同土层分布的土样，例如可以制备两层低透水层土样之间含一层高透水层的复杂土样进行渗透试验，对于研究工程中常见的复杂地质条件土样的渗透特性有重大意义，同时，由于采用了多层可拆卸取样的方法，可以取得不同深度土样的非扰动土样，保证了土样的原状结构，无论是采用微观观察的手段还是将原状土样进行力学特性研究，这种手段可以帮助研究人员观察和理解土样的真实的内部渗流状态变化，对于解释土样渗流的机理有重要意义。

本发明提供的一种多层可拆卸制样取样的双向土体渗流试验装置及测试方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）本发明的双向土体渗流试验装置具有可拆卸的，灵活的，方便的等优点，而且采用多层可拆卸制样取样的方法和双向土体渗流加载试验装置结构，克服了传统的土体渗流试验方法中土体均匀单一，加载量程较小，模拟渗流工况单一，以及无法研究渗流土体原状结构特点等问题。

（2）本发明中采用了一套集成的综合监测与控制系统，将加载水压，加载气压的控制以及渗流过程中的各种压力传感器测试系统结合，设计采用的压力传感器类型包括水压力，气压力和土压力等。

（3）传统试验装置的加载条件较为简单，基本上以单一的水压加载为主，同时加载量程有限，而本发明同时设计了正向和反向双向渗流加载装置，其中包含了正向渗流的气压和水压加载装置系统，以及反向渗流的水压加载装置，可以模拟复杂渗流工况并提高了加载量程。

（4）在渗流试验方案设计中，解决了多层模型箱室的密封连接问题。单层的模型箱室的有机玻璃板的顶部和底部都进行了螺纹印刻设计，通过筒状的有机玻璃板顶部的凸起外旋螺纹101和内凹内旋螺纹102，每一层的模型箱室都可以与紧邻的上部和下部模型箱室充分旋紧并形成完整密封的渗透模型箱。同时，在每一层模型箱顶部的凸起外旋螺纹101涂抹凡士林并套一层密封橡胶圈103，这两个细节可以也进一步地保证了试验过程中组装后的模型箱的完整性与密封性

（5）本发明中，由于模型箱的制样是分层分别制土样，因此可以预先制备不同条件的土体，满足两层低透水特性中夹含一层高透水特性的土层的复杂土体渗流研究目的。

（6）由于现有试验手段都以一个完整的土体为渗流研究对象，如果需要研究一定深度土体的渗流状态时，无可避免的要挖取所研究深度上部的土体，并对研究土体产生了扰动影响了土体原状结构，不能得到真实原状土样的渗流状态。而本发明中，由于模型箱的制样是分层分别制土样，因此可以直接取样不同深度的分层土体，避免对上部土体的结构扰动，达到直接研究真实原状土样的渗流状态的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。