一种测定非饱和黏土渗透系数的装置及方法与流程

本发明属于测量技术领域，涉及到渗透系数的测量，具体涉及一种测定非饱和黏土渗透系数的装置及方法。

背景技术：

非饱和土是指土体孔隙同时被水和空气填充，饱和度小于100％的土壤，是地球表面分布最广、且在实际工程中经常遇到的土体。天然边坡在遭遇连续降雨后失稳破坏、垃圾填埋厂地下污染物迁移过程、地基基础或路基中压实土的固结及膨胀土的降起等问题，都会涉及到非饱和土的渗透特性。渗透系数是指各向同性介质中单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度。

对不同初始孔隙比非饱和土渗透系数的试验测量及预测，相关工作具有重要的意义。然而对于非饱和土渗透系数的测定不能用常规室内试验(常水头法和变水头法)来测定，根据国内外学者的研究，现阶段对非饱和土渗透系数的测定方法一般为直接法或间接法。直接法主要有稳态试验方法和瞬态剖面法，测量过程需要很长时间，对仪器的精度要求很高，用现有的测试手段直接测定比较困难；间接法要用到土—水特征曲线和土的饱和渗透系数，再通过经验模型预测非饱和土渗透系数，得到的数据精度不高。因此，无论哪种方法，都不能准确且简单获得非饱和土的渗透系数。

国内外学者已经对非饱和土渗透系数的测定提出了很多具体的方法，并产生了较多发明，但大多数发明中用于测定非饱和土渗透系数的装置，不仅安装了土壤张力计，还设有诸多传感器，可与计算机连接进行数据实时监测。虽然这些已有发明能较为准确地测出渗透系数，但经济性价比不高，且仅适用于配备计算机的实验室等场合。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题和不足，本发明提供了一种测定非饱和黏土渗透系数的装置及方法，本发明结构简单，使用方便，除了核心部件特制有机玻璃桶外，其余配套组件也都很简单，成本很低；在低成本的情况下，本发明能达到与其他复杂装置测出的非饱和土渗透系数相当的水平，非常适合野外或者不宜采用大型、复杂设备的场合。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种测定非饱和黏土渗透系数的装置，该装置主要由5个组件构成，核心组件为特制的有机玻璃桶，配套组件包括木质孔塞、取土器、压土器以及桶盖；所述有机玻璃桶为向上开口的圆桶形结构，桶底的直径大于桶壁的直径，桶底设有若干个第一小孔，用于保证桶内的空气流通，桶壁四周布置有若干列竖向分布的第二小孔；所述木质孔塞为圆锥台状结构，用于塞住桶壁四周的第二小孔，防止土漏出；所述取土器包括空心的取土管和圆柱形握手，圆柱形握手将取土管的一端封闭，取土管用于取土；所述压土器的底部为一个扁圆柱体，直径略小于有机玻璃桶的桶壁内径，扁圆柱体的圆心处向上设有一个不低于有机玻璃桶高度的细长圆柱握手，压土器用于压实各层的土；所述桶盖为台阶形圆台结构，与有机玻璃桶的桶壁相匹配，用于合紧有机玻璃桶，防止漏气或混入其他杂质。

优选地，所述有机玻璃桶的桶高1500mm，桶壁厚5mm，内直径250mm，桶底厚度17mm，桶底直径350mm；桶底设有七个第一小孔，孔径50mm，沿中心均匀分布；桶壁四周布置有六列第二小孔，每隔131mm布置一列，每列第二小孔的孔间距为60mm，孔径为10mm，从桶底开始向上到1200mm高度为止。

优选地，所述木质孔塞的上部直径为9mm，下部直径为12mm，高度为15mm。

优选地，所述取土器为不锈钢材质，包括三种规格，第一种取土管深度60mm，外壁厚度0.5mm，内径6mm；第二种取土管深度60mm，外壁厚度0.5mm，内径7mm；第三种取土管深度60mm，外壁厚度0.5mm，内径8mm，用于取不同量的土；上述三种取土管封闭端的圆柱形握手的尺寸相同，均为厚度5mm，直径60mm。

优选地，所述压土器为玻璃压土器，玻璃压土器底部为一个圆柱体，直径240mm，厚度50mm，为实心有机玻璃；细长圆柱握手从圆柱体底部圆心伸出，长1500mm，直径50mm，为实心有机玻璃。

优选地，所述桶盖为玻璃桶盖，玻璃桶盖上部圆台的直径260mm，厚度7mm，玻璃桶盖下部圆台的直径247mm，厚度为7mm；玻璃桶盖上部圆心处设有一圆球，直径50mm，用于拿放玻璃桶盖。

一种测定非饱和黏土渗透系数的方法，采用上述测定非饱和黏土渗透系数的装置，包括以下步骤：

步骤一，制备土样：过筛、配置不同含水率的土样，并装袋静置2-3天；

步骤二，用木质孔塞将有机玻璃桶桶壁四周处的所有第二小孔塞紧，有机玻璃桶的外侧以及内侧用保鲜膜封严，确保不漏水；用记号笔对六列第二小孔分别用A、B、C、D、E、F做标记，方便以后对数据的记录；

步骤三，针对某一干密度的土样，称取后填入有机玻璃桶中，用玻璃压土器压实至10cm处，必须保证均匀受力且不过分挤压；用同样方法继续填土10次，最终至110cm处，层与层之间紧密结合，以不出现断层为标准；

步骤四，填土完成后，在土柱顶端铺一层厚度为5-8cm的细砂，保证水分下渗均匀；用喷水器均匀喷水2000ml，加水结束后，立即将顶部用保鲜膜封住，以防水分散失；

步骤五，观察水的锋面下渗情况，下渗20cm左右后，开始测定含水量，打开最上面的第二小孔，用取土器水平插入第二小孔中取5g左右的土，放入铝盒中，称取质量，烘干后再测质量，确定含水率；取土后，及时把第二小孔塞紧，并且尽可能减少土的扰动；按照相同的时间间隔依次测定A、B、C、D、E、F六列的含水率；

步骤六，采用上述方法进行不同干密度土样的渗透试验，把测得的含水率与取土深度的数值绘成曲线，结合此曲线，计算出非饱和土的渗透系数。

优选地，计算渗透系数采用瞬态剖面法，需依次计算包括基质吸力、水头差、流量、流速在内的参数才能得到最终的渗透系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明结构简单，使用方便，除了核心部件特制有机玻璃桶外，还有木质孔塞、玻璃压土器、玻璃桶盖、取土器等简单部件，在低成本的情况下，所需组件能配套使用，配套的部件能提高测定的精准度，并减少了由于某些配件不足无法开展试验或减缓开展试验的麻烦。

(2)在低成本的情况下，能达到与其他复杂装置测出的非饱和土渗透系数相当的水平，非常适合野外或者不宜采用大型、复杂设备的场合。

(3)能够准确且快速获得非饱和黏土的渗透系数。

附图说明

图1a是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中有机玻璃桶的主视图。

图1b是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中有机玻璃桶的俯视图。

图2a是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中木质孔塞的主视图。

图2b是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中木质孔塞的俯视图。

图3a是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中取土器的主视图。

图3b是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中取土器的俯视图。

图4a是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中压土器的主视图。

图4b是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中压土器的俯视图。

图5a是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中桶盖的主视图。

图5b是本发明所提供的一种测定非饱和黏土渗透系数的装置中桶盖的俯视图。

附图中未标明单位的地方其单位均为mm。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明公开了一种测定非饱和黏土渗透系数的装置，该装置主要由5个组件构成，核心组件为特制的有机玻璃桶，配套组件包括木质孔塞、取土器、压土器以及桶盖；所述有机玻璃桶为向上开口的圆桶形结构，桶底的直径大于桶壁的直径，桶底设有若干个第一小孔，用于保证桶内的空气流通，桶壁四周布置有若干列竖向分布的第二小孔；所述木质孔塞为圆锥台状结构，用于塞住桶壁四周的第二小孔，防止土漏出；所述取土器包括空心的取土管和圆柱形握手，圆柱形握手将取土管的一端封闭，取土管用于取土；所述压土器的底部为一个扁圆柱体，直径略小于有机玻璃桶的桶壁内径，扁圆柱体的圆心处向上设有一个不低于有机玻璃桶高度的细长圆柱握手，压土器用于压实各层的土；所述桶盖为台阶形圆台结构，与有机玻璃桶的桶壁相匹配，用于合紧有机玻璃桶，防止漏气或混入其他杂质。

具体地，如图1a和图1b所示，所述有机玻璃桶的桶高1500mm，桶壁厚5mm，内直径250mm，桶底厚度17mm，桶底直径350mm；桶底设有七个第一小孔，孔径50mm，沿中心均匀分布；桶壁四周布置有六列第二小孔，每隔131mm布置一列，每列第二小孔的孔间距为60mm，孔径为10mm，从桶底开始向上到1200mm高度为止。

具体地，如图2a和图2b所示，所述木质孔塞的上部直径为9mm，下部直径为12mm，高度为15mm。

具体地，所述取土器为不锈钢材质，包括三种规格，第一种取土管深度60mm，外壁厚度0.5mm，内径6mm，如图3a和图3b所示；第二种取土管深度60mm，外壁厚度0.5mm，内径7mm；第三种取土管深度60mm，外壁厚度0.5mm，内径8mm，用于取不同量的土；上述三种取土管封闭端的圆柱形握手的尺寸相同，均为厚度5mm，直径60mm。

具体地，如图4a和图4b所示，所述压土器为玻璃压土器，玻璃压土器底部为一个圆柱体，直径240mm，厚度50mm，为实心有机玻璃；细长圆柱握手从圆柱体底部圆心伸出，长1500mm，直径50mm，为实心有机玻璃。

具体地，如图5a和图5b所示，所述桶盖为玻璃桶盖，玻璃桶盖上部圆台的直径260mm，厚度7mm，玻璃桶盖下部圆台的直径247mm，厚度为7mm；玻璃桶盖上部圆心处设有一圆球，直径50mm，用于拿放玻璃桶盖。

本发明还公开了一种测定非饱和黏土渗透系数的方法，采用上述测定非饱和黏土渗透系数的装置，包括以下步骤：

步骤一，制备土样：过筛、配置不同含水率的土样，并装袋静置2-3天；

步骤二，用木质孔塞将有机玻璃桶桶壁四周处的所有第二小孔塞紧，有机玻璃桶的外侧以及内侧用保鲜膜封严，确保不漏水；用记号笔对六列第二小孔分别用A、B、C、D、E、F做标记，方便以后对数据的记录；

步骤三，针对某一干密度的土样，称取后填入有机玻璃桶中，用玻璃压土器压实至10cm处，必须保证均匀受力且不过分挤压；用同样方法继续填土10次，最终至110cm处，层与层之间紧密结合，以不出现断层为标准；

步骤四，填土完成后，在土柱顶端铺一层厚度为5-8cm的细砂，保证水分下渗均匀；用喷水器均匀喷水2000ml，加水结束后，立即将顶部用保鲜膜封住，以防水分散失；

步骤五，观察水的锋面下渗情况，下渗20cm左右后，开始测定含水量，打开最上面的第二小孔，用取土器水平插入第二小孔中取5g左右的土，放入铝盒中，称取质量，烘干后再测质量，确定含水率；取土后，及时把第二小孔塞紧，并且尽可能减少土的扰动；按照相同的时间间隔依次测定A、B、C、D、E、F六列的含水率；

步骤六，采用上述方法进行不同干密度土样的渗透试验，把测得的含水率与取土深度的数值绘成曲线，结合此曲线，计算出非饱和土的渗透系数。

具体地，计算渗透系数采用瞬态剖面法。瞬态剖面法属于现有技术，在此不做赘述。

实施例

一种测定非饱和黏土渗透系数的装置，共由5个组件构成，核心部件为特制的有机玻璃桶，桶高1500mm，桶壁厚5mm，内直径250mm，桶底厚度17mm，直径350mm，以增大底面积，提高稳定性；同时桶底设有七个第一小孔，孔径50mm，中心分布，以保证桶内空气流通。桶壁四周布置六列第二小孔，每隔131mm布置一列，每列第二小孔孔间距60mm，孔径10mm，从桶底开始向上到1200mm为止。配件有木质孔塞、取土器、玻璃压土器以及玻璃桶盖。木质孔塞为圆台状，上部直径为9mm，下部直径为12mm，高度为15mm，用于塞住桶壁四周的第二小孔，防止土漏出；取土器为不锈钢材质，有三种规格，第一种取土管深度60mm，外壁厚度0.5mm，内径6mm；第二种取土管深度60mm，外壁厚度0.5mm，内径7mm；第三种取土管深度60mm，外壁厚度0.5mm，内径8mm，用于取不同量的土。同时取土器一端封闭，封闭端设有一圆柱形握手，厚度5mm，直径60mm，方便使用；玻璃压土器底部为一个圆柱体，直径240mm，厚度50mm，为实心有机玻璃，有一细长圆柱握手从底部压土器圆心伸出，长1500mm，直径50mm，为实心有机玻璃，该部件用于压实各层的土；玻璃桶盖直径260mm，厚度7mm，桶盖下部设有一个直径为247mm，厚度为7mm的圆柱体，用于合紧有机玻璃桶，防止漏气或混入其他杂质，桶盖上部圆心处设有一圆球，直径50mm，用于拿放玻璃桶盖。以上为该装置的所有组件的参数。

采用该装置进行测量的过程如下：

(1)制备土样：过筛，配置不同含水率的土样，并装袋静置2-3天；

(2)用木质孔塞将孔壁处所有小孔塞紧，桶的外侧以及内侧用保鲜膜封严，确保不漏水；用记号笔对六列第二小孔分别用A、B、C、D、E、F做标记，方便以后对数据的记录。

(3)做某一干密度的土柱，称取后填入玻璃桶中，用玻璃压土器压实至10cm处，且必须保证均匀受力且不过分挤压；用同样方法继续填土10次，最终至110cm处，层与层之间紧密结合，以不出现断层为标准。

(4)填土完成后，在土柱顶端铺一层厚度为5-8cm的细砂，保证水分下渗均匀。用喷水器均匀喷水2000ml，加水结束后，立即将顶部用保鲜膜封住，以防水分散失。

(5)一定时间过后，观察水的锋面下渗情况，下渗20cm左右后，开始测定含水量，打开最上面的第二小孔，用取土器水平插入第二小孔中取5g左右的土，放入铝盒中，称取质量，烘干后再测质量，确定含水率。取土后，要及时把第二小孔塞紧，并且尽可能减少土的扰动。按照一定的时间间隔依次测定A、B、C、D、E、F六列的含水率。

(6)用上述方法进行不同干密度的土的渗透试验，把测得的含水率与取土深度的数值绘成曲线，结合此曲线，最终计算出非饱和土的渗透系数。计算渗透系数属于瞬态剖面法的范畴，不属于本发明的范畴，在此不予详细介绍。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。