岩土体各向异性渗透系数的综合测试系统及方法与流程

1.本发明涉及岩土体各向异性渗透系数的综合测试系统及方法，属于土木试验技术领域。


背景技术：

2.渗透系数作为土壤的一个重要物理力学指标，其测试的准确性涉及到工程安全与正常使用。因此，为了避免工程事故，往往都会对土壤试样进行渗透系数试验。
3.目前，渗透系数试验多是单向测试，只测试垂直渗透系数或只测试水平渗透系数，如果想要得到垂直渗透系数或者水平渗透系数，则需要分两次进行测试，不仅耗费时间长，而且需要两块土壤试样，影响试验结果的准确性。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种岩土体各向异性渗透系数的综合测试系统及方法，能够解决现有渗透系数测试装置只能进行垂直或水平单向渗透系数测试的问题。
5.本发明提供了一种岩土体各向异性渗透系数的综合测试系统，包括进水组件、无盖的储水盒、试样盒、透水件、出水组件及测试组件；
6.所述进水组件用于向所述储水盒供水；
7.所述试样盒位于所述储水盒内，用于容置待测岩土体；所述试样盒为有盖盒体，所述试样盒的每个面均包括固定板及活动板，所述固定板上开设有通孔，所述活动板与所述固定板滑动连接，以控制所述通孔的打开或关闭；
8.所述试样盒中的一对相邻面或一组两两相邻的三个面为进水面，其余面为出水面；所述透水件覆盖在所述试样盒的出水面上，用于容置从所述出水面渗透出的水；
9.所述出水组件与所述透水件连接，用于排出所述透水件内的水；
10.所述测试组件与所述待测岩土体连接，用于测试所述待测岩土体的渗透系数。
11.优选的，所述试样盒靠近所述储水盒的一底角或相邻的两底角设置；
12.所述透水件覆盖在所述试样盒靠近所述储水盒的表面上。
13.优选的，所述透水件包括盒体及透水石，所述盒体靠近所述试样盒的一侧开设有透水孔，所述透水石铺设在所述盒体内。
14.优选的，所述进水组件包括供水件、进水管和第一流量计；
15.所述进水管一端与所述供水件连通，另一端与所述储水盒连通；所述供水件通过所述进水管向所述储水盒供水；所述第一流量计设置在所述进水管上，用于测量所述进水管中的进水流量；
16.所述出水组件包括出水管、第二流量计和储水件；
17.所述出水管一端与所述透水盒连通，另一端与所述储水件连通；所述透水件内的水通过所述出水管排出至所述储水件中；所述第二流量计设置在所述出水管上，用于测量所述出水管中的出水流量。
18.优选的，所述测试组件包括第一测压单元、第二测压单元及计算单元；
19.所述第一测压单元包括第一测压管、第一测量杯与第一连接管；
20.所述第一测压管设置在所述待测岩土体内，且靠近所述进水面设置；所述第一测压管通过所述第一连接管与所述第一测量杯连通；所述第一测压单元用于测量水经过所述待测岩土体的起始水头差；
21.所述第二测压单元包括第二测压管、第二测量杯与第二连接管；
22.所述第二测压管设置在所述待测岩土体内，且靠近所述出水面设置；所述第二测压管通过所述第二连接管与所述第二测量杯连通；所述第二测压单元用于测量水经过所述待测岩土体的终了水头差；
23.所述计算单元用于根据所述起始水头差和所述终了水头差计算所述待测岩土体的渗透系数。
24.优选的，所述固定板为中间设有凹槽的双面结构，所述活动板插设在所述固定板中间的凹槽内。
25.优选的，所述储水盒的侧壁上设置有卡槽；
26.所述活动板滑出所述固定板的端部可卡接于所述卡槽内。
27.本发明还提供了一种利用上述任一项所述的测试系统进行岩土体各向异性渗透系数测试的测试方法，所述测试方法包括：
28.s1、将待测岩土体放入所述试样盒内；
29.s2、根据待测的渗透系数的类型，抽出所述试样盒上对应面的活动板；
30.s3、控制所述进水组件向所述储水盒内供水；
31.s4、通过所述测试组件测试所述待测岩土体的渗透系数。
32.优选的，当对同一个所述待测岩土体完成其中一种类型的渗透系数的测试后，还需要测试其余类型的渗透系数时，所述测试方法还包括：
33.清空所述储水盒、所述透水件、所述第一测量杯和所述第二测量杯内的水；
34.插回所述活动板，以控制所有所述通孔关闭，之后执行s2。
35.优选的，在所述s4之前，所述方法还包括：
36.利用所述进水组件测量所述储水盒的进水流量；利用所述出水组件测量所述透水件的出水流量；
37.利用所述测试组件测量水经过所述待测岩土体的起始水头差和水经过所述待测岩土体的终了水头差；
38.所述s4具体为：
39.在所述进水流量与所述出水流量相等时，通过所述进水流量、所述起始水头差和所述终了水头差测试所述待测岩土体的渗透系数。
40.本发明能产生的有益效果包括：
41.本发明的测试系统，既可对待测岩土体单向的水平渗透系数、竖直渗透系数进行测试，也可对待测岩土体的综合渗透系数进行测试，弥补了现有测试装置不能对待测岩土体的综合渗透系数进行测试的不足，为明确土体渗透过程提供更真实的参考价值；
42.本发明的测试系统还可在一次试验中，对同一待测岩土体的水平渗透系数、竖直渗透系数和综合渗透系数进行测试，弥补了现有测试装置测量不同方向的渗透系数时需要
多个待测岩土体的不足，使测试结果更加准确；
43.本发明的测试系统的试样盒与储水盒分体设置，可携带试样盒去取样点取样，减少取样过程对待测岩土体的二次扰动，使测试结果更加准确；
44.本发明的测试系统具有尺寸灵活、结构简单、制作成本低、操作简单和试验结果准确的优点，适合大范围推广。
附图说明
45.图1为本发明实施例提供的一种岩土体各向异性渗透系数的综合测试系统的主视图；
46.图2为本发明实施例提供的一种岩土体各向异性渗透系数的综合测试系统的俯视图；
47.图3为本发明实施例提供的一种岩土体各向异性渗透系数的综合测试系统的右视图；
48.图4为图1中试样盒每个面板的结构示意图；
49.图5为本发明实施例提供的测试方法的方法流程图。
50.部件和附图标记列表：
51.1、储水盒；11、底侧板；12、左侧板；13、右侧板；14、前侧板；15、后侧板；2、试样盒；21、固定板；22、活动板；23、底面板；24、顶面板；25、左面板；26、右面板；27、前面板；28、后面板；3、透水件；31、挡水隔板；4、进水组件；41、进水管；42、第一流量计；5、出水组件；51、出水管；52、第二流量计；6、测试组件；61、第一测压管；62、第一测量杯；63、第一连接管；64、第二测压管；65、第二测量杯；66、第二连接管。
具体实施方式
52.下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
53.一方面，本发明实施例提供了一种岩土体各向异性渗透系数的综合测试系统，如图1-4所示，测试系统包括进水组件4、无盖的储水盒1、试样盒2、透水件3、出水组件5及测试组件6。
54.进水组件4用于向储水盒1供水，并测量进水流量。
55.具体的，进水组件4包括供水件、进水管41和第一流量计42。
56.进水管41一端与供水件连通，另一端与储水盒1连通；供水件通过进水管41向储水盒1供水；第一流量计42设置在进水管41上，用于测量进水管41中的进水流量。供水件可以为水箱、蓄水池等。
57.试样盒2位于储水盒1内，用于容置待测岩土体。具体的，试样盒2可以放置在储水盒1底面上，也可悬浮放置在储水盒1内。
58.试样盒2为有盖盒体，试样盒2的每个面均包括固定板21及活动板22，固定板21上开设有通孔，活动板22与固定板21滑动连接，以控制通孔的打开或关闭。
59.具体的，固定板21可以为中间具有凹槽的双面结构，活动板22插设在固定板中间的凹槽内。固定板21也可以为单层结构，活动板22滑动连接在固定板21背离试样盒2一侧。
60.试样盒2中的一对相邻面或一组两两相邻的三个面为进水面，其余面为出水面。透
水件3覆盖在试样盒2的出水面上，用于容置从出水面渗透出的水。
61.具体的，透水件3包括盒体及透水石，盒体靠近试样盒2的一侧开设有透水孔，透水石铺设在盒体内。
62.优选的，试样盒2靠近储水盒1的一底角或相邻的两底角设置。透水件3覆盖在试样盒2靠近储水盒1的表面上。
63.出水组件5与透水件3连接，用于排出透水件3内的水，并测量出水流量。
64.具体的，出水组件5包括出水管51、第二流量计52和储水件。
65.出水管51一端与透水盒连通，另一端与储水件连通；透水件3内的水通过出水管51排出至储水件中；第二流量计52设置在出水管51上，用于测量出水管51中的出水流量。储水件可以为水槽、水桶等。
66.出水组件5还用于排出储水盒1内的水。
67.具体的，透水件3除靠近试样盒2的侧面、背离试样盒2的侧面及与储水盒1接触的侧面外的其余面均为厚度侧，厚度侧也设有供水通过的透水孔；厚度侧外侧设有用于封闭厚度侧的透水孔的挡水隔板31。在使用本技术的测试系统完成对待测岩土体的渗透系数测试后，打开挡水隔板31，使储水盒1内的水进入透水件3内，并最终从出水组件5排出。
68.测试组件6与待测岩土体连接，用于测试待测岩土体的渗透系数。
69.具体的，测试组件6包括第一测压单元、第二测压单元及计算单元。
70.第一测压单元包括第一测压管61、第一测量杯62与第一连接管63；第一测压管61设置在待测岩土体内，且靠近进水面设置；第一测压管61通过第一连接管63与第一测量杯62连通；第一测压单元用于测量储水盒内水经过待测岩土体的起始水头差。
71.第二测压单元包括第二测压管64、第二测量杯65与第二连接管66；第二测压管64设置在待测岩土体内，且靠近出水面设置；第二测压管64通过第二连接管66与第二测量杯65连通；第二测压单元用于测量储水盒内水经过待测岩土体的终了水头差。
72.计算单元用于根据起始水头差和终了水头差计算待测岩土体的渗透系数。
73.第一测压管61及第二测压管64均为能供水流入的细管，第一测量杯62及第二测量杯65为带有刻度的透明管。
74.水头是指任意断面处单位重量水的能量，等于比能，即单位质量水的能量除以重力加速度。水头差指的是水位之间的高度差，因为有了水位的高度差，就产生了“水压”，水位的高度差越大，所产生的水压就越大，所以，水头差的计算数据就是水压值。
75.本技术中起始水头差指的是进水面的水压，终了水头差指的是出水面的水压。
76.本技术的测试系统在使用时，为了方便对抽出的活动板22进行固定，储水盒1的侧壁上设置有卡槽，活动板22滑出固定板21的端部可卡接于卡槽内。
77.为了方便用户观察储水盒1及试样盒2内部情况，储水盒1及试样盒2均为透明盒体。
78.为了方便用户测量试样盒2内待测试样的尺寸和储水盒1内的水位，储水盒1的侧壁设置有刻度。
79.如图1-图3所示，本实施例中，储水盒1为无盖透明盒体，包括底侧板11、左侧板12、右侧板13、前侧板14和后侧板15。储水盒1的侧板、右侧板13、前侧板14和后侧板15均设置有刻度。
80.试样盒2为有盖透明盒体，包括底面板23、顶面板24、左面板25、右面板26、前面板27、后面板28。
81.试样盒2靠近储水盒1右侧面处的两底角放置，试验盒的左面板25和顶面板24为进水面。试验盒的右面板26、底面板23、前面板27及后面板28外表覆盖有透水件3。
82.第一测压管61设置在试样盒2内部的左上方，第二测压管64设置在试样盒2内部的右下方。
83.储水盒1的左侧板12上与顶面板24的活动板22和底面板23的活动板22相对的位置开设有卡槽，用于固定抽出的顶面板24和底面板23内的活动板22。储水盒1的前侧板14和后侧板15上与左面板25右面板26内的活动板22抽出状态对应的位置开设有卡槽，用于固定抽出的左面板25的活动板22和右面板26的活动板22。
84.另一方面，本发明实施例还提供了一种利用上述的测试系统进行土壤渗透系数测试的测试方法，如图5所示，测试方法包括：
85.s1、将待测岩土体放入试样盒2内。
86.s2、根据待测的渗透系数的类型，抽出试样盒2上对应面的活动板22。
87.其中，待测的渗透系数的类型包括水平渗透系数、竖直渗透系数和综合渗透系数。
88.实例的，测试水平渗透系数时可以抽出左面板25与右面板26内的活动板22；或者抽出前面板27与后面板28内的活动板22。
89.测试竖直渗透系数时可以抽出顶面板24与底面板23内的活动板22。
90.测试综合渗透系数时可以抽出左面板25、右面板26、顶面板24与底面板23内的活动板22或前面板27、后面板28顶面板24与底面板23内的活动板22。
91.在本实施例中，抽出左面板25与右面板26内的活动板22测试水平渗透系数，抽出顶面板24与底面板23内的活动板22测试竖直渗透系数，抽出左面板25、右面板26、顶面板24与底面板23内的活动板22测试综合渗透系数。
92.s3、控制进水组件4向储水盒1内供水。
93.s4、通过测试组件6测试待测岩土体的渗透系数。
94.当对同一个待测岩土体完成其中一种类型的渗透系数的测试后，还需要测试其余类型的渗透系数时，测试方法还包括：
95.清空储水盒1、透水件3、第一测量杯62和第二测量杯65内的水。
96.插回活动板22，以控制所有通孔关闭，之后执行s2。
97.优选的，在s4之前，所述方法还包括：
98.利用进水组件4测量储水盒1的进水流量；利用出水组件5测量透水件3的出水流量；
99.利用测试组件6测量水经过待测岩土体的起始水头差和水经过待测岩土体的终了水头差；
100.s4具体为：
101.在进水流量与出水流量相等时，通过进水流量、起始水头差和终了水头差测试待测岩土体的渗透系数。
102.本实施例中s4具体为：
103.s41、在进水流量与出水流量相等时，记录进水流量或出水流量；之后在水中加入
可溶性颜料，并在出水组件5内出现带有颜料的水后，测量第一测量杯62与第二测量杯65内水的高度。
104.s42、根据颜料在待测岩土体中的流动路径获取待测岩土体的渗透路径长度；并根据流动路径对待测岩土体进行切割，获取待测岩土体在垂直水流向的截面面积。
105.s43、根据记录的进水流量或出水流量、第一测量杯62内水的高度、第二测量杯65内水的高度、渗透路径长度和截面面积计算待测渗透系数。
106.具体的，根据达西渗透定律k＝qh/(a(h
2-h1))计算待测的渗透系数。
107.其中k为待测的渗透系数，q为进水流量或出水流量，a为截面面积，h2为第二测量杯65内水的高度，h1为第一测量杯62内水的高度。
108.待测岩土体的进水面为待测岩土体靠近试样盒2进水面的一侧，待测岩土体的出水面为待测岩土体靠近试样盒2出水面的一侧。
109.优选的，当待测的渗透系数的类型为水平渗透系数或竖直渗透系数时，渗透路径长度为待测岩土体的进水面到出水面的距离，截面面积为待测岩土体的进水面的面积，s41为：
110.在进水流量与出水流量相等时，记录进水流量；并测量第一测量杯62与第二测量杯65内水的高度。
111.如图1-3所示，本实施例中，利用本技术的测试系统进行多向渗透系数测试的测试方法，依次测试同一待测岩土体的水平渗透系数、竖直渗透系数及综合渗透系数。
112.1、测试待测岩土体的水平渗透系数：
113.将待测岩土体放入试样盒2内；
114.抽出试样盒2左面板25及右面板26内的活动板22；
115.控制进水组件4向储水盒1内供水，使水依次经过左面板25的固定板21、待测岩土体、右面板26的活动板22和透水件3，并通过出水管51排出；
116.在进水流量与出水流量相等时，说明待测岩土体渗水性能已经达到饱和，记录进水流量或出水流量；并记录第一测量杯62的高度与第二测量杯65的高度；
117.获取待测岩土体的渗透路径长度和垂直水流向的截面面积；其中渗透路径长度为待测岩土体左侧面到右侧面的距离，截面面积为待测岩土体左侧面或右侧面的面积；
118.根据进水流量或出水流量、第一测量杯62的高度、第二测量杯65的高度、渗透路径长度和截面面积，使用达西渗透定律计算得到待测岩土体的水平渗透系数。
119.2、测试待测岩土体的竖直渗透系数：
120.打开挡水隔板31以清空储水盒1及透水件3内的水，清空第一测量杯62和第二测量杯65内的水，关闭挡水隔板31，插回左面板25及右面板26内的活动板22；
121.抽出试样盒2顶面板24及底面板23内的活动板22；
122.控制进水组件4向储水盒1内供水，使水依次经过顶面板24的固定板21、待测岩土体、底面板23的活动板22和透水件3，并通过出水管51排出；
123.在进水流量与出水流量相等时，说明待测岩土体渗水性能已经达到饱和，记录进水流量或出水流量；并记录第一测量杯62的高度与第二测量杯65的高度；
124.获取待测岩土体的渗透路径长度和垂直水流向的截面面积；其中渗透路径长度为待测岩土体顶面到底面的距离，截面面积为待测岩土体顶面或底面的面积；
125.根据进水流量或出水流量、第一测量杯62的高度、第二测量杯65的高度、渗透路径长度和截面面积，使用达西渗透定律计算得到待测岩土体的水平渗透系数。
126.3、测试待测岩土体的综合渗透系数：
127.打开挡水隔板31以清空储水盒1及透水件3内的水，清空第一测量杯62和第二测量杯65内的水，关闭挡水隔板31，插回顶面板24及底面板23内的活动板22；
128.抽出试样盒2左面板25、右面板26、顶面板24及底面板23内的活动板22；
129.控制进水组件4向储水盒1内供水，使水依次经过顶面板24和左面板25的固定板21、待测岩土体、底面板23和右面板26的活动板22和透水件3，并通过出水管51排出；
130.在进水流量与出水流量相等时，记录进水流量；之后在水中加入可溶性颜料，并在出水组件5内出现带有颜料的水后，测量第一测量杯62内水的高度与第二测量杯65内水的高度；
131.根据颜料在待测岩土体中的流动路径获取待测岩土体的渗透路径长度；根据流动路径对待测岩土体进行切割，获取待测岩土体在垂直水流向的截面面积；
132.根据进水流量或出水流量、第一测量杯62的高度、第二测量杯65的高度、渗透路径长度和截面面积，使用达西渗透定律计算得到待测岩土体的水平渗透系数。
133.本发明的测试系统，既可对待测岩土体单向的水平渗透系数、竖直渗透系数进行测试，也可对待测岩土体的综合渗透系数进行测试，弥补了现有测试装置不能对待测岩土体的综合渗透系数进行测试的不足，为明确土体渗透过程提供更真实的参考价值；
134.本发明的测试系统还可在一次试验中，对同一待测岩土体的水平渗透系数、竖直渗透系数和综合渗透系数进行测试，弥补了现有测试装置测量不同方向的渗透系数时需要多个待测岩土体的不足，使测试结果更加准确；
135.本发明的测试系统的试样盒2与储水盒1分体设置，可携带试样盒2去取样点取样，减少取样过程对待测岩土体的二次扰动，使测试结果更加准确；
136.本发明的测试系统具有尺寸灵活、结构简单、制作成本低、操作简单和试验结果准确的优点，适合大范围推广。
137.以上，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。