CN115452672A - 超软土非达西渗流的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超软土非达西渗流的测试装置及方法，包括供水箱、压力罐、压缩机、管道机构、检测单元和智能监测系统，所述压缩机与压力罐的入口连接，所述供水箱通过三通开关与压力罐连接；所述检测单元包括渗透器、集水器和电子秤，所述渗透器的入口通过管道机构与三通开关连接，所述渗透器的出口与集水器连接，所述集水器置于电子秤上，所述智能监测系统用于监测测试过程中电子秤的数值变化，且所述智能监测系统与管道机构连接。本发明的自动化程度高，可提高检测结果的准确性，免误判，还可以避免人为因素，提高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及渗透技术领域，具体涉及一种超软土非达西渗流的测试装置及方法。
背景技术
近十年来，我国在超软弱地基加固技术领域的工艺方面有了较大进步。众所周知，渗流是固结的必要条件，但超软土由于其高含水率、高压缩性、高孔隙比等特征，土中水的流动特征有异于一般的饱和软土，在使用无砂垫层真空预压法加固处理过程的前期甚至中期，土中水流在高水力梯度作用下呈现出水流速度v与水力梯度i为非线性关系，土中水的流动呈现复杂的非达西渗流特性。
探索土体的渗透特性时常用到常水头渗透试验装置和变水头渗透试验装置，传统的常水头渗透试验装置适用于测量粗粒土的渗透系数，变水头渗透试验装置适用于测量细粒土的渗透系数，但是以上两种方法测量精度均难以捕捉超软土中水分渗流特征的微小变化，且超软土在真空预压固结的前中期水力梯度较大，而这两种传统的渗透试验装置受尺寸限制，可提供的水力梯度较小，无法精确测量超软土的渗流特性。
此外，附图1为非达西渗流的渗流速率-水头梯度关系的最主要特征：曲线0ac为实际的渗流速率-水头梯度关系曲线，其中0a段的渗流速度非常小(但不为零)，现有试验技术精度很难测得真实数值。通常把渗流速率-水头梯度关系曲线简化为由0b段和bd段构成，其中0b段速率为零，bd段为线性变化，b点为起始水头梯度I0；或者更严格地，把a点定义为起始水头梯度，然后按ab曲线变化，且忽略点a和点b两者的微小数值差异，但是，这种简化的非达西渗流与实际的非达西渗流是不符的。
综上所述，超软土土中水的流动特性与常规饱和软土不同，其渗流特性也无法通过常规手段进行测试，所以需要研发一种测试精度高、适宜于测试超软土非达西渗流的试验装置及方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种超软土非达西渗流的测试装置。此超软土非达西渗流的测试装置的测试精度高，减少人为因素引起的误差。
本发明的另一目的是提供了一种超软土非达西渗流的测试方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本超软土非达西渗流的测试装置，包括供水箱、压力罐、压缩机、管道机构、检测单元和智能监测系统，所述压缩机与压力罐的入口连接，所述供水箱通过三通开关与压力罐连接；
所述检测单元包括渗透器、集水器和电子秤，所述渗透器的入口通过管道机构与三通开关连接，所述渗透器的出口与集水器连接，所述集水器置于电子秤上，所述智能监测系统用于监测测试过程中电子秤的数值变化，且所述智能监测系统与管道机构连接。
优选的，所述管道机构包括主管道和多条支管道，所述支管道的数量与检测单元的数量相等，所述主管道的一端通过分水器与支管道连接，所述主管道的另一端同时与供水箱和压力罐连接，且在主管道沿水流动方向依次设有流量计量器和第一自动排气阀，在支管道沿水流动方向依次设有自动调压阀和第二自动排气阀，所述自动排气阀和自动调压阀均与智能监测系统连接。
优选的，所述支管道设有数显温度计，此数显温度计位于自动调压阀和第二自动排气阀之间。
优选的，所述支管道设有精密电子水压表。
优选的，所述集水器包括锥形瓶和橡胶塞，所述橡胶塞密封锥形瓶的开口，所述渗透器的出口通过连接管与锥形瓶的内腔连接。
优选的，所述智能监测系统包括用于监测电子秤示数变化的智能监测器和用于控制管道机构通闭及水压大小的控制器。
超软土非达西渗流的测试方法，采用上述的超软土非达西渗流的测试装置，包括以下步骤：
S1、制样并将制好的样品放置于渗透器内，再对渗透器进行真空处理；
S2、将渗透器的入口和出口分别连接于管道机构和集水器，打开排第一自动排气阀、第二自动排气阀和自动调压阀以排尽管道内的气体，再关闭第一自动排气阀、第二自动排气阀和自动调压阀；
S3、打开第一自动排气阀、第二自动排气阀和自动调压阀，以提升水压，当集水器中有第一滴水滴落，智能监测系统监测到电子秤的示数发生变化，以确定初始水头梯度I0；
S4、通过自动调压阀设定水压pi，其中i为自然数，并分别在水压pi下测定对应时段Ti内流入集水器中的水量Qi，则有：
其中vi为水流速度，ρi为水的重力密度，A为样品的截面积，h为样品在渗透器内的高度；
S5、其中S4获得的数据，并根据公式：
确定样品的土体渗透系数。
优选的，步骤S3中初始水头梯度I0的确定过程如下：
当集水器中有第一滴水滴落，智能监测系统监测到电子秤的示数发生变化，智能监测系统控制自动调压阀，令水压不变，并记录水压值为p0；
若120min内，智能监测系统监测到电子秤的示数再次发生变化时，即第二滴水滴落时，令I0＝p0/h，其中h为样品在渗透器内的高度；
若120min内，120分钟内电秤示数没有发生变化时，则控制自动调压阀调节水压。
优选的，若120min内，120分钟内电秤示数没有发生变化时，自动调压阀控制支管道水压以0.5kPa/min匀速增加。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
1、本发明超软土非达西渗流的测试装置采用供水箱、压力罐和压缩机构成的高水压系统可提供1.5MPa的水压，以确保超软土的非达西渗流测试的有效进行。
2、本发明的超软土非达西渗流的测试装置主要由供水箱、压力罐、压缩机、管道机构、检测单元和智能监测系统构成，利用供水箱、压力罐和压缩机构成的高水压系统实现自动供水，检测单元主要由渗透器、集水器和电子秤构成，智能监测系统不仅可以及时准判断渗流开始的水压，避免误判，还可以避免人为因素，提高可靠性，同时还提高了检测结果的准确性。
3、本发明的超软土非达西渗流的测试装置中的管道机构设置多条支管道，故可同时进行多组同样品或不同样品的测试，可实现对比实验，可进一步确保检测结果的准确性。
4、本发明的可得到真实的非达西渗流关系曲线，可准确量测超软土的渗透特性，为沿海地区超软土渗流与固结提供依据，具有较高的理论意义和重要的工程应用价值。
附图说明
图1是非达西渗流关系曲线示意图。
图2是本发明的超软土非达西渗流的测试装置的结构示意图。
图3是本发明的智能监测系统的结构示意图。
图4是超软土非达西渗流关系曲线示意图。
其中，1为供水箱，2为压力罐，3为压缩机，4为管道机构，5为检测单元，6为智能监测系统，7为三通开关，8为渗透器，9为集水器，10为电子秤，11为主管道，12为支管道，13为分水器，14为流量计，15为第一自动排气阀，16为自动调压阀，17为第二自动排气阀，18为数显湿度计，19为精密电子水压表，20为锥形瓶，21为橡胶塞，22为控制阀，23为智能监测器，24为控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示的超软土非达西渗流的测试装置，包括供水箱、压力罐、压缩机、管道机构、检测单元和智能监测系统，所述压缩机与压力罐的入口连接，所述供水箱通过三通开关与压力罐连接；
所述检测单元包括渗透器、集水器和电子秤，所述渗透器的入口通过管道机构与三通开关连接，所述渗透器的出口与集水器连接，所述集水器置于电子秤上，所述智能监测系统用于监测测试过程中电子秤的数值变化，且所述智能监测系统与管道机构连接。
具体的，压缩机采用ZP-W65单相空气压缩机，此压缩机与大体积的压力罐串联，从而可精准施加气压。本实施例中，压力罐的容积为100L，以保证试验过程中水体压强的稳定；供水箱的体积为120L。渗透器采用TST-55型渗透仪，保证检测的准确性。所述集水器包括锥形瓶和橡胶塞，所述橡胶塞密封锥形瓶的开口，所述渗透器的出口通过连接管与锥形瓶的内腔连接。此结构的集水器具有较的密封性，以防止水分蒸发。而电子秤用于测量渗透器的出口流出的水分重量，精度为0.001g。
所述管道机构包括主管道和多条支管道，所述支管道的数量与检测单元的数量相等，所述主管道的一端通过分水器与支管道连接，所述主管道的另一端同时与供水箱和压力罐连接，且在主管道沿水流动方向依次设有流量计量器和第一自动排气阀，在支管道沿水流动方向依次设有自动调压阀和第二自动排气阀，所述自动排气阀和自动调压阀均与智能监测系统连接。主管道和支管道均采用直径10mm的透明塑料水管，以保证水体流动与分流。而自动调压阀用于水压的调节，调节压力范围为0～1.5MPa。为进一步保证精确控制，在主管道设有控制阀。
所述支管道设有数显温度计，此数显温度计位于自动调压阀和第二自动排气阀之间。
所述支管道设有精密电子水压表。此精密电子水压表实时检测支管道内的水压，为智能监测系统提供控制指令的依据，保证测试有效进行。
如图3所示，所述智能监测系统包括用于监测电子秤示数变化的智能监测器和用于控制管道机构通闭及水压大小的控制器。本实施例中的控制器采用计算机。
超软土非达西渗流的测试方法，采用上述的超软土非达西渗流的测试装置，包括以下步骤：
S1、制样并将制好的样品放置于渗透器内，再对渗透器进行真空处理；具体的，用环刀在垂直或平行土样层面切取原状试样或扰动土制备成给定密度的样品，再将此样品放入渗透器，渗透器装好后再进行真空饱和；具体操作参照《土工试验方法标准》GBT 50123-2019第4.6.3节。
S2、将渗透器的入口和出口分别连接于管道机构和集水器，打开排第一自动排气阀、第二自动排气阀和自动调压阀以排尽管道内的气体，再关闭第一自动排气阀、第二自动排气阀和自动调压阀；
S3、打开第一自动排气阀、第二自动排气阀和自动调压阀，以提升水压，当集水器中有第一滴水滴落，智能监测系统监测到电子秤的示数发生变化，以确定初始水头梯度I0；
步骤S3中初始水头梯度I0的确定过程如下：
当集水器中有第一滴水滴落，智能监测系统监测到电子秤的示数发生变化，智能监测系统控制自动调压阀，令水压不变，并记录水压值为p0；
若120min内，智能监测系统监测到电子秤的示数再次发生变化时，即第二滴水滴落时，令I0＝p0/h，其中h为样品在渗透器内的高度；
若120min内，120分钟内电秤示数没有发生变化时，则控制自动调压阀调节水压。具体的，控制自动调压阀调节水压以0.5kPa/min匀速增加。当再次监测到水滴滴落时，自动调压阀控制水压保持不变，如此时水压增大到100kPa时，若120min内又有水滴滴浇，则记为100kPa。120min内没有水滴滴落，则可认为调压后首次滴落的水滴并非由试样渗流产生，自动调压阀需要再次控制水压以0.5kPa/min增加重复上述操作。
S4、通过自动调压阀设定水压pi，其中i为自然数，并分别在水压pi下测定对应时段Ti内流入集水器中的水量Qi，则有：
其中，vi为水流速度，ρi为水的重力密度，A为样品的截面积，h为样品在渗透器内的高度；
具体的，根据测量数据并结合上式，以得到v-I0关系测试点数据，得出超软土非达西渗流关系曲线，如图4所示。
S5、其中S4获得的数据，并根据公式：
确定样品的土体渗透系数。
采用上述方法可及时准判断渗流开始的水压，避免误判；可避免人为因素，提高可靠性；精准测试超软土的非达西渗流特性，为沿海地区超软土渗流与固结提供依据。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.超软土非达西渗流的测试装置，其特征在于：包括供水箱、压力罐、压缩机、管道机构、检测单元和智能监测系统，所述压缩机与压力罐的入口连接，所述供水箱通过三通开关与压力罐连接；
所述检测单元包括渗透器、集水器和电子秤，所述渗透器的入口通过管道机构与三通开关连接，所述渗透器的出口与集水器连接，所述集水器置于电子秤上，所述智能监测系统用于监测测试过程中电子秤的数值变化，且所述智能监测系统与管道机构连接。
2.根据权利要求1所述的超软土非达西渗流的测试装置，其特征在于：所述管道机构包括主管道和多条支管道，所述支管道的数量与检测单元的数量相等，所述主管道的一端通过分水器与支管道连接，所述主管道的另一端同时与供水箱和压力罐连接，且在主管道沿水流动方向依次设有流量计量器和第一自动排气阀，在支管道沿水流动方向依次设有自动调压阀和第二自动排气阀，所述自动排气阀和自动调压阀均与智能监测系统连接。
3.根据权利要求2所述的超软土非达西渗流的测试装置，其特征在于：所述支管道设有数显温度计，此数显温度计位于自动调压阀和第二自动排气阀之间。
4.根据权利要求2所述的超软土非达西渗流的测试装置，其特征在于：所述支管道设有精密电子水压表。
5.根据权利要求1所述的超软土非达西渗流的测试装置，其特征在于：所述集水器包括锥形瓶和橡胶塞，所述橡胶塞密封锥形瓶的开口，所述渗透器的出口通过连接管与锥形瓶的内腔连接。
6.根据权利要求1所述的超软土非达西渗流的测试装置，其特征在于：所述智能监测系统包括用于监测电子秤示数变化的智能监测器和用于控制管道机构通闭及水压大小的控制器。
7.超软土非达西渗流的测试方法，其特征在于，采用权利要求1～6任意一项所述的超软土非达西渗流的测试装置，包括以下步骤：
S1、制样并将制好的样品放置于渗透器内，再对渗透器进行真空处理；
S2、将渗透器的入口和出口分别连接于管道机构和集水器，打开排第一自动排气阀、第二自动排气阀和自动调压阀以排尽管道内的气体，再关闭第一自动排气阀、第二自动排气阀和自动调压阀；
S3、打开第一自动排气阀、第二自动排气阀和自动调压阀，以提升水压，当集水器中有第一滴水滴落，智能监测系统监测到电子秤的示数发生变化，以确定初始水头梯度I0；
S4、通过自动调压阀设定水压pi，其中i为自然数，并分别在水压pi下测定对应时段Ti内流入集水器中的水量Qi，则有：
其中，vi为渗流速度，ρi为水的重力密度，A为样品的截面积，h为样品在渗透器内的高度；
S5、其中S4获得的数据，并根据公式：
确定样品的土体渗透系数。
8.根据权利要求7所述的超软土非达西渗流的测试装置，其特征在于：步骤S3中初始水头梯度I0的确定过程如下：
当集水器中有第一滴水滴落，智能监测系统监测到电子秤的示数发生变化，智能监测系统控制自动调压阀，令水压不变，并记录水压值为p0；
若120min内，智能监测系统监测到电子秤的示数再次发生变化时，即第二滴水滴落时，令I0＝p0/h，其中h为样品在渗透器内的高度；
若120min内，120分钟内电秤示数没有发生变化时，则控制自动调压阀调节水压。
9.根据权利要求8所述的超软土非达西渗流的测试装置，其特征在于：若120min内，120分钟内电秤示数没有发生变化时，自动调压阀控制支管道水压以0.5kPa/min匀速增加。
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| CN116559047A (zh) * | 2023-05-06 | 2023-08-08 | 中国地质大学（武汉） | 渗透实验装置、方法及渗透系数和流态的评估方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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