一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置及方法

技术领域

本发明涉及非饱和土测定技术领域，具体为一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置及方法。

背景技术

当前非饱和土研究方向中，如何快速高效测定土体的非饱和渗透性曲线是一项重要且持续的研究热点，现有技术主要包括稳态法、瞬态法、统计模型计算法以及经验公式法等。瞬态法是目前较为普遍运用的方法，其试验时间相对较短，过程较为简单，但目前研究的装置通常存在单一测试的缺点，即一段时间只能使用一个土柱进行一组渗透试验，效率较低，不利于非饱和渗透性试验常规化、标准化，如何增加非饱和渗透性试验的效率是目前极为重要的研究课题。当前试验仪器在探究非饱和土渗透性方面存在以下问题：(1)试验时间过长，长时间试验耗时耗力；(2)只能同时进行单一土样试验，不利于多因素影响下的渗透规律探究(3)体积过大，难以高效率开展多组试验。

针对存在的问题，先后有学者提出了瞬态剖面法、湿润锋前进法等瞬态方法，这些方法极大丰富了非饱和渗透性的研究。瞬态剖面法使用的装置常常存在体积庞大等问题。湿润锋前进法采用的装置与瞬态剖面法类似，也存在相似问题。通过组合瞬态剖面法、湿润锋前进法两种方法的湿润锋-瞬态剖面联合测定法(WFAM-IPM)是一种新提出的求取全吸力范围内的渗透系数的方法思路，具有较强运用潜力。测定过程中若要考虑应力影响因素，试验过程则需要配置土柱压力施加装置，当前普遍使用的压力施加装置过于复杂，没有较为简便快速的施加土柱压力的设施部件。

现有联合方法中的装置中，以湿润锋击穿土柱为方法转换节点，但此方法目前采用人工观察方式确定，不能明确表征为数字形式，进行人眼识别存在较大误差可能；现有装置试验多组土样需要先后进行试验，时间较长，无法进行高效率的多组对比试验，不利于工程实践中的土质鉴别，土体改良及地基处理的材料选择工作等。综上所述，应对土的非饱和渗透性科学研究中的对比试验以及工程实践上的决策对比测试服务开发一种装置。

发明内容

针对现有技术中非饱和土渗透性测定效率低、对比性差的问题，本发明提供一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置及方法，解决研究多组非饱和土渗透性规律时的耗时以及重复工作量等问题，为土质鉴别，土体改良及地基处理的材料选择工作提供快速预测试途径，并为非饱和土的渗透试验的常规化与标准化提供一种新的思路。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置，包括进水装置和多个试验装置，所述试验装置包括土柱模具、加压结构、多个张力计和多个第一水分计，所述进水装置包括多孔马氏瓶、通气管和多个进水管，所述通气管的一端从多孔马氏瓶顶部的某一孔伸出，另一端位于多孔马氏瓶内部；所述进水管上设有出水阀；所述进水管的一端与多孔马氏瓶内部连通，另一端伸入土柱模具中；所述进水管与试验装置一一对应；

所述土柱模具用于放置试样，所述加压结构放置于试样顶部；所述土柱模具的底部开设有多个排水孔，所述土柱模具的侧壁上开设有多个取样孔和多个检测孔，所述张力计和第一水分计的检测端通过检测孔伸入试样内部，所述张力计与第一水分计一一对应，对应的张力计和第一水分计处于同一高度上；

所述土柱模具的下方还设有第二水分计；试验时，通气管的高度与土柱模具中样品上部水位平齐；通气管底部与试样顶部的上液面平齐。

优选的，所述检测孔和取样孔上均设有可拆卸连接的堵塞。

优选的，取样孔和检测孔对称设置。

优选的，所述土柱模具由透明材料制成。

优选的，所述加压结构包括加压盘和多个砝码，所述加压盘包括底盘、顶盘和支撑柱，所述支撑柱设置于底盘和顶盘之间，所述底盘和顶盘之间形成液体水头保持区，所述进水管的另一端伸入液体水头保持区；所述底盘压置于试样上方，所述底盘上开设有渗水孔；所述砝码放置于顶盘上。

优选的，所述顶盘设有立柱，所述砝码穿设于立柱外侧。

优选的，所述顶盘上还开设有安装孔，所述进水管通过安装孔伸入液体水头保持区。

一种对比测定多组非饱和土渗透性方法，采用对比测定多组非饱和土渗透性的装置，包括以下步骤：

S1，制备试样，并将试样分层压实填放进土柱模具中，并根据预设值埋置第二水分计、水分计和张力计；

S2，将加压盘以底盘在下的方式压置于试样顶部，并根据预设压力放置砝码；

S3，安装排水装置，使得各个试验装置中土柱模具到排水装置的距离相同，同时使得液体水头保持区的水位高度相同；

S4，打开出水阀，观察土柱模具中湿润锋面的下渗情况；

S5，关闭出水阀，首先收集张力计及第一水分计得到的数据绘制土柱吸力时间变化曲线和土柱含水率时间变化曲线；再从取样孔中取样并测定样品的含水率数据，以样品的含水率数据与土柱含水率曲线上的数据进行对比验证数据的准确性；

根据土柱含水率变化曲线获得湿润锋前进曲线以及速率曲线，并以第二水分计获得的含水率时间变化曲线为界，采用湿润锋-瞬态剖面联合测定法计算非饱和渗透系数。

优选的，在S5中，根据第二水分计获得的含水率变化曲线的陡增段选取特征值，以特征值作为识别湿润峰通过底面的标志，以此来改变非饱和渗透系数的计算方法；当湿润锋未通过土柱底面之前，采用数字湿润锋法；当湿润锋通过土柱之后，采用瞬态剖面法。

优选的，在S4中，当多个试验装置同时进行测定时，多个进水管上的出水阀同时打开。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置可以对比测定多组及以上不同条件土柱的瞬态非饱和渗透性，设置多孔马氏瓶可供多组试样同时进行控制水头相同的试验，并且为控制多组为同水头条件。设备组装简单，具有较强自主可变性，在实验室试验以及工程现场实际选择材料时，能够提供现有其他装置不能提供的对比测试平台，非常适合渗透性试验研究以及工程预试验的方案选择工作。

本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置简化了加压装置，通过发明一个较为简单加压盘即通过砝码进行加压，避免了使用压力室等的繁杂程序以及对大量土样的浪费；多孔马氏瓶保证了各组试验的水位相同，处于同一渗流环境之下，提高了试验效率，提供了对比试验平台。

本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性方法可在经济成本较低的情况下快速测定多组非饱和土的渗透系数，并且简单易行，节省人力，增加了数据可靠性。通过改进的湿润锋-瞬态剖面联合测定法(WFAM-IPM)可以确定土渗透性曲线，切换的节点通过位于第二水分计得到的含水率变化曲线决定，当曲线由含水率较低值陡增至较高值时，可取此区段内的某一个含水率值为特征值，当达到该值即认为湿润锋击穿土柱底部，湿润锋通过土柱底面之前就是采取的数字湿润锋法，通过土柱底面之后采取的是瞬态剖面法。

将已有渗透性试验瞬态方法的装置应用进一步数字化，将湿润锋-瞬态剖面试验方法中的试验状态切换进一步以水分计示数的方法来进行表示，更加平稳地进行不同渗流阶段湿润锋-瞬态剖面的方法过渡，使得全吸力范围内的非饱和渗透系数测定更具有连贯性。

附图说明

图1为本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置的示意图；

图2为本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置中进水装置的示意图；

图3为本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置中土柱模具的主视图；

图4为本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置中土柱模具的俯视图；

图5为本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置中土柱模具的仰视图；

图6为本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置中加压盘的示意图；

图7为本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置中顶盘的示意图；

图8为本发明一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置中底盘的示意图。

图中，1、进水装置；101、多孔马氏瓶；102、通气管；2、土柱模具；3、加压盘；301、底盘；302、顶盘；303、支撑柱；4、砝码；5、进水管；6、张力计；7、第一水分计；8、第二水分计；9、渗水孔；10、立柱；11、安装孔；12、排水孔。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开了一种对比测定多组非饱和土渗透性的装置，参照图1，包括进水装置1、支撑架和两个试验装置，进水装置1包括多孔马氏瓶101、通气管102和进水管5，通气管102的一端位于多孔马氏瓶101内部，另一端伸出多孔马氏瓶101位于外部；多孔马氏瓶101的出水口处设有出水阀，进水管5的一端与出水口连通，顶盘302上开设有安装孔11，进水管5的另一端通过安装孔11伸入液体水头保持区。本实施例中多孔马氏瓶101为多开四孔马氏瓶，用以保证水位，其规格为高80cm，直径20cm。

试验装置包括土柱模具2、加压结构、多个张力计6和多个水分计，土柱模具2用于放置试样，土柱模具2由透明材料制成，本实施例中土柱模具2采用亚克力板制作，呈圆柱状，土柱模具2高53cm，直径16cm，模具壁厚5mm，两侧对称开设检测孔九个，间距为5cm，直径为0.5cm；土柱模具2底部均匀设有排水孔12，用于保证试验水气流通。

加压盘3包括底盘301、顶盘302和支撑柱303，底盘301和顶盘302之间形成液体水头保持区，支撑柱303设置于底盘301和顶盘302之间，底盘301压置于试样上方，底盘301上开设有渗水孔9，进水装置1的出水口与渗水孔9连通。

顶盘302设有立柱10，砝码4穿设于立柱10外侧。加压盘3为亚克力材质装置，共两层，高10cm，直径15.8cm，顶部底部均为圆盘型，底部均匀开小孔供水流通过，顶部设有10cm的立柱10，用于规范放置砝码4，且顶部对称开有两个安装孔11，直径2cm，用于固定进水管5。

土柱模具2的底部开设有多个排水孔12，土柱模具2的侧壁上开设有多个取样孔和多个检测孔，取样孔和检测孔对称设置，张力计6和水分计的检测端通过检测孔伸入试样内部，张力计6与水分计一一对应，对应的张力计6和水分计处于同一高度上。张力计6和水分计不易过多，过多会导致曲线密集，不利于进行计算。

检测孔和取样孔处设有可拆卸连接的堵塞，不使用时使用堵塞塞住。本实施例中堵塞采用橡胶材质，且横截面呈梯形，通过自身的渐变型外壁与土柱模具2的外壳卡接。

土柱模具2的下方还设有第二水分计8，用于表征湿润锋的前进终止状态，其原理为观察含水率突变的时间点，以此为据，设置特征值，即当水分计含水率达到此值时，当达到该值即认为湿润锋击穿土柱底部，湿润锋通过土柱底面之前就是采取的数字湿润锋法，通过土柱底面之后采取的是瞬态剖面法。

试验时，通气管102的高度与土柱模具2中样品上部水位平齐，张力计6及水分计的布置，遵循一个水分计对应一个张力计6布置，安装在同一高度；土柱模具2底部和底盘301底部均铺设有滤纸。

一种对比测定多组非饱和土渗透性方法，包括以下步骤：

S1，制备试样(各种类型土样，配置后在试样盘中用保鲜膜密封静置一段时间)，并将试样分层压实填放进土柱模具2中(按照20层进行分层，每一层的厚度为2cm)，并根据预设值埋置第二水分计8、水分计和张力计6；压实过程中，提前设计好试验时水分计和张力计6埋置深度，每当埋土到达此处传感器设置高度前，停止埋土，将水分计与张力计6置于当前土体表面，放置稳后，继续埋土、压实，埋土过程中要同时将未放置传感器的圆孔用橡胶塞塞好。直至填土到试验设计高度与干密度，传感器建议布置3到4组，不超过5组。

样品装填前后，均铺设滤纸。

S2，将加压盘3以底盘301在下的方式压置于试样顶部，并根据预设压力放置砝码4。

S3，安装排水装置，使得各个试验装置中土柱模具2到排水装置的距离相同，同时使得液体水头保持区的水位高度相同。

S4，打开出水阀，观察土柱模具2中湿润锋面的下渗情况；当多个试验装置同时进行测定时，多个进水管5上的出水阀同时打开。

S5，关闭出水阀，首先收集张力计6及第一水分计7得到的数据绘制土柱吸力时间变化曲线和土柱含水率时间变化曲线；再从取样孔中取样并测定样品的含水率数据，以样品的含水率数据与土柱含水率曲线上的数据进行对比验证数据的准确性；

根据土柱含水率变化曲线获得湿润锋前进曲线以及速率曲线，并以第二水分计8获得的含水率时间变化曲线为界，采用湿润锋-瞬态剖面联合测定法计算非饱和渗透系数。

根据第二水分计8获得的含水率变化曲线的陡增段选取特征值，以特征值作为识别湿润峰通过底面的标志，以此来改变非饱和渗透系数的计算方法；当湿润锋未通过土柱底面之前，采用数字湿润锋法；当湿润锋通过土柱之后，采用瞬态剖面法。

计算步骤如下：

表1以渗流状态区分试验阶段时的相关数据

其中，当吸力值小于或者等于25kpa为低吸力段，当吸力值大于或者等于25kap为高吸力段

①由第二水分计8获得底部土柱的含水率数据，并绘制底部土柱的含水率变化曲线，以底部土柱的含水率曲线的陡增段表示水击穿样品土柱底部，在曲线陡增段选取某一特征值，以特征值为界切换计算非饱和渗透系数的方法；

②通过对①中的含水率变化曲线求导得到湿润锋前进速率曲线；

③获取湿润锋前进曲线、速率曲线、吸力(由张力计获得)与含水率数据之后，在湿润锋到达第二水分计8之前，湿润锋前进部分的检测点的非饱和渗透系数采取数字湿润锋方法计算，表达式如下：

上式中k为两时刻之间计算的平均渗透系数ψ

在湿润锋到达第二水分计之后，检测点的非饱和渗透系数采取瞬态剖面法进行计算，表达式如下：

上式中q为时间间隔Δt内通过某监测截面的流量；L为相邻两监测截面的间距；ψ

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。