專利名稱：用于測定土體飽和非飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于測定土體飽和非飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法，屬于土木工程測試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
非飽和土在我國分布廣泛，地球表面廣泛分布的天然沉積土，以及工程建設(shè)中遇 到的土體問題，幾乎都是非飽和土問題，真正意義上的飽和土在工程實(shí)踐中很少見到，這使 得非飽和土力學(xué)的研究具有非?，F(xiàn)實(shí)和實(shí)際的意義。水力滯后是非飽和土的一個(gè)重要特 征，水力滯后通常表現(xiàn)在土水保持曲線的滯后性，且土水保持曲線的滯后性受到多種因素 影響，如土結(jié)構(gòu)，溫度尤其是應(yīng)力狀態(tài)的影響。用來描述非飽和土水力特性的一個(gè)重要參數(shù) 就是非飽和滲透系數(shù)。直接測量非飽和土滲透系數(shù)是很費(fèi)時(shí)間的，目前確定非飽和土的滲 透系數(shù)是通過間接方法，即由直接測出的水分特征曲線，再用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算非飽和土滲透 系數(shù)的近似值。用間接方法得到的非飽和土滲透系數(shù)的近似值對所用經(jīng)驗(yàn)公式的依賴性很 大，由不同的經(jīng)驗(yàn)公式得到的同樣條件土體的滲透系數(shù)差別很大。雖然大家都知道非飽和 土的滲透系數(shù)受土體的應(yīng)力狀態(tài)影響，但直接測量應(yīng)力狀態(tài)對非飽和上滲透系數(shù)影響的試 驗(yàn)結(jié)果還未見報(bào)導(dǎo)，且目前國內(nèi)外還沒有用來專門量測非飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法。本發(fā) 明就是一種用于測定土體在一維側(cè)限條件下的飽和非飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種用于測定土體飽和非飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法，用于解決 土體在飽和或非飽和土條件，在一維垂直壓力及側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)量測問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案，其特征是利用一種試驗(yàn)裝置量測土體飽和非飽和滲透系 數(shù)，該試驗(yàn)裝置主要由壓力室2、上底座5、上陶土板6、不銹鋼側(cè)限環(huán)7、下陶土板19、下底座 20、垂直壓力升降軸13組成。其中壓力室底座21上安裝有下底座20，下底座20上面安裝 有下陶土板19，下陶土板上面安裝試樣17，試樣17上面是上陶土板6，上陶土板6上面安 裝上底座5，上底座5上面安裝上頂蓋4，試樣17周圍套有不銹鋼側(cè)限環(huán)7，不銹鋼側(cè)限環(huán)7 安裝在上頂蓋4與壓力室底座21之間，不銹鋼側(cè)限環(huán)7上下端有橡膠墊16，不銹鋼側(cè)限環(huán) 7左側(cè)上面安裝有第一微型氣壓傳感器8，下面安裝有第二微型水壓傳感器25，右側(cè)上面安 裝有第一微型水壓傳感器18，下面安裝有第二微型氣壓傳感器26。上底座5連接孔隙水排 水管路9和孔隙氣進(jìn)氣管路15，孔隙水排水管路9連接有第一孔隙水壓傳感器28和第一控 制閥門27，孔隙氣進(jìn)氣管路15連接有第二孔隙氣壓傳感器35和第五控制閥門36，下底座 20連接孔隙氣排氣管路12和孔隙水進(jìn)水管路23，孔隙氣排氣管路12連接第一孔隙氣壓傳 感器30和第二控制閥門29，孔隙水進(jìn)水管路23連接第二孔隙水壓傳感器34和第四控制閥 門33，壓力室連接壓力室氣壓進(jìn)氣管路22，壓力室氣壓進(jìn)氣管路22連接有第三孔隙氣壓傳 感器37和第六控制閥門38。壓力室2安裝在壓力室底座21上，通過螺栓3固定，垂直加 壓軸1可以上下移動，并可以頂在上頂蓋4上，壓力室底座21 —側(cè)安裝有垂直位移傳感器10，壓力室底座21下面的垂直壓力升降軸13，通過垂直壓力進(jìn)水管路24為試樣17提供垂 直壓力，通過連接的垂直位移升降翼11，由位移傳感器10量測試樣17的垂直位移變形量， 垂直壓力進(jìn)水管路24連接有第三孔隙水壓力傳感器31和第三控制閥門32。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)該方法應(yīng)用簡單，測量精度高，滿足一維垂直應(yīng)力加載要求，可以量測非飽和土滲透系數(shù)，亦可量測飽和土滲透系數(shù)。本發(fā)明適用范圍適用于土木工程中遇到的各種土質(zhì)在飽和狀態(tài)下尤其是非飽和狀態(tài)下滲透系數(shù) 的量測。


圖1是測定土體飽和非飽和滲透系數(shù)的方法所用試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中 有垂向加壓軸1、壓力室2、壓力室螺栓3、上頂蓋4、上底座5、上陶土板6、不銹鋼側(cè)限環(huán)7、 第一微型氣壓傳感器8、孔隙水排水管路9、垂直位移傳感器10、垂直位移升降翼11、孔隙氣 排氣管路12、垂直壓力升降軸13、儀器底座14、孔隙氣進(jìn)氣管路15、橡膠墊16、試樣17、第 一微型水壓傳感器18、下陶土板19、下底座20、壓力室底座21、壓力室氣壓進(jìn)氣管路22、孔 隙水進(jìn)水管路23、垂直壓力進(jìn)水管路24、第二微型水壓傳感器25、第二微型氣壓傳感器26、 第一控制閥門27、第一孔隙水壓傳感器28、第二控制閥門29、第一孔隙氣壓傳感器30、第三 孔隙水壓傳感器31、第三控制閥門32、第四控制閥門33、第二孔隙水壓傳感器34、第二孔隙 氣壓傳感器35、第五控制閥門36、第三孔隙氣壓傳感器37、第六控制閥門38。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例量測土體飽和與非飽和滲透系數(shù)的方法如下所示，(1) 土體飽和滲透系數(shù)的測定方法①分別將上陶土板6、下陶土板19和試樣17抽氣飽和，然后將下陶土板19安裝在 下底座20上，將橫截面積為a高度為Ii1的試樣17安裝在下陶土板19上，試樣17上面安 裝上陶土板6，將不銹鋼側(cè)限環(huán)7通過橡膠墊16卡在上頂蓋4和壓力室底座21之間，不銹 鋼側(cè)限環(huán)7左側(cè)下面安裝第二微型水壓傳感器25，不銹鋼側(cè)限環(huán)7右側(cè)上面安裝第一微型 水壓傳感器18 ；②將壓力室2安裝在壓力室底座21上，擰緊壓力室螺栓3，將垂直加壓軸1擰下來 對準(zhǔn)上頂蓋4，將垂直位移傳感器10安裝在垂直位移升降翼11上，并將讀數(shù)歸零；③關(guān)閉第一控制閥門27、第二控制閥門29、第五控制閥門36和第六控制閥門38， 打開第三控制閥門32和第四控制閥門33，通過垂直壓力進(jìn)水管路24施加壓力，使垂直壓力 升降軸13上升，對試樣17進(jìn)行一維垂直固結(jié)，通過第三孔隙水壓傳感器31控制壓力大小， 通過垂直位移傳感器10控制固結(jié)位移，待垂直位移傳感器10讀數(shù)每小時(shí)小于0. Olmm時(shí)固 結(jié)穩(wěn)定，測得垂直位移量h2，試樣17高度為h = hrh2 ；④打開第一控制閥門27，通過孔隙水進(jìn)水管路23施加孔隙水壓力P1水，通過孔隙 水排水管路9施加孔隙壓力p2|，使得差值ρ = Pn-P2I達(dá)到試驗(yàn)要求的壓力水頭，當(dāng)孔隙 水進(jìn)水管路23的進(jìn)水量與孔隙水排水管路9的出水量差值小于或等于5mm3時(shí)，認(rèn)為試樣17在該狀態(tài)下達(dá)到滲流穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)測得單位時(shí)間t內(nèi)流過試樣17的水量為qw，可計(jì)算得試樣17在該狀態(tài)下的飽和水力滲透系數(shù)kw = qwh/(apt)。(2) 土體非飽和滲透系數(shù)的測定方法①分別將上陶土板6和下陶土板19抽氣飽和，然后將下陶土板19安裝在下底座 20上，將橫截面積為A高度為H1的試樣17安裝在下陶土板19上，試樣17上面安裝上陶土 板6，將不銹鋼側(cè)限環(huán)7通過橡膠墊16卡在上頂蓋4和壓力室底座21之間，不銹鋼側(cè)限環(huán) 7左側(cè)上面安裝第一微型氣壓傳感器8，下面安裝第二微型水壓傳感器25，不銹鋼側(cè)限環(huán)7 右側(cè)上面安裝第一微型水壓傳感器18，下面安裝第二微型氣壓傳感器26 ；②將壓力室2安裝在壓力室底座21上，擰緊壓力室螺栓3，將垂直加壓軸1擰下來 對準(zhǔn)上頂蓋4，將垂直位移傳感器10安裝在垂直位移升降翼11上，并將讀數(shù)歸零；③關(guān)閉第一控制閥門27、第二控制閥門29、第五控制閥門36和第六控制閥門38， 打開第三控制閥門32和第四控制閥門33，通過垂直壓力進(jìn)水管路24施加壓力，使垂直壓力 升降軸13上升，對試樣17進(jìn)行一維垂直壓力固結(jié)，通過第三孔隙水壓傳感器31控制壓力 大小，通過垂直位移傳感器10控制固結(jié)位移，待垂直位移傳感器10讀數(shù)每小時(shí)小于0. Olmm 時(shí)固結(jié)穩(wěn)定，測得垂直位移量H2，試樣17高度為H = H1-H2 ；④打開第一控制閥門27、第二控制閥門29、第五控制閥門36和第六控制閥門38， 通過壓力室氣壓進(jìn)氣管路22施加氣壓Pu，通過孔隙水進(jìn)水管路23和孔隙氣進(jìn)氣管路15 同時(shí)施加孔隙壓力P11和Pu，通過孔隙水排水管路9施加孔隙水壓力P2|，使得差值S = P1I-P^+P^達(dá)到試驗(yàn)要求的基質(zhì)吸力值，待孔隙氣排氣管路12有氣體排出時(shí)關(guān)閉第二控 制閥門29;⑤當(dāng)孔隙水進(jìn)水管路23的進(jìn)水量與孔隙水排水管路9的出水量差值小于或等于 5mm3，第一微型氣壓傳感器8、第一微型水壓傳感器18、第二微型水壓傳感器25和第二微型 氣壓傳感器26讀數(shù)變化均小于或等于3kPa時(shí)，認(rèn)為該狀態(tài)為滲流穩(wěn)定狀態(tài)；⑥改變孔隙水進(jìn)水管路23水壓力到P’ i水值，使得試樣內(nèi)部基質(zhì)吸力值達(dá)到S’ =Pin-P' α+Ρ2|，按照步驟⑤達(dá)到滲流穩(wěn)定狀態(tài)后，測得單位時(shí)間T內(nèi)流過試樣17的 水量為Qw，可計(jì)算得試樣17在該狀態(tài)下的非飽和水力滲透系數(shù)Kw= 10*ln(S’ /S)*QWH/ (ΤΑ(S，-S))。
權(quán)利要求
用于測定土體飽和非飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法，其特征是采用一種試驗(yàn)裝置測定土體飽和滲透系數(shù)，該裝置由壓力室(2)、上底座(5)、上陶土板(6)、不銹鋼側(cè)限環(huán)(7)、下陶土板(19)、下底座(20)、垂直壓力升降軸(13)組成，利用該裝置測定土體飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法如下，①分別將上陶土板(6)、下陶土板(19)和試樣(17)抽氣飽和，然后將下陶土板(19)安裝在下底座(20)上，將橫截面積為α高度為h1的試樣(17)安裝在下陶土板(19)上，試樣(17)上面安裝上陶土板(6)，將不銹鋼側(cè)限環(huán)(7)通過橡膠墊(16)卡在上頂蓋(4)和壓力室底座(21)之間，不銹鋼側(cè)限環(huán)(7)左側(cè)下面安裝第二微型水壓傳感器(25)，不銹鋼側(cè)限環(huán)(7)右側(cè)上面安裝第一微型水壓傳感器(18)；②將壓力室(2)安裝在壓力室底座(21)上，擰緊壓力室螺栓(3)，將垂直加壓軸(1)擰下來對準(zhǔn)上頂蓋(4)，將垂直位移傳感器(10)安裝在垂直位移升降翼(11)上，并將讀數(shù)歸零；③關(guān)閉第一控制閥門(27)、第二控制閥門(29)、第五控制閥門(36)和第六控制閥門(38)，打開第三控制閥門(32)和第四控制閥門(33)，通過垂直壓力進(jìn)水管路(24)施加壓力，使垂直壓力升降軸(13)上升，對試樣(17)進(jìn)行一維垂直固結(jié)，通過第三孔隙水壓傳感器(31)控制壓力大小，通過垂直位移傳感器(10)控制固結(jié)位移，待垂直位移傳感器(10)讀數(shù)每小時(shí)小于0.01mm時(shí)固結(jié)穩(wěn)定，測得垂直位移量h2，試樣(17)高度為h＝h1-h2；④打開第一控制閥門(27)，通過孔隙水進(jìn)水管路(23)施加孔隙水壓力p1水，通過孔隙水排水管路(9)施加孔隙壓力p2水，使得差值p＝p1水-p2水達(dá)到試驗(yàn)要求的壓力水頭，當(dāng)孔隙水進(jìn)水管路(23)的進(jìn)水量與孔隙水排水管路(9)的出水量差值小于或等于5mm3時(shí)，認(rèn)為試樣(17)在該狀態(tài)下達(dá)到滲流穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)測得單位時(shí)間t內(nèi)流過試樣(17)的水量為qw，可計(jì)算得試樣(17)在該狀態(tài)下的飽和水力滲透系數(shù)kw＝qwh/(apt)。
2.用于測定土體飽和非飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法，其特征是采用如權(quán)利要求1中所述 的試驗(yàn)裝置測定土體非飽和滲透系數(shù)，利用該裝置測定非飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法如下，①分別將上陶土板(6)和下陶土板(19)抽氣飽和，然后將下陶土板(19)安裝在下底 座(20)上，將橫截面積為A高度為H1的試樣(17)安裝在下陶土板(19)上，試樣(17)上 面安裝上陶土板(6)，將不銹鋼側(cè)限環(huán)(7)通過橡膠墊(16)卡在上頂蓋(4)和壓力室底座 (21)之間，不銹鋼側(cè)限環(huán)(7)左側(cè)上面安裝第一微型氣壓傳感器(8)，下面安裝第二微型水 壓傳感器(25)，不銹鋼側(cè)限環(huán)(7)右側(cè)上面安裝第一微型水壓傳感器(18)，下面安裝第二 微型氣壓傳感器(26)；②將壓力室(2)安裝在壓力室底座(21)上，擰緊壓力室螺栓(3)，將垂直加壓軸(1)擰 下來對準(zhǔn)上頂蓋(4)，將垂直位移傳感器(10)安裝在垂直位移升降翼(11)上，并將讀數(shù)歸 零；③關(guān)閉第一控制閥門(27)、第二控制閥門(29)、第五控制閥門(36)和第六控制閥門 (38)，打開第三控制閥門(32)和第四控制閥門(33)，通過垂直壓力進(jìn)水管路(24)施加壓 力，使垂直壓力升降軸(13)上升，對試樣(17)進(jìn)行一維垂直壓力固結(jié)，通過第三孔隙水壓 傳感器(31)控制壓力大小，通過垂直位移傳感器(10)控制固結(jié)位移，待垂直位移傳感器 (10)讀數(shù)每小時(shí)小于0.01mm時(shí)固結(jié)穩(wěn)定，測得垂直位移量H2，試樣(17)高度為H = H1-H2 ；④打開第一控制閥門(27)、第二控制閥門(29)、第五控制閥門(36)和第六控制閥門(38)，通過壓力室氣壓進(jìn)氣管路(22)施加氣壓Ριη，通過孔隙水進(jìn)水管路(23)和孔隙氣進(jìn) 氣管路(15)同時(shí)施加孔隙壓力P1I和Pu，通過孔隙水排水管路(9)施加孔隙水壓力P2|， 使得差值S = Pin-P171^P2I達(dá)到試驗(yàn)要求的基質(zhì)吸力值，待孔隙氣排氣管路(12)有氣體排 出時(shí)關(guān)閉第二控制閥門(29)；⑤當(dāng)孔隙水進(jìn)水管路(23)的進(jìn)水量與孔隙水排水管路(9)的出水量差值小于或等于 5mm3，第一微型氣壓傳感器(8)、第一微型水壓傳感器(18)、第二微型水壓傳感器(25)和第 二微型氣壓傳感器(26)讀數(shù)變化均小于或等于3kPa時(shí)，認(rèn)為該狀態(tài)為滲流穩(wěn)定狀態(tài)；⑥改變孔隙冰 管路(23)7K壓力到P，i水值，使得內(nèi)部基質(zhì)吸力值達(dá)到S，=&氣-P17Κ +P2P按照步驟⑤達(dá)到滲流穩(wěn)定狀態(tài)后，測得單位時(shí)間T內(nèi)流過試樣(17)的水量為Qw，可計(jì) 算得試樣(17)在該狀態(tài)下的非飽和滲透系數(shù)&= 10*ln(S’ /S)*QWH/(TA(S’ -S))。
全文摘要
本發(fā)明是用于測定土體飽和非飽和滲透系數(shù)的試驗(yàn)方法，其特征是采用一種試驗(yàn)裝置測定土體的飽和非飽和滲透系數(shù)，該裝置由壓力室2、上底座5、上陶土板6、不銹鋼側(cè)限環(huán)7、下陶土板19、下底座20、垂直壓力升降軸13組成，分別將上陶土板6、下陶土板19抽氣飽和，將試樣17放在上陶土板6與下陶土板19之間，通過施加孔隙水壓力和孔隙氣壓力控制試樣17內(nèi)部的吸力平衡，利用該裝置可以較精確量測土體飽和非飽和滲透系數(shù)。該方法應(yīng)用簡單，測量精度高，滿足一維垂直應(yīng)力加載要求，可以量測土木工程中遇到的各種土質(zhì)在飽和狀態(tài)或非飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)。
文檔編號G01N7/10GK101813606SQ20101016810
公開日2010年8月25日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者李志清 申請人:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所