一種快速測定粗粒土滲透系數(shù)的裝置及測定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種測定粗?！罎B透系數(shù)的裝置及方法，屬于±工試驗技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] ±中孔隙相互連通時可形成透水通道，雖然該些通道很不規(guī)則，且往往很狹窄，但 水可W靠重力沿著該些通道在上中流動。水在上孔隙通道中流動的現(xiàn)象，叫做水的滲流；上 可W被水透過的性質(zhì)，稱為±的滲透性或透水性，它是±的力學(xué)性質(zhì)之一?！赖臐B透系數(shù)是 評定±滲透性大小的參數(shù)，±的滲透系數(shù)越大，則透水性越強；反之，則越弱。
[0003] 粗?！赖臐B透系數(shù)約為1(T2?10 -4cm/s，是一種透水性較好的材料，可W通過滲透 儀滲水的方式直接測定其滲透系數(shù)，即常水頭滲透測試試驗；粗?！涝趫A柱形的滲透儀內(nèi) 分層制樣飽和后，水由上部注入滲透儀，調(diào)整滲透儀下部出水口高度W施加常水頭（常水 壓），讀取滲透儀側(cè)壁上的兩個測壓管的水位差（水壓差）Ah,將該水位差A(yù)h除W兩個測 壓管在滲透儀側(cè)壁上的垂直間距L得到單位流程的水頭損失即水力梯度i ;同時用量筒接 取、測量出滲透儀下部出水口單位時間流出的滲透水量q，由達西定律q = k ? i ? A算出其 滲透系數(shù)k。（式中A為滲透儀內(nèi)腔的橫截面面積）。該種方法測試結(jié)果精確，在室內(nèi)的實 驗室測試中使用廣泛。但其存在W下問題：需要?？诘臐B透儀，測試不方便。由于側(cè)壁上的 兩個測壓管孔徑小，滲透水滲入測壓管緩慢、兩個測壓管的的水位上升至達到平衡的穩(wěn)定 水位點的時間長，導(dǎo)致測試時間長。無法滿足野外工程現(xiàn)場，簡單、快速測定粗?！赖臐B透 系數(shù)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的第一發(fā)明目的是提供一種快速測定粗?！罎B透系數(shù)的裝置，該裝置易于 構(gòu)造，可快速、方便的測定粗?！赖臐B透系數(shù)，尤其適合施工現(xiàn)場使用。
[0005] 本發(fā)明實現(xiàn)其第一發(fā)明目的所采取的技術(shù)方案是：一種快速測定粗?！罎B透系數(shù) 的裝置，其組成是；圓柱形的且無底無蓋的±樣筒，±樣筒置于圓形透水板上，圓形透水板 通過支撐架置于集水容器內(nèi)。
[0006] 本發(fā)明的第二發(fā)明目的是提供一種使用上述快速測定粗?！罎B透系數(shù)的裝置，測 定粗?！罎B透系數(shù)的方法，該方法操作簡便，可快速、方便的測定出粗?！赖臐B透系數(shù)，尤 其適合施工現(xiàn)場使用。
[0007] 本發(fā)明實現(xiàn)其第二發(fā)明目的所采取的技術(shù)方案是，一種使用上述快速測定粗?！?滲透系數(shù)的裝置，測定粗?！罎B透系數(shù)的方法，其步驟為：
[000引 a、試驗準(zhǔn)備
[0009] 將粗粒±在±樣筒內(nèi)分層制樣、飽和，在±樣筒內(nèi)得到飽和的待測的粗?！罉樱浑S 即將±樣筒置于圓形透水板上，同時，圓形透水板通過支撐架置于集水容器內(nèi)；
[0010] b、滲透試驗
[0011] 用滴管向±樣筒內(nèi)的粗粒±樣上表面均勻滴水，直至粗?！罉由媳砻嫘纬伤?， 并通過不斷滴水使水膜保持；同時，±樣筒內(nèi)的水不斷經(jīng)粗?！罉酉蛳聺B透，經(jīng)圓形透水板 滴入集水容器；
[001引 C、滲透系數(shù)測定
[0013] 滲透試驗進行的同時，在規(guī)定的時間t內(nèi)，收集并測量集水容器內(nèi)的水量；如此操 作重復(fù)進行，直至連續(xù)四次測量出的水量相互間的差值小于設(shè)定的闊值；然后，將四次測量 出的水量取平均值Q，通過k = Q/(A ? t)，即測得粗?！罉拥臐B透系數(shù)k，式中；A為±樣筒 內(nèi)腔的橫截面面積。
[0014] 進一步，本發(fā)明的±樣筒置于圓形透水板上的方式為±樣筒的底部與圓形透水板 固定連接；所述的支撐架為固定連接在圓形透水板上的=角架。
[0015] 該種部件相互固定連接的測定裝置相對于部件相互分離的測定裝置，制樣時±樣 筒會和其他部件一起移動，不夠方便靈活，便攜性不足；但操作時省去了組裝部件的步驟， 節(jié)省了測量時間，重復(fù)性和再現(xiàn)性更好。
[0016] 本發(fā)明的原理是；
[0017] 水在±中流動遵從水力學(xué)的能量方程，即著名的伯努利方程。根據(jù)該方程，相對于 任意確定的基準(zhǔn)面，±中一點的總水頭h為：
[001 引 h = z+hw+hy
[0019] 式中；z-一位置水頭，即該點與基準(zhǔn)面的高度；
[0020] h，一一壓力水頭，即該點處開口測壓管的液柱高度；
[0021] hy-一動水頭，即該點處水垂直向上噴射到空氣中所達到高度。
[0022] 動水頭hy與速度平方成正比，由于水在±中滲流的速度一般很小，hy可W忽略不 計，該樣，總水頭h z+h，。
[002引如果±中存在總水頭差，即水頭損失，則水將從總水頭高處沿著±中孔隙通道向 總水頭低處流動，單位流程的水頭損失即為滲流水力梯度i，可按式（1)計算。
[0024] i = - (1) L
[0025] 式中；Ah--水頭損失；
[0026] L--流程。
[0027] 水在±中的流動大多緩慢，屬于層流，符合達西定律，滿足式（2)的關(guān)系。
[002引 q = k ? A ? i 似
[0029] 式中；q--單位時間通過±體橫截面的水量；
[0030] A--±體截面積；
[0031] i--水力梯度；
[0032] k-滲透系數(shù)。
[0033] 故可W通過達西定律測定粗粒上的滲透系數(shù)k = q/(A ? i)。
[0034] 在本發(fā)明中，由于試樣上表面的自由液面厚度只有1mm，幾乎沒有靜水壓力，則上 表面壓力水頭0,上表面總水頭h 1近似等于位置水頭Z 1，即Z 1;在試樣下表面由 于液體自由流出，也幾乎沒有靜水壓力，則下表面壓力水頭0,下表面總水頭h 2近似等 于位置水頭Z2,即h2> Z 2。故試樣上下表面的水頭損失Ah = hi-h2> Z 1-Z2= H，水力梯 度a二^ ^ = 1，其中，H為試樣高度，又為本試驗中滲流的流程。由此可見，在本裝 置中，沿±樣滲流路徑的水力梯度i = 1為恒定值，且與±樣性質(zhì)無關(guān)。待滲流穩(wěn)定，滲流 流量q可通過一定時間t內(nèi)收集的滲流水的體積Q得出；q = Q/t，再由達西定律計算出試 樣的滲透系數(shù)： q Q Q
[0035] k 二-- -- A i A -1 -1 A ? t
[0036] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0037] 一、試驗裝置中±樣筒為上下無底圓筒，其側(cè)壁不設(shè)測壓孔和測壓管，也無需設(shè)置 試樣的進出水位調(diào)節(jié)機構(gòu)，試驗準(zhǔn)備及其試驗操作非常簡單。僅僅需要一個無底無蓋的筒 狀器具、一個可透水的板材、一個集水容器及一個可將板材支撐于集水容器內(nèi)的支撐架即 可，甚至可W在現(xiàn)場臨時組裝、構(gòu)造，使野外工程現(xiàn)場在沒有專用器具的情況下，也能測定 粗?！罎B透系數(shù)。
[003引二、現(xiàn)有設(shè)備及方法需要通過測壓管測定沿流程的水力梯度i，而本發(fā)明中，基于 ±樣頂面和底面均沒有壓力水頭，只有位置水頭，滲流路徑又為±樣的整體高度，故推出其 水力梯度i > 1，而無需通過測壓管讀取滲流過程中±樣內(nèi)兩點的水頭損失，試驗操作更加 簡便；同時，由于無需等待側(cè)壁上的兩個小孔徑測壓管內(nèi)的滲透水的緩慢滲入、水位上升至 達到平衡的穩(wěn)定水位點過程，使得測試時間大大縮短，滿足野外工程快速測定粗?！罎B透 系數(shù)的要求。本發(fā)明基于±樣頂面和底面無素流的、層流水力學(xué)計算，大大簡化了試驗裝置 和試驗方法，測定結(jié)果與現(xiàn)有方法的測量結(jié)果在同一個評定級內(nèi)，其測定誤差滿足工程要 求。
[0039] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
【附圖說明】
[0040] 圖1為本發(fā)明實施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0041] 實施例一
[0042] 圖1示出，本發(fā)明的一種【具體實施方式】是，一種快速測定粗?！罎B透系數(shù)的裝置， 其組成是；圓柱形的且無底無蓋的±樣筒1，±樣筒1置于圓形透水板2上，圓形透水板2通 過支撐架3置于集水容器4內(nèi)。
[0043] 使用本例的用于快速測定粗粒±滲透系數(shù)的裝置，測定粗?！罎B透系數(shù)的方法， 其步驟為：
[0044] a、試驗準(zhǔn)備
[0045] 將粗?！涝凇罉油?內(nèi)分層制樣、飽和，在±樣筒1內(nèi)得到飽和的待測的粗?！罉?5 ;隨即將±樣筒1置于圓形透水板2上，同時，圓形透水板2通過支撐架3置于集水容器4 內(nèi)；
[0046] b、滲透試驗
[0047] 滲水隨后，用滴管向±樣筒1內(nèi)的粗?！罉?上表面均勻滴水，直至粗?！罉?上 表面形成水膜，并通過不斷滴水使水膜保持；同時，±樣筒1內(nèi)的水不斷經(jīng)粗粒±樣5向下 滲透，經(jīng)圓形透水板2滴入集水容器4 ;
[0048] C、滲透系數(shù)測定
[0049] 滲透試驗進行的同時，在規(guī)定的時間t內(nèi)，收集并測量集水容器4內(nèi)的水量；如此 操作重復(fù)進行，直至連續(xù)四次測量出的水量相互間的差值小于設(shè)定的闊值；然后，將四次測 量出的水量取平均值Q，通過k = Q/(A ? t)，即測得粗粒±樣5的滲透系數(shù)k，式中；A為± 樣筒1內(nèi)腔的橫截面面積。
[0化日]試驗驗證；
[0051] 采用W上實施例的裝置及測定方法，對某粗?！罉拥臐B透系數(shù)進行了測定，測試 結(jié)果見表3。該粗?！涝嚇訁?shù)見表1，粒徑組成見表2。
[0化2] 采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)常水頭滲透試驗測定同種粗?！罉訚B透系數(shù)的試驗數(shù)據(jù)W及結(jié) 果見表4。
[0053] 由于±的透水性強弱是通過滲透系數(shù)的數(shù)量級的量級差異來判定，本發(fā)明測定出 的滲透系數(shù)為4. 60 X l(T4cm/s，而現(xiàn)有方法測出的滲透系數(shù)為5. 62 X l(T4cm/s。兩種方法測 定結(jié)果屬于同一個評定級（數(shù)量級），其測定誤差滿足工程要求。
[0化4] 表1試樣及滲透試驗參數(shù) [0 化 5]
【主權(quán)項】
1. 一種快速測定粗粒土滲透系數(shù)的裝置，其組成是：圓柱形的且無底無蓋的土樣筒 (1)，土樣筒（1)置于圓形透水板（2)上，圓形透水板（2)通過支撐架（3)置于集水容器（4) 內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速測定粗粒土滲透系數(shù)的裝置，其特征在于：所述的 土樣筒（1)置于圓形透水板（2)上的方式為：土樣筒（1)的底部與圓形透水板（2)固定連 接；所述的支撐架（3)為固定連接在圓形透水板（2)上的三角架。
3. -種使用權(quán)利要求1所述的快速測定粗粒土滲透系數(shù)的裝置，測定粗粒土滲透系數(shù) 的方法，其步驟為： a、 試驗準(zhǔn)備 將粗粒土在土樣筒（1)內(nèi)分層制樣、飽和，在土樣筒（1)內(nèi)得到飽和的待測的粗粒土樣 (5);隨即將土樣筒⑴置于圓形透水板⑵上，同時，圓形透水板⑵通過支撐架⑶置于 集水容器⑷內(nèi)； b、 滲透試驗 用滴管向土樣筒（1)內(nèi)的粗粒土樣（5)上表面均勻滴水，直至粗粒土樣（5)上表面形 成水膜，并通過不斷滴水使水膜保持；同時，土樣筒（1)內(nèi)的水不斷經(jīng)粗粒土樣（5)向下滲 透，經(jīng)圓形透水板（2)滴入集水容器（4); c、 滲透系數(shù)測定 滲透試驗進行的同時，在規(guī)定的時間t內(nèi)，收集并測量集水容器（4)內(nèi)的水量；如此操 作重復(fù)進行，直至連續(xù)四次測量出的水量相互間的差值小于設(shè)定的閾值；然后，將四次測量 出的水量取平均值Q，通過k = QAA *t)，即測得粗粒土樣（5)的滲透系數(shù)k，式中：A為土 樣筒（1)內(nèi)腔的橫截面面積。
【專利摘要】一種快速測定粗粒土滲透系數(shù)的裝置及測定方法,其裝置的組成是：圓柱形的且無底無蓋的土樣筒(1)，土樣筒(1)置于圓形透水板(2)上，圓形透水板(2)通過支撐架(3)置于集水容器(4)內(nèi)。該裝置易于構(gòu)造，可快速、方便的測定出粗粒土的滲透系數(shù)，尤其適合施工現(xiàn)場使用。
【IPC分類】G01N15-08
【公開號】CN104568696
【申請?zhí)枴緾N201410822144
【發(fā)明人】羅強, 劉孟適, 梁多偉, 陳堅, 張良, 蔣良濰, 謝濤, 連繼峰, 石曉旺, 薛猛
【申請人】西南交通大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月25日