快速测定低渗透土壤渗透系数的试验装置及试验方法与流程

本发明属于渗透实验器材制造，具体涉及一种快速测定低渗透土壤渗透系数的试验装置及试验方法。

背景技术：

1、渗透系数是反映土体孔隙特征与渗水性能的关键指标。在岩土、地质、环境以及海洋工程等诸多领域，快速且准确测定土体渗透系数对于边坡稳定性评估、污染物迁移范围预测、油气开采产能预估等均有十分重要的意义。

2、目前，常用的刚性壁渗透仪只能提供较低水力梯度，准确测定低渗透土壤渗透系数需要较长试验周期；而柔性壁渗透仪虽然可以通过空压机提供较大的水力梯度，但受限于电力控制，只能局限于室内试验范畴。

3、由此，亟待开发一种可以脱离电力限制，凭借纯机械方式提供较高水力梯度以快速测定低渗透土壤渗透系数的便携式渗透性能测试装置，以便于研究人员或工程人员随时在室内或工程现场开展渗透系数测定试验。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提供了一种快速测定低渗透土壤渗透系数的试验装置及试验方法，该试验装置包括机械加载单元、装样单元、渗透供液单元；机械加载单元通过便携式固结仪为试样提供竖向加载应力，以实现固结压缩试验功能；渗透供液单元通过供液容器、活塞与便携式固结仪相结合，为试样提供稳定高水力梯度。不但，对现有非电力控制式渗透仪进行了缺陷弥补，使试验可在完全不依靠电力泵机供压的前提下，依然获得稳定的高水力梯度，并且满足快速测定低渗土壤渗透系数的功能需求；而且，整个装置原理简单、操作便捷、轻质便携、造价低廉，能满足各个领域研究人员随时随地、快速测定低渗土壤渗透系数的试验需求。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明的一个方面在于，提供一种快速测定低渗透土壤渗透系数的试验装置。该试验装置包括第一机械加载单元、第二机械加载单元、装样单元和渗透供液单元；所述装样单元设置于所述第一机械加载单元内，并且适于盛放试样；所述第一机械加载单元适于向所述装样单元施加竖向加载应力，而使所述试样固结压缩；所述渗透供液单元与所述装样单元连接，并且包括适于盛放渗透液的供液容器、以及设置于所述供液容器内并且位于所述渗透液上方的活塞；所述第二机械加载单元适于向所述活塞施加高水平的竖向加载应力，以推动所述活塞挤压所述供液容器中的渗透液稳定渗入所述试样中。

4、可选地，所述第一机械加载单元包括第一平台、第一竖向加载传力框架和第一t型螺纹钉；所述第一竖向加载传力框架设置在所述第一平台的上方，用于传递竖向加载应力；所述第一t型螺纹钉向下螺旋穿过所述第一竖向加载传力框架的正中心，用于将竖向加载应力集中传递给所述装样单元；所述第二机械加载单元包括第二平台、第二竖向加载传力框架和第二t型螺纹钉；所述第二竖向加载传力框架设置在所述第二平台的上方，用于传递竖向加载应力；所述第二t型螺纹钉向下螺旋穿过所述第二竖向加载传力框架的正中心，用于将竖向加载应力集中传递给所述活塞。

5、可选地，所述装样单元包括底盘、固定杆、固定顶环和环刀；所述底盘设置于所述第一平台；所述固定杆的底端安装于所述底盘上、其顶端安装所述固定顶环；所述环刀设置于所述固定顶环和所述底盘之间，其内部适于盛放所述试样；所述试样的下方和上方还分别设置有第一透水石和第二透水石；所述第二透水石的上方设置有承压顶盖；所述承压顶盖设置有第一t型螺纹钉凹槽，以便于承接所述第一t型螺纹钉，并将来自所述第一t型螺纹钉的竖向加载应力集中向下传递给所述试样。

6、可选地，所述底盘还设置有与所述第一透水石连接的上游排气通道；所述上游排气通道安装有上游排气控制阀；所述上游排气控制阀适于控制所述上游排气通道打开或关闭，以使所述上游排气通道外接大气或隔绝大气；所述承压顶盖还设置有下游排气通道；所述下游排气通道安装有下游排气控制阀；所述下游排气通道上下贯穿所述承压顶盖；所述下游排气控制阀适于控制所述下游排气通道打开或关闭，以使所述下游排气通道外接大气或隔绝大气。

7、可选地，所述底盘还设置有与所述第一透水石连接的上游进水通道；所述上游进水通道安装有上游进水控制阀；所述上游进水通道与所述渗透供液单元连接，用以接收渗透液；所述上游进水控制阀则适于控制所述上游进水通道打开或关闭；所述承压顶盖上还设置有下游出水通道；所述下游出水通道安装有下游出水控制阀；所述下游出水通道上下贯穿承所述压顶盖，并且外接集液杯以通过所述集液杯接收渗出液并量化其体积；所述下游出水控制阀适于控制所述下游出水通道打开或关闭。

8、可选地，所述供液容器放置在所述第二平台上，并且适于盛放无气水作为所述渗透液；所述活塞设置有第二t型螺纹钉凹槽，以便承接所述第二t型螺纹钉而将竖向加载应力集中向下传递给所述无气水。

9、可选地，所述活塞的周圈还设置有密封圈，以保证所述活塞与所述供液容器之间的绝对密封性。

10、可选地，所述密封圈设置有两个，两个所述密封圈上下均匀布置在所述活塞的外周；和/或所述密封圈涂覆有凡士林。

11、可选地，所述的试验装置还包括检测单元，用于监测所述试样的竖向位移。

12、本发明的另一个方面在于，提供一种快速测定低渗透土壤渗透系数的试验方法。该试验方法包括以下步骤：

13、s1，开始试验：

14、s11：首先制样；将底盘放置在第一平台上，并将第一透水石放进底盘中心圆形凹槽中，在其上铺一层滤纸；然后将环刀嵌在底盘上，向其中分层填入土壤，夯实形成试样；接着在试样上铺一层滤纸并放置第二透水石，将固定顶环安置在环刀之上，以固定杆和螺母固定；然后将承压顶盖放在第二透水石上，旋转第一t型螺纹钉向下移动以接触承压顶盖的第一t型螺纹钉凹槽；最后将百分表安装在百分表固定架上，使百分表的底部触针接触第一t型螺纹钉的顶端，并且记录初始百分表读数；

15、s12：加压固结；采用应力提供装置，通过第一竖向加载传力框架开始向试样施加竖向加载应力；同步打开上游排气控制阀和下游排气控制阀，以便试样顺利完成固结排水；固结完成后，关闭上游排气控制阀和下游排气控制阀；

16、s13：渗透试验；完成试样固结后，向供液容器中补充无气水；然后向下旋转第二t型螺纹钉以接触活塞的第二t型螺纹钉凹槽；采用应力提供装置，通过第二竖向加载传力框架开始向无气水施加竖向应力，制造一定量的较高水力梯度；然后开始以较高水力梯度向试样中渗透无气水；打开下游出水控制阀，通过集液杯收集渗出液并测量获得渗出液体积；

17、s2，计算渗透系数：渗透系数使用达西定律计算，并且采用常水头试验方法的计算公式获取低渗透土壤渗透系数；

18、s3，结束试验，拆卸并清洁零件。

19、相较于现有技术，本发明的技术方案至少具有以下有益效果：

20、例如，该试验装置中，通过第一机械加载单元为试样提供竖向加载应力，实现固结压缩试验功能；通过第二机械加载单元结合带活塞的渗透供液单元为试样提供稳定的高水力梯度，即通过第二机械加载单元向活塞施加高水平的竖向加载应力后，该竖向加载应力会推动活塞挤压供液容器中的渗透液稳定渗入试样中；该试验装置弥补了现有非电力控制式渗透仪的缺陷，使试验可在完全不依靠电力泵机供压的前提下，依然获得稳定的高水力梯度，并且能够满足快速测定低渗土壤渗透系数的功能需求。

21、又例如，渗透供液单元中带双层密封圈的活塞具有导向、密封以及低摩擦阻力特征，可以向无气水以极低应力损耗传递竖向加载应力。

22、又例如，在密封圈上涂抹凡士林还能基本消除侧壁阻力即低摩擦阻力，以确保高水平应力有效传递给渗透液，使试样在渗透过程中获得稳定的高水力梯度，从而实现渗透系数的快速测定。

23、又例如，本发明的整个装置原理简单、操作便捷、轻质便携、造价低廉，能满足各个领域研究人员随时随地、快速测定低渗土渗透系数的试验需求。