CN114112842A - 温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，包括低温控制箱，所述低温控制箱内设置有渗透试验罐，所述渗透试验罐的一端设置有第一温度控制机构，渗透试验罐的另一端设置有第二温度控制机构，渗透试验罐的一侧设置有多个温度传感器，渗透试验罐的另一侧设置有多个孔隙水压力传感器，多个温度传感器和多个孔隙水压力传感器外接数据采集设备，渗透试验罐内填充有试样，渗透试验罐的两端分别设置有第一排水阀和第二排水阀，渗透试验罐外接有储水罐。
Description
技术领域
本发明涉及岩土渗透系数测量技术领域，具体涉及一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***
背景技术
冻土指温度在0℃及以下的含有冰的土或岩石。当土体冻结时，其中大部分水分冻结成冰，不仅极大提高了冻土的强度，还很大程度上降低了土体的渗透性，从而一般将冻土当做隔水材料。然而，冻土中仍然存在较多的未冻水，尤其是在接近相变点的温度时，未冻水含量急剧增大而接近于融土含水量，从而土体渗透性也迅速增大，不可忽视。因此，准确测定冻土在不同物质组成、不同温度条件下的渗透系数，对于揭示冻土水分动态迁移规律、寒区地下水补给过程、地基冻胀融沉计算以及水文水资源计算等具有重要科学意义，也对寒区道路工程建设、水工建筑物修建、地下工程冻结法施工、核电站应急冻结防渗及农业土壤持水等方面有重要的支撑作用。
由于处于负温条件下，土体中的冰-水之间始终保持动态变化，这使得冻土渗透系数的测量比常规土测量困难的多，常规方法不再适用于冻土领域。目前，国内外学者对冻土渗透系数的测量方法开展了很多的探索工作，但基本也都基于常用的常水头法和变水头法，然而经过申请人多年重复尝试，这些方法很难得到满意的测量结果，准确度和可靠度无法满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，解决现有冻土渗透系数的测量方法存在准确度和可靠度较差的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，包括低温控制箱，所述低温控制箱内设置有渗透试验罐，所述渗透试验罐的一端设置有第一温度控制机构，渗透试验罐的另一端设置有第二温度控制机构，渗透试验罐的一侧设置有多个温度传感器，渗透试验罐的另一侧设置有多个孔隙水压力传感器，多个温度传感器和多个孔隙水压力传感器外接数据采集设备，渗透试验罐内填充有试样，渗透试验罐的两端分别设置有第一排水阀和第二排水阀，渗透试验罐外接有储水罐。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述第一温度控制机构包含第一温控板，所述第一温控板外接有第一冷却液循环设备。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述第二温度控制机构包含第二温控板，所述第二温控板外接有第二冷却液循环设备。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述第一温控板和所述第二温控板均通过多个螺栓设置在渗透试验罐的两端。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述第一温控板、第二温控板与试样之间均设置有透水石和滤纸。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述温度传感器和所述孔隙水压力传感器均通过密封螺栓设置在渗透试验罐的两侧。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述温度传感器与渗透试验罐之间设置有温度传感器密封环。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述孔隙水压力传感器顶端设置有透水石并采用高粘度硅油饱和。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述储水罐内设置有位移计。
作为本发明的一种优选的技术方案，所述位移计为磁致伸缩位移计。
本发明的有益效果是：(1)本发明的一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，采用温度梯度驱动水分迁移，相比外压力驱动，避免了渗流介质沿试验装置内侧壁的流动，也解决了冻土端面形成冰帷幕导致渗透介质无法渗入的问题，不仅实现对饱和冻土渗透系数的测量，而且测试成功率更高，测量结果更准确、可靠；(2)本发明的一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，所采用的渗流介质仍是和冻土内相同的水，这就避免了采用其他不冻液等介质对冻土结构所造成的扰动甚至破坏，测试结果接近实际情况；(3)本发明的一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，采用的孔隙水压力传感器可以测量冻土内的正负压变化，可以直接得到测量段两端压力差用以结果计算，计算结果更加准确。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***的结构示意图。
图中：1.低温控温箱，2.渗透试验罐，3.第一控温板，4.第二控温板，5.控温板密封环，6.透水石，7.滤纸，8.试样，9.温度传感器，10.密封螺栓，11.温度传感器密封环，12.孔隙水压力传感器，13.孔压传感器透水石，14.孔压传感器密封环，15.固定立柱，16.第一冷却液循环设备，17.第二冷却液循环设备，18.储水罐，19.位移计，20.补水阀门，21.第一排水阀，22.第二排水阀，23.数据采集设备。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明的一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，包括低温控制箱1，低温控制箱1内设置有渗透试验罐2，渗透试验罐2的一端设置有第一温度控制机构，渗透试验罐2的另一端设置有第二温度控制机构，渗透试验罐2的一侧设置有多个温度传感器9，渗透试验罐2的另一侧设置有多个孔隙水压力传感器12，多个温度传感器9和多个孔隙水压力传感器12外接数据采集设备23，渗透试验罐2内填充有试样8，渗透试验罐2的两端分别设置有第一排水阀21和第二排水阀22，渗透试验罐2外接有储水罐18。
第一温度控制机构包含第一温控板3，第一温控板3外接有第一冷却液循环设备16。第二温度控制机构包含第二温控板4，第二温控板4外接有第二冷却液循环设备17。第一温控板3和第二温控板4均通过多个螺栓设置在渗透试验罐2的两端。第一温控板3、第二温控板4与试样8之间均设置有透水石6和滤纸7。温度传感器9和孔隙水压力传感器12均通过密封螺栓10设置在渗透试验罐2的两侧。温度传感器9与渗透试验罐2之间设置有密封环11。孔隙水压力传感器12顶端设置有透水石6并采用高粘度硅油饱和。储水罐18内设置有位移计19，位移计19为磁致伸缩位移计。
渗透试验罐2与第二控温板4、下控温板3共同形成封闭***，试样8置于封闭***中，在试样8与第一控温板3、第二温控版4之间放置透水石6和滤纸7；四根固定立柱15将渗透装置紧密固定；多个温度传感器9在渗透试验罐2一侧等间距排列，并由密封螺栓10和温度传感器密封环11密封固定；多个孔隙水压力传感器12在渗透试验罐2另一侧等间距排列，并由孔压传感器密封环14密封，在孔隙水压力传感器12端部安装有孔压传感器透水石13；以上部分共同组成渗透实验装置并放置于低温控温箱1内。第二控温板4连接第二冷却液循环设备17，第一控温板3连接冷液循环设备16。储水罐18和位移计19组成水分补给装置连接到第一控温板3靠内位置，并在连接处设置补水阀门20，在渗透试验罐2另一侧设置阀第一阀门21，在第二控温板4靠内位置设置第二阀门22。温度传感器9和孔隙水压力传感器12连接到数据采集设备23。
渗透试验罐2由双层高真空有机玻璃筒制成，极大降低了环境温度对试样侧面的影响，提高试验结果精确性。
孔隙水压力传感器12传压通道及端部孔压传感器透水石13中以高粘度硅油饱和作为压力传递介质，硅油在低温下不冻结，且不溶于水不会破坏冻土结构。
储水罐18用于存储渗透试验需要的渗透水，位移计19实时监测渗流水量变化，采用水作为渗透介质最接近实际情况，使测试结果更准确，同时第一控温板3保持正温，可以在试样8一端形成通畅的渗入面。
固定立柱15将第一控温板3和第二温控板4与渗透试验罐2固定在一起，限制了在试验过程中试样体积的变化，维持其干密度水平，使得渗流水量及渗流长度的计算更加精确。
一种基于温度梯度作用的冻土渗透系数测量方法，基于本发明的一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***实现，包括以下步骤：
制备试样，具体为：将试件材料烘干、破碎，利用筛分法得到制样干土；
将干土与水混合，搅拌均匀后再次过筛得到均匀的湿土材料；
按照设计干密度在渗透试验罐2内分层压缩至相应高度；
将温度传感器9以及预先饱和硅油的孔隙水压力传感器12安装到渗透试验罐2上；
将两端的透水石6、滤纸7及第一控温板3和第二温控板4安装并用立柱将整个装置固定，打开所有补水阀门20、第一排水阀21、第二排水阀22进行抽气饱水；最后将装置整体放入冷冻箱内快速冻结即得所述试样8；
将所述试样8及试验装置放置于低温控温箱1内，渗透试验装置外侧整体包裹保温材料，将第一控温板3和第二温控板4分别连接第一冷却液循环设备16和第二冷却液循环设备17，将水分补给装置连接渗透试验罐一端(暖端)，关闭补水阀门20、第一排水阀21、第二排水阀22；
将第一控温板3温度调至正温，第二控温板4温度调至负温，待试样温度梯度稳定后，打开补水阀门20、第一排水阀21，待第一排水阀21出水稳定后关闭第一排水阀21，此时为试验开始时间，持续一段时间后结束试验；
将试样8取出，切割成薄厚相同的薄片，分别称量含水量。根据含水量分布及温度分布情况确定测量段位置及长度，测量段冷端一侧总含水量比未经试验试样含水量的增量即为试验过程中水分迁移量，并确定该测量段试验过程中的温度。
按照下述公式计算即可得到所述试样8在相应温度下的渗透系数：
上式中，mw为迁移水总质量，L为试样测量段长度，g为重力加速度，A为试样截面积，p为测量段两端压力差，t为试验时长。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，包括低温控制箱(1)，所述低温控制箱(1)内设置有渗透试验罐(2)，所述渗透试验罐(2)的一端设置有第一温度控制机构，渗透试验罐(2)的另一端设置有第二温度控制机构，渗透试验罐(2)的一侧设置有多个温度传感器(9)，渗透试验罐(2)的另一侧设置有多个孔隙水压力传感器(12)，多个温度传感器(9)和多个孔隙水压力传感器(12)外接数据采集设备(23)，渗透试验罐(2)内填充有试样(8)，渗透试验罐(2)的两端分别设置有第一排水阀(21)和第二排水阀(22)，渗透试验罐(2)外接有储水罐(18)。
2.根据权利要求1所述的温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述第一温度控制机构包含第一温控板(3)，所述第一温控板(3)外接有第一冷却液循环设备(16)。
3.根据权利要求2所述的温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述第二温度控制机构包含第二温控板(4)，所述第二温控板(4)外接有第二冷却液循环设备(17)。
4.根据权利要求3所述的温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述第一温控板(3)和所述第二温控板(4)均通过多个螺栓设置在渗透试验罐(2)的两端。
5.根据权利要求4所述的温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述第一温控板(3)、第二温控板(4)与试样(8)之间均设置有透水石(6)和滤纸(7)。
6.根据权利要求5所述的温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述温度传感器(9)和所述孔隙水压力传感器(12)均通过密封螺栓(10)设置在渗透试验罐(2)的两侧。
7.根据权利要求6所述的温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述温度传感器(9)与渗透试验罐(2)之间设置有温度传感器密封环(11)。
8.根据权利要求7所述的温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述孔隙水压力传感器(12)顶端设置有透水石(6)并采用高粘度硅油饱和。
9.根据权利要求8所述的温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述储水罐(18)内设置有位移计(19)。
10.根据权利要求9所述的温度梯度下的饱和冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述位移计(19)为磁致伸缩位移计。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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