CN117054315A - 一种冻土渗透系数测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冻土渗透系数测量***，包括：恒温箱；试验仓，设于恒温箱内，其侧壁分别设置有多个孔压传感器和多个温度传感器，试验仓的侧壁内设置有循环通道，循环通道的进口、出口均与冷浴相连接；下样品仓，固定于试验仓内的下部；阳极金属板，设于下样品仓内的底部；未冻水源段，设于下样品仓内；下渗透限位板，设于下样品仓的顶部；渗透测试段，设于试验仓内且位于下渗透限位板上；上渗透限位板，设于渗透测试段上；上限位环，固定于试验仓内的上部；流量计量段，设于上限位环内；阴极金属板，设于上限位环内，其上设置有多个位移传感器；阳极金属板、阴极金属板均与直流稳压电源相连接。本发明能够精确测量获得更准确的冻土渗透系数。
Description
技术领域
本发明涉及冻土测量技术领域，尤其涉及一种冻土渗透系数测量***。
背景技术
在寒区岩土及水利工程、人工冻结工程、冻土水文及寒区水土环境整治与修复等传统与新兴冻土学领域中，水分迁移的重要性被广泛认可，并日益成为学术界和工程界关注的焦点。随着各种冻土工程（特别是人工冻结）数量的快速增加以及对冻土生态环境的日益重视，迫切需要***和深入研究冻土渗透规律及其变化机制。冻土渗透系数是描述冻土中水分渗透性质的参数，它表示了冻土对水分渗透的能力或速度，具体来说，渗透系数衡量了水分在冻土中垂直流动的难易程度。总体上，冻土渗透系数的测量分为两种方法：利用渗透试验直接测量和利用温度梯度下水分迁移试验间接获得。
在直接测量中，试验结果易受温度波动、渗透介质、冻融循环次数、试验仓与试验土样之间的侧壁流影响导致误差较大或试验失败。在利用常水头或变水头直接测量冻土渗透系数试验中，试验结果受诸多因素影响。在试验过程中需要保持精确稳定的负温条件，否则温度的较大波动会导致冻土结构改变而增大试验误差；渗透介质是开展冻土渗透试验的关键，诸多低温不冻结的介质，如乳糖溶液、乙二醇、癸烷、柴油、空气以及氯化钠溶液等，有效辅助了试验顺利进行。然而不冻介质的渗入不可避免地扰动了冻土冰-水平衡乃至引起局部融化，而产生较大误差；有学者采用去离子水作为渗透介质，并设计了融-冻-融的三段控温试验方式消除试样表面冰膜阻隔的影响，但由此带来了有效渗流长度难以确定的问题；冻土试样与渗透仓界面交界处可能使渗透介质发生侧壁流而导致试验误差甚至试验失败。在间接试验中，通过Clausius-Clapeyron方程将温度梯度转化为压力梯度，然而试样温度的梯度分布引起有效渗流长度不确定性的弊病。
可见，虽然现有试验研究取得了一定的成果，但其面临的诸多困难导致未能形成统一的测试方法和标准；冻土渗透性试验数据和我们对其规律性认识仍非常欠缺，同时这些测试结果可重复性和可信性较低。总而言之，冻土渗透系数试验测量仍面临着巨大挑战，对冻土渗透性质的认识也极为有限，因而亟需探索更优的测量方法对冻土渗透性质进行更全面研究。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种冻土渗透系数测量***。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种冻土渗透系数测量***，包括：
恒温箱；
试验仓，设于所述恒温箱内，所述试验仓内部中空且上下两端开口，所述试验仓的侧壁分别设置有多个孔压传感器和多个温度传感器，所述试验仓的侧壁内设置有循环通道，所述循环通道的进口、出口均与冷浴相连接；
下样品仓，固定于所述试验仓内的下部，所述下样品仓内部中空且下端封闭、上端开口；
阳极金属板，设于所述下样品仓内的底部；
未冻水源段，设于所述下样品仓内且位于所述阳极金属板上；
下渗透限位板，设于所述下样品仓的顶部；
渗透测试段，设于所述试验仓内且位于所述下渗透限位板上；
上渗透限位板，设于所述渗透测试段上；
上限位环，固定于所述试验仓内的上部且位于所述上渗透限位板上；
流量计量段，设于所述上限位环内且位于所述上渗透限位板上；
阴极金属板，设于所述上限位环内且位于所述流量计量段上，所述阴极金属板上设置有多个位移传感器；
所述阳极金属板、阴极金属板均与直流稳压电源相连接。
作为本发明的进一步改进，所述渗透测试段、流量计量段均采用相同的土体，所述未冻水源段采用的土体与所述渗透测试段采用的土体不同。
作为本发明的进一步改进，所述未冻水源段采用膨润土制备而成，所述渗透测试段、流量计量段均采用黏土制备而成。
作为本发明的进一步改进，所述下样品仓与阳极金属板对应位置处设置有下抽真空阀，所述阴极金属板处设置有上抽真空阀，所述下抽真空阀、上抽真空阀均与三通开关阀相连接，所述三通开关阀分别与真空泵和补水装置相连接。
作为本发明的进一步改进，所述下样品仓的内表层、上限位环的内表层均设置有特氟龙涂层。
作为本发明的进一步改进，所述循环通道的进口位于所述试验仓的顶部，所述循环通道的出口位于所述试验仓的下侧部。
作为本发明的进一步改进，所述下样品仓的底部向外延伸有第一环形部，所述第一环形部固定于所述试验仓的底部，所述上限位环的顶部向外延伸有第二环形部，所述第二环形部固定于所述试验仓的顶部。
作为本发明的进一步改进，多个所述孔压传感器、多个所述温度传感器均设置成两组，两组所述孔压传感器、两组所述温度传感器均呈上下布置。
作为本发明的进一步改进，所述孔压传感器、温度传感器、位移传感器均与数据采集***相连接，所述数据采集***与计算机相连接。
作为本发明的进一步改进，所述试验仓为有机玻璃筒。
本发明的有益效果是：
（1）通过自制试验仓外接冷浴并将其整个试验装置放在恒温箱内，可精准控制试验土体的温度，避免温度的较大波动导致冻土结构改变而增大试验误差，同时也可起到抑制土样与试验仓之间 “侧壁流”作用。
（2）通过下样品仓、下渗透限位板、上渗透限位板和上限位环的配合，可完全抑制中部的渗透测试段的土体冻胀，避免土体冻胀使渗流通道减少导致的孔隙率和渗流量降低而影响试验结果，同时通过抑制冻胀可以防止水分在渗透测试段积聚而影响流量计量段的测量结果，也可通过抑制冻胀来防止功能段土体交界处形成冰膜而使水分迁移受阻。
（3）电渗作用下未冻水迁移均匀发生于整个冻土体内，避免了现有冻土渗透试验中存在的冰膜、侧壁流以及渗透介质扰动等诸多问题，在冻土渗透性测量方面具备较大的优势。本发明通过电渗作用来引起孔隙水渗流，渗流速度沿电势方向上的差值引起负孔压的产生，负孔压梯度等效于引起水分迁移的水力梯度，结合电渗下位移传感器精确地记录流量计量段冻胀量的变化揭示渗流速率发展过程，即可获得更为准确的冻土渗透系数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的优选实施例的***结构示意图；
图2为本发明的优选实施例的试验仓内设置循环通道的结构示意图；
图3为图2的截面图；
图4为本发明的优选实施例的下样品仓的结构示意图；
图5为本发明的优选实施例的上限位环的结构示意图；
图中：1、恒温箱，2、试验仓，21、孔压传感器，22、温度传感器，23、循环通道，231、进口，232、出口，3、冷浴，4、下样品仓，41、第一环形部，411、第一螺纹孔，412、第一螺栓，51、阳极金属板，52、阴极金属板，61、未冻水源段，62、渗透测试段，63、流量计量段，71、下渗透限位板，72、上渗透限位板，73、上限位环，731、第二环形部，7311、第二螺纹孔，7312、第二螺栓，7313、贯穿孔，8、位移传感器，91、直流稳压电源，92、下抽真空阀，93、上抽真空阀，94、三通开关阀，95、真空泵，96、补水装置，97、数据采集***，98、计算机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，本申请实施例公开了一种冻土渗透系数测量***，包括：恒温箱1；试验仓2，设于恒温箱1内，试验仓2内部中空且上下两端开口，试验仓2的侧壁分别设置有多个孔压传感器21和多个温度传感器22，试验仓2的侧壁内设置有循环通道23，循环通道23的进口231、出口232均与冷浴3相连接；下样品仓4，固定于试验仓2内的下部，下样品仓4内部中空且下端封闭、上端开口；阳极金属板51，设于下样品仓4内的底部；未冻水源段61，设于下样品仓4内且位于阳极金属板51上；下渗透限位板71，设于下样品仓4的顶部；渗透测试段62，设于试验仓2内且位于下渗透限位板71上；上渗透限位板72，设于渗透测试段62上；上限位环73，固定于试验仓2内的上部且位于上渗透限位板72上；流量计量段63，设于上限位环73内且位于上渗透限位板72上；阴极金属板52，设于上限位环73内且位于流量计量段63上，阴极金属板52上设置有多个位移传感器8；阳极金属板51、阴极金属板52均与直流稳压电源91相连接。
通过阳极金属板51、阴极金属板52与直流稳压电源91的配合，对土体施加电场时，孔隙水会发生朝向阴极的移动，即电渗现象，也就是在电势梯度下阳极区域的孔隙未冻水会向阴极区域产生显著迁移。本实施例通过试验仓2外接冷浴3，同时配合恒温箱1，可精准控制试验土体的温度，避免温度的较大波动导致冻土结构改变而增大试验误差，同时也可起到抑制土样与试验仓2之间“侧壁流”作用。下渗透限位板71和上渗透限位板72能够便于未冻水的渗流，同时通过下样品仓4、下渗透限位板71、上渗透限位板72和上限位环73的设置，且下样品仓4、上限位环73均固定于试验仓2，则下样品仓4与下渗透限位板71围成的空间不变，上渗透限位板72、试验仓2以及下渗透限位板71围成的空间不变，从而能够抑制下部的未冻水源段61和中部的渗透测试段62的土体冻胀，可以防止渗流水在渗透测试段62结冰，从而避免渗透测试段62土体的水分重结晶使渗流通道减少而造成的孔隙率和渗流量降低，从而避免未冻水源段61和渗透测试段62结构改变而造成的实验结果误差，同时通过抑制冻胀可以防止水分在渗透测试段62积聚而影响流量计量段63的测量结果，也可通过抑制冻胀来防止功能段交界处形成冰膜而使水分迁移受阻。本实施例优选渗透测试段62、流量计量段63均采用相同的土体，未冻水源段61采用的土体与渗透测试段62的土体不同。通过孔压传感器21采集的数据来等效水力梯度。通过温度传感器22来精确掌握土体温度，通过控制变量试验可推导冻土渗透系数随温度的变化公式，这样就为人工冻结法和冻融作用的排水固结提供依据。
优选试验仓2为有机玻璃筒，耐用，且便于后续各部分安装在试验仓2内和观察试验仓2内的情况。
渗透测试段62、流量计量段63均采用相同的土体，未冻水源段61采用的土体与渗透测试段62采用的土体不同。
具体地，未冻水源段61采用膨润土制备而成，渗透测试段62、流量计量段63均采用黏土制备而成。膨润土比表面积大、孔隙率高，从而使得未冻水源段61内的未冻水含量高、渗透通道更多。渗透测试段62、流量计量段63并不局限于黏土，也可以根据试验需要选择相应的土体。
优选下渗透限位板71、上渗透限位板72上均设置有滤纸（图中未示出），能够阻挡过滤土体，同时便于未冻水的渗透。
优选下样品仓4与阳极金属板51对应位置处设置有下抽真空阀92，阴极金属板52处设置有上抽真空阀93，下抽真空阀92、上抽真空阀93均与三通开关阀94相连接，三通开关阀94分别与真空泵95和补水装置96相连接。具体地，在下样品仓4与阳极金属板51对应位置开设内螺纹，以实现与下抽真空阀92螺纹固定。具体地，在阴极金属板52处开设内螺纹，以实现与上抽真空阀93螺纹固定。三通开关阀94先连通真空泵95，通过下抽真空阀92、上抽真空阀93分别抽真空，再使三通开关阀94连通补水装置96，以使试验土体饱和，便于提高渗透速度。
本实施例优选下样品仓4的内表层、上限位环73的内表层均设置有特氟龙涂层（图中未示出），防止下样品仓4与阳极金属板51接触以及上限位环73与阴极金属板52接触而导电。
为了便于与冷浴3的连接，优选循环通道23的进口231位于试验仓2的顶部，循环通道23的出口232位于试验仓2的下侧部。
为了提高下样品仓4与试验仓2之间的稳固性，请参阅图4、图5，优选下样品仓4的底部向外延伸有第一环形部41，第一环形部41固定于试验仓2的底部，上限位环73的顶部向外延伸有第二环形部731，第二环形部731固定于试验仓2的顶部。
具体地，第一环形部41上沿周向设置有多个第一螺纹孔411，通过多个第一螺栓412分别穿过多个第一螺纹孔411旋入试验仓2底部实现第一环形部41与试验仓2的锁紧。第二环形部731上沿周向设置有多个第二螺纹孔7311，通过多个第二螺栓7312分别穿过多个第二螺纹孔7311旋入试验仓2顶部实现第二环形部731与试验仓2的锁紧。
为了便于循环通道23的进口231的穿过，优选第二环形部731上设置有贯穿孔7313，进口231伸入贯穿孔7313。
多个孔压传感器21、多个温度传感器22均设置成两组，两组孔压传感器21、两组温度传感器22均呈上下布置，便于精确掌握土体孔压差值和温度。
本实施例优选孔压传感器21、温度传感器22、位移传感器8均与数据采集***97相连接，数据采集***97与计算机98相连接。
在冻土中，电渗能够引起弱结合水在未冻孔隙中的移动，这与其他势能如温度、荷载等下的迁移介质和通道是一致的。通过未冻水源段61提供电渗所需的渗流未冻水，电渗作用时，首先引起孔隙水渗流，未冻水从未冻水源段61迁移至渗透测试段62，渗流速度沿电势方向上的差值引起负孔压的产生，负孔压梯度等效于引起水分迁移的水力梯度，未冻水继续迁移至流量计量段63允许再次冻结，通过流量计量段63冻胀量来精确测量渗流量，配合水力梯度可获得更为准确的冻土渗透系数。
为了更好地说明本发明的冻土渗透系数测量***，以下详细介绍测量步骤：
1、将阳极金属板51放置在下样品仓4的底部。未冻水源段61的土体采用膨润土制备，膨润土比表面积大、未冻水含量高。在制备多组试验土体时，下部的未冻水源段61采用控制干密度的方法，取同一批且质量相同的土样放入下样品仓4进行压实，直至压实后的土体与下样品仓4的顶端齐平。
2、将下渗透限位板71盖在下样品仓4上部，然后将其整体***试验仓2并使下渗透限位板71与试验仓2固定。将渗透测试段62的土体从试验仓2上部加入到试验仓2内，期间在试验设计位置安放孔压传感器21和温度传感器22，将渗透测试段62土体压实，期间采用“多退少补”直至压实后的土体与试验仓2内设置的第一刻痕齐平。
3、将上渗透限位板72放入试验仓2并盖在渗透测试段62的土体上部，***上限位环73并与试验仓2固定。采用与渗透测试段62同一批的土样加入到上限位环73内形成流量计量段63，期间采用“多退少补”将土体压实直至达到上限位环73内设置的第二刻痕，然后将阴极金属板52盖在流量计量段63土体上部，并将位移传感器8安装在阴极金属板52上部。
4、将孔压传感器21、温度传感器22、位移传感器8连接数据采集***97，并将数据采集***97连接至计算机98，将阳极金属板51和阴极金属板52与直流稳压电源91连接。
5、打开下抽真空阀92和上抽真空阀93，连接真空泵95，按试验设计抽真空。抽真空完毕后通过三通开关阀94将下抽真空阀92和上抽真空阀93调整为连通补水装置96，使其自然补水。待补水装置96的水位不再变化，关闭下抽真空阀92和上抽真空阀93。
6、将试验仓2的循环通道23的进口231和出口232连接在冷浴3上并将试验仓2整体放入恒温箱1，将冷浴3和恒温箱1调至较低温度使内部土体快速冻结。
7、待土体完全冻结后，将冷浴3和恒温箱1调至试验设定温度，通过温度传感器22观察，待试验土体达到设定温度后打开直流稳压电源91开始试验。
8、按试验设计使数据采集***97定时采集孔压传感器21、温度传感器22、位移传感器8的数值并传至计算机98记录。
9、根据Burt T.P.、Horiguchi K.、Seyfried M.S.等人的研究发现，冻土中仍满足达西定律的使用条件，由此利用达西定律v=k×i，其中：v为渗流速率、k为渗透系数、i为水力梯度，来测量冻土的渗透系数k。在本试验***下，上下的孔压传感器21采集的孔压梯度等效于水力梯度i，因为梯度是无量纲的，所以v和k同单位。根据达西定律的另一公式v=Q/A，其中：Q为渗流量，单位为mm³/s，A为土样横断面面积。试验中的Q通过位移增长量△h乘以A再除以设定的记录时间间隔来确定，所以v数值上等于位移增长量△h除以设定的记录时间间隔。作渗流速率v与水力梯度i的关系曲线，取线性段斜率即为该条件下的冻土渗透系数k。可引入时间作为参量，来分析渗透系数的变化过程，由此分析测量的最经济时长，来为实际工程提供参考。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，包括：
恒温箱；
试验仓，设于所述恒温箱内，所述试验仓内部中空且上下两端开口，所述试验仓的侧壁分别设置有多个孔压传感器和多个温度传感器，所述试验仓的侧壁内设置有循环通道，所述循环通道的进口、出口均与冷浴相连接；
下样品仓，固定于所述试验仓内的下部，所述下样品仓内部中空且下端封闭、上端开口；
阳极金属板，设于所述下样品仓内的底部；
未冻水源段，设于所述下样品仓内且位于所述阳极金属板上；
下渗透限位板，设于所述下样品仓的顶部；
渗透测试段，设于所述试验仓内且位于所述下渗透限位板上；
上渗透限位板，设于所述渗透测试段上；
上限位环，固定于所述试验仓内的上部且位于所述上渗透限位板上；
流量计量段，设于所述上限位环内且位于所述上渗透限位板上；
阴极金属板，设于所述上限位环内且位于所述流量计量段上，所述阴极金属板上设置有多个位移传感器；
所述阳极金属板、阴极金属板均与直流稳压电源相连接。
2.根据权利要求1所述的一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述渗透测试段、流量计量段均采用相同的土体，所述未冻水源段采用的土体与所述渗透测试段采用的土体不同。
3.根据权利要求2所述的一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述未冻水源段采用膨润土制备而成，所述渗透测试段、流量计量段均采用黏土制备而成。
4.据权利要求1所述的一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述下样品仓与阳极金属板对应位置处设置有下抽真空阀，所述阴极金属板处设置有上抽真空阀，所述下抽真空阀、上抽真空阀均与三通开关阀相连接，所述三通开关阀分别与真空泵和补水装置相连接。
5.根据权利要求1所述的一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述下样品仓的内表层、上限位环的内表层均设置有特氟龙涂层。
6.根据权利要求1所述的一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述循环通道的进口位于所述试验仓的顶部，所述循环通道的出口位于所述试验仓的下侧部。
7.根据权利要求1所述的一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述下样品仓的底部向外延伸有第一环形部，所述第一环形部固定于所述试验仓的底部，所述上限位环的顶部向外延伸有第二环形部，所述第二环形部固定于所述试验仓的顶部。
8.根据权利要求1所述的一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，多个所述孔压传感器、多个所述温度传感器均设置成两组，两组所述孔压传感器、两组所述温度传感器均呈上下布置。
9.根据权利要求1所述的一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述孔压传感器、温度传感器、位移传感器均与数据采集***相连接，所述数据采集***与计算机相连接。
10.根据权利要求1所述的一种冻土渗透系数测量***，其特征在于，所述试验仓为有机玻璃筒。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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