砂土固化过程中渗透系数和温度实时监测装置及监测方法技术领域
本发明属于岩土工程中的水玻璃和氯化钙溶液固化砂土领域，尤其涉及一种砂土
固化过程中渗透系数和温度实时监测装置及监测方法。
背景技术
将水玻璃溶液和氯化钙溶液混合可以产生硅酸钙沉淀，此硅酸钙沉淀可以填充砂
土颗粒间的孔隙并胶结砂颗粒，进而固化砂土地基。硅酸钙填充砂土中的孔隙是一个渐变
的过程，在这个过程中砂土孔隙率和渗透性逐渐降低。以往都是水玻璃溶液和氯化钙溶液
注入砂土试样以后，取固化后的砂土试样进行渗透系数测试，这样忽略了溶液注入过程中
砂土试样渗透系数的渐变过程，同时难以得到生成硅酸钙过程中温度的变化曲线，而深入
开展水玻璃和氯化钙溶液固化砂土的机理研究需要溶液注入过程中渗透系数和温度实时
变化曲线，因此发展水玻璃溶液和氯化钙溶液注入过程中时变的渗透系数和温度监测手段
显得尤为重要。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术存在的不能实时监测水玻璃溶液和氯化钙溶液注
入砂土试样过程中渗透系数和温度随时间变化的问题，本发明提供了砂土固化过程中渗透
系数和温度实时监测装置及监测方法。
本发明的技术方案：一种砂土固化过程中渗透系数和温度实时监测装置，包括数
据采集及控制系统、压力控制器、液体压力传递装置、溶液混合装置、温度监测装置、水压力
监测装置、试样成型装置、液体收集容器；
所述数据采集及控制系统分别连接压力控制器、温度监测装置和水压力监测装置；所
述压力控制器通过液体压力传递装置连接试样成型装置，所述试样成型装置连接液体收集
容器；
数据采集及控制系统用于指定压力控制器提供的水压力以及记录压力控制器中排出
水体积的时程曲线、温度监测装置测得的温度和水压力监测装置测得的孔隙水压力；
所述压力控制器包括水玻璃溶液压力控制器和氯化钙溶液压力控制器；
所述液体压力传递装置包括水玻璃溶液压力传递装置和氯化钙溶液压力传递装置；
所述溶液混合装置包括水玻璃和氯化钙混合容器、旋转磁铁、磁力搅拌子和电动机，所
述电动机和旋转磁铁固定连接并放置在水玻璃和氯化钙混合容器下方，并且不与水玻璃和
氯化钙混合容器接触；所述磁力搅拌子放置在水玻璃和氯化钙混合容器底部；
所述水玻璃和氯化钙混合容器底部分别连接水玻璃溶液压力传递装置和氯化钙溶液
压力传递装置；
所述试样成型装置包括砂土成型模具，所述砂土成型模具内放置松散的砂土试样，所
述砂土成型模具底部接收水玻璃和氯化钙混合容器中排出的溶液，所述砂土成型模具顶部
将溶液排出至液体收集容器；
所述温度监测装置包括两个分布式光纤，两个分布式光纤放置在所述砂土成型模具中
并用于测砂土成型模具中沿长度方向试样的温度；
所述水压力监测装置包括两个孔隙水压力计，其中一个孔隙水压力计放置在砂土成型
模具底部，另一个孔隙水压力计放置在砂土成型模具顶部。
优选地，所述水玻璃溶液压力传递装置由第一隔离橡皮膜分为两个腔室，其中一
个腔室和水玻璃溶液压力控制器相连，另一个腔室和水玻璃和氯化钙混合容器底部相连。
优选地，所述氯化钙溶液压力传递装置由第二隔离橡皮膜分为两个腔室，其中一
个腔室和氯化钙溶液压力控制器相连，另一个腔室和水玻璃和氯化钙混合容器底部相连。
优选地，两个孔隙水压力计分别为第一孔隙水压力计和第二孔隙水压力计，所述
第一孔隙水压力计放置在砂土成型模具底部，所述第二孔隙水压力计放置在砂土成型模具
顶部。
优选地，所述砂土成型模具为圆筒状的有机玻璃，其高100mm、内径50mm，其两端用
橡皮塞进行封堵，橡皮塞周围涂抹凡士林以便封堵严密，能够承受一定的注浆压力而不渗
漏溶液。
优选地，同一时刻水玻璃溶液压力控制器和氯化钙溶液压力控制器提供的水压力
是相同的。
优选地，两个分布式光纤分别为第一分布式光纤和第二分布式光纤，所述第一分
布式光纤和第二分布式光纤平行设置，且两者之间的间距与砂土成型模具的内径相同。
优选地，所述水玻璃及氯化钙混合容器中，通过旋转磁场驱动磁力搅拌子转动来
搅拌水玻璃溶液和氯化钙溶液。
一种砂土固化过程中渗透系数和温度实时监测装置的监测方法，包括下述步骤：
步骤1：在砂土成型模具中安装分布式光纤、孔隙水压力计和砂土试样；
步骤2：将水玻璃溶液和氯化钙液分别装入水玻璃溶液压力传递装置中和氯化钙溶液
压力传递装置；
步骤3：数据采集及控制系统指定水玻璃溶液压力控制器和氯化钙溶液压力控制器的
驱动水压力，同时记录两个压力控制器中排出水体积的时程曲线；
步骤4：溶液混合装置中的电动机带动旋转磁铁转动，由此产生的磁场驱动磁力搅拌子
转动，磁力搅拌子搅拌水玻璃溶液和氯化钙溶液；
步骤5：通过数据采集及控制系统实时记录砂土成型模具中的孔隙水压力和温度；由数
据采集及控制系统得到的压力控制器中排出液体体积随时间的变化曲线计算砂土试样中
的流速时程曲线；由测得的孔隙水压力时程曲线和流速时程曲线计算渗透系数时程曲线。
本发明的有益效果：可以实时监测水玻璃溶液和氯化钙溶液注入砂土试样过程中
渗透系数和温度随时间变化的时程曲线。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为试样成型装置上部出浆口和孔隙水压力布置的侧视图；
图3为试样成型装置上部出浆口和孔隙水压力布置的俯视图；
图4为试样成型装置中分布式光纤布置俯视图；
图中 1、数据采集及控制系统，2、水玻璃溶液压力控制器，3、氯化钙溶液压力控制器，
4、水玻璃溶液压力传递装置，5、氯化钙溶液压力传递装置，6、液体收集容器，7、第一孔隙水
压力计，8、砂土成型模具，9、第一分布式光纤，10、第一隔离橡皮膜，11、水玻璃及氯化钙混
合容器，13、旋转磁铁，14、磁力搅拌子、15、第二孔隙水压力计，16、第二隔离橡皮膜，17、第
二分布式光纤，18、电动机，19、橡皮塞。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结
合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-4所示，所述数据采集及控制系统1分别连接水玻璃溶液压力控制器2、氯化
钙溶液压力控制器3、、第一分布式光纤9、第二分布式光纤17、第一孔隙水压力计7和第二孔
隙水压力计15；所述水玻璃溶液压力控制器2和水玻璃溶液压力传递装置4相连，所述氯化
钙溶液压力控制器3与氯化钙溶液压力传递装置5相连；水玻璃溶液压力传递装置4由第一
隔离橡皮膜10分为两个腔室，第一隔离橡皮膜10可以传递两个腔室间的水压力同时隔离了
水玻璃溶液和水玻璃溶液压力控制器3；氯化钙溶液压力传递装置5由第二隔离橡皮膜16分
为两个腔室，第二隔离橡皮膜16可以传递两个腔室间的水压力同时隔离了氯化钙溶液和氯
化钙溶液压力控制器3；水玻璃溶液压力传递装置4将水玻璃溶液注入水玻璃及氯化钙混合
容器11，氯化钙溶液压力传递装置5将氯化钙溶液注入水玻璃及氯化钙混合容器11；电动机
18带动旋转磁铁13旋转从而产生旋转磁场，进而驱动磁力搅拌子14转动；砂土成型模具8中
放置第一分布式光纤9、第二分布式光纤17、第一孔隙水压力计7和第二孔隙水压力计15，砂
土成型模具8顶部与液体收集容器相连。
砂土固化过程中渗透系数和温度实时监测装置的监测方法如下：
步骤1：砂土成型模具8中安装温度监测装置中的第一分布式光纤9和第二分布式光纤
17；取第一个橡皮塞周围涂抹凡士林并插上连接水玻璃和氯化钙混合容器11的管子，并将
此橡皮塞放在在砂土成型模具8底部，使得橡皮塞与透明砂土成型模具8接触严密且不漏溶
液，并在砂土成型模具8底部放置第一孔隙水压力计7；然后在砂土成型模具8内放置砂子
（福建ISO标准砂），砂子需达到一定的密实度以满足试验要求；然后在砂土成型模具8顶部
放置第二孔隙水压力计15；取第二个橡皮塞19周围涂抹凡士林并插上连接液体收集容器6
的管子，并将此橡皮塞19放在在砂土成型模具8顶部；
步骤2：将水玻璃溶液装入水玻璃溶液压力传递装置4中与水玻璃及氯化钙混合容器11
相连的腔室，将氯化钙液装入氯化钙溶液压力传递装置5中与水玻璃及氯化钙混合容器11
相连的腔室；
步骤3：数据采集及控制系统1指定水玻璃溶液压力控制器2和氯化钙溶液压力控制器3
的驱动水压力，同时记录压力控制器中排出水体积的时程曲线；
步骤4：溶液混合装置中的电动机18带动旋转磁铁13转动，由此产生的磁场驱动磁力搅
拌子14转动，磁力搅拌子14搅拌水玻璃溶液和氯化钙溶液；
步骤5：通过数据采集及控制系统1实时记录砂土成型模具中的孔隙水压力和温度；由
数据采集及控制系统1得到的水玻璃溶液压力控制器2和氯化钙溶液压力控制器3中排出液
体体积随时间的变化曲线计算砂土试样中的流速时程曲线，同时由第一孔隙水压力计7和
第二孔隙水压力计15的差值得到水头差时程曲线，然后由流速时程曲线和水头差时程曲线
计算渗透系数时程曲线。
本发明中各装置之间为可拆卸连接。