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1、(10)申请公布号 CN 103308435 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103308435 A *CN103308435A* (21)申请号 201310205267.X (22)申请日 2013.05.29 G01N 15/08(2006.01) G01N 33/24(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 陈仁朋 吴进 尹鑫晟 王瀚霖 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 林怀禹 (54) 发明名称 非饱和粗颗粒土土水特征曲线和渗透系数的 试验装置 (57。
2、) 摘要 本发明公开了一种非饱和粗颗粒土土水特征 曲线和渗透系数的试验装置。在圆柱形刚性渗透 柱底部有反滤层， 反滤层上部装入六层击实后的 土样， 在每一层同高度处埋设 TDR 传感器、 张力计 或湿度计， 第一层和第六层土样中埋设孔压计。 TDR 传感器、 孔压计和张力计或湿度计互为 90， 水头稳定装置外接提供基准液面的储水容器和水 箱， 水头稳定装置经排水阀接入反滤层， 圆柱形刚 性渗透柱的顶板接排水阀。 试样饱和后， 通过孔压 计和水头稳定装置可得粗颗粒的饱和渗透系数 ； 在饱和、 排水、 蒸发阶段， 通过张力计或湿度计和 TDR 传感器可同时获得不同时刻土体各层基质吸 力和含水量随时。
3、间的变化过程， 从而得到非饱和 粗颗粒土水力学参数。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103308435 A CN 103308435 A *CN103308435A* 1/1 页 2 1. 一种非饱和粗颗粒土土水特征曲线和渗透系数的试验装置， 其特征在于 ： 包括圆柱 形刚性渗透柱 （1） 、 六个TDR传感器 （2） 、 六个张力计 （3） 、 两个孔压计 （4） 和六个湿度计 （5） ； 在圆柱形刚性渗透柱 （1） 底部有反。
4、滤层， 反滤层上部装入第一层土样击实后， 在圆柱形刚性 渗透柱 （1） 轴向同高度处， 从外至内同时埋设第一个 TDR 传感器， 第一个张力计或第一个湿 度计， 依次向上， 第六层土样击实后， 在同高度处同时埋设第六个 TDR 传感器， 第六个张力 计或第六个湿度计， 第一层土样和第六层土样中分别埋设第一孔压计和第二孔压计， TDR 传 感器， 孔压计和张力计或湿度计互为 90， 水头稳定装置 （13） 外接提供基准液面的储水容 器 （14） 和水箱 （15） ， 水头稳定装置 （13） 的一路经第一进水管、 第一排水阀接入反滤层一个 端口， 水头稳定装置 （13） 的另一路经第二进水管、 第。
5、二排水阀接入反滤层另一个端口， 圆柱 形刚性渗透柱 （1） 的顶板 （10） 经排水管、 第三排水阀排水。 2. 根据权利要求 1 所述一种非饱和粗颗粒土土水特征曲线和渗透系数的试验装置， 其 特征在于 ： 所述第一层土样和第五层土样为等距排列为 100mm， 第六层为 150mm。 3. 根据权利要求 1 所述一种非饱和粗颗粒土土水特征曲线和渗透系数的试验装置， 其 特征在于 ： 所述反滤层由上部为土工织布和下部为砂石垫层组成。 4. 根据权利要求 1 所述一种非饱和粗颗粒土土水特征曲线和渗透系数的试验装置， 其 特征在于 ： 所述 TDR 探头包括三根并排的探针 （19） ， 三根探针 （。
6、19） 通过连接导线 （17） 与同 轴电缆 （16） 相连， 连接导线 （17） 、 三根探针 （19） 一端和同轴电缆 （16） 一端置于长方体环氧 树脂 （18） 内， 同轴电缆 （16） 另一端与电磁波激发器和电磁波接收器相连。 权 利 要 求 书 CN 103308435 A 2 1/3 页 3 非饱和粗颗粒土土水特征曲线和渗透系数的试验装置 技术领域 0001 本发明涉及一种非饱和土体水力学参数测定装置， 尤其是涉及一种非饱和粗颗粒 土土水特征曲线和渗透系数的试验装置。 背景技术 0002 非饱和土体的水力学参数包括土水特征曲线和渗透函数， 土水特征曲线描述的是 基质吸力与含水率 。
7、（如 : 饱和度、 体积含水率等） 之间的关系 ； 渗透函数描述的是渗透系数 与基质吸力或含水率之间的关系。 这些参数在分析有关非饱和土问题、 孔隙介质多相流、 污 染物地下迁移等问题中起到关键的作用。因此， 确定非饱和土水力学参数在非饱和土研究 及工程实践中具有十分重要的意义。 0003 目前， 测定非饱和土体水力学参数的方法很多， 比较常用的方法有两大类 ： 第 1 类 是利用压力板仪、 Tempe 仪等仪器在平衡状态下测定非饱和土土水特征曲线， 并通过土水 特征曲线与渗透函数之的耦合关系推算出各级基质吸力作用下的渗透系数。 由于影响非饱 和土体土水特征曲线的因素很多， 可能会因某一个或多。
8、个因素的影响使得土水特征曲线发 生较大变化， 以致推算出的渗透系数失真 ； 第 2 类是采用同一状态的二个试样分别测定非 饱和土土水特征曲线和渗透函数。 该方法仍然没有发展成熟， 且存在试验时间长、 制样不均 匀等问题。因此， 如何利用一个试样在较短时间内有效测定非饱和土体水力学参数成为非 饱和土研究过程中所关注的重要问题。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种非饱和粗颗粒土土水特征曲线和渗透系数的试验装 置， 通过 TDR 和张力计或湿度计同时测定土体的含水量和基质吸力， 从而得到土水特征曲 线， 并结合孔压计用瞬态剖面法得到粗颗粒土的渗透系数。 0005 本发明采用的技术方案如下 。
9、： 本发明包括圆柱形刚性渗透柱、 六个 TDR 传感器、 六个张力计、 两个孔压计和六个湿度 计 ； 在圆柱形刚性渗透柱底部有反滤层， 反滤层上部装入第一层土样击实后， 在圆柱形刚性 渗透柱轴向同高度处， 从外至内同时埋设第一个 TDR 传感器， 第一个张力计或第一个湿度 计， 依次向上， 第六层土样击实后， 在同高度处同时埋设第六个 TDR 传感器， 第六个张力计 或第六个湿度计， 第一层土样和第六层土样中分别埋设第一孔压计和第二孔压计， TDR 传感 器， 孔压计和张力计或湿度计互为 90， 水头稳定装置外接提供基准液面的储水容器和水 箱， 水头稳定装置的一路经第一进水管、 第一排水阀接入。
10、反滤层一个端口， 水头稳定装置的 另一路经第二进水管、 第二排水阀接入反滤层另一个端口， 圆柱形刚性渗透柱的顶板经排 水管、 第三排水阀排水。 0006 所述第一层土样和第五层土样为等距排列为 100mm， 第六层为 150mm。 0007 所述反滤层由上部为土工织布和下部为砂石垫层组成。 0008 所述 TDR 探头包括三根并排的探针， 三根探针通过连接导线与同轴电缆相连， 连 说 明 书 CN 103308435 A 3 2/3 页 4 接导线、 三根探针一端和同轴电缆一端置于长方体环氧树脂内， 同轴电缆另一端与电磁波 激发器和电磁波接收器相连。 0009 本发明具有的有益效果是 ： 试样。
11、饱和后， 通过孔压计和水头稳定装置可得粗颗粒的饱和渗透系数 ； 在饱和、 排水、 蒸发阶段， 通过张力计或湿度计和 TDR 传感器可同时获得不同时刻土体各层基质吸力和含 水量随时间的变化过程， 从而得到非饱和粗颗粒土水力学参数， 为非饱和土体的研究提供 一种测量手段。 附图说明 0010 图 1 是渗透柱模型试验装置正视图。 0011 图 2 是渗透柱模型试验装置右视图。 0012 图 3 是图 2 的 A-A 剖视图。 0013 图 4 是图 2 的 B-B 剖视图。 0014 图 5 是 TDR 结构示意图。 0015 图 6 是图 5 的侧视图。 0016 图中 ： 1、 渗透柱， 2、。
12、 TDR 传感器， 3、 张力计， 4、 孔压计， 5、 湿度计， 6、 土样， 7、 土工织 物， 8、 砂石垫层， 9、 排水阀， 10、 顶板， 11、 排水管， 12、 进水管， 13、 水头稳定装置， 14、 储水容 器， 15、 水箱， 16、 同轴电缆， 17、 连接导线， 18、 环氧树脂， 19、 探针。 具体实施方式 0017 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 0018 如图 1、 图 2 所示， 本发明包括圆柱形刚性渗透柱 1、 六个 TDR 传感器 2、 六个张力 计3、 两个孔压计4和六个湿度计5 ； 在圆柱形刚性渗透柱1底部有反滤层， 反滤层上部装入 击实。
13、土样， 所用土样为高铁路基 B 组填料， 颗粒粒径大于 2mm 约占总质量的 80%， 在圆柱形 刚性渗透柱1轴向同高度处， 从外至内同时埋设第一个TDR传感器， 第一个张力计或第一个 湿度计， 依次向上， 第六层土样击实后， 在同高度处同时埋设第六个 TDR 传感器， 第六个张 力计或第六个湿度计， 第一层土样和第六层土样中分别埋设第一孔压计 4 和第二孔压计 4， TDR 传感器， 孔压计和张力计或湿度计互为 90， 水头稳定装置 13 外接提供基准液面的储 水容器 14 和水箱 15， 水头稳定装置 13 的一路经第一进水管 12、 第一排水阀 9 接入反滤层 一个端口， 水头稳定装置 。
14、13 的另一路经第二进水管 12、 第二排水阀 9 接入反滤层另一个端 口， 圆柱形刚性渗透柱 1 顶板 10 经排水管 11、 第三排水阀排水。 0019 所述第一层土样和第五层土样为等距排列为 100mm， 第六层为 150mm。 0020 如图 1、 图 2 所示， 反滤层由上部为土工织布 7 和下部为砂石垫层 8 组成。 0021 如图 5、 图 6 所示， TDR 探头包括三根并排的探针 19， 三根探针 19 通过连接导线 17 与同轴电缆 16 相连， 连接导线 17、 三根探针 19 一端和同轴电缆 16 一端置于长方体环氧 树脂 18 内， 同轴电缆 16 另一端与电磁波激发。
15、器和电磁波接收器相连。 0022 水 头 稳 定 装 置 提 供 恒 定 的 水 头， 作 为 基 准 液 面， 通 过 孔 压 计 测 定 试 样 不同深度处的孔隙水压力， 在试样饱和后根据达西定律可得土体的饱和渗透系 数。 渗 透 装 置 由 渗 透 柱、 TDR 传 感 器、 张 力 计、 孔 压 计、 湿 度 计、 砂 石 垫 层、 土 工 说 明 书 CN 103308435 A 4 3/3 页 5 织物组成。试样分六层填装， 每一层压实完成后， 埋设 TDR 传感器和张力计， 张 力计与 TDR 埋设位置相互成夹角， 具体截面图如图 3 所示。当土体中基质吸力 时， 利用张力计测量。
16、土体基质吸力， 当基质吸力 时， 用 湿度计替代张力计， 测定土体各层的相对湿度， 再根据关系式转换为基质吸力值。 张力计和 TDR 传感器埋设在土体同一高度处， 在饱和、 排水、 蒸发过程中， 可同时测得各层土体的含水 量和基质吸力变化情况， 得到粗颗粒土土水特征曲线， 利用张力计测得试样的孔隙水压力 分布， 并利用瞬态剖面法求得渗透系数。 0023 以上所述粗颗粒的饱和渗透系数， 通过孔压计所测的压力水头和基准液面提供的 位置水头联合达西定律获得。 0024 以上所述张力计、 湿度计示数可以直接通过表盘读出。 0025 以上所述 TDR 传感器示数利用美国 Campbell Scienti。
17、fic 公司生产的 TDR100 数 采仪进行实时采集。 0026 本发明的工作过程如下 ： 渗透柱实验过程共分为三个阶段 ： 饱和、 排水、 蒸发阶段。 首先将实验土体放置在50烘 箱中烘干 24h， 然后测得土体的干密度。加入一定量的水配置成目标含水量后， 分六层击实 装样， 控制击实密度， 计算出每层所需添加的土体质量。前五层击实完成后试样的高度为 100mm， 最后一层为 150mm。每层试样压实后， 在土体中挖出同等体积的孔隙埋设 TDR 传感 器， 再次压实后填装下一层试样， 两层交界面的土面应刨毛。分层压实填装好试样后， 记录 TDR的示数， 得到试样压实后各层的含水量。 打开进。
18、水管， 从渗透柱底部进水开始饱和试样， 直到装置顶部排水口有水流出， 水流持续 24h 后土样视为已达到饱和状态。维持水头稳定 装置中的液面为一定值， 可得孔压计 P1 与 P2 所在面的位置水头差， 通过孔压计 P1、 P2 可得 压力水头差， 利用达西定律得出粗颗粒饱和渗透系数。用张力计替代埋设在土样中的金属 棒， 再一次进水饱和试样 （目的是避免在饱和过程中高吸力作用下造成张力计中水分的汽 化） 。打开底部排水阀， 分若干次排水， 每次排水完成后， 记录 TDR 与张力计的示数。排水完 成后， 打开渗透柱顶盖， 让试样在室温条件下蒸发。饱和、 排水、 蒸发过程中记录 TDR 和张力 计的示数值， 绘制出土水特征曲线。 通过张力计可得孔隙水压力头分布， 利用瞬态剖面法求 得非饱和粗颗粒土的渗透系数。 说 明 书 CN 103308435 A 5 1/3 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 103308435 A 6 2/3 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 103308435 A 7 3/3 页 8 图 3 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103308435 A 8 。