水平向滲透儀研發(fā)與試驗(yàn)

張家港晟泰克智能儀器有限公司 楊熙章 黃興 邵斌斌 高瑞芹 

一、概述

        所謂土的二維滲透試驗(yàn)是指土在試驗(yàn)時(shí)水流方向垂直和水平。*，土的滲透性就是指具有壓力水頭差的水在土的空隙中滲流性質(zhì)。研究土的性質(zhì)具有如下的實(shí)踐意義。

       1、路基土的疏干基坑由于地下水的滲透，涌水量計(jì)算。

       2、飽和軟粘土上建筑物隨時(shí)間的沉降估算。

       3、防水灌溉渠道及水工建筑物的滲流（漏水）。

       4、地面誰的滲流引起邊坡土體失穩(wěn)。

       5、地基處理時(shí)孔隙水壓力的增長與消散等等。

        由此可知，水在土體中的滲透，對(duì)水工構(gòu)造物，防水渠道，農(nóng)田水利而言將會(huì)造成水量的損失，將會(huì)影響工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，另外，水的滲透將會(huì)引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和土的基本性質(zhì)變化，這對(duì)于天然地基的強(qiáng)度，穩(wěn)定，建筑物固結(jié)變形以及基礎(chǔ)的施工都有非常重要的影響。為此，我們必須對(duì)土的滲透性質(zhì)，水在土中的滲流規(guī)律以及對(duì) 工程關(guān)系需要做很好的研究，從而為建筑的設(shè)計(jì)和施工提供必須的參數(shù)。

        但是，大家知道土的滲透系數(shù)不僅與土的顆粒大小，顆粒組成，顆粒級(jí)配，土的密度，土的狀態(tài)而且與土的應(yīng)力歷史，荷重以及土的成因有關(guān)。特別是對(duì)與層層土而言，由于層理構(gòu)造影響，研究土的水平向滲透系數(shù)尤為重要，而且具有相當(dāng)實(shí)用價(jià)值。以下重點(diǎn)介紹了水平滲透試驗(yàn)。

二、基本組成

        1、滲透容器（兩套，分別做水平滲透和豎直滲透），水平滲透容器是一個(gè)具有水平滲透功能的不銹鋼長方體構(gòu)件和容器底座，上蓋及傳壓活塞，透水石，各種功能的精明閥門等組成。

         2、軸向加荷系統(tǒng)采用氣壓式加載，其中有滾動(dòng)隔膜，氣缸，活塞，加荷平臺(tái)，氣源（空壓機(jī)）組成。

         3、軸向加荷自動(dòng)控制采用精密的調(diào)壓閥，壓力傳感器和單片機(jī)數(shù)字觸摸屏控制。

         4、軸向位移由位移傳感器及單片機(jī)組成的數(shù)字傳輸儲(chǔ)存。

         5、滲透壓力控制安常水頭控制法由液壓控制器自動(dòng)控制，其壓力控制由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓筒，有壓力傳感器所組成的單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行水頭控制和流量的檢測。

         6、試驗(yàn)的操作系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)軟件和觸摸屏控制。

         7、觸摸屏用于設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)和實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并有單片機(jī)存儲(chǔ)。

三、主要技術(shù)指標(biāo)

         1、土樣尺寸：60×60×95（mm）；

         2、滲透面積：36cm²；

         3、滲透距離：6cm；

         4、固結(jié)壓力：0~800kPa；

         5、滲透壓力：0~700kPa；

         6、滲透流量：0~250ml。

四、試驗(yàn)步驟

         1、開啟電源待機(jī)。

         2、制備土樣，用環(huán)刀切取原狀土或者人工制備擾動(dòng)土。

         3、環(huán)刀刀口向上，置于滲透容器上方，用壓土器輕穩(wěn)的壓入容器內(nèi)同時(shí)打開容器底座上 的兩通閥門。連接好傳壓活塞和容器上蓋。

         4、將滲透容器置于加荷裝置的框架內(nèi)，撞上反力橫梁和位移傳感器。

         5、按試驗(yàn)要求施加固結(jié)壓力，此時(shí)關(guān)閉試樣豎直方向上的兩通閥門，打開水平滲透閥門。

         6、施加固結(jié)壓力采用調(diào)壓閥和觸摸屏數(shù)字控制并同時(shí)記錄軸向位移。

         7、待位移穩(wěn)定后，啟動(dòng)液壓控制器施加滲透壓力，滲透壓力的大小可按土的性質(zhì)決定，一般不能大于固結(jié)壓力。

         8、一般情況下，施加滲透壓力可以試土樣得到飽和，飽和的程度可通過計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)曲線來判斷，如果時(shí)間和流量的關(guān)系曲線成直線，原則上試樣已經(jīng)飽和。

         9、滲透系數(shù)由軟件根據(jù)實(shí)時(shí)曲線截取自動(dòng)生成。

        10、在同一個(gè)試樣上，可以施加不同的固結(jié)壓力進(jìn)行實(shí)測滲透系數(shù)，這樣可以獲得固結(jié)壓力與滲透系數(shù)的相關(guān)關(guān)系。

五、常水頭水平向試驗(yàn)滲透系數(shù)的計(jì)算

          式中，Q為流量ml；L為滲透距離6cm；H為水頭高度（滲透壓力）kPa（換算成厘米：1kPa=10cm）；A為滲透面積36cm²；t為滲透時(shí)間（s）。

六、人工制備砂質(zhì)粉土試驗(yàn)記錄實(shí)例                 人工制備粘土試驗(yàn)記錄實(shí)例

七、整理后試驗(yàn)曲線

砂質(zhì)粉土：                                粘土：

八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（某一級(jí)荷重條件下的試驗(yàn)結(jié)果）

砂質(zhì)粉土 ：                                 粘土：

九、分析與意見

        1、本試驗(yàn)為人工制備的擾動(dòng)土的水平向滲透，實(shí)驗(yàn)表明，滲透系數(shù)隨著固結(jié)壓力增加而變小，這是符合理論與實(shí)際的普遍規(guī)律，時(shí)間和滲透系數(shù)并無大的關(guān)系。

        2、該儀器設(shè)計(jì)和研制具有體積小，重量輕，操作方便，自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較穩(wěn)定理想，在國內(nèi)外滲透試驗(yàn)儀器中*列，為國內(nèi)*。

        3、該儀器的設(shè)計(jì)思路基本上符合土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造的各向異性的試驗(yàn)?zāi)康?，有待于結(jié)合工程實(shí)際多進(jìn)行不同土性的水平向垂直向的滲透試驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果將提供給設(shè)計(jì)與施工單位的有效依據(jù)。