專利名稱：一種時域反射非飽和滲透儀及測定非飽和滲透系數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，具體涉及一種巖土工程試驗研究的新型土工實驗設(shè)備
及其實驗方法。
背景技術(shù)：
非飽和土滲透系數(shù)隨著土木工程、農(nóng)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展而越來越得到重 視，在基坑和邊坡的穩(wěn)定性，土中水滲流分析，水分和物質(zhì)遷移，，以及核廢料的處理等問題 分析中是一個重要參數(shù)，如何獲得土體的非飽和滲透系數(shù)，已成為工程建設(shè)以及相關(guān)領(lǐng)域 亟待解決的難點問題。然而目前在國內(nèi)外的工程實踐中，對非飽和土滲透系數(shù)主要是采用 預(yù)測的方法，例如通過試驗確定土樣非飽和滲透系數(shù)和土水特征曲線，并用數(shù)學(xué)模型對土 水特征曲線擬合，再根據(jù)滲透系數(shù)分析技術(shù)最終計算得出滲透系數(shù)函數(shù)，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)預(yù) 測值與實測值具有較大的差異，這樣必然造成使工程問題分析的不正確性，給工程實踐帶 來較大的誤導(dǎo)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種時域反射非飽和滲透儀及其實驗方法，通過先進(jìn)的 TDR技術(shù)，研究非飽和土滲透裝置及其滲透系數(shù)的試驗方法。 本發(fā)明的解決方案是一種時域反射非飽和滲透儀，包括出氣口 ，橡皮圈，埋入 式波導(dǎo)，透水石，出水口，橡皮圈，進(jìn)水口，筒壁，土壤水分儀，底座，筒蓋，其中筒蓋中心位 置開有出氣口 ；筒蓋與筒壁連接處以第一橡皮圈進(jìn)行密封，底座與筒壁連接處以第二橡皮 圈進(jìn)行密封；筒壁內(nèi)部等間距布置有5個埋入式波導(dǎo)，筒壁內(nèi)土樣與底座間用透水石進(jìn)行 隔離，底座上對應(yīng)的透水石位置分別開有進(jìn)水口和出水口 。 —種測定土體的非飽和滲透系數(shù)的方法，使用上述的時域反射非飽和滲透儀本滲
透儀進(jìn)行測定通過時域反射探針測定固定位置上的土體含水量，借助事先測得的被測土
體的土水特征曲線，最終采用瞬時截面法，求取被測介質(zhì)的非飽和滲透系數(shù)。
首先，在試驗開始時，打開進(jìn)水閥門，水自底端進(jìn)入土樣；試驗開始后，每隔半個小
時，通過掌上電腦記錄不同波導(dǎo)管位置的含水量的大小，隨著含水量的變化值變小，可以逐
漸增大記錄的時間間隔，當(dāng)土樣波導(dǎo)管的最低點達(dá)到飽和狀態(tài)，即可停止試驗。 進(jìn)行非飽和土滲透試驗，在試驗中，通過吸力，水會不斷向上流，當(dāng)土樣最低點的
波導(dǎo)管，土樣的含水量達(dá)到飽和的時候，即可以停止?jié)B透試驗。由于是瞬時截面法，水流的
速度是不需要控制在一個固定的值，但不能變化太快，可通過觀察土樣的含水量的變化快
慢程度，判斷水流的速度是否合適，如果不合適，可通過調(diào)節(jié)外面的水壓來控制。 對于重塑土的試驗，該滲透裝置不僅可以進(jìn)行滲透試驗，還可以直接在滲透裝置
筒中增加活塞壓縮土樣。
操作步驟為 將土樣碾碎，曬干，通過分層壓實方法進(jìn)行重塑土樣制備，先將土樣稱重，分為幾部分，第一部分先放入筒內(nèi)，通過活塞壓到一定體積，再加入第二部分土，直到壓到計算好 的體積，土樣制備完成；最后，進(jìn)行土樣的滲透試驗。 本發(fā)明的非飽和滲透儀可運用于不同土樣(原狀或重塑)的非飽和滲透系數(shù)的量


圖1為本一種實施例側(cè)限滲透試驗裝置示意圖。
圖2是滲透系數(shù)預(yù)測值與試驗M2點實測值對比圖。
具體實施例方式
在某高速公路高路塹邊坡失穩(wěn)預(yù)測與處治技術(shù)研究項目中，本發(fā)明已進(jìn)行保密測 試，并為其提供了可靠的非飽和土體的滲透系數(shù)試驗依據(jù)，此項目的成功實施使本的實用 性和可靠性得到了充分的驗證。 請參閱圖2，顯然，不同的預(yù)測方法，得到膨脹土的滲透系數(shù)是不一樣的，而預(yù)測值 與實測值是有差別的，造成這種誤差的原因是預(yù)測方法不能準(zhǔn)確的預(yù)測原狀膨脹土滲透系 數(shù)的大小。 以下結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。 如圖1所示，為本發(fā)明一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，該側(cè)限滲透試驗裝置包括出氣 口 1，橡皮圈2，埋入式波導(dǎo)3，透水石4，出水口 5，橡皮圈6，進(jìn)水口 7，筒壁8，MiniTrase TDR 土壤水分儀9，底座lO，筒蓋ll。筒蓋11中心位置開有出氣口 1 ;筒蓋11與筒壁8連接處 以橡皮圈2進(jìn)行密封，底座10與筒壁8連接處以橡皮圈6進(jìn)行密封；筒壁8內(nèi)部等間距布 置有5個埋入式波導(dǎo)3，筒壁8內(nèi)土樣與底座10間用透水石4進(jìn)行隔離，底座上對應(yīng)的透水 石位置分別開有進(jìn)水口 7和出水口 5。在試驗開始時，進(jìn)水口 7和出水口 5都打開，水從進(jìn) 水口7進(jìn)入，從出水口5排出，用來排除底座的空氣，直到排除的水沒有氣泡時，再關(guān)閉出水 □ 5。 本滲透儀可測定土體的非飽和滲透系數(shù)。通過時域反射探針(TDR)測定固定位置 上的土體含水量，借助事先測得的被測土體的土水特征曲線，最終采用瞬時截面法，求取被 測介質(zhì)的非飽和滲透系數(shù)。 本樣筒內(nèi)徑10cm，高度21cm，筒壁厚度0. 5cm。采用不銹鋼材料，筒的尺寸大，這與 傳統(tǒng)的滲透試驗裝置不同，傳統(tǒng)的試驗裝置尺寸小，土樣不具有代表性，測量值與實測值偏差大。 筒壁上等間距布置的MiniTrase TDR土壤水分儀(型號6050X3)，用以量測所在位 置土樣即時體積含水量，共有5只，其位置分別與波導(dǎo)的位置相對應(yīng)。
TDR可埋式波導(dǎo)(探針)長8cm，外棒間距2.5cm，測量范圍0 100X，精度士2X， 5個波導(dǎo)與土樣進(jìn)水端之間的距離(高)分別為hl = 3. 5cm， h2 = 7. Ocm， h3 = 10. 5cm， h4 = 14. Ocm和h5 = 17. 5cm。 該波導(dǎo)管為是小型波導(dǎo)管，最小可埋藏式波導(dǎo)管，用在近地面的淺層測量和實驗
室土柱的測量。波導(dǎo)長8cm，在外棒之間有2. 5cm的距離，本試驗即采用這種波導(dǎo)。 試驗開始時，水自底端進(jìn)入土樣；試驗過程中，波導(dǎo)通過MiniTrase TDR 土壤水分儀記錄所在位置土樣的含水量隨時間的變化關(guān)系試驗結(jié)束后，采用土體含水量，借助土壤 水分儀記錄到的土樣含水量的延時曲線，以及事先測得的被測土體的土水特征曲線，采用 瞬時截面法，求取被測介質(zhì)的非飽和滲透系數(shù)。 首先，在試驗開始時，打開進(jìn)水閥門，水自底端進(jìn)入土樣。試驗開始后，每隔半個小 時，通過掌上電腦記錄不同波導(dǎo)管位置的含水量的大小，隨著含水量的變化值變小，可以逐 漸增大記錄的時間間隔，當(dāng)土樣波導(dǎo)管的最低點達(dá)到飽和狀態(tài)，即可停止試驗。
由于是進(jìn)行非飽和土滲透試驗，在試驗中，通過吸力，水會不斷向上流，當(dāng)土樣最 低點的波導(dǎo)管，即hl位置，土樣的含水量達(dá)到飽和的時候，即可以停止?jié)B透試驗。由于是瞬 時截面法，水流的速度是不需要控制在一個固定的值，但不能變化太快，可通過觀察土樣的 含水量的變化快慢程度，判斷水流的速度是否合適，如果不合適，可通過調(diào)節(jié)外面的水壓來 控制。 另外，對于重塑土的試驗，該滲透裝置不僅可以進(jìn)行滲透試驗，還可以直接在筒內(nèi) 壓縮土樣，這樣不僅節(jié)約材料，還可以使重塑土與筒壁充分接觸，盡量避免在滲透試驗過 程，水從土與筒壁的縫隙中流過。
當(dāng)壓縮土樣的時候，可直接在滲透裝置筒8中增加活塞進(jìn)行。
筒8與活塞一樣都可以采用不銹鋼材料制成。
操作步驟為 將土樣碾碎，曬干，通過分層壓實方法進(jìn)行重塑土樣制備，先將土樣稱重，分為幾 部分，第一部分先放入筒內(nèi)，通過活塞壓到一定體積，再加入第二部分土，直到壓到計算好 的體積，土樣制備完成。 最后，進(jìn)行土樣的滲透試驗，操作方法與上述的原狀土相同。 上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用本發(fā) 明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的 一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例， 本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種時域反射非飽和滲透儀，其特征在于包括出氣口(1)，橡皮圈(2)，埋入式波導(dǎo)(3)，透水石(4)，出水口(5)，橡皮圈(6)，進(jìn)水口(7)，筒壁(8)，土壤水分儀(9)，底座(10)，筒蓋(11)，其中筒蓋(11)中心位置開有出氣口(1)；筒蓋(11)與筒壁(8)連接處以第一橡皮圈(2)進(jìn)行密封，底座(10)與筒壁(8)連接處以第二橡皮圈(6)進(jìn)行密封；筒壁(8)內(nèi)部等間距布置有5個埋入式波導(dǎo)(3)，筒壁(8)內(nèi)土樣與底座(10)間用透水石(4)進(jìn)行隔離，底座上對應(yīng)的透水石位置分別開有進(jìn)水口(7)和出水口(5)。
2. —種測定土體的非飽和滲透系數(shù)的方法，其特征在于使用權(quán)利要求1所述的時域反射非飽和滲透儀本滲透儀進(jìn)行測定通過時域反射探針測定固定位置上的土體含水量，借助事先測得的被測土體的土水特征曲線，最終采用瞬時截面法，求取被測介質(zhì)的非飽和滲透系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于首先，在試驗開始時，打開進(jìn)水閥門，水自底端進(jìn)入土樣；試驗丌始后，每隔半個小時，通過掌上電腦記錄不同波導(dǎo)管位置的含水量的大小，隨著含水量的變化值變小，可以逐漸增大記錄的時間間隔，當(dāng)土樣波導(dǎo)管的最低點達(dá)到飽和狀態(tài)，即可停止試驗。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于進(jìn)行非飽和土滲透試驗，在試驗中，通過吸力，水會不斷向上流，當(dāng)土樣最低點的波導(dǎo)管，土樣的含水量達(dá)到飽和的時候，即可以停止?jié)B透試驗。由于是瞬時截面法，水流的速度是不需要控制在一個固定的值，但不能變化太快，可通過觀察土樣的含水量的變化快慢程度，判斷水流的速度是否合適，如果不合適，可通過調(diào)節(jié)外面的水壓來控制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于對于重塑土的試驗，該滲透裝置不僅可以進(jìn)行滲透試驗，還可以直接在滲透裝置筒中增加活塞壓縮土樣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于操作步驟為將土樣碾碎，曬干，通過分層壓實方法進(jìn)行重塑土樣制備，先將土樣稱重，分為幾部分，第一部分先放入筒內(nèi)，通過活塞壓到一定體積，再加入第二部分土，直到壓到計算好的體積，土樣制備完成；最后，進(jìn)行土樣的滲透試驗。
全文摘要
一種時域反射非飽和滲透儀，筒蓋(11)中心位置開有出氣口(1)；筒蓋(11)與筒壁(8)連接處以第一橡皮圈(2)進(jìn)行密封，底座(10)與筒壁(8)連接處以第二橡皮圈(6)進(jìn)行密封；筒壁(8)內(nèi)部等間距布置有5個埋入式波導(dǎo)(3)，筒壁(8)內(nèi)土樣與底座(10)間用透水石(4)進(jìn)行隔離，底座上對應(yīng)的透水石位置分別開有進(jìn)水口(7)和出水口(5)。一種測定土體的非飽和滲透系數(shù)的方法，通過時域反射探針測定固定位置上的土體含水量，借助事先測得的被測土體的土水特征曲線，最終采用瞬時截面法，求取被測介質(zhì)的非飽和滲透系數(shù)。本發(fā)明可運用于不同土樣(原狀或重塑)的非飽和滲透系數(shù)的量測，提高準(zhǔn)確性。
文檔編號G01N1/28GK101738360SQ200910197280
公開日2010年6月16日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者葉為民, 張亞為, 梅正君, 陳寶, 陳永貴 申請人:同濟大學(xué)