[发明专利]一种多功能岩土渗透系数测定装置及测试方法

权利要求书

1.一种多功能岩土渗透系数测定装置，其特征在于：包括隔热保温箱体(1)、储水管(2)、岩土渗透承载机构、控温机构和加压器(18)；所述隔热保温箱体(1)的顶部开有进水口，隔热保温箱体(1)的底部开有出水口；所述的岩土渗透承载机构中装有待测岩土，岩土渗透承载机构的底部开有出水口，所述的岩土渗透承载机构放置在隔热保温箱体(1)中，岩土渗透承载机构底部的出水口与隔热保温箱体(1)底部的出水口相通；所述的储水管(2)通过水管(3)连接到隔热保温箱体(1)顶部的进水口，为岩土渗透承载机构供水；所述的控温机构连接在隔热保温箱体(1)上，用于隔热保温箱体(1)内温度的调控；所述的加压器(18)连接在储水管(2)上，用于调节流过岩土渗透承载机构中的水压；

所述的隔热保温箱体(1)包括上盖体(1-1)、下箱体(1-2)和分隔环(1-3)，所述的上盖体(1-1)设置在下箱体(1-2)的上开口处并与下箱体(1-2)之间形成密封腔体；所述的分隔环(1-3)将上盖体(1-1)与下箱体(1-2)所形成的密封腔体分隔成两个腔体，分隔环(1-3)与上盖体(1-1)之间形成进水腔(1-4)，分隔环(1-3)与下箱体(1-2)之间形成放置腔(1-5)，所述的岩土渗透承载机构设置在隔热保温箱体(1)的放置腔(1-5)中；

岩土渗透承载机构包括两块透水石(4)、环刀(5)和导热型保护壳(6)；所述的导热型保护壳(6)的顶端安装在分隔环(1-3)的下端面处，两块透水石(4)和环刀(5)放置在导热型保护壳(6)内，所述的两块透水石(4)分别处于环刀(5)的顶部和底部，用于将待测岩土封堵在环刀(5)内，所述导热型保护壳(6)靠近底部的位置开有出水口，所述的下箱体(1-2)上开有出水口，所述的导热型保护壳(6)上的出水口与下箱体(1-2)上的出水口相通；

所述的岩土渗透承载机构还包括一个支撑环(7)，所述的支撑环(7)设置在导热型保护壳(6)内并处于下方的透水石(4)下面，支撑环(7)与导热型保护壳(6)的壳底之间形成排水腔(21)；

所述环刀(5)的内壁上均匀安装有多个小型孔隙水压力传感器(8)，所述的多个小型孔隙水压力传感器(8)通过交换接口(16)与数据读取器(17)相连接；所述的交换接口(16)位于环刀(5)与导热型保护壳(6)之间；

所述的控温机构包括冷凝空气压缩机(9)、循环导气管(10)、电加热组件(11)、多个温度传感器(12)、双向温控开关(13)和控温单元(14)；所述的电加热组件(11)安装在隔热保温箱体(1)内，用于岩土渗透承载机构的升温；所述循环导气管(10)的进气端和出气端分别连接在隔热保温箱体(1)相对的两侧侧壁上，并与隔热保温箱体(1)的内腔相通；所述的冷凝空气压缩机(9)安装在循环导气管(10)上；所述的多个温度传感器(12)设置在排水腔(21)中，温度传感器(12)的感温端与处于下方的透水石(4)的下表面相接触；所述的多个温度传感器(12)通过电源线与控温单元(14)相连接；所述的冷凝空气压缩机(9)、电加热组件(11)和控温单元(14)分别通过电源线与双向温控开关(13)相连。

2.根据权利要求1所述的一种多功能岩土渗透系数测定装置，其特征在于：所述循环导气管(10)的进气端与冷凝空气压缩机(9)之间的管段上沿着气体的流动方向依次设置有一个气压计(20)、一个储气瓶(15)和一个调节阀(19)，所述储气瓶(15)的开口管段上设置有一个调节阀(19)。

3.根据权利要求2所述的一种多功能岩土渗透系数测定装置，其特征在于：所述的电加热组件(11)包括一个圆桶状耐热铁丝网(11-1)和多个热电阻(11-2)，所述的圆桶状耐热铁丝网(11-1)套在导热型保护壳(6)外，圆桶状耐热铁丝网(11-1)的顶端安装在分隔环(1-3)的下端面上；所述的多个热电阻(11-2)均匀设置在圆桶状耐热铁丝网(11-1)上。

4.根据权利要求3所述的一种多功能岩土渗透系数测定装置，其特征在于：所述的加压器(18)为空气压缩机，所述的空气压缩机安装在储水管(2)的进水口处。

5.利用权利要求4所述的一种多功能岩土渗透系数测定装置测试待测岩土渗透系数的方法，其特征在于：具体测量过程如下：

步骤1：将待测岩土置于环刀(5)内静压成型，成型后用热熔胶将环刀(5)外壁上接有导线处密封；

步骤2：将一定量的凡士林均匀涂抹到环刀(5)的外壁及导热型保护壳(6)的内壁，然后将环刀(5)放于导热型保护壳(6)内，保证环刀(5)与导热型保护壳(6)之间的空隙被凡士林完全填充；

步骤3：将装有环刀(5)的导热型保护壳(6)置于两块透水石(4)之间，并确保两块透水石(4)分别与环刀(5)的上端面和下端面紧密贴合，然后通过螺栓将上盖体(1-1)及下箱体(1-2)紧密贴合密封；

步骤4：通过控制控温机构调节隔热保温箱体(1)内的温度，使得待测岩土处于冻融循环状态或者某一温度状态下；

步骤5：打开连接在储水管(2)与隔热保温箱体(1)之间的调节阀，由储水管(2)向隔热保温箱体(1)内的岩土渗透承载机构注入测定用水，测试用水在重力作用下依次经由处于上方的透水石(4)、待测岩土、处于下方的透水石(4)、支撑环(7)、导热型保护壳(6)和隔热保温箱体(1)流出；待有水滴自隔热保温箱体(1)出水口流出时，开始多次读取储水管(2)水位的高度、小型孔隙水压力传感器(8)以及温度传感器(12)所测孔隙水压力及温度；

步骤6：将隔热保温箱体(1)的出水口封堵上，加压器(18)与储水管(1)之间的调节阀打开，启动加压器(18)以实现岩土渗透承载机构中待测岩土的加载，通过位于加压器(18)与储水管(1)之间的气压计测得水压并调节加压器(18)的压力，待加载结束后关闭加压器(18)并释放压力，以进行后续渗透系数的测定；

步骤7：计算岩土在温度传感器(12)所示温度下的渗透系数k：

设测定过程中，任意相临时刻储水管(2)中水位差为Δh，经dt时间后，储水管(2)中水位下降dh，则dt时间内流入待测岩土的流量dV_s为：

dV_s＝-adh

式中，a为储水管(2)的内径面积(cm²)；

根据达西定律，则dt时间内流出待测岩土的水量dV为：

式中，A为待测岩土的过水面积，即环刀(5)的横截面积(cm²)；L为渗径，即环刀(5)的高度(cm)；

由于水流为连续流体，因此dV_s＝dV，故可得到：

用常用对数表示，则为：

式中，k为温度传感器(12)所示温度下待测岩土的渗透系数，Δt为相临两次读取储水管(2)中水位的时间差(s)，H₁、H₂分别为相临两次读取的储水管(2)中水位距离隔热保温箱体(1)出水口的高度。