[發明專利]用于全吸力范圍非飽和滲透系數的測試裝置及方法

在審

• 申請號: 202310861737.1
• 申請日: 2023-07-14
• 公開（公告）號: CN116609241A
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 侯曉坤;祁生文;李燕;張亞國;李同錄;王宇;李華
• 申請（專利權）人: 中國科學院地質與地球物理研究所
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N5/02
• 代理公司: 北京市恒有知識產權代理事務所(普通合伙) 11576
• 代理人: 劉偉沖;趙薇

本發明涉及非飽和土滲透性測試技術領域，尤其涉及一種用于全吸力范圍非飽和滲透系數的測試裝置及方法，旨在解決現有非飽和滲透系數測試裝置無法用于全吸力范圍非飽和滲透系數測量以及測量成本高、精度差的問題。本發明提供的測試裝置包括恒溫恒濕箱、供水系統、土柱系統、第一天平和第二天平；供水系統包括空氣壓縮機和密封容器，用于向土柱系統提供穩定水流；空氣壓縮機與密封容器連通，用于向密封容器提供壓縮空氣；土柱系統包括至少六個堆疊的標準環刀樣，相鄰的標準環刀樣之間設置有測試濾紙。通過供水系統和土柱系統的配合實現了可大范圍調節的穩定的供水流速，并避免了對土體的擾動，提高了測量精度并實現了全吸力范圍的測量。

技術領域

本發明涉及非飽和土滲透性測試技術領域，尤其涉及一種用于全吸力范圍非飽和滲透系數的測試裝置及方法。

背景技術

土水特征曲線(SWCC)和非飽和滲透性曲線(HCF)是描述非飽和土中水分運動的兩個關鍵參數。?SWCC?描述了土體含水率與基質吸力之間的關系，土體中的基質吸力范圍為0-10⁶kPa。HCF描述了基質吸力和滲透系數之間的關系。針對SWCC，現有的技術和儀器可以實現整個吸力范圍內的測量，例如軸平移技術（0-1500?kPa）、張力計（?0-500?kPa）、濾紙（0-10⁶kPa）、干濕計（100-8000?kPa）和蒸汽平衡技術（10⁴-10⁶kPa）。?影響?SWCC?的因素包括土體種類(如砂土、粉土、粉質粘土、粘土、膨脹土)、干密度、應力狀態、土體結構、增濕或減濕路徑等。在這些因素中，土體結構，特別是孔徑分布曲線?(PSD)，控制著土體的SWCC。其他因素主要由于孔隙的不均勻性或通過改變土體結構（如土體密度，應力狀態）而影響SWCC。?與對?SWCC?的眾多研究相比，當前?HCF?的實驗研究有限，其測試方法通常費力、繁瑣且耗時。

HCF的測試方法可分為穩態法和瞬態法兩類。穩態法包括恒水頭法和恒流量法。在恒水頭法中，基質吸力在試驗過程中保持恒定，當水流量達到穩態后，可以利用達西定律計算滲透系數。在這種技術中，需要兩個陶瓷板固定在試樣的頂部和底部。在頂部陶瓷板上施加恒定水頭，并向試樣提供高氣壓。不同研究人員通過改進這種方法的實驗細節，以獲得良好的準確性。在恒流量法中，水流量保持不變，當水頭損失穩定后，利用達西定律計算非飽和滲透系數。與恒水頭法一樣，也需要兩個陶瓷板固定在試樣的頂部和底部。這兩種方法的一個顯著缺點是需要很長時間才能達到平衡（例如，砂土需要?3-5?天，黏土需要?7-12天）。?通常，含水率越低平衡穩定所需時間越長。因此，這兩種方法更適用于滲透性高的砂土。值得注意的是在離心機的幫助下，平衡時間會大大縮短，可獲得低含水率或高吸力下的非飽和滲透系數。但是離心機測試昂貴，且可能引起土體變形，進而使得測試結果不準。

在瞬態方法中，土體含水率、水流量和水力梯度隨時間變化。?通常有?3?種測試技術，即水平入滲法、溢出法和瞬時剖面法。在水平入滲法中，準備一個水平土柱，在一側提供恒定的水頭以進行水分遷移。記錄不同位置土體含水率，并基于玻爾茲曼變換計算擴散和非飽和滲透系數。然而，此方法數據離散性大、測試結果不準，尤其是當土體接近飽和時這一問題更為顯著。溢出法是一種相對方便獲取的HCF?的方法。?實驗過程類似于使用壓力板儀裝置測量?SWCC。這種方法的一個缺點是受陶土板進氣值影響（陶土板進氣值1500kPa），測量數據限制在低吸力范圍內。瞬態剖面法是另一種瞬態方法，多通過含水率反射計（WRC）和時域反射計（TDR）來獲取含水率剖面，通過張力計獲得不同位置土體基質吸力。但受測試原理和陶瓷頭材料的限制，張力計只能測量?0-10³kPa?的吸力范圍。此外，瞬時剖面法中使用的探頭，如張力計、水分探頭、電阻率相對濕度探頭和TDR等需要插入土柱中，會擾動土體，進而導致土體含水率和吸力測定誤差。?此外，由于需要安裝水分計探頭，土柱的直徑需要足夠大以盡量減少干擾，這反過來又增加了制備均勻試樣的難度。