一种测试土体非饱和气相渗透系数的方法

1.一种测试土体非饱和气相渗透系数的方法，其特征是采用一种试验装置测定非饱和气相渗透系数，该装置由压力室(2)、压力室螺栓(3)、上顶盖(4)、不锈钢侧限环(7)、垂直位移传感器(10)、仪器底座(14)、压力室底座(21)组成，其中压力室底座(21)上安装有下底座(20)，下底座(20)上面安装有下陶土板(19)，下陶土板上面安装试样(17)，试样(17)上面是上陶土板(6)，上陶土板(6)上面安装上底座(5)，上底座(5)上面安装上顶盖(4)，试样(17)周围套有不锈钢侧限环(7)，不锈钢侧限环(7)安装在上顶盖(4)与压力室底座(21)之间，不锈钢侧限环(7)上下端有橡胶垫(16)，不锈钢侧限环(7)左侧上面安装有第一微型气压传感器(8)，下面安装有第二微型水压传感器(25)，右侧上面安装有第一微型水压传感器(18)，下面安装有第二微型气压传感器(26)，上底座(5)和下底座(20)均采用螺旋线型的排水槽，上底座(5)连接孔隙水排水管路(9)和孔隙气进气管路(15)，孔隙水排水管路(9)连接有第一孔隙水压传感器(28)和第一控制阀门(27)，孔隙气进气管路(15)连接有第二孔隙气压传感器(35)和第五控制阀门(36)，下底座(20)连接孔隙气排气管路(12)和孔隙水进水管路(23)，孔隙气排气管路(12)连接第一孔隙气压传感器(30)和第二控制阀门(29)，孔隙水进水管路(23)连接第二孔隙水压传感器(34)和第四控制阀门(33)，压力室连接压力室气压进气管路(22)，压力室气压进气管路(22)连接有第三孔隙气压传感器(37)和第六控制阀门(38)，压力室(2)安装在压力室底座(21)上，通过螺栓(3)固定，垂直加压轴(1)可以上下移动，并可以顶在上顶盖(4)上，压力室底座(21)一侧安装有垂直位移传感器(10)，压力室底座(21)下面的垂直压力升降轴(13)，通过垂直压力进水管路(24)为试样(17)提供垂直压力，通过连接的垂直位移升降翼(11)，由位移传感器(10)量测试样(17)的垂直位移变形量，垂直压力进水管路(24)连接有第三孔隙水压力传感器(31)和第三控制阀门(32)，利用该装置测定土体非饱和气相渗透系数的方法如下，①分别将上陶土板(6)和下陶土板(19)抽气饱和，然后将下陶土板(19)安装在下底座(20)上，将横截面积为A’高度为H’1的试样(17)安装在下陶土板(19)上，试样(17)上面安装上陶土板(6)，将不锈钢侧限环(7)通过橡胶垫(16)卡在上顶盖(4)和压力室底座(21)之间，不锈钢侧限环(7)左侧上面安装第一微型气压传感器(8)，下面安装第二微型水压传感器(25)，不锈钢侧限环(7)右侧上面安装第一微型水压传感器(18)，下面安装第二微型气压传感器(26)；
②将压力室(2)安装在压力室底座(21)上，拧紧压力室螺栓(3)，将垂直加压轴(1)拧下来对准上顶盖(4)，将垂直位移传感器(10)安装在垂直位移升降翼(11)上，并将读数归零；
③关闭第一控制阀门(27)、第二控制阀门(29)、第五控制阀门(36)和第六控制阀门(38)，打开第三控制阀门(32)和第四控制阀门(33)，通过垂直压力进水管路(24)施加压力，使垂直压力升降轴(13)上升，对试样(17)进行一维垂直固结，通过第三孔隙水压传感器(31)控制压力大小，通过垂直位移传感器(10)控制固结位移，待垂直位移传感器(10)读数每小时小于0.01mm时固结稳定，测得垂直位移量H’2，试样(17)高度为H’＝H’1-H’2；
④打开第二控制阀门(29)、第五控制阀门(36)和第六控制阀门(38)，通过压力室气压进气管路(22)施加气压P’1气，通过孔隙气进气管路(15)施加孔隙气压力P’1气，通过孔隙气排气管路(12)施加孔隙气压力P’2气，通过孔隙水进水管路(23)施加孔隙水压力P’1水；
⑤当孔隙气进气管路(15)的进气量与孔隙气排气管路(12)的出气量差值小于或等于
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5mm，第一微型气压传感器(8)、第一微型水压传感器(18)、第二微型水压传感器(25)和第二微型气压传感器(26)读数变化均小于或等于3kPa时，认为该状态为气相渗流稳定状态，此时测得单位时间T’内流过试样(17)的气体体积为Qatm，可计算试样(17)在该状态下的非饱和气相渗透系数Ka＝QatmH’/(T’A(P’1气-P’2气))。

一种测试土体非饱和气相渗透系数的方法\n技术领域\n[0001] 本发明是一种测试土体非饱和气相渗透系数的方法，属于土木工程试验测试领域。\n背景技术\n[0002] 非饱和土在我国分布广泛，地球表面广泛分布的天然沉积土，以及工程建设中遇到的土体问题，几乎都是非饱和土问题，真正意义上的饱和土在工程实践中很少见到，这使得非饱和土力学的研究具有非常现实和实际的意义。用来描述非饱和土特性的一个重要参数就是非饱和渗透势。直接测量非饱和土渗透势是很费时间的，目前确定非饱和土的渗透势是通过间接方法，即由直接测出的水分特征曲线，再用经验公式计算非饱和土渗透势的近似值。用间接方法得到的非饱和土渗透势的近似值对所用经验公式的依赖性很大，由不同的经验公式得到的同样条件土体的渗透势差别很大。虽然大家都知道非饱和土的渗透势受土体的应力状态影响，但直接测量应力状态对非饱和上渗透势影响的试验结果还未见报导，且目前国内外还没有用来专门量测非饱和气相渗透系数的试验方法。广义非饱和渗透势，即非饱和渗透系数包括非饱和水力渗透系数和非饱和气相渗透系数。本发明就是用来测定土体在一维侧限条件下的非饱和土气相渗透系数的试验方法。\n[0003] 发明内\n[0004] 本发明目的是提供一种测试土体非饱和气相渗透系数的方法，用于解决土体在非饱和条件下，在一维垂直压力及侧限应力状态下的气相渗透系数的量测问题。\n[0005] 本发明的技术解决方案，其特征是利用一种试验装置量测非饱和土气相渗透系数，该装置主要由压力室2、压力室螺栓3、上顶盖4、不锈钢侧限环7、垂直位移传感器10、仪器底座14、压力室底座21组成。其中压力室底座21上安装有下底座20，下底座20上面安装有下陶土板19，下陶土板上面安装试样17，试样17上面是上陶土板6，上陶土板6上面安装上底座5，上底座5上面安装上顶盖4，试样17周围套有不锈钢侧限环7，不锈钢侧限环7安装在上顶盖4与压力室底座21之间，不锈钢侧限环7上下端有橡胶垫16，不锈钢侧限环\n7左侧上面安装有第一微型气压传感器8，下面安装有第二微型水压传感器25，右侧上面安装有第一微型水压传感器18，下面安装有第二微型气压传感器26。上底座5和下底座20均采用螺旋线型的排水槽，上底座5连接孔隙水排水管路9和孔隙气进气管路15，孔隙水排水管路9连接有第一孔隙水压传感器28和第一控制阀门27，孔隙气进气管路15连接有第二孔隙气压传感器35和第五控制阀门36，下底座20连接孔隙气排气管路12和孔隙水进水管路23，孔隙气排气管路12连接第一孔隙气压传感器30和第二控制阀门29，孔隙水进水管路23连接第二孔隙水压传感器34和第四控制阀门33，压力室连接压力室气压进气管路\n22，压力室气压进气管路22连接有第三孔隙气压传感器37和第六控制阀门38。压力室2安装在压力室底座21上，通过螺栓3固定，垂直加压轴1可以上下移动，并可以顶在上顶盖\n4上，压力室底座21一侧安装有垂直位移传感器10，压力室底座21下面的垂直压力升降轴\n13，通过垂直压力进水管路24为试样17提供垂直压力，通过连接的垂直位移升降翼11，由位移传感器10量测试样17的垂直位移变形量，垂直压力进水管路24连接有第三孔隙水压力传感器31和第三控制阀门32。\n[0006] 本发明优点：\n[0007] 该方法测试简单，测量精度高，满足一维垂直应力加载要求，可以量测非饱和土气相渗透系数。\n[0008] 本发明适用范围：\n[0009] 适用于土木工程中遇到的各种土质在非饱和状态下气相渗透系数的量测。\n附图说明：\n[0010] 图1是量测非饱和土气相渗透系数方法所用试验装置的结构示意图。其中有：垂向加压轴1、压力室2、压力室螺栓3、上顶盖4、上底座5、上陶土板6、不锈钢侧限环7、第一微型气压传感器8、孔隙水排水管路9、垂直位移传感器10、垂直位移升降翼11、孔隙气排气管路12、垂直压力升降轴13、仪器底座14、孔隙气进气管路15、橡胶垫16、试样17、第一微型水压传感器18、下陶土板19、下底座20、压力室底座21、压力室气压进气管路22、孔隙水进水管路23、垂直压力进水管路24、第二微型水压传感器25、第二微型气压传感器26、第一控制阀门27、第一孔隙水压传感器28、第二控制阀门29、第一孔隙气压传感器30、第三孔隙水压传感器31、第三控制阀门32、第四控制阀门33、第二孔隙水压传感器34、第二孔隙气压传感器35、第五控制阀门36、第三孔隙气压传感器37、第六控制阀门38。\n[0011] 图2是上底座5与下底座20的螺旋线型排水槽结构示意图。\n具体实施方式：\n[0012] 实施例：量测土体非饱和气相渗透系数的方法如下，\n[0013] ①分别将上陶土板6和下陶土板19抽气饱和，然后将下陶土板19安装在下底座\n20上，将横截面积为A’高度为H’1的试样17安装在下陶土板19上，试样17上面安装上陶土板6，将不锈钢侧限环7通过橡胶垫16卡在上顶盖4和压力室底座21之间，不锈钢侧限环7左侧上面安装第一微型气压传感器8，下面安装第二微型水压传感器25，不锈钢侧限环7右侧上面安装第一微型水压传感器18，下面安装第二微型气压传感器26；\n[0014] ②将压力室2安装在压力室底座21上，拧紧压力室螺栓3，将垂直加压轴1拧下来，对准上顶盖4，将垂直位移传感器10安装在垂直位移升降翼11，并将读数归零；\n[0015] ③关闭第一控制阀门27、第二控制阀门29、第五控制阀门36、第六控制阀门38，打开第三控制阀门32和第四控制阀门33，通过垂直压力进水管路24施加压力，使垂直压力升降轴13上升，对试样17进行一维垂直固结，通过第三孔隙水压传感器31控制压力大小，通过垂直位移传感器10控制固结位移，待垂直位移传感器10读数每小时小于0.01mm时固结稳定，测得垂直位移量H’2，试样17高度为H’＝H’1-H’2；\n[0016] ④打开第二控制阀门29、第五控制阀门36、第六控制阀门38，通过压力室气压进气管路22施加气压P’1气，通过孔隙气进气管路15施加孔隙气压力P’1气，通过孔隙气排气管路12施加孔隙气压力P’2气，通过孔隙水进水管路23施加孔隙水压力P’1水；\n[0017] ⑤当孔隙气进气管路15的进气量与孔隙气排气管路12的出气量差值在5mm3范围内，此时第一微型气压传感器8、第一微型水压传感器18、第二微型水压传感器25、第二微型气压传感器26读数稳定时，认为该状态为气相渗流稳定状态，此时测得单位时间T’内流过试样17的气体体积为Qatm，可计算试样17在该状态下非饱和气相渗透系数Ka＝QatmH’/(T’A(P’1气-P’2气))。