1.本发明涉及渗透性试验装置和方法。
背景技术：2.低渗透性土的黏土矿物含量很高且孔隙微小，土水之间相互作用强烈，导致渗流特性和渗流机理异常复杂，宏观上呈现出低速微量的非线性渗流特点。低渗透性土渗流机理的准确认识和渗透系数预测方程的优劣都高度依赖于渗透性试验的精度。由于低渗透性土的渗透性试验渗流量微小，试验耗时长，导致环境温湿度变化、微渗流量的蒸发与计量方法以及土样与渗透器壁之间的侧漏等因素均将对试验精度产生较大影响。常用的渗流试验方法主要是常水头或变水头试验方法。但对于渗流缓慢的低渗透性土，常规渗透性试验的水头压力小且变化范围不大，导致试验过于耗时，不仅效率低下且抗干扰能力差；而且常规渗透试验装置在压力调控范围、高压气密性、高压渗流侧漏、高压土样压缩变形监测以及微流量计量等方面都存在天然不足或缺失，使得通过常规的渗透试验无法满足低速微量渗流试验高精度的要求。其次，还有使用柔性壁渗透仪进行的渗透性试验，它对于结构强度较大的土体或岩体是适用的，但对于淤泥软土等低渗透性土，其涉及试样饱和时、装样过程时、以及试验过程中的土样结构的改变而降低了试验精度。
3.因此，对于低渗透性土的低速微量渗流，在目前的试验条件下，还难以获得统一的渗流规律，渗流机理上尚存在一些争议。
技术实现要素：4.本发明的目的是提供渗透性试验装置和方法，能够对低渗透性土进行精密的渗透性试验。
5.针对上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种渗透性试验装置，包括渗透器，所述渗透器包括：
7.端盖，其具有用于注入渗透液的第一孔；
8.第一套筒，其和所述端盖共同限定与所述第一孔连通的第一内部空间，所述第一套筒在远离所述端盖的一端设有用于排出渗透液或注入饱和液的第二孔；和
9.第二套筒，位于所述第一内部空间内，所述第二套筒限定第二内部空间，所述第二内部空间用于装载被套膜包裹的待试验的土样；
10.其中，所述第一套筒套设于所述第二套筒的外侧，所述第一套筒和所述第二套筒之间形成围绕所述第二套筒外周的第一间隙，所述土样和所述第二套筒之间形成围绕所述土样外周的第二间隙，所述第一套筒设有与所述第一间隙连通的围压孔，所述第二套筒具有使得所述第一间隙和所述第二间隙连通的连通孔。
11.进一步地，所述第一间隙沿着所述第一套筒的轴向延伸，所述第二间隙沿着所述第二套筒的轴向延伸，所述连通孔沿着所述第二套筒的轴向形成有多层，其中位于同一层的连通孔沿着所述第二套筒的周向分布。
12.进一步地，第一套筒沿其轴向在第一间隙的两侧分别形成有径向向内凸的第一凸台，第二套筒的外壁与第一凸台贴合，从而在第一套筒的内壁和第二套筒的外壁之间形成第一间隙；第二套筒沿其轴向在第二间隙的两侧形成有径向向内凸的第二凸台，套膜的外表面与第二凸台贴合，从而在套膜和第二套筒的内壁之间形成第二间隙。
13.进一步地，所述渗透器还包括：
14.位于所述第一内部空间内的第一透液石，设置在靠近所述端盖的一侧；和
15.位于所述第一内部空间内的第二透液石，设置在远离所述端盖的一侧；
16.其中，所述土样设置在所述第一透液石和所述第二透液石之间。
17.进一步地，所述第一透液石和所述端盖之间形成与所述第一孔连通的第一空间，所述第二透液石和和所述第一套筒的端部之间形成与所述第二孔连通的第二空间，所述端盖具有与所述第一空间连通的第一排气孔，所述第一套筒具有与所述第二空间连通的第二排气孔。
18.进一步地，还包括液压供给系统，所述液压供给系统包括：
19.液箱，具有用于接收气压的进气口；
20.第一液路，与所述液箱连通并且与所述第一孔连通；和
21.第二液路，与所述液箱连通并且与所述围压孔连通；
22.其中，所述第一液路和第二液路均设有恒压器和调压阀。
23.进一步地，所述渗透液具有颜色，所述第一套筒、第二套筒和套膜由透明材质制成。
24.进一步地，还包括无蒸发流量计量器，所述无蒸发流量计量器包括：
25.与所述第二孔连通的流量计量瓶，用于收集渗透液；
26.温度计，用于测量渗透液的温度；和
27.电子秤，用于测量渗透液的重量。
28.进一步地，还包括恒温恒湿试验箱，所述渗透器、液压供给系统和所述无蒸发流量计量器均位于所述恒温恒湿试验箱的内部。
29.本发明还提供一种利用上述渗透性试验装置进行渗透性试验的方法。
30.本发明的有益效果包括：该装置通过恒温恒湿试验箱保证试验在恒温恒湿的条件下进行，避免环境因素的变动对试验的影响；通过装样-饱和-试验一体化过程减小对土样的扰动；通过防蒸发的微渗流量体积-质量双计量方法对渗出液量进行精确计量；通过防侧漏透明渗透器特殊结构形式设置方法防止土样与渗透器壁之间侧漏；通过颜色液作为渗透液对透明渗透器的防侧漏方法进行直观检验与修正；通过实时拍摄记录结合图片像素对比处理的方法，实时监测土样的压缩变形量。本发明有助于解决因为试验精度不够而导致的微量渗流机理不清晰的问题，突破低/超低渗透性土的复杂渗流特性的室内试验研究的困境。
附图说明
31.图1为本公开一实施例的渗透性试验装置的结构示意图；
32.图2为本公开一实施例的渗透器的结构示意图；
33.图3为图2中的局部放大示意图；
34.图4为本公开一实施例的第二套筒的俯视图；
35.图5为图4中a-a方向的剖视图；
36.图6为本公开一实施例的第一套筒的俯视图；
37.图7为图6中b-b方向的剖视图；
38.图8为颜色渗透水在第一透液石和第二透液石之间不贯通的示意图；
39.图9为颜色渗透水在第一透液石和第二透液石之间贯通的示意图；
40.图10为无蒸发流量计量器的结构示意图；
41.图11为监测因土样渗流力产生的压缩量的示意图。
42.附图标号说明：1、恒温恒湿试验箱；2、液箱；3、进气口；4、气压；5、注液口；6、调压阀；7、恒压器；8、渗透器；9、压力计；10、排气阀；11、无蒸发流量计量器；12、第一排气孔；13、第一孔；14、端盖；15、渗透液，16、第一透液石；17、连接螺栓；18、螺纹孔；19、密封垫圈；20、钢环；21、橡胶环垫；22、第一套筒；23、围压孔；24、围压液；25、土样；26、第二透液石；27、第二排气孔；28、第二孔；29、第二套筒；30、连通孔；31、围压；32、套膜；33、颜色液；34、未贯通侧面渗漏区；35、孔隙液，36、贯通侧漏区，37、温度计；38、瓶塞；39、气压联通微孔；40、瓶身；41、精密电子称；42、摄像机；43、主刻度尺；44、副刻度尺；45、第一间隙；46；第二间隙；47、第一凸台；48、第二凸台；49、第一空间；50、第二空间。
具体实施方式
43.为便于更好地理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。应注意的是，图中示出的特征不是必须按照比例绘制。此外，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
45.如图1所示，本公开较佳实施例的渗透性试验装置，包括恒温恒湿试验箱1以及位于恒温恒湿试验箱1内部的渗透器8、液压供给系统和无蒸发流量计量器11。
46.恒温恒湿试验箱1用于使箱内温度和湿度保持恒定或在很小的范围内波动。由此，渗透试验可以在温度湿度恒定的试验箱内进行，能够研究温度湿度对渗流试验影响的敏感性，确定对渗流试验影响最小的环境温度和湿度。恒温恒湿试验箱1内的试验环境温湿度设定为通过试验确定的对渗流影响最小的温度和湿度，箱内温度和湿度通过误差反馈进行控制，温度的波动控制在
±
0.5℃范围之内，湿度的波动控制在
±
1％r.h范围之内。试验箱可以购买型号为“ks-hw225”的恒温恒湿箱进行改造，温湿度的波动分别在
±
0.5℃和
±
1％r.h范围之内，可满足试验要求。
47.液压供给系统包括储有液体(例如水)的液箱2。液箱2具有用于接收外部气源输入的气压4的进气口3和用于接收外部注液的注液口5。气压4可以提供供液体运动的动力。
48.如图1至图7所示，渗透器8包括端盖14、第一套筒22和第二套筒29。渗透器8采用整体式无泄漏结构形式，端盖14和第一套筒22分别具有法兰，二者的法兰通过连接螺栓17和螺纹孔18进行固定连接，并且端盖14和第一套筒22的连接端面之间设有密封垫圈19。端盖14具有用于注入渗透液15的第一孔13。第一套筒22和端盖14共同限定与第一孔13连通的第一内部空间。第一套筒22在第一套筒22在远离端盖14的一端设有用于排出渗透液15或注入饱和液的第二孔28。其中，饱和液是指液体的用途是使土样25饱和。
49.第二套筒29位于第一内部空间内，第二套筒29限定第二内部空间，第二内部空间用于装载待试验的土样25。土样25在第二套筒29内被压实成型并且被套膜32包裹。套膜32可以是软胶套膜。土样25可以是低渗透性或极低渗透性的土样，例如渗透系数k(cm/s)在10-3～10-5范围内，或者在10-5～10-7范围内。可以通过第二孔28向土样25施加饱和液，使得土样25饱和。土样25在渗透器8的套筒内被压实成型后，直接被安装于渗透器8内。通过第二孔28向渗透器8内注液，使土样25直接在渗透器8内进行饱和处理，避免了土样25(特别是黏土矿物含量很高的土样)吸液而发生的膨胀变形。
50.第二套筒29同轴套设于土样25的外侧，第一套筒22同轴套设于第二套筒29的外侧。第一套筒22和第二套筒29之间形成围绕第二套筒29外周的第一间隙45，土样25和第二套筒29之间形成围绕土样25外周的第二间隙46，第一套筒22设有与第一间隙连通的围压孔23，第二套筒29具有使得第一间隙45和第二间隙46连通的连通孔30。第一间隙沿着第一套筒22的轴向延伸，第二间隙沿着第二套筒29的轴向延伸，连通孔30沿着第二套筒29的轴向形成有多层，其中位于同一层的连通孔30沿着第二套筒29的周向分布。
51.第一套筒22沿其轴向在第一间隙45的两侧分别形成有径向向内凸的第一凸台47，第二套筒29的外壁与第一凸台47贴合，从而在第一套筒22的内壁和第二套筒29的外壁之间形成第一间隙45，即第一套筒22的内壁和第二套筒29的外壁之间的距离为第一间隙的厚度。第二套筒29沿其轴向在第二间隙的两侧形成有径向向内凸的第二凸台48，包裹土样25的软胶套膜32的外表面与第二凸台48贴合，从而在软胶套膜32和第二套筒29的内壁之间形成第二间隙46，即第二套筒29的内壁和软胶套膜32的外表面之间的距离为第一间隙的厚度。两侧的第一凸台47的轴向端面分别与第二套筒29的两侧端面平齐。
52.液压供给系统还包括第一液路和第二液路。第一液路与液箱2连通并且与第一孔13连通，第二液路与液箱2连通并且与围压孔23连通。可以通过第一液路，经由第一孔13向渗透器8内注入来自液箱2的液体(此时的液体可以被称为渗透液)。可以通过第二液路，经由围压孔23向渗透器8内注入来自液箱2的液体(此时的液体可以被称为围压液)。围压液24通过围压孔23进入第一间隙，然后通过第一间隙经由连通孔30进入第二间隙，通过均匀作用在软胶套膜32，从而均匀作用在被软胶套膜32包裹的土样25周侧，对土样25周侧产生围压，从而使软胶套膜32与土样25周侧紧密接触，以阻止土样25周侧与渗透器8套筒壁之间的漏液。
53.第一液路和第二液路均设有恒压器7和调压阀6，从而调整各自液路上的液压。恒压器7可以是氮气恒压器。通过调整第一液路和第二液路的恒压器7和调压阀6，可以提供特定的持续稳定的渗透液压和围压。通过调整渗透液压，可以将经第一孔13注入的渗透液15
调整为大水头压力。调节围压液24压力使防侧漏的软胶套膜32与土样25外侧贴得更紧密，确保不发生侧漏。第二回路还设有用于测量压力的压力计9。此外，在远离围压孔23的一侧还设置有用于测量土样25受到的围压的两个压力计9。压力计9可以是精密压力计。
54.渗透器8还包括位于第一内部空间内的第一透液石16和第二透液石26。第一透液石16设置在靠近端盖14的一侧，第二透液石26设置在远离端盖14的一侧。土样25设置在第一透液石16和第二透液石26之间。第一透液石16和第二透液石26的外侧套设有钢环20。钢环20的端面和第一凸台与第二套筒29的连接端面设有橡胶环垫21。
55.可以使渗透液15具有颜色，第一套筒22、第二套筒29和软胶套膜32由透明材质制成。例如，第一套筒22和第二套筒29均由透明有机玻璃制成，软胶套膜32由透明软胶制成。可以通过有颜色的渗透液15以及第一透液石16和第二透液石26进行侧漏判断。试验时，使用颜色液33作为试验渗透液15，在大水头压力下做检测的土样25渗透模拟试验，通过透明渗透器8直接观察侧面渗漏区的分布情况，且检验测试的持续时间与实际渗透试验时间相同。根据侧面渗漏区的分布情况对防侧漏特性作出判断：如图8所示，虽然存在孔隙液35，但是如果侧面渗漏区在第一透液石16和第二透液石26之间未联通，形成未贯通侧面渗漏区34，则判定为未发生影响渗透试验真实性的侧漏；如图9所示，而如果侧面渗漏区在第一透液石16和第二透液石26之间联通，形成贯通侧漏区36，则判定为发生影响渗透试验真实性的侧漏。对于发生侧漏情况，可以调节围压液24压力使防侧漏的软胶套膜32与土样25外侧贴得更紧密，确保不发生侧漏。
56.第一透液石16和端盖14之间形成与第一孔13连通的第一空间49，第二透液石26和和第一套筒22的端部之间形成与第二孔28连通的第二空间50，端盖14具有与第一空间49连通的第一排气孔12，第一套筒22具有与第二空间50连通的第二排气孔27。第一排气孔12和第二排气孔27分别设有排气阀10。第一排气孔12主要用作注入渗透液15时的排气孔，第二排气孔27主要用作注入饱和液时的排气孔。
57.如图10所示，无蒸发流量计量器11包括流量计量瓶、温度计37和电子秤41。流量计量瓶与第二孔28连通，以收集渗透液15。流量计量瓶的瓶身40带有容积刻度，可直接测量收集的渗透液15的容积。瓶身40由带气压联通微孔39的瓶塞38进行封闭，既可防止液体的蒸发造成渗出液量的损失，又可保持集液器内外气压的平衡。温度计37经由瓶塞38伸入瓶身40与渗透液15接触，以测量渗透液15的温度。电子秤41可以是精密电子秤，测量精度可以达到0.0001g。流量计量瓶安放在精密电子秤41上，通过精密电子秤41可以测量流量计量瓶的重量变化，从而测量渗透液的重量。通过容积计量与温度补偿重力计量相结合的双计量方法提高计量精度，即通过精密电子秤41称重和计入温度对液体密度的影响来折算液体容积，以比较和校验通过计量瓶刻度读数的液体容积计量，把计量误差减小到1mm3。
58.土样25在高水头压力作用下，产生的压缩量对渗流的影响不可忽略。通过由透明材质制成的第一套筒22、第二套筒29和软胶套膜32，可以实时监测因土样25渗流力产生的压缩量δh，，并根据压缩量的测试结果，结合k-c渗流方程对渗流数据作出相应修正，如图11所示，具体方法如下：
59.1.提供摄像机42，通过摄像机42定时持续拍摄透明渗透器8中的土样25，实时记录压缩变形情况。
60.2.根据试验至任意时刻ti的土样图片的竖向像素数di与实验开始前的土样图片竖
向像素数d0之比，并结合土样初始高度h0，可以计算得到截止ti时刻土样的压缩量：
[0061][0062]
3.固定式主刻度尺43和活动式副刻度尺44组成微分刻度尺，主刻度尺总刻度数为m，最小刻度为1mm，副刻度尺总刻度数为n(n《m),最小刻度为即通过副刻度尺把主刻度尺的1mm微分成n份，则微分刻度尺的测量精度为(如n＝50，测量精度为0.02mm,)。将微分尺测量值与图像计算值进行对比验证；通过各个时刻土样压缩量变化结果，得到土样孔隙率随时间的变化情况。
[0063]
4.根据土样渗流力产生的压缩量的测试结果，并利用k-c渗流公式对渗流数据作出相应修正：
[0064]
将土样初始孔隙比e0代入k-c公式计算出初始渗透系数k0；根据压缩量δh得到土样孔隙比变化量δe，得到压缩后的土样孔隙比e＝e
0-δe；将压缩后的土样孔隙比e代入k-c公式得到压缩后土样渗透系数k(e)；从而得到由渗流力作用于土体所产生的压缩量而导致的渗透系数的变化量为δk＝k
0-k(e)，由此得到修正后的渗透系数为：
[0065]k′
＝k
*
+δk
[0066]
其中k
*
为试验测试的渗透系数，k
′
为修正后的渗透系数。
[0067]
以上详细说明仅为本发明之较佳实施例的说明，非因此局限本发明之专利范围，所以，凡运用本创作内容所为之等效技术变化，均包含于本创作之专利范围内。
技术特征：1.一种渗透性试验装置，其特征在于，包括渗透器，所述渗透器包括：端盖，其具有用于注入渗透液的第一孔；第一套筒，其和所述端盖共同限定与所述第一孔连通的第一内部空间，所述第一套筒在远离所述端盖的一端设有用于排出渗透液或注入饱和液的第二孔；和第二套筒，位于所述第一内部空间内，所述第二套筒限定第二内部空间，所述第二内部空间用于装载被套膜包裹的待试验的土样；其中，所述第一套筒套设于所述第二套筒的外侧，所述第一套筒和所述第二套筒之间形成围绕所述第二套筒外周的第一间隙，所述土样和所述第二套筒之间形成围绕所述土样外周的第二间隙，所述第一套筒设有与所述第一间隙连通的围压孔，所述第二套筒具有使得所述第一间隙和所述第二间隙连通的连通孔。2.如权利要求1所述的渗透性试验装置，其特征在于，所述第一间隙沿着所述第一套筒的轴向延伸，所述第二间隙沿着所述第二套筒的轴向延伸，所述连通孔沿着所述第二套筒的轴向形成有多层，其中位于同一层的连通孔沿着所述第二套筒的周向分布。3.如权利要求1所述的渗透性试验装置，其特征在于，第一套筒沿其轴向在第一间隙的两侧分别形成有径向向内凸的第一凸台，第二套筒的外壁与第一凸台贴合，从而在第一套筒的内壁和第二套筒的外壁之间形成第一间隙；第二套筒沿其轴向在第二间隙的两侧形成有径向向内凸的第二凸台，套膜的外表面与第二凸台贴合，从而在套膜和第二套筒的内壁之间形成第二间隙。4.如权利要求1所述的渗透性试验装置，其特征在于，所述渗透器还包括：位于所述第一内部空间内的第一透液石，设置在靠近所述端盖的一侧；和位于所述第一内部空间内的第二透液石，设置在远离所述端盖的一侧；其中，所述土样设置在所述第一透液石和所述第二透液石之间。5.如权利要求4所述的渗透性试验装置，其特征在于，所述第一透液石和所述端盖之间形成与所述第一孔连通的第一空间，所述第二透液石和和所述第一套筒的端部之间形成与所述第二孔连通的第二空间，所述端盖具有与所述第一空间连通的第一排气孔，所述第一套筒具有与所述第二空间连通的第二排气孔。6.如权利要求1所述的渗透性试验装置，其特征在于，还包括液压供给系统，所述液压供给系统包括：液箱，具有用于接收气压的进气口；第一液路，与所述液箱连通并且与所述第一孔连通；和第二液路，与所述液箱连通并且与所述围压孔连通；其中，所述第一液路和第二液路均设有恒压器和调压阀。7.如权利要求1所述的渗透性试验装置，其特征在于，所述渗透液具有颜色，所述第一套筒、第二套筒和套膜由透明材质制成。8.如权利要求1所述的渗透性试验装置，其特征在于，还包括无蒸发流量计量器，所述无蒸发流量计量器包括：与所述第二孔连通的流量计量瓶，用于收集渗透液；温度计，用于测量渗透液的温度；和电子秤，用于测量渗透液的重量。
9.如权利要求1所述的渗透性试验装置，其特征在于，还包括恒温恒湿试验箱，所述渗透器、液压供给系统和所述无蒸发流量计量器均位于所述恒温恒湿试验箱的内部。10.一种利用权利要求1-9任意一项所述的渗透性试验装置进行渗透性试验的方法。
技术总结一种渗透性试验装置，包括渗透器，渗透器包括：端盖，其具有用于注入渗透液的第一孔；第一套筒，其和端盖共同限定与第一孔连通的第一内部空间，第一套筒在远离端盖的一端设有用于排出渗透液或注入饱和液的第二孔；和第二套筒，位于第一内部空间内，第二套筒限定第二内部空间，第二内部空间用于装载被套膜包裹的待试验的土样；其中，第一套筒套设于第二套筒的外侧，第一套筒和第二套筒之间形成围绕第二套筒外周的第一间隙，土样和第二套筒之间形成围绕土样外周的第二间隙，第一套筒设有与第一间隙连通的围压孔，第二套筒具有使得第一间隙和第二间隙连通的连通孔。本公开的渗透性试验装置能够对低渗透性土进行精密的渗透性试验。置能够对低渗透性土进行精密的渗透性试验。置能够对低渗透性土进行精密的渗透性试验。
技术研发人员：房营光 周海君 谷任国
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
