三轴渗透试验仪的设计制造及应用

本发明涉及设计和制造用于测试低渗透系数(10-9cm/s数量级)样品的三轴渗透测试仪器。测试的样品可以是纯土材料，可以是土和水泥、粉煤灰、微粉矿渣、火山灰或煤矸石等的混合材料；可是其他诸如土和白云石、蒙脱石、伊利石、高岭石、沸石、硅藻土等非金属矿物；也可以是上述所有产品的各种组合复配后能够形成包含硅酸钙或者水化后能够形成水化硅酸钙矿物成分的样品。只要最终的测试样品形成一定的致密度，具备一定的强度、硬度、粘聚性、流动性和保水性，都可以在三轴渗透试验仪上进行渗透系数的测试。

由于影响渗透系数的因素十分复杂，如土的颗粒组成，胶体含量、结构状态、密度、土粒和水的矿物成分等，都足以影响它的正确测定。当前室内和现场用的各种方法所测定的渗透系数仍然是个比较粗略的数值，实际上渗透系数的测定方法，仍处于研究和改进之中。

在土木工程和土力学领域，现在国家标准《土工试验方法标准GB/T 50123-1999》和水利行业标准《土工试验规程SL237-014-1999》目前室内渗透试验方法有两种：1、常水头渗透试验，2、变水头渗透试验。

由于土的渗透系数变化范围很大，从10-1～10-8cm/s，渗透系数测定的方法的选用是根据土样的渗透性大小决定的。对于渗透系数(k)大于10-4cm/s的土采用常水头法，渗透系数(k)为10-4～10-7cm/s的土采用变水头法。

1、常水头渗透试验

常水头渗透试验适用于砂土等粗粒土，根据《岩土工程仪器基本参数及通用技术条件GB/T 15406-2007》中规定使用70型渗透仪(基姆式渗透仪)，见附图1所示。

根据GB/T 15406-2007的规定，与70型渗透仪配套使用的圆筒内径为100mm，高为300～400mm，并且圆筒的内径应大于试样中最大粒径的10倍，以避免因沿圆筒周围部分试样的孔隙较大而使周围部分流量变大引起的试验误差。

常水头渗透试验即水流在一恒定的水头差作用下通过土样，测定在规定时间内的流量来计算土的渗透系数。试验时土样长度为固定值，这样水力坡降为常数，根据达西定律，渗透流量为：

$Q=\mathrm{kiAt}=\frac{\mathrm{kHAt}}{L}\Rightarrow k=\frac{\mathrm{QL}}{\mathrm{HAt}}$

式中：Q——渗透流量(cm3)；

k——渗透系数(cm/s)；

i——水力坡降；

H——水头损失(cm)；

L——渗透路径长度(cm)；

A——试样截面积(cm2)；

t——时间(s)。

2、变水头渗透试验

变水头渗透试验适用于粘质土和粉质土等细粒土，根据《岩土工程仪器基本参数及通用技术条件GB/T 15406-2007》中规定使用南55型渗透仪，见附图2和图3所示。

变水头渗透试验是通过土样的渗透在变化的水头压力影响下进行的。根据同一时间内经过土样的渗流量与水头量管流量相等推导得出变水头渗透系数。渗透系数可由下式求得：

$k=2.3\frac{\mathrm{aL}}{A(t_2-t_1)}\lg \frac{H_1}{H_2}$

式中：2.3——ln和lg的变换因数；

a——变水头管的断面积(cm2)；

t1、t2——测读水头的起始和终止时间(s)；

H1、H2——起始和终止水头(cm)。

3、计算及成果整理

按公式计算常水头渗透系数及变水头渗透系数。并按下式计算标准温度下的渗透系数。

$K_{20}=k_T\frac{{\eta }_T}{{\eta }_{20}}$

式中：k20——标准温度时试样的渗透系数(cm/s)；

k——试验温度时试样的渗透系数(cm/s)；

ηT和η20——分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数(kPa·s)，可查表得水的动力粘滞系数、粘滞系数比，温度校正值。

一、概述

三轴渗透试验仪是一种可以让试样施加不同周围压力和施加不同渗透压力的土工试验仪器，适用于各种土的渗透系数的测定。该仪器的设计满足渗透定律的基本理论，由气压加荷并稳压的周围压力装置、三轴渗透试验容器集合于一体，同时发展和优化了我国关于渗透试验的国家行业标准的操作规程，因此具有结构紧凑、设计合理、操作简单、使用方便等特点的一种新型试验装置，该装置可进行两个试样同步进行。

二、本发明的目的：

1、提供一种测试低渗透性材料的仪器和方法，该方法简单易行、成本低。

2、拓宽测试渗透系数的材料的种类，不光可以测试土的渗透系数，还可以测试其他各种能和土结合的材料，比如：水泥、粉煤灰、微粉矿渣、火山灰、煤矸石、白云石、蒙脱石、伊利石、高岭石、沸石、硅藻土等添加剂；

传统的测试方法只能测试纯土的渗透系数，并且只能测试到k＝10-7cm/s这一数量级得粘质土的渗透系数，对于更低渗透性材料的测试就无能为力了。相比较于传统的方法，本发明引入空气压缩机作为提供超高水头的一种理想替代方案。测试的渗透系数可达k＝10-9cm/s这 个数量级上，甚至10-10cm/s或更低渗透性试样的渗透系数也可以做到，只是饱和需要的时间会相应的更长些。本发明的示意图见图4，对应的实物图间图5～图19。

三、试验原理

本发明的工作原理图见图20。

被测试的土样置于三轴压力室内，上下两端都有透水器件。在不同的周围压力作用下可以进行固结排水，也可以不固结排水。打开排水阀门通道，在渗透压力作用下，土样自上而下的渗透，其渗透压力大小由定值器通过精密压力监视，同时根据试样渗透快慢确定渗透压力。土样通过水流作用，渗出流入计量管(体变管)。由液压(体变)传感器输入计算机进行测试采集。由此根据流量、时间、土样高度、土样面积、渗透压力，从而可以计算出渗透系数Kv。

四、主要技术指标

1、土样直径61.8mm，即土样面积30cm2，另一种土样直径70.0mm，即土样面积38.5cm2：

2、试样高度40mm；

3、围压0～600kPa；

4、渗透压力0～500kPa，相当于50m水柱高度；

5、变水头(渗流量)变化范围0～50cm(0～50ml)，精度0.1cm(0.1cc)；

6、渗透量由体变传感器和计算机进行实时数据采集0～50ml；

7、变水头测量管的断面积为1cm2左右。

五、主要组成部分和配件

1、气压压力源：由低噪音式空气压缩机等提供。

2、周围固结压力施加系统由围压定值器、精密压力表、三轴渗透压力室等组成。定值器(调压阀)0～800kPa；精密压力表，0.4级，0～1Mpa；三轴压力室0～1000kPa。

3、渗透压力施加系统由定值器、气水转换渗流计量管、精密压力表以及二通、三通开关等。

定值器(调压阀)0～800kPa；气水转换渗流计量管0～50ml；精密压力表，0.4级，0～1Mpa。

4、三轴渗透压力室由容器底座、顶盖、有机玻璃筒、试样座、试样帽、上下透水板、乳胶膜、排水管路及固定容器的拉杆等组成，压力室底座有进气孔、排气孔、进水孔及排水孔等开关组成；

5、仪器机架由不锈钢板折压制成，上方置有提供试验用水的供水箱。供水箱，不小于5000ml。

6、仪器面板装有精密压力表0.4级，0～1Mpa、气水转换计量管0～50ml、出水渗流计量管0～50ml、定值器及调压阀0～800kPa、流量(液位)传感器0～20kPa；

7、流量(液位)数字式电子显示器(无线数据采集器)、接收器、数据采集软件和笔记本电脑(包含数据采集处理软件)；

8、其他：三轴渗透试样制模器、脱模器、制模饱和器、乳胶膜、现场土样取样器、橡胶 锤等。

图1为常水头渗透试验装置70型渗透仪示意图；1-金属圆筒；2-滑动架；3-溢水孔；4-止水夹；5-供水管；6-供水管；7-测压管；8-温度计；9-砾石层；10-测压孔；11-金属孔板；12-渗水孔；13-量杯；14-试样；15-调节管。

图2为变水头渗透试验装置南55型渗透仪示意图；1-渗透容器，2-进水管，3-变水头管，4-供水瓶，5-水源管，6-排水管，7-出水管。

图3为水头渗透试验装置渗透容器图；1-套筒，2-上盖，3-下盖，4-进水管，5-出水管，6-排水管，7-橡皮圈，8-螺栓，9-环刀，10-透水石。

图4为本发明三轴渗透仪示意图。

图5为本发明三轴渗透仪实物连接图。

图6为本发明三轴渗透仪匹配用低噪音空气压缩机。

图7为本发明三轴渗透仪匹配用三轴压力室。

图8为本发明三轴渗透仪匹配用制模压实、脱模器。

图9为本发明三轴渗透仪匹配用数据采集器和无线接收器。

图10为本发明三轴渗透仪匹配用体积变化传感器。

图11为本发明三轴渗透仪控制面板开关。

图12为本发明三轴渗透仪匹配用压力表和压力定值器。

图13为本发明三轴渗透仪试样放置图1。

图14为本发明三轴渗透仪试样放置图2。

图15为本发明三轴渗透仪试样放置图3。

图16为本发明三轴渗透仪匹配用直径70mm橡皮膜(左)和61.8mm橡皮膜(右)。

图17为本发明三轴渗透仪匹配用61.8mm环刀饱和器(左)和70.0mm环刀饱和器(右)。

图18为本发明三轴渗透仪匹配用70.0mm环刀(左)和61.8mm环刀(右)。

图19为本发明三轴渗透仪匹配用61.8mm土样取样器(左)和70.0mm土样取样器(右)。

图20为本发明三轴渗透仪原理图。

图21为本发明三轴渗透仪渗透试验专用软件数据实时采集图。

图22为本发明三轴渗透仪渗透实验数据分析(常水头)。

图23为本发明三轴渗透仪渗透实验数据分析(变水头)。

一、实验步骤

1、土的渗透性是水流通过土孔隙的能力，显然土的孔隙大小决定着渗透系数的大小，因此测定渗透系数时必须说明与渗透系数相适应的土的密度状态或者说明土的孔隙比。按三轴试验的规范方法用制模筒制成原状土样(或扰动土样)，土样若需要饱和时，饱和的方法有真空抽气浸水饱和法，渗透性较好的土样可以在渗透容器中采取水头饱和，粘性较高的土样可采用提高渗透压力饱和法等。针对原状土样可以用土样取样器和环刀在现场取样，在实验室测试其孔隙比；针对扰动土样，可以可以用三轴渗透试样制模器压制出一定密度下的试样， 针对水泥等其他粘结剂与土的混合物，在实验室测试其净质量和环刀体积，从而计算出其密度。从而进行在设计要求密度或孔隙比下的渗透系数，否则试验结果无实用意义。

2、按照图13～15所示，按照从上到下的顺序同心摆放渗透试验土样底座(φ61.8mm×30.0mm)、一个透水板(φ61.8mm×10.0mm)、不锈钢环刀(φ61.8mm×40.0mm)、另一个透水板(φ61.8mm×10.0mm)、渗透试验土样帽(φ61.8mm×30.0mm)或使用另一套：渗透试验土样底座(φ70.0mm×30.0mm)、橡皮膜(φ70.0mm×125mm)、一个透水板(φ70.0mm×10.0mm)、不锈钢环刀(φ70.0mm×40.0mm)、另一个透水板(φ70.0mm×10.0mm)、渗透试验土样帽(φ70.0mm×30.0mm)。

3、打开空压机开关，打开空压机气体连接阀开关，此时渗透仪接通气源，围压精密表开始显示示数。接着打开压力室进气开关，压力室整个空间被围压充满，此时调整围压定制器开关使压力室内的压力稳定在550KPa(按照充分利用空压机，缩短渗透时间来进行操作)。然后打开连接水箱和气水转换渗透管的三通开关，使水箱中的水进入到气水转换渗流管中，水量高度控制不超过50ml。接着转动三通开关接通气水转换渗流管和压力室的进水管。

4、打开两个压力室上的进水开关和出水开关，做好施加渗透压力的准备。

5、缓慢旋转渗透压力排气开关(两通开关)，使渗透压力显示表显示的压力值缓慢的增大。当排气开关旋转90°后，此时顺时针缓慢旋转渗透压力定值器，使渗透压力显示表显示的压力值稳定在450KPa。在这个过程中渗透压力会通过气水转换渗流管把气水转换渗流管中的水经过压力室进水开关压入到压力室。按照从下到上的顺序，进入压力室的水通过渗透试验土样底座、透水板、带有试样的环刀、透水板、渗透试验土样帽，然后通过与渗透试验土样帽连接的管线从压力室出来进入出水渗流计量管。

6、进入到出水渗流计量管的水量与试样的渗透性大小具有直接的关系。如果试样是粗粒土，渗透性在10-4cm/s左右，那么试样在450KPa的渗透压力(即46.5m的水头，加上气水转换渗流管中50ml的水头，总共是47m的水头)下会在几分钟内迅速饱和，出水渗流计量管会有连续水流进入；如果试样是细粒土，渗透性在10-4cm/s～10-7cm/s左右，那么试样饱和的时间就会相对很长，大约需要1～2h的饱和时间；如果试样是土和水泥等材料的混合物，渗透系数在10-7cm/s～10-9cm/s，那么试样的饱和时间就会相对更长，大约需要3～24h的饱和时间。所以饱和时间随渗透系数的越来越小会变得越来越长。

7、当试样饱和后，即出水渗流计量管有连续水流进入，此时试验数据采集正式开始。与出水渗流计量管底部相连接的体积变化传感器采集实时数据并通过数据采集器显示出来，由无线接收器经USB接口把数据传输到计算机上的渗透试验专用软件上，从而实现数据的在线读取和分析。渗透试验专用软件可以设置读取出水渗流计量管中体积值的频率，即每隔几秒进行读取，并且会同时绘制渗透量与时间的关系曲线，见图21所示。

8、渗透试验专用软件已经把包括常水头和变水头计算公式内嵌在软件内，方便随时调用，可以直接对采集记录下来的实验数据进行计算和分析，在第一时间得到实验结果。有两套计算方案可供选择：第一个是常水头计算公式，见图22所示，第二个是变水头计算公式，见图 23所示。

9、实验结束后，先关闭空压机的气源阀门，再旋转两个定值器使围压压力表和渗透压力压力表的示数回零。同时旋转渗透压力排气开关，放掉剩余在系统管线内的少量气体，清洁压力室并擦干渗透仪实验台。

二、注意

1、两个压力室最好用同一规格尺寸的上述渗透元件。

2、橡皮膜与环刀、渗透试验土样帽和渗透试验土样底座之间用橡皮筋来进行环状束缚，从而让橡皮膜与上述三者贴紧。

3、用原状样进行试验时，环刀切样操作至关重要。只有土样侧面保持为直顺的圆柱面时，才能杜绝试样边界的绕渗现象。一般来说，直接用手按压环刀的做法是不可取的，切样时应该使用保证环刀垂直下压的辅助工具，见图19所示。

4、围压一定要始终大于渗透压一个大气压，最少也得大100KPa。

5、气水转换渗流计量管进水时，一定要保证渗透压力精密压力表没有读数，即渗透压为0，否则气水转换渗流计量管中的水会在渗透压的作用下倒流回水箱。

6、对土样施加周围压力前，应对压力室进行安全检查，要检查是否漏气。

7、排水体变管或者气水转换渗流管之所以漏气是因为围压从橡皮膜和有机玻璃底座、有机玻璃帽、两个透水石以及环刀组成的圆柱状的环状间隙进入排水体变管和气水转换渗流管所导致的。

8、在渗透试验时由定值器控制渗透压力，可以选择不同的渗透压力，渗透压力大小要根据土的颗粒组成、密实度、渗流的快慢来确定。但是渗透压力要始终小于围压，至少100KPa。

9、本发明空压机的提供的气源压力范围是500KPa～700KPa，由于仪表显示的滞后性，实际为480KPa～720KPa。本发明的定值器可以承受800KPa，空压机可以提供700KPa，考虑到压力室的耐压状况，本发明的围压最大调整到600Kpa。实际实验显示：当把渗透压力调到500kpa，围压调到550kpa时，当空压机达到最大输出压力700Kpa，开始进入停止工作的间歇时段，这时发现只有围压缓慢地徐徐下降到480pa，此时空压机开始工作，但是在围压下降的过程中，渗透压力几乎没有什么下降仍然在500KPa附近，所以导致渗透压力接近于围压，气水转换渗流管的水迅速进入压力室，充满橡皮膜，导致实验中断，所以综合考虑本发明的围压最大可以调节到600kpa，渗透压力最大调节到450kpa，并且渗透压力要始终比围压至少小100KPa。

10、从气水转换渗流管的水头徐徐下降导致出水渗流计量管的水位产生变化由此计算渗透系数Kv。

11、当出水渗流计量管中水快到50ml时，这是可拧下与压力室出水口相连的快拧接头把里面的水放到烧杯里，从而为下一次的实验做准备。

12、对于渗透系数低于10-7cm/s的情况，当试验十几个小时过去后，仍不见有连续的水流从出水口出水进入到出水渗流计量管中，此时连接压力室出水口和出水渗流计量管的整个管路都被很多气泡占据，这时可以拧下与压力室连接的快拧接头，用注射器向出水渗流计量管中打入15～20ml的水，然后迅速把快拧连接好，此时从压力室出水口到出水渗流计量管的整个管路都被水充满且没有气泡。这时，再观察从压力室出水口的出水情况，如果还有气泡流 出的话只有等到试样完全饱和后才开始记录实验数据，若有连续水流从压力室出水口流出，那么上述动作就可以节省一些时间，而直接开始进行实验而不用非得等到让水流把整个管路充满后再开始实验。

13、土样的渗透压力大小与土的颗粒组成、密实度有关。在渗透试验前期，由于试样没有饱和，所以体变管中没有出水，随着时间的推移，土样会慢慢饱和，经过夹杂着空气和水的过渡期后，土样会完全饱和，这是体变管下端的液位传感器实时采集的数据才变得稳定。

三、与传统的渗透试验仪相比该试验装置有以下几个优点：

1、最大的创新点：传统方法中常水头试验适用于渗透性较大的土，变水头试验适用于渗透性较小的土。而本发明的水头由空压机提供，渗透压力一般在200KPa以上，即水头在21m以上(包括了气水转换渗流管中50ml的水头高)；当测试渗透性小的样品时，渗透压力可以通过渗透压力定值器调到450KPa，这相当于47m水头。由于水头的变化与水头本身比较起来可以忽略不计，所以实际的变水头测试完全可以用常水头的公式来进行计算，即：本发明可以对所有的样品，不管是细粒土还是粗粒土，都可以既用常水头公式计算还可以用变水头公式计算，两者的实验结果不仅在一个数量级上而且十分地接近，并且两种计算结果的误差随着渗透压力的升高而逐渐减少。

2、可以施加不同的周围压力和渗透压力，但是围压要始终大于渗透压力，从而避免土样与周围介质之间的渗流，让水只能由下至上的通过试样。

3、通过加大渗透压力可在短时间内测定足够渗出量，从而缩短试验历时，提高试验效率。

4、可以调整渗透压力，从而实验在不同水头梯度下进行试验研究。

5、适用于各种不同土性的试样，渗透系数的测试范围可以从10-4cm/s～10-9cm/s，也可以测试10-10cm/s甚至渗透性更差的样品，只是饱和时间会变得相对更长些。

6、测试样品的范围变得很广，不光可以测试纯土(原状土或扰动土)，可以测试土与其他材料的混合物；这些材料包括水泥、粉煤灰、微粉矿渣、火山灰、白云石等。

7、本发明采用非常方便快捷的快拧接头，包括三通开关，两通开关，压力室上的进水口和出水口，空压机出气口等。6mm的硬质塑料管可以直接手工通过快拧接头与各个部件连接，不用工具，拆卸方便，既不漏气也不漏水。