申请/专利权人：郑州大学

申请日：2019-06-19

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN110082281B

主分类号：G01N15/08

分类号：G01N15/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2019.08.27#实质审查的生效;2019.08.02#公开

摘要：本发明公开了一种径向渗流仪及其操作方法，属于土工实验领域。可以用于从中心向四周的径向渗流实验，也可以用于从四周向中心的径向渗流实验，且可快速地在二者之间转换。主要包括下盖、上盖、外套筒、透水筒、透水棒。土样呈圆环柱状，孔内插有透水棒，透水棒连接上盖和下盖。该径向渗流仪内有分别流经土样中心孔和周边的两个主要水路，控制水路的进水和排水，可使一个水路的水沿土样不同的径向渗透到另一个水路，排出到水量测量容器内。方便在试验初期尽快排出内部气体，一机两用，结构简单、节约资源和时间。

主权项：1.一种径向渗流仪，其特征在于：该径向渗流仪的主体结构主要包括位于圆环柱状土样外侧的透水筒和位于透水筒外侧的外套筒、分别位于土样两端的两个盖体、穿过土样中心孔的透水棒；土样中心孔长度范围内的透水棒可使水经透水棒侧表面内外流通，透水棒的两个端部固定在相应盖体的中心部位，两端均有可外接水管的通水孔，水可从透水棒的一端流向另一端；每个盖体的边缘均有与透水筒的筒壁位置对应的边缘通孔，可外接水管；外套筒的端面与对应的盖体间有密封圈，透水棒的两端部与相应的盖体间密封；土样的外侧面与透水筒之间、及内侧面与透水棒之间均有滤膜；所述的滤膜为滤纸；透水棒由中部的透水体段和两端的钢管段组成，钢管段上有外螺纹；两个盖体均有中心孔，透水棒穿过土样中心孔及两个盖体的中心孔，两端有通水孔；盖体表面有密封圈凹槽，密封圈凹槽内放有密封圈，两个密封圈分别与外套筒的两个端面接触；在透水筒的端部，盖体有环形的集水槽；一个盖体的外端面有三个或多于三个的支脚螺栓孔，可安装带外螺纹的支脚；透水棒的中部透水体和透水筒的材质为烧结铜；透水棒端部的钢管的材质为不锈钢；外套筒和盖体的材质为青铜；螺母的材质为不锈钢；土样安装到位后，土样的两端分别与临近的盖体间有垫片，且每个垫片均被压缩，垫片与相应的盖体间，及垫片与土样端面间均不透水。

全文数据：一种径向渗流仪及其操作方法技术领域本发明涉及土工实验领域，特别涉及一种径向渗流仪及其操作方法。背景技术土体的渗透性是土体的基本工程特性之一，是土工试验研究中必须测定的指标之一，是分析堤坝渗流计算和地下水渗流计算的基础。土体试样的渗透有竖向、横向及径向渗透三种方式。一维竖向与横向的渗透实验方法及设备相对成熟，而目前对于土体在径向渗流条件下的渗透性及径向渗透系数测定的实验并不成熟，并无较有针对性的实验方法和实验设备。专利检索找到了申请号为201720773880.5，名称为“一种用于评价土体径向渗流特性的径向渗透实验装置”，该装置是从中心向四周渗流，且其进水口在上方，不便排出土样内的气体；其出水口在下方，土样中渗出的水有可能快速流出，使土样上部外侧处于非饱和状态，致使土样内的状态并不均一，与试验要模拟的不同，影响测试精度。径向渗流分两种情况，包括从中心向四周渗流，和从四周向中心渗流，科研中急需能够模拟这两种情况的渗流仪，测定相应的径向渗透系数，且可较为真实的反应土体在径向渗流情况下渗透性的演变规律，以期为实际工程问题的处理提供参考依据。发明内容本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种径向渗流仪及其操作方法。本发明提供的一种径向渗流仪及其操作方法，该径向渗流仪的主体结构主要包括位于圆环柱状土样外侧的透水筒和位于透水筒外侧的外套筒、分别位于土样两端的两个盖体、穿过土样中心孔的透水棒；土样中心孔长度范围内的透水棒可使水经透水棒侧表面内外流通，透水棒的两个端部固定在相应盖体的中心部位，两端均有可外接水管的通水孔，水可从透水棒的一端流向另一端；每个盖体的边缘均有与透水筒的筒壁位置对应的边缘通孔，可外接水管；外套筒的端面与对应的盖体间有密封圈，透水棒的两端部与相应的盖体间密封；土样安装到位后，土样的两端分别与临近的盖体间有垫片，且每个垫片均被压缩，垫片与相应的盖体间，及垫片与土样端面间均不透水。优选地，土样的外侧面与透水筒之间、及内侧面与透水棒之间均有滤膜；所述的滤膜为滤纸。优选地，透水棒由中部的透水体段和两端的钢管段组成，钢管段上有外螺纹；两个盖体均有中心孔，透水棒穿过土样中心孔及两个盖体的中心孔，两端有通水孔。优选地，盖体表面有密封圈凹槽，密封圈凹槽内放有密封圈，两个密封圈分别与外套筒的两个端面接触。优选地，在透水筒的端部，盖体有环形的集水槽。优选地，一个盖体的外端面有三个或多于三个的支脚螺栓孔，可安装带外螺纹的支脚。优选地，透水棒的中部透水体和透水筒的材质为烧结铜；透水棒端部的钢管的材质为不锈钢；外套筒和盖体的材质为青铜；螺母的材质为不锈钢。进一步地，该径向渗流仪的操作方法主要包括以下步骤：步骤1：调整下盖的支脚，使下盖处于水平状态；居中放置下垫片，并将下密封圈放入下盖的密封圈凹槽；步骤2：放置外套筒；透水筒的内侧放置滤纸，将土样推入透水筒，将它们一起放入外套筒，向土样中心的孔内放置滤纸，居中放置上垫片；步骤3：上盖的密封圈凹槽内放置上密封圈，并居中扣在土样的上方；步骤4：将透水棒直立，上端套上上垫环，并旋上上螺母，使上垫环紧靠上螺母，且使端部钢管的外螺纹起始位置位于上垫环的中间高度；透水棒的下端依次穿过上盖、土样的中心孔、下盖，从下端套下垫环，并用扳手旋紧下螺母；步骤5：在上盖和下盖的边缘孔内旋入连接体，连接体外端部的连接头与透水棒端部的连接头类型相同；所有的连接头连接带有开关的水管，共有4条，分别为边缘进水管、边缘出水管、中心进水管、中心出水管；边缘出水管和中心出水管的另一端分别伸入两个集水瓶，每个集水瓶放置在一个电子天平上；若进行向中心渗流的实验，则：步骤6a：打开所有的进水管和出水管开关，直到两个出水管排出的水内不再有气泡；关闭边缘出水管上的开关，再关闭中心进水管上的开关，待中心出水管内不再有气泡排出，每隔5min记录1次电子天平的读数，记录持续8小时；关闭所有的进水管和出水管开关；若进行向四周渗流的实验，则：步骤6b：打开所有的进水管和出水管开关，直到两个出水管排出的水内不再有气泡；关闭中心出水管上的开关，再关闭边缘进水管上的开关，待边缘出水管内不再有气泡排出，每隔5min记录1次电子天平的读数，记录持续8小时；在此步骤中，可在步骤6a和步骤6b间多次转换；步骤7：结束实验后，计算向中心渗流及向四周渗流各自对应的渗透系数。优选地，所述的外套筒和透水筒组合为一体，且两端面平齐，相应地，其实验操作方法只需将的第2步改为：步骤2：外套筒和透水筒的组合体的内侧放置滤纸，将土样推入，将组合体及土样一起放置到下盖上，向土样中心的孔内放置滤纸，居中放置上垫片。优选地，外套筒与下盖体固定在一起，成为一体；相应地，其实验操作方法只需将前两步改为：步骤1：调整下盖的支脚，使下盖处于水平状态；居中放置下垫片；步骤2：透水筒的内侧放置滤纸，将土样推入透水筒，将它们一起放入外套筒，向土样中心的孔内放置滤纸，居中放置上垫片。本申请的方案中，径向渗流仪两端盖体上的边缘孔和透水筒构成一个过水通道，透水棒构成另外一个过水通道。当关闭一个盖体上的一个水管的开关，并关闭另一个盖体上另一个水路上的水管的开关，打开其它两个水管开关，本方案中的径向渗透仪可以模拟从土样壁一侧到另一侧的渗流，包括中心向四周渗流和四周向中心渗流。在实验开始的初期，可打开所有的水管开关，当需要关闭其开关的排水管内不再有气泡排出后，关闭该排水管开关，紧接着关闭相应的进水管开关，以排出仪器内的气体，待剩下的排水管内也不再有气泡排出，说明通过初步的渗流已排出土样中的气体，开始计量集水瓶内的水量。本方案中的径向渗流仪，经过一次组装即可进行双向渗流实验，达到两用的目的，且可多次在向中心渗流和向四周渗流之间随意转换；透水棒的作用包括（1）使水通过侧表面进入棒体并输送到连接的出水管，或将连接的进水管内的水在土样中心孔的全高程均匀地穿过外表面进入土样；（2）对两个盖体施加压力确保该渗流仪密封；（3）对两个盖体施加压力进而使上垫片和下垫片被压缩，确保土样端面不渗流，实现径向渗流；（4）省去了另外的加载机构，透水棒兼具加载功能，节约资源和投资，节省实验时间，提高实验效率；透水棒的中段透水体和透水筒的材质为烧结铜，避免了常规透水石容易破损的缺点，经久耐用，且烧结铜本身不吸水，实验可以快速进入正式读数阶段，可加快实验进程；该径向渗流仪的密封结构，可确保密封不外漏水。大变形量的垫片，可确保实验过程垫片与盖体间，及垫片与土样端面间均接触紧密不透水。上盖和下盖可完全相同，简化组件的类型数，螺母、支脚和连接体可采用标准件，便于制造和组装。附图说明图1径向渗透仪的主体部分结构示意图。图2径向渗透仪的完整的结构示意图。图3过盖体中心线和边缘孔的竖断面示意图。图4盖体凹槽侧的正视示意图。图5下盖的仰视示意图。图6过中心线的透水棒竖剖面示意图。图7外套筒的竖剖面示意图。图8透水筒的竖剖面示意图。图9外套筒与透水筒的组合体的竖剖面示意图。图10一体化的底座和外套筒的竖剖面示意图。图中标识：1-下盖;1a-上盖;2-下螺母;2a-上螺母3-外套筒;4-透水筒;5-土样;6-下密封圈;6a-上密封圈;7-下垫环;7a-上垫环;8-透水棒;9-下垫片;9a-上垫片;11-密封圈凹槽;12-集水槽;13-中心孔;14-边缘孔;15-支脚螺孔;16-支脚;17-中段透水体;18-端部钢管;19-连接头a;20-连接头b;21-连接体;22-边缘进水管;22a-边缘出水管;23-中心进水管;23a-中心出水管。具体实施方式以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案进行了描述，但本发明并不限于这个实施例。实施例一本实施例的主体结构示意图见图1，完整的结构示意图见图2，图3至图8为主要组件的示意图。该径向渗流仪的主体结构主要包括透水筒4、外套筒3、上盖1a、下盖1、透水棒8；适用于该径向渗透仪的土样5为圆环柱状，高40.0mm，外径为61.8mm，内径为6.18mm，中心孔内插有透水棒8；土样5的外侧面与透水筒4之间、及内侧面与透水棒8之间均有滤纸。透水筒4的高为42.0mm，外径为74.8mm，内径为62.2mm；外套筒3的高为42.0mm，外径为81.8mm，厚度为3.4mm。上垫片9a和下垫片9的材质为软橡胶，二者均为圆环形，内径为5.8mm，外径为61.8mm，厚度为2.0mm，实验过程中压缩后厚度为1.0mm。上盖1a和下盖1均为圆形，外径为100.0mm，最大厚度为19.5mm，中部凹槽部分厚度为16.0mm；边缘孔14的等直径段的内径为8.0mm，高为10.0mm，上部与集水槽12连通。集水槽12位于透水筒4筒壁的正下方，横断面的宽度为3.2mm，深度为4.0mm。密封圈凹槽11的宽度为3.2mm，深度为2.0mm。下密封圈6和上密封圈6a的材质为橡胶，横断面的直径3.2mm，下密封圈6和上密封圈6a在压力作用下，确保外套筒3的两端密封。上盖1a和下盖1的中心孔13位于凹槽侧的孔径为5.7mm，深4.0mm，另一侧的孔径为12.0mm，深12.0mm。透水筒4、透水棒8的中段透水体17的材质为烧结铜，烧结铜的制作成本已不高，制成的组件不易破损，更加耐用，且具有材料本身不吸水的优良特点，是透水石的替代材料；外套筒3、上盖1a和下盖1的材质为青铜，便于制作且不易被腐蚀；端部钢管18的材质为不锈钢，下螺母2和上螺母2a的材质为不锈钢。因此，整个装置的各个组件耐久性好，且不吸水。透水棒8的总长为115.0mm，外径为5.6mm，中段透水体17的长度为46.0mm；端部钢管18与中段透水体17相接触的4.0mm长度范围内外表面光滑，另有连接头a19位于端部，其余部分有外螺纹。下垫环7和上垫环7a的材质为橡胶，厚度为4.0mm，内径为5.6mm，外径为12.0mm；下螺母2和上螺母2a的长为17.0mm，外径为11.0mm，内孔有与端部钢管18的外螺纹对应的内螺纹。下盖1朝下的端面有三个带内螺纹的支脚螺孔15，可安装带相应外螺纹的支脚16，支脚螺孔15内径8.0mm，深12.0mm，支脚16的长度为50.0mm。采用该径向渗流仪进行渗流实验时的步骤如下（假定先向中心渗流，随后改为向四周渗流）：步骤1-1：调整下盖1的支脚16，使下盖1处于水平状态；居中放置下垫片9，并将下密封圈6放入密封圈凹槽11；步骤1-2：放置外套筒3；透水筒4的内侧放置滤纸，将土样5推入透水筒4，将它们一起放入外套筒3，向土样5中心的孔内放置滤纸，居中放置上垫片9a；步骤1-3：上盖1a的密封圈凹槽11内放置上密封圈6a，并居中扣在土样5的上方；步骤1-4：将透水棒8直立，上端套上上垫环7a，并旋上上螺母2a，使上垫环7a紧靠上螺母2a，且使端部钢管18的外螺纹起始位置位于上垫环7a的中间高度；透水棒8的下端依次穿过上盖1a、土样5的中心孔、下盖1，从下端套下垫环7，并用扳手旋紧下螺母2；步骤1-5：在上盖1a和下盖1的边缘孔14内旋入连接体21，连接体21的外端部为连接头b20；为连接头b20和连接头a19连接带有开关的水管，共有4条，分别为边缘进水管22、边缘出水管22a、中心进水管23、中心出水管23a；边缘出水管22a和中心出水管23a的另一端分别伸入两个集水瓶，每个集水瓶放置在一个电子天平上；步骤1-6：先进行向中心渗流实验：打开所有的进水管和出水管开关，直到两个出水管排出的水内不再有气泡；关闭边缘出水管22a上的开关，再关闭中心进水管23上的开关，待中心出水管23a内不再有气泡排出，每隔5min记录1次电子天平的读数，记录持续8小时；关闭所有的进水管和出水管开关；步骤1-7：进行向四周渗流实验：打开所有的进水管和出水管开关，直到两个出水管排出的水内不再有气泡；关闭中心出水管23a上的开关，再关闭边缘进水管22上的开关，待边缘出水管22a内不再有气泡排出，每隔5min记录1次电子天平的读数，记录持续8小时；步骤1-8：结束实验后，计算向中心渗流及向四周渗流各自对应的渗透系数。实施例二本实施例与实施例1的不同之处在于，外套筒3和透水筒4结合为一个组合体，见图9。结合的实现方式是在外套筒3内表面的两端各涂10.0mm宽的结构胶，将外套筒3和透水筒4粘结为一体，且两端面平齐。相应地，实验操作方法基本同实施例一，只是第2步改为：步骤2-2：外套筒3和透水筒4的组合体的内侧放置滤纸，将土样5推入，将组合体及土样5一起放置到下盖1上，向土样5中心的孔内放置滤纸，居中放置上垫片9a。实施例三本实施例与实施例1的不同之处外套筒3与下盖1为一体制造的，组合体示意图见图10。这样就省去了下盖1中密封圈凹槽11的制作，并省去了下密封圈6，方便了操作。相应地，实验操作方法基本同实施例一，只是前2步改为：步骤3-1：调整下盖1的支脚16，使下盖1处于水平状态；居中放置下垫片9；步骤3-2：透水筒4的内侧放置滤纸，将土样5推入透水筒4，将它们一起放入外套筒3，向土样5中心的孔内放置滤纸，居中放置上垫片9a。上述具体实施方式的描述仅用于说明本发明,而不用于限制本发明的权利保护范围。

权利要求：1.一种径向渗流仪，其特征在于：该径向渗流仪的主体结构主要包括位于圆环柱状土样外侧的透水筒和位于透水筒外侧的外套筒、分别位于土样两端的两个盖体、穿过土样中心孔的透水棒；土样中心孔长度范围内的透水棒可使水经透水棒侧表面内外流通，透水棒的两个端部固定在相应盖体的中心部位，两端均有可外接水管的通水孔，水可从透水棒的一端流向另一端；每个盖体的边缘均有与透水筒的筒壁位置对应的边缘通孔，可外接水管；外套筒的端面与对应的盖体间有密封圈，透水棒的两端部与相应的盖体间密封；土样安装到位后，土样的两端分别与临近的盖体间有垫片，且每个垫片均被压缩，垫片与相应的盖体间，及垫片与土样端面间均不透水。2.如权利要求1所述的一种径向渗流仪，其特征在于：土样的外侧面与透水筒之间、及内侧面与透水棒之间均有滤膜；所述的滤膜为滤纸。3.如权利要求2所述的一种径向渗流仪，其特征在于：透水棒由中部的透水体段和两端的钢管段组成，钢管段上有外螺纹；两个盖体均有中心孔，透水棒穿过土样中心孔及两个盖体的中心孔，两端有通水孔。4.如权利要求3所述的一种径向渗流仪，其特征在于：盖体表面有密封圈凹槽，密封圈凹槽内放有密封圈，两个密封圈分别与外套筒的两个端面接触。5.如权利要求4所述的一种径向渗流仪，其特征在于：在透水筒的端部，盖体有环形的集水槽。6.如权利要求5所述的一种径向渗流仪，其特征在于：一个盖体的外端面有三个或多于三个的支脚螺栓孔，可安装带外螺纹的支脚。7.如权利要求6所述的一种径向渗流仪，其特征在于：透水棒的中部透水体和透水筒的材质为烧结铜；透水棒端部的钢管的材质为不锈钢；外套筒和盖体的材质为青铜；螺母的材质为不锈钢。8.如权利要求7所述的一种径向渗流仪，其操作方法主要包括以下步骤：步骤1：调整下盖的支脚，使下盖处于水平状态；居中放置下垫片，并将下密封圈放入下盖的密封圈凹槽；步骤2：放置外套筒；透水筒的内侧放置滤纸，将土样推入透水筒，将它们一起放入外套筒，向土样中心的孔内放置滤纸，居中放置上垫片；步骤3：上盖的密封圈凹槽内放置上密封圈，并居中扣在土样的上方；步骤4：将透水棒直立，上端套上上垫环，并旋上上螺母，使上垫环紧靠上螺母，且使端部钢管的外螺纹起始位置位于上垫环的中间高度；透水棒的下端依次穿过上盖、土样的中心孔、下盖，从下端套下垫环，并用扳手旋紧下螺母；步骤5：在上盖和下盖的边缘孔内旋入连接体，连接体外端部的连接头与透水棒端部的连接头类型相同；所有的连接头连接带有开关的水管，共有4条，分别为边缘进水管、边缘出水管、中心进水管、中心出水管；边缘出水管和中心出水管的另一端分别伸入两个集水瓶，每个集水瓶放置在一个电子天平上；若进行向中心渗流的实验，则：步骤6a：打开所有的进水管和出水管开关，直到两个出水管排出的水内不再有气泡；关闭边缘出水管上的开关，再关闭中心进水管上的开关，待中心出水管内不再有气泡排出，每隔5min记录1次电子天平的读数，记录持续8小时；关闭所有的进水管和出水管开关；若进行向四周渗流的实验，则：步骤6b：打开所有的进水管和出水管开关，直到两个出水管排出的水内不再有气泡；关闭中心出水管上的开关，再关闭边缘进水管上的开关，待边缘出水管内不再有气泡排出，每隔5min记录1次电子天平的读数，记录持续8小时；在此步骤中，可在步骤6a和步骤6b间多次转换；步骤7：结束实验后，计算向中心渗流及向四周渗流各自对应的渗透系数。9.如权利要求7和权利要求8所述的一种径向渗流仪及其操作方法，其特征在于：所述的外套筒和透水筒组合为一体，且两端面平齐，相应地，其实验操作方法只需将的第2步改为：步骤2：外套筒和透水筒的组合体的内侧放置滤纸，将土样推入，将组合体及土样一起放置到下盖上，向土样中心的孔内放置滤纸，居中放置上垫片。10.如权利要求7和权利要求8所述的一种径向渗流仪及其操作方法，其特征在于：外套筒与下盖体固定在一起，成为一体；相应地，其实验操作方法只需将前两步改为：步骤1：调整下盖的支脚，使下盖处于水平状态；居中放置下垫片；步骤2：透水筒的内侧放置滤纸，将土样推入透水筒，将它们一起放入外套筒，向土样中心的孔内放置滤纸，居中放置上垫片。

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