专利名称：一种时域反射非饱和渗透仪及测定非饱和渗透系数的方法
技术领域：
本发明属于土木工程领域，具体涉及一种岩土工程试验研究的新型土工实验设备
及其实验方法。
背景技术：
非饱和土渗透系数随着土木工程、农业等相关领域的快速发展而越来越得到重 视，在基坑和边坡的稳定性，土中水渗流分析，水分和物质迁移，，以及核废料的处理等问题 分析中是一个重要参数，如何获得土体的非饱和渗透系数，已成为工程建设以及相关领域 亟待解决的难点问题。然而目前在国内外的工程实践中，对非饱和土渗透系数主要是采用 预测的方法，例如通过试验确定土样非饱和渗透系数和土水特征曲线，并用数学模型对土 水特征曲线拟合，再根据渗透系数分析技术最终计算得出渗透系数函数，许多学者发现预 测值与实测值具有较大的差异，这样必然造成使工程问题分析的不正确性，给工程实践带 来较大的误导性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种时域反射非饱和渗透仪及其实验方法，通过先进的 TDR技术，研究非饱和土渗透装置及其渗透系数的试验方法。 本发明的解决方案是一种时域反射非饱和渗透仪，包括出气口 ，橡皮圈，埋入 式波导，透水石，出水口，橡皮圈，进水口，筒壁，土壤水分仪，底座，筒盖，其中筒盖中心位 置开有出气口 ；筒盖与筒壁连接处以第一橡皮圈进行密封，底座与筒壁连接处以第二橡皮 圈进行密封；筒壁内部等间距布置有5个埋入式波导，筒壁内土样与底座间用透水石进行 隔离，底座上对应的透水石位置分别开有进水口和出水口 。 —种测定土体的非饱和渗透系数的方法，使用上述的时域反射非饱和渗透仪本渗
透仪进行测定通过时域反射探针测定固定位置上的土体含水量，借助事先测得的被测土
体的土水特征曲线，最终采用瞬时截面法，求取被测介质的非饱和渗透系数。
首先，在试验开始时，打开进水阀门，水自底端进入土样；试验开始后，每隔半个小
时，通过掌上电脑记录不同波导管位置的含水量的大小，随着含水量的变化值变小，可以逐
渐增大记录的时间间隔，当土样波导管的最低点达到饱和状态，即可停止试验。 进行非饱和土渗透试验，在试验中，通过吸力，水会不断向上流，当土样最低点的
波导管，土样的含水量达到饱和的时候，即可以停止渗透试验。由于是瞬时截面法，水流的
速度是不需要控制在一个固定的值，但不能变化太快，可通过观察土样的含水量的变化快
慢程度，判断水流的速度是否合适，如果不合适，可通过调节外面的水压来控制。 对于重塑土的试验，该渗透装置不仅可以进行渗透试验，还可以直接在渗透装置
筒中增加活塞压縮土样。
操作步骤为 将土样碾碎，晒干，通过分层压实方法进行重塑土样制备，先将土样称重，分为几部分，第一部分先放入筒内，通过活塞压到一定体积，再加入第二部分土，直到压到计算好 的体积，土样制备完成；最后，进行土样的渗透试验。 本发明的非饱和渗透仪可运用于不同土样(原状或重塑)的非饱和渗透系数的量
图1为本一种实施例侧限渗透试验装置示意图。
图2是渗透系数预测值与试验M2点实测值对比图。
具体实施例方式
在某高速公路高路堑边坡失稳预测与处治技术研究项目中，本发明已进行保密测 试，并为其提供了可靠的非饱和土体的渗透系数试验依据，此项目的成功实施使本的实用 性和可靠性得到了充分的验证。 请参阅图2，显然，不同的预测方法，得到膨胀土的渗透系数是不一样的，而预测值 与实测值是有差别的，造成这种误差的原因是预测方法不能准确的预测原状膨胀土渗透系 数的大小。 以下结合附图所示实施例对本发明进一步说明。 如图1所示，为本发明一种实施例的结构示意图，该侧限渗透试验装置包括出气 口 1，橡皮圈2，埋入式波导3，透水石4，出水口 5，橡皮圈6，进水口 7，筒壁8，MiniTrase TDR 土壤水分仪9，底座lO，筒盖ll。筒盖11中心位置开有出气口 1 ;筒盖11与筒壁8连接处 以橡皮圈2进行密封，底座10与筒壁8连接处以橡皮圈6进行密封；筒壁8内部等间距布 置有5个埋入式波导3，筒壁8内土样与底座10间用透水石4进行隔离，底座上对应的透水 石位置分别开有进水口 7和出水口 5。在试验开始时，进水口 7和出水口 5都打开，水从进 水口7进入，从出水口5排出，用来排除底座的空气，直到排除的水没有气泡时，再关闭出水 □ 5。 本渗透仪可测定土体的非饱和渗透系数。通过时域反射探针(TDR)测定固定位置 上的土体含水量，借助事先测得的被测土体的土水特征曲线，最终采用瞬时截面法，求取被 测介质的非饱和渗透系数。 本样筒内径10cm，高度21cm，筒壁厚度0. 5cm。采用不锈钢材料，筒的尺寸大，这与 传统的渗透试验装置不同，传统的试验装置尺寸小，土样不具有代表性，测量值与实测值偏差大。 筒壁上等间距布置的MiniTrase TDR土壤水分仪(型号6050X3)，用以量测所在位 置土样即时体积含水量，共有5只，其位置分别与波导的位置相对应。
TDR可埋式波导(探针)长8cm，外棒间距2.5cm，测量范围0 100X，精度士2X， 5个波导与土样进水端之间的距离(高)分别为hl = 3. 5cm， h2 = 7. Ocm， h3 = 10. 5cm， h4 = 14. Ocm和h5 = 17. 5cm。 该波导管为是小型波导管，最小可埋藏式波导管，用在近地面的浅层测量和实验
室土柱的测量。波导长8cm，在外棒之间有2. 5cm的距离，本试验即采用这种波导。 试验开始时，水自底端进入土样；试验过程中，波导通过MiniTrase TDR 土壤水分仪记录所在位置土样的含水量随时间的变化关系试验结束后，采用土体含水量，借助土壤 水分仪记录到的土样含水量的延时曲线，以及事先测得的被测土体的土水特征曲线，采用 瞬时截面法，求取被测介质的非饱和渗透系数。 首先，在试验开始时，打开进水阀门，水自底端进入土样。试验开始后，每隔半个小 时，通过掌上电脑记录不同波导管位置的含水量的大小，随着含水量的变化值变小，可以逐 渐增大记录的时间间隔，当土样波导管的最低点达到饱和状态，即可停止试验。
由于是进行非饱和土渗透试验，在试验中，通过吸力，水会不断向上流，当土样最 低点的波导管，即hl位置，土样的含水量达到饱和的时候，即可以停止渗透试验。由于是瞬 时截面法，水流的速度是不需要控制在一个固定的值，但不能变化太快，可通过观察土样的 含水量的变化快慢程度，判断水流的速度是否合适，如果不合适，可通过调节外面的水压来 控制。 另外，对于重塑土的试验，该渗透装置不仅可以进行渗透试验，还可以直接在筒内 压縮土样，这样不仅节约材料，还可以使重塑土与筒壁充分接触，尽量避免在渗透试验过 程，水从土与筒壁的缝隙中流过。
当压縮土样的时候，可直接在渗透装置筒8中增加活塞进行。
筒8与活塞一样都可以采用不锈钢材料制成。
操作步骤为 将土样碾碎，晒干，通过分层压实方法进行重塑土样制备，先将土样称重，分为几 部分，第一部分先放入筒内，通过活塞压到一定体积，再加入第二部分土，直到压到计算好 的体积，土样制备完成。 最后，进行土样的渗透试验，操作方法与上述的原状土相同。 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的 一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例， 本领域技术人员根据本发明的揭示，对于发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范 围之内。
权利要求
一种时域反射非饱和渗透仪，其特征在于包括出气口(1)，橡皮圈(2)，埋入式波导(3)，透水石(4)，出水口(5)，橡皮圈(6)，进水口(7)，筒壁(8)，土壤水分仪(9)，底座(10)，筒盖(11)，其中筒盖(11)中心位置开有出气口(1)；筒盖(11)与筒壁(8)连接处以第一橡皮圈(2)进行密封，底座(10)与筒壁(8)连接处以第二橡皮圈(6)进行密封；筒壁(8)内部等间距布置有5个埋入式波导(3)，筒壁(8)内土样与底座(10)间用透水石(4)进行隔离，底座上对应的透水石位置分别开有进水口(7)和出水口(5)。
2. —种测定土体的非饱和渗透系数的方法，其特征在于使用权利要求1所述的时域反射非饱和渗透仪本渗透仪进行测定通过时域反射探针测定固定位置上的土体含水量，借助事先测得的被测土体的土水特征曲线，最终采用瞬时截面法，求取被测介质的非饱和渗透系数。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于首先，在试验开始时，打开进水阀门，水自底端进入土样；试验丌始后，每隔半个小时，通过掌上电脑记录不同波导管位置的含水量的大小，随着含水量的变化值变小，可以逐渐增大记录的时间间隔，当土样波导管的最低点达到饱和状态，即可停止试验。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于进行非饱和土渗透试验，在试验中，通过吸力，水会不断向上流，当土样最低点的波导管，土样的含水量达到饱和的时候，即可以停止渗透试验。由于是瞬时截面法，水流的速度是不需要控制在一个固定的值，但不能变化太快，可通过观察土样的含水量的变化快慢程度，判断水流的速度是否合适，如果不合适，可通过调节外面的水压来控制。
5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于对于重塑土的试验，该渗透装置不仅可以进行渗透试验，还可以直接在渗透装置筒中增加活塞压縮土样。
6. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于操作步骤为将土样碾碎，晒干，通过分层压实方法进行重塑土样制备，先将土样称重，分为几部分，第一部分先放入筒内，通过活塞压到一定体积，再加入第二部分土，直到压到计算好的体积，土样制备完成；最后，进行土样的渗透试验。
全文摘要
一种时域反射非饱和渗透仪，筒盖(11)中心位置开有出气口(1)；筒盖(11)与筒壁(8)连接处以第一橡皮圈(2)进行密封，底座(10)与筒壁(8)连接处以第二橡皮圈(6)进行密封；筒壁(8)内部等间距布置有5个埋入式波导(3)，筒壁(8)内土样与底座(10)间用透水石(4)进行隔离，底座上对应的透水石位置分别开有进水口(7)和出水口(5)。一种测定土体的非饱和渗透系数的方法，通过时域反射探针测定固定位置上的土体含水量，借助事先测得的被测土体的土水特征曲线，最终采用瞬时截面法，求取被测介质的非饱和渗透系数。本发明可运用于不同土样(原状或重塑)的非饱和渗透系数的量测，提高准确性。
文档编号G01N1/28GK101738360SQ200910197280
公开日2010年6月16日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年10月16日
发明者叶为民, 张亚为, 梅正君, 陈宝, 陈永贵 申请人:同济大学