[发明专利]基于电渗的土体渗透系数测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及土体渗透系数的测量技术领域，尤其适用于低渗透性土体渗透系数的测量。 

背景技术

土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性，渗透性是土体的主要力学性质之一。土体的渗透性直接关系到工程的经济效益和安全特性。自从一百多年前法国工程师达西通过大量的均匀砂渗流试验得出达西定律之后，土体的渗透系数就成为描述土体渗透性的基本参数。 

一直以来，对于土体渗透系数的测量，原理上基本没有变化，都是通过量测一定时间和水力坡降下渗透通过土体的水量来计算渗透系数。首先制作均匀的饱和试样，通常制成圆柱形，横截面积和长度可以方便测量。然后在试样两端加上一定的水头差，使水从高水头处流向低水头处，记录一定时间内流经试样的水量和水头的变化量，进而计算得到渗透系数。目前有2种测量渗透系数的方法，分别为常水头方法和变水头方法。 

19世纪人们发现了电渗现象并对其产生机理进行了研究，到20世纪之后，电渗已经应用于实际工程中，包括加固铁路地基、斜坡、堤岸和水坝等。国内在20世纪50年代末期对电渗降水和地基加固进行了试验研究，并在实践方面也取得了良好的效果。 

电渗是指在湿的土体上施加电势差，阳离子被水分子包裹着吸引到阴极，阴离子被水分子包裹着吸引到阳极，平衡后一般产生阴极的电渗净流现象。电渗处理可以加速土体的排水固结，对于提高细粒土的抗剪强度和稳定性非常有效。 

电渗系数与土体颗粒大小无关，其数值落在10^-5-10^-4cm²/v·s范围内。土体的水力渗透系数则主要取决于土体颗粒粒径大小。从细砂、粉质粘土到钠蒙脱土，土体渗透系数变化达5～7个数量级，而且渗透系数常规测量方法误差较大，一般可达1个数量级。 

通过测量透水量来计算土体渗透系数的方法简便易行，但对于渗透性非常小的粘性土，其渗透过程非常缓慢，导致测量过程历经的时间非常长，效率低，测量成本大，同时测量结果也不准确。 

发明内容

为了解决粘性土渗透系数测量时间过长以及测量结果不准确的问题，本发明提供了一种基于电渗的土体渗透系数测量方法和相应测量装置。使用本方法测量土体渗透系数，无需经历缓慢的渗透过程，因而可大大缩短测量时间、提高效率以及提高测量结果的准确性。 

基于电渗的土体渗透系数测量方法，其特征在于，将饱和试样(7)装在绝缘材料圆筒状容器(4)中，饱和试样一端用阴极不透水电极板(10)密封，另一端用阳极透水电极板(3)与储水箱(13)隔离，将储水箱(13)中注满水，在阴极不透水电极板(10)和阳极透水电极板(3)之间施加直流电压，饱和试样(7)在电渗的作用下快速形成反向水力梯度，水力梯度与电势梯度快速达到平衡状态，测得平衡状态下的电势梯度i_e和水力梯度i_h，电渗系数k_e已知，根据平衡状态下耦合出流k_ei_e+k_hi_h＝0，计算得到土体渗透系数k_h。 

基于电渗的土体渗透系数测量装置，其特征在于，含有一个绝缘材料圆筒状容器(4)，其一端用不透水绝缘盖(12)密封，另一端用阴极不透水电极板(10)密封，所述绝缘材料圆筒状容器(4)内装饱和试样(7)，饱和试样(7)一端以所述阴极不透水电极板(10)密封，另一端用一块阳极透水电极板(3)隔离，在所述阳极透水电极板(3)上开有透水孔；所述阳极透水电极板(3)与绝缘盖(12)之间形成储水箱(13)，储水箱(13)上开有注水孔(14)；所述阴极不透水电极板(10)和阳极透水电极板(3)连接直流电源；沿绝缘材料圆柱体的轴向两边分别开有电势量测孔(5)和孔隙水压力量测孔(8)，电势量测导线(6)通过电势量测孔(5)插入饱和试样(7)中，孔压传感器(9)通过孔隙水压力量测孔(8)布置进入饱和试样(7)中，电势量测导线(6)和孔压传感器(9)在饱和试样(7)中布置的方向与有绝缘圆柱体的轴向垂直；电势量测导线(6)与孔压传感器(9)的输出端均通过数据采集卡与计算机相连。 

所述阳极透水电极板(3)上的透水孔，紧贴饱和试样的一侧的孔径小于靠储水箱(13)一侧的孔径。 

所述电势量测导线(6)插入饱和试样(7)的深度以到达饱和试样(7)中心处最佳。 

所述孔压传感器(9)在饱和试样(7)中的深度以没入饱和试样(7)为最佳。