[发明专利]渗透实验装置、方法及渗透系数和流态的评估方法

权利要求书

1.一种渗透实验装置，其特征在于：包括：

渗流系统，所述渗流系统用于对土样进行渗流实验；

加压固结系统，所述加压固结系统用于对所述渗流系统中的土样施加向下的压力以使其沉降并固结；

智能监测系统，所述智能监测系统用于监测实验过程中土样中不同位置处水的压力变化和位移变化。

2.根据权利要求1所述的渗透实验装置，其特征在于：所述渗流系统包括样品腔、供水箱、平流泵和流量监测仪，所述样品腔的顶部和底部设置有透水石，两个所述透水石之间设置土样，所述样品腔顶部设置有进水口，底部设置有出水口，所述进水口和所述出水口处均设置有所述流量监测仪，所述平流泵能够通过管路将所述供水箱内的水泵至所述进水口；

所述加压固结系统包括伺服压力机与加压活塞，所述加压活塞位于上方的所述透水石上，所述伺服压力机能够驱动所述加压活塞向下压所述透水石；

所述智能监测系统包括压力传感器、位移传感器和计算机；所述土样的顶部设置有一个所述压力传感器，所述样品腔的侧壁沿着高度方向依次设置有多个所述压力传感器，所述位移传感器设置于所述加压活塞的顶部并用于监测所述加压活塞的竖向位移，所述压力传感器和所述位移传感器均与所述计算机通信连接。

3.根据权利要求2所述的渗透实验装置，其特征在于：所述加压活塞的周向外壁与所述样品腔的内壁紧密接触，所述加压活塞上设有排气口和所述进水口。

4.根据权利要求2所述的渗透实验装置，其特征在于：所述样品腔的内侧壁设有滤膜。

5.一种渗透实验方法，其特征在于：利用权利要求1～4任意一项所述的渗透实验装置进行实验；包括如下步骤：

S1、检查实验装置中的各组件是否能够正常运行；

S2、制样，将制好的所述土样放置于渗流系统的样品腔内；

S3、预先启动所述加压固结系统对所述土样进行加压排气；

S4、在所述智能监测系统的计算机上设定所述加压固结系统各时段的加压应力，并将最终加压应力设为原始地应力，在所述渗流系统的平流泵端口设置土样上端水压，水压等于土样原始状态下的孔隙水压力；

S5、设置所述智能监测系统的数据采集周期，运行所述加压固结系统，所述加压固结系统按照S4设置的加压方式下移，同时所述计算机实时记录样品的压力、位移和质量数据；

S6、排水固结，当所述智能监测系统监测到土样顶部的应力达到原始地应力、所述平流泵水压达到预设水压，且稳定相当时间后，打开所述样品腔的底端出水口，进行排水固结，同时监测实时压力、位移和出水流量；通过智能监测系统测定不同时刻t_i不同位置x_j的压力p_i,j、位移x_i和流量Q_i。

6.根据权利要求5所述的渗透实验方法，其特征在于：步骤S4中采用先线性加压后恒压的加载方式。

7.根据权利要求5所述的渗透实验方法，其特征在于：步骤S6过程持续一段时间，直至压力、位移、样品质量均长时间稳定不变后，结束实验。

8.一种渗透系数和流态的评估方法，其特征在于：利用权利要求5～7任意一项所述的渗透实验方法所得到的实验结果进行评估；包括：

S1、建立高压达西-非达西渗透控制数学模型：

式中，q为土壤的渗流速度；z为垂向空间轴；ε_z为垂向应变；t为时间；k_v为渗透系数；k_v0为初始渗透系数；m为经验参数；I、I_l分别为实际水力梯度和临界水力梯度；γ_w为单位体积水的重量；u为超静水压力；e为计算时刻孔隙比；e₀为初始孔隙比；C_c为土壤的压缩指数；σ'为计算时刻的有效应力；σ'₀为初始有效应力；σ'＝σ'₀-u；C_k为土壤的渗透指数；E₀为Merchant模型中独立弹簧的弹性模量；E₁和η分别为Merchant模型中Kelvin体弹簧的弹性模量与牛顿黏壶的粘滞系数；

S2、所述步骤S1中采用的优化模型所采用的目标函数如下：

其中，F表示目标函数，j表示迭代过程中采样点的个数，i表示阶段的个数，为第j个采样点压力的观测值，为第j个采样点压力的模拟值，为第j个采样点位移的观测值，为第j个采样点位移的模拟值，μ_i为第i个阶段的加权系数，Δf_i为第i个阶段的均方误差值；q与Q_i有关，q＝Q_i/A，将q带入S1模型中，采用优化算法拟合不同时刻t_i不同位置x_j的压力p_i，j和位移x_i，反演m和k_v；

S3、判别非达西流是否存在，判别变固结过程对渗透系数的影响是否显著；如果反演结果中m＝1，则表示非达西流不存在；反之，则表示存在非达西流；如果反演结果中k_v＝k_v0，则表示变固结过程对渗透系数的影响不显著；反之，则表示影响显著。