本实用新型属于土类材料性质试验技术领域，尤其是涉及一种用于土体高压渗流的渗流装置和测试系统。
背景技术：
目前实验室采用渗透仪测定土样的渗透系数，其试验条件是在无竖向荷载单水头条件下测定的，不能模拟土体在原位状态受到竖向荷载，地下水位变化的情况，因而导致现有仪器测量结果与实际情况存在偏差，而且精度不够，不能精确计算出深部土体或者粘性较大土体的渗透系数，对于深入研究土体的渗流、固结等相互作用的影响有明显的不足。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种用于土体高压渗流的渗流装置和测试系统，以解决现有技术中存在的问题。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种用于土体高压渗流的渗流装置，包括压室组和压力装置；压室组包括用于容纳土样的装载腔体、其下端插接于装载腔体内的下压构件、以及可拆卸封堵安装在装载腔体底部的底座；下压构件内设有可将装载腔体内部与外界连通的上渗流通道，底座内设有可将装载腔体内部与外界连通的下渗流通道；压力装置用于向下压构件提供向下压力。
进一步地，土样的上表面和下压构件底面之间间隔安装有渗流板，土样的下表面和底座上表面之间间隔安装有渗流板。
进一步地，压力装置采用电子压缩流变试验机。
进一步地，压室组一侧还设有用于测量土样变形量的位移传感器。
进一步地，下压构件由压头和连杆形成一体式结构；底座由底板和设置在底板上的支撑凸台构成，底板和装载腔体可拆卸连接在一起；压头和支撑凸台中，在其与装载腔体接触的表面开有环形的密封槽，底板中，在其与装载腔体接触的表面开有密封槽，密封槽内均挤压安装有密封圈。
进一步地，一种用于土体高压渗流的测试系统，包含如上所述的渗流装置，还包括用于给渗流装置提供一定水压的上反压加载装置和下反压加载装置，以及向上反压加载装置和下反压加载装置供水的供水系统；上反压加载装置和下反压加载装置的出水口均连通至渗流装置；通过管路将下压构件内的上渗流通道出口与上反压加载装置的出水口连通，通过管路将底座内的下渗流通道出口与下反压加载装置的出水口连通；并且，上反压加载装置和渗流装置之间的管路上还连接一个三通阀，三通阀的三个接口分别连通上反压加载装置、渗流装置和一个排水收集容器。
进一步地，上反压加载装置和下反压加载装置均包括一个或者多个加载缸，每个加载缸内安装有一个可在外力作用下沿加载缸轴向移动的活塞；在加载缸附近还安装有位移传感器；上反压加载装置和渗流装置之间的管路上还连接有一个上反压传感器和一个变送传感器，上反压传感器连接在上反压加载装置和三通阀之间，变送传感器连接在三通阀和渗流装置之间；下反压加载装置和渗流装置之间的管路上还连接有一个下反压传感器。
相对于现有技术，本实用新型具有以下优势：
与现有技术相比，本实用新型在测试中增加竖向载荷，模拟土体在上覆自重载荷状态下所受到的竖向荷载的情况；通过上下水压的加载增加土体的上下水头的变化，模拟地下水位变化导致渗透压力变化的过程；相比于现有技术能够更加接近真实的土体自然环境，比较真实反映土体实际的透水性和地层变化情况，解决了以往只能在无竖向荷载且只有单向水头情况下研究土体渗透性能的难题，可以模拟土样在不同竖向荷载、且双向上下水头不断变化的环境工况，根据实际试验需要，解决了以往试验密封性、可行性等方面的问题，能够直接应用到实际生产当中，可操作性强。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型所述的测试系统的结构示意图。
图2为渗流装置的结构示意图。
图3为压室组的结构示意图。
图4为压室组的内部结构剖视图。
图5为压室组的内部立体结构示意图。
图6为底座的结构示意图。
附图标记说明：
1-渗流装置；11-压室组；110-密封圈；111-下压构件；1111-压头；1112-连杆；1113-上反压接头；1114-上渗流通道；112-装载腔体，113-底座；1131-底板；1132-支撑凸台；1133-下反压接头；1134-下渗流通道；114-渗流板；12-压力装置；13-光栅尺；21-上反压加载装置；221-排水收集容器；222-称重仪器；23-上反压传感器；24-变送传感器；25-三通阀；31-下反压加载装置；32-下反压传感器；4-供水系统；5-土样。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
如图2-6所示，一种用于土体高压渗流的渗流装置1，包括压室组11和压力装置12；压室组11包括用于容纳土样5的装载腔体112、其下端插接于装载腔体112内的下压构件111、以及可拆卸封堵安装在装载腔体112底部的底座113；下压构件111内设有可将装载腔体112内部与外界连通的上渗流通道1114，底座113内设有可将装载腔体112内部与外界连通的下渗流通道1134；压力装置12用于向下压构件111提供向下压力。
优选地，土样5的上表面和下压构件111底面之间间隔安装有渗流板114，土样5的下表面和底座113上表面之间间隔安装有渗流板114。渗流板114可采用透水材料制成的透水石，渗流板114也可采用非透水材料制成的板状结构，且该板状结构中设有多个透水孔来实现透水功能。
其中，压力装置12采用产品型号为rdl-200、100kn的电子压缩流变试验机，用于在不同工况下，给下压构件111提供特定大小的压力，进而通过下压构件111向土样5加载竖向载荷。试验时，将压室组11放到电子压缩流变试验机的试验空间内，固定在电子压缩流变试验机的压座上，开启电子压缩流变试验机对土样5加压。目前，在实验室使用渗透仪测定土样5的渗透系数都是在无竖向荷载情况下测定的，不能很好的模拟土体在原位状态受到竖向荷载的情况，测量结果与实际情况存在偏差，在此，通过加设压力装置12，可以模拟土体在原位状态受到竖向荷载的情况，弥补了目前相关研究的空白，为地面沉降机理、抽取地下水导致地面沉降等方面研究提供试验的可能性。
另外，压室组11一侧还设有用于测量土样5变形量的位移传感器，此处，可采用光栅尺13。
具体地，装载腔体112为一个上下两端开口的套筒状结构，下压构件111由压头1111和连杆1112形成一体式结构；压头1111插接在装载腔体112内且可在压力装置12的带动下上下移动，连杆1112和压力装置12的输出端连接；底座113由底板1131和设置在底板1131上的支撑凸台1132构成，支撑凸台1132用于承载土样5且支撑凸台1132插接在装载腔体112下端口内；底板1131和装载腔体112之间通过螺栓连接在一起。原则上，底座113和装载腔体112可采用一体式结构，也可采用分体式结构，此处，优选地采用分体式结构，便于更换和装载土样5。
上渗流通道1114在下压构件111内呈l形走向，下渗流通道1134在底座113内也呈l形走向，通过这两个l形通道将装载腔体112内部与外界连通，成为土样5和外界之间交换孔隙水的通道。
优选地，渗流板114、压头1111和支撑凸台1132中，在其与装载腔体112接触的表面都开有环形的密封槽，底板1131中，在其与装载腔体112底面接触的表面也开有密封槽，这些密封槽内均挤压安装有密封圈110，起到加强密封的效果，防止土样5孔隙水流出，影响测量结果的准确性。
如图1所示，本实验用新型还提供了一种用于土体高压渗流的测试系统，包含如上所述的渗流装置1，其中，渗流装置1用于模拟不同工况下的渗流环境、还包括用于给渗流装置1提供一定水压的上反压加载装置21和下反压加载装置31，以及向上反压加载装置21和下反压加载装置31供水的供水系统4。
上反压加载装置21和下反压加载装置31的出水口均通过管路连通至渗流装置1；具体地，上反压加载装置21和下反压加载装置31均包括一个或者多个加载缸，每个加载缸内安装有一个可在外力作用下沿加载缸轴向移动的活塞，加载缸上还设有出水接口（此处，加载缸上的出水接口即为前述部分提到的上反压加载装置21和下反压加载装置31的出水口），在上渗流通道1114和下渗流通道1134的出口分别连接有上反压接头1113和下反压接头1133，通过管路分别将这两个接头和上反压加载装置21、下反压加载装置31中加载缸上的出水接口连通。
并且，上反压加载装置21和渗流装置1之间的管路上还连接一个三通阀25，三通阀25的三个接口分别连通上反压加载装置21、渗流装置1和一个排水收集容器221。
供水系统4包括一个储水容器和一个用于提供水压的加压泵，通过管路将该储水容器与上反压加载装置21和下反压加载装置31分别连通便于及时上水。
本试验系统的上反压加载装置21和下反压加载装置31对土体进行注水模拟渗流过程，上反压加载装置21对土样5上端施加一定水压，下反压加载装置31对土样5下端施加一定水压。上反压加载装置21和下反压加载装置31都是由交流伺服电机、行星齿轮减速器、滚珠丝杠、加载缸、滚动导轨和支座等构成，此处的两套加载装置结构相同，其结构为现有技术，详细的结构组成在此不再赘述（可参考专利文献cn109612910a），其作用原理为：伺服电机通过减速器带动滚珠丝杠旋转，由于滚珠丝杠的螺母是固定不动的，相反地，可带动加载缸内的活塞移动，对加载缸中的加压介质加压，亦即对土样5加一定水压。
为了精确测量上下反压加载缸内的活塞移动量，在加载缸附近还安装了位移传感器，型号为bg1a-300mm。位移传感器的测量精度可以达到±0.003mm，由此可以保证渗流量的测量误差不大于±0.05ml。
上反压加载装置21和渗流装置1之间的管路上还连接有一个上反压传感器23和一个变送传感器24，上反压传感器23串联连接在上反压加载装置21和三通阀25之间，变送传感器24串联连接在三通阀25和渗流装置1之间；下反压加载装置31和渗流装置1之间的管路上还串联连接有一个下反压传感器32；本实施例中，上反压传感器23和下反压传感器32均采用压阻式压力传感器，分别用于上、下反压的测量。
排水收集容器221放置于一个称重仪器222上，用于实时称量土样5孔隙水的排水量；排水收集容器221采用烧杯，称重仪器222采用电子天平。上反压接头1113通过尼龙管与电子天平上的烧杯相通，三通阀25装在该尼龙管上，当需测土样5中的孔隙水排量时，旋转三通阀25，切断至上反压加载装置21的通路，孔隙水就流入到电子天平的烧杯内，由电子天平称出水的重量。电子天平带rs232接口，与实验室计算机通信连接，可将所测数据传输到计算机内并在显示器上即时显示。当不需测土样5中的孔隙水排量，而需要测量上、下反压时，旋转三通阀25，切断至烧杯的通路，就可以由上反压传感器23、下反压传感器32测量上、下反压。
本实用新型中，各个传感器收集到的数据可以通过数据线传输至计算机中，通过显示器及时显示，也可传输至一个控制器中，本实施例中，加设了一个控制器，型号为威程800。本发明的测试系统中安装的各个传感器，包括：安装在压室组11附近用于测量土样5变形量的位移传感器、安装在加载缸附近用于测量活塞移动量的位移传感器、以及分别用于测量上下反压的上反压传感器23和下反压传感器32，这些传感器均与该控制器通信连接，采用常规连接即可实现，用于将各传感器采集的数据及时反馈至控制器。
上反压加载装置21和下反压加载装置31中的伺服电机也与控制器通信连接，控制器接收到上反压传感器23和下反压传感器32的数据信号后，根据内部预设好的程序（常规程序）来控制伺服电机的动作，可控制伺服电机启动和停止（当压力大小尚未达到预设值时，伺服电机动作直至压力大小达到预设值，伺服电机停止动作），即间接控制加载缸中的加压介质的加压，亦即控制上、下反压的大小。该控制器是一种全数字式智能控制器，可在屏幕上显示压力值、加载缸活塞的位移值、试验时间等参数。
采用如上所述的测试系统进行土体高压渗流的测试,包括如下步骤：步骤a、取样；用渗透环刀（内径61.8mm，高4cm）按标准获取土样5。
步骤b、装样；将装载腔体112和底座113连接好之后，将下部的渗流板114放到装载腔体112中的支撑凸台1132上，放入一层滤纸，将装有土样5的环刀卡在装载腔体112上端口，然后将土样5平稳的推入装载腔体112内，土样5上放上一层滤纸，将上部的渗流板114放至装载腔体112中，将下压构件111由装载腔体112上端口装入组装完成压室组11，将压室组11放到电子压缩流变试验机的试验空间内，固定在电子压缩流变试验机的压座上；装样完成后，确认该测试系统各个管口连接良好、连接无误、各电器件无损坏且连接良好。
步骤c、按照实际需求设计实验条件进行实验，例如，可对土样5加载不同的竖向载荷和上、下反压，分别针对不同的上反压、下反压和竖向载荷进行多组实验，可按照排列组合的方式安排实验数量和实验条件，测量并记录实验数据，例如：孔隙水排量、竖向载荷的数值、上反压、下反压、各加载缸内活塞的位移、土样5的变形量等等；之后可以根据试验获得的数据计算模拟工况下的渗透系数以及将试验数据后用于后续的进一步研究，为渗透运动规律、地面沉降机理等研究提供参数、为构建地面沉降模型提供支持。
与现有技术相比，本实用新型在测试中增加竖向载荷，模拟土体在上覆自重载荷状态下所受到的竖向荷载的情况；通过上下水压的加载增加土体的上下水头的变化，模拟地下水位变化导致渗透压力变化的过程；相比于现有技术能够更加接近真实的土体自然环境，比较真实反映土体实际的透水性和地层变化情况。另外，利用本实用新型所述测试系统还可以实时测量孔隙水排量或者上、下反压的大小，便于及时观察和记录分析；本实用新型解决了以往只能在无竖向荷载且只有单向水头情况下研究土体渗透性能的问题，可以模拟土样5在不同竖向荷载、且双向上下水头不断变化的环境工况，根据实际试验需要，还解决了以往试验密封性差、可行性低等方面的问题，能够直接应用到实际生产当中，可操作性强。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
1.一种用于土体高压渗流的渗流装置(1)，其特征在于：包括压室组(11)和压力装置(12)；压室组(11)包括用于容纳土样(5)的装载腔体(112)、其下端插接于装载腔体(112)内的下压构件(111)、以及可拆卸封堵安装在装载腔体(112)底部的底座(113)；下压构件(111)内设有可将装载腔体(112)内部与外界连通的上渗流通道(1114)，底座(113)内设有可将装载腔体(112)内部与外界连通的下渗流通道(1134)；压力装置(12)用于向下压构件(111)提供向下压力。
2.根据权利要求1所述的用于土体高压渗流的渗流装置(1)，其特征在于：土样(5)的上表面和下压构件(111)底面之间间隔安装有渗流板(114)，土样(5)的下表面和底座(113)上表面之间间隔安装有渗流板(114)。
3.根据权利要求1所述的用于土体高压渗流的渗流装置(1)，其特征在于：压力装置(12)采用电子压缩流变试验机。
4.根据权利要求1所述的用于土体高压渗流的渗流装置(1)，其特征在于：压室组(11)一侧还设有用于测量土样(5)变形量的位移传感器。
5.根据权利要求1所述的用于土体高压渗流的渗流装置(1)，其特征在于：下压构件(111)由压头(1111)和连杆(1112)形成一体式结构；底座(113)由底板(1131)和设置在底板(1131)上的支撑凸台(1132)构成，底板(1131)和装载腔体(112)可拆卸连接在一起；压头(1111)和支撑凸台(1132)中，在其与装载腔体(112)接触的表面开有环形的密封槽，底板(1131)中，在其与装载腔体(112)接触的表面开有密封槽，所有的密封槽内均挤压安装有密封圈(110)。
6.一种用于土体高压渗流的测试系统，包含如权利要求1-5任一项所述的渗流装置(1)，其特征在于：还包括用于给渗流装置(1)提供水压的上反压加载装置(21)和下反压加载装置(31)，以及向上反压加载装置(21)和下反压加载装置(31)供水的供水系统(4)。
7.根据权利要求6所述的用于土体高压渗流的测试系统，其特征在于：上反压加载装置(21)和下反压加载装置(31)的出水口均通过管路连通至渗流装置(1)；通过管路将下压构件(111)内的上渗流通道(1114)出口与上反压加载装置(21)的出水口连通，通过管路将底座(113)内的下渗流通道出口与下反压加载装置(31)的出水口连通。
8.根据权利要求6所述的用于土体高压渗流的测试系统，其特征在于：上反压加载装置(21)和下反压加载装置(31)均包括一个或者多个加载缸，每个加载缸内安装有一个可在外力作用下沿加载缸轴向移动的活塞。
9.根据权利要求6所述的用于土体高压渗流的测试系统，其特征在于：上反压加载装置(21)和渗流装置(1)之间的管路上还连接一个三通阀(25)，三通阀(25)的三个接口分别连通上反压加载装置(21)、渗流装置(1)和一个排水收集容器(221)。
10.根据权利要求6所述的用于土体高压渗流的测试系统，其特征在于：在加载缸附近还安装有位移传感器；上反压加载装置(21)和渗流装置(1)之间的管路上还连接有一个上反压传感器(23)和一个变送传感器(24)，上反压传感器(23)串联连接在上反压加载装置(21)和三通阀(25)之间，变送传感器(24)串联连接在三通阀(25)和渗流装置(1)之间；下反压加载装置(31)和渗流装置(1)之间的管路上还串联连接有一个下反压传感器(32)。
技术总结