智能四聯(lián)變水頭滲透儀的研制與應用

0 引 言

土體滲透性的測定是巖土工程和工程地質(zhì)評價(jià)的重要內容，常以滲透系數表示，滲透系數是衡量土體滲透性能的一項重要指標，通常使用常水頭和變水頭兩種方法測定。對于常見(jiàn)的黏性土體的滲透系數測定常采用變水頭滲透儀來(lái)完成。

由于粘性土的滲透系數較小，通常要在幾個(gè)小時(shí)或幾十個(gè)小時(shí)完成一次試驗，目前國內絕大部分單位采用人工讀數，人工記錄和人工計算，這樣的試驗方法普遍認為費事，人為因素較多，工作效率較低。

在滿(mǎn)足達西定律的滲透原理基礎上進(jìn)行了智能化的設計，并對滲透試驗儀器的結構和功能做了改進(jìn)，研制出了一種智能四聯(lián)變水頭滲透儀，實(shí)現了滲透系數試驗的自動(dòng)化，并得到了用戶(hù)認可。

1 試驗儀器的研制

在傳統南55型滲透儀基礎上，結合電氣控制和軟件處理，研制出了智能四聯(lián)變水頭滲透儀（如圖1），同時(shí)結合用戶(hù)反饋，對儀器結構進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1 昱創(chuàng )科技智能四聯(lián)變水頭滲透儀

Fig.1 intelligent quadruple falling head permeameter

1.1儀器特點(diǎn)

1）儀器智能化。本儀器采用高精度液位傳感器檢測水頭高度，利用ARM芯片設計數據采集系統，能夠高效精準的分析不同水位高度對應的壓力值，并將模擬量轉換成高度值，實(shí)現了水頭高度的自動(dòng)測量，代替了傳統的人工讀數，減少人為誤差；儀器自帶MICRO_SD存儲單元，能夠按照的時(shí)間間隔，存儲試驗過(guò)程中水頭高度的變化，實(shí)現脫機工作，待試驗完成后利用計算機數據采集數據和處理系統提取數據計算結果。試驗過(guò)程中無(wú)需人工參與，減少人為誤差，提高了工作效率和試驗精度，也可極大地解放勞動(dòng)生產(chǎn)力。

2）自動(dòng)補水裝置。本儀器增加了微型水泵，并實(shí)現自動(dòng)化控制，可直接在觸摸屏上操作向水箱加水，方便快捷。

3）液位管上增加了防溢裝置，向液位管內補水時(shí)無(wú)需擔心液位管內的水溢出。

1.2主要技術(shù)指標

土樣直徑61.8mm，面積30cm²；

土樣高度4cm；

液位管斷面積0.785cm²；

液位量程1000mm；

分辨率0.1cm；

綜合*.3%F.S.

2 計算

2.1滲透系數計算

滲透試驗結果按變水頭公式，由軟件直接計算。

a―玻璃管橫截面面積0.785cm²

A―土樣面積30cm²

t₁、t₂―測量水頭的起始時(shí)間和終止時(shí)間（s）

L―滲徑，即土樣高度4cm

H₁―起始水頭高度（液位），即土樣上端至起始水頭的距離（cm）

H₂―下降水頭高度（液位），即土樣上端至下降水頭的距離（cm）

2.2按下式計算校準溫度下的滲透系數

K_T―T℃時(shí)試樣滲透系數

K₂₀―20℃時(shí)試樣滲透系數

η_T―T℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數（10^-6kPa.s）

η_T―20℃時(shí)水的動(dòng)力粘滯系數（10^-6kPa.s）

比值η_T/η₂₀與溫度的關(guān)系，見(jiàn)相關(guān)的表查得。

3 液位傳感器標定

液位傳感器標定是用來(lái)對儀器上的液位傳感器進(jìn)行標準化定義。

1、滿(mǎn)量程：需要標定的傳感器的總量程，以0.1mm為單位，本儀器高達到可設置為10000（1000mm）。

2、自動(dòng)分段：對總量程進(jìn)行等量分段，默認分五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行標定。

3、調整水位：依次調整水位到實(shí)際值所示的值，點(diǎn)擊對應的采集按鈕，完成該點(diǎn)的標定。

4、保存標定參數：采集完五個(gè)點(diǎn)后，觀(guān)察標定曲線(xiàn)（如圖2）是否是一條直線(xiàn)，確認是直線(xiàn)后點(diǎn)擊下載參數，將標定的數據寫(xiě)入采集板。

圖2 傳感器標定曲線(xiàn)

Fig.2 Curve of sensor calibration

標定完成后，進(jìn)行水頭高度檢驗，將液位標尺數值和顯示屏上數值進(jìn)行對比，誤差在0.3%F.S.以?xún)?/span>，檢驗結果見(jiàn)表1。

表1水頭高度檢驗結果

Table1 Test result for water head height

4 試驗操作步驟

1、試驗前，開(kāi)啟電源，利用微型水泵先向水箱注水；

2、再依次將三通開(kāi)關(guān)擰至“補水”，使有機玻璃管水位達到上限（1m水頭處）；

3、將三通開(kāi)關(guān)擰至“滲透”，打開(kāi)容器開(kāi)關(guān)，使下透水石與管路中的空氣排掉，待水滲出透水石將三通開(kāi)關(guān)擰至“關(guān)閉”，同時(shí)關(guān)閉容器開(kāi)關(guān)。

4、將飽和后的土樣兩端覆蓋上濕潤的濾紙，刀口向上放入滲透容器，然后依次在環(huán)刀的外側放入密封O型圈、密封壓板、擰緊鎖緊螺栓（避免底部滲漏），再在土樣上方安置透水石、導環(huán)和傳壓活塞，將鎖緊螺釘輕微壓住活塞；

5、依次開(kāi)啟三通開(kāi)關(guān)補水，使有機玻璃管水位接近上限（1m以下），依次將三通開(kāi)關(guān)擰至“滲透”，開(kāi)始滲透試驗操作。

6、在觸摸屏界面上設置相關(guān)參數，啟動(dòng)數據采集，開(kāi)啟容器開(kāi)關(guān)，開(kāi)始試驗。

7、試驗結束后，將所有開(kāi)關(guān)復位，并將試驗數據上傳至電腦，根據時(shí)間與水頭變化的關(guān)系曲線(xiàn)，選擇不同時(shí)間段計算出相應的滲透系數。

8、需要時(shí)，輸出打印本次試驗成果；

9、試驗結束后關(guān)閉電源，取出土樣，清洗容器。

5 試驗實(shí)時(shí)記錄和處理結果

本儀器操作系統可通過(guò)顯示觸摸屏進(jìn)行儀器的參數預設、運行控制及人機交互；以四聯(lián)方式工作，可同時(shí)平行開(kāi)展四組變水頭滲透試驗并生成試驗數據；儀器的數據采集器能進(jìn)行數據自動(dòng)采集、顯示、自動(dòng)運行存儲，采集速度可自行設定1-10次/s；數據成果可以報告輸出或曲線(xiàn)圖形輸出?？赏ㄟ^(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行試驗數據在線(xiàn)查詢(xún)?？商峁﹥x器的局域網(wǎng)遠程數據通訊、下載、存儲與監控功能；可根據用戶(hù)的多樣性需求，提供各種智能化的功能選擇。

本儀器經(jīng)過(guò)反復試驗論證，以下是其中幾組試驗采集數據和試驗結果報告，詳見(jiàn)圖3至圖8。

一組：

圖3 水頭高度與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)（1）

Fig.3 Curve of water head height and time(1)

圖4 滲透系數試驗報告（1）

Fig.4 Test report of permeability coefficient(1)

第二組：

圖5 水頭高度與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)（2）

Fig.5 Curve of water head height and time(2)

圖6 滲透系數試驗報告（2）

Fig.6 Test report of permeability coefficient(2)

第三組：

圖7 水頭高度與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)（3）

Fig.7 Curve of water head height and time(3)

圖8 滲透系數試驗報告（3）

Fig.8 Test report of permeability coefficient(3)

6 結束語(yǔ)

1.四聯(lián)變水頭滲透儀適用范圍可滿(mǎn)足粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、環(huán)境土以及人工制備的各類(lèi)土樣。

2.人工智能滲透儀可以替代傳統的試驗方法，提高精度、解放勞動(dòng)力，本儀器結構簡(jiǎn)單、操作方便、數據可靠，滿(mǎn)足科研教學(xué)生產(chǎn)的需求。

3.對于滲透系數較低的土樣，如高塑性粘土、膨潤土建議采用本公司研發(fā)的滲壓儀，由于施加固結壓力和提高滲透壓力，是一種更理想更便捷的滲透儀。

參考文獻

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