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申请/专利权人：中国建筑土木建设有限公司

摘要：用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置及其应用，包括多孔介质土柱，连通在多孔介质土柱上端面的进气管道和进水管道，以及连通在多孔介质土柱下端面的出水管道和下部侧壁的出气管道；所述进气管道进气端内置在气箱内，其上顺气流方向顺次设有第一输气泵和第三压力计，所述进水管道的进水端设于水箱内，其上顺水流方向顺次设有第一蠕动泵、第一流量计和第一压力计，所述出水管道上顺水流方向设有第二压力计、第二流量计、第二蠕动泵和浊度仪，所述出气管道上顺气流方向顺次设有第四压力计和第二输气泵。本发明轻便、易于拼装、方便移动，并且可同时测得持水特性，包括饱和度、渗透率、液体压力等，可更好的指导施工及满足工程计算需要。

主权项：1.一种利用实验装置得出多孔介质土水特征曲线的方法，实验装置为用于多孔介质持水特性和穿透试验的装置，其特征在于，包括多孔介质土柱1，连通在多孔介质土柱1上端面的进气管道2和进水管道3，以及连通在多孔介质土柱1下端面的出水管道4和下部侧壁的出气管道5；所述进气管道2进气端内置在气箱6内，其上顺气流方向顺次设有第一输气泵7和第三压力计8，所述进水管道3的进水端设于水箱9内，其上顺水流方向顺次设有第一蠕动泵10、第一流量计11和第一压力计12，所述进水管道3上、第一压力计12与多孔介质土柱1之间设有进水软管19，所述出水管道4上顺水流方向设有第二压力计15、第二流量计16、第二蠕动泵17和浊度仪18，所述出气管道5上顺气流方向顺次设有第四压力计13和第二输气泵14，所述出气管道5上、第四压力计13和第二输气泵14之间设有进气软管20包括以下步骤：a多孔介质土柱1填充：土柱填充过程要保证完全水饱和状态，填充完毕后，关闭第一蠕动泵10、第二蠕动泵17、第一输气泵7和第二输气泵14，进水软管19和进气软管20分别通过止水夹和止气夹进行止水和止气；b计算初始孔隙水压力：调节第一蠕动泵10和第二蠕动泵17至所需相同的转速，待第一压力计12和第二压力计15稳定后，记录第一流量计11、第二流量计16、第一压力计12和第二压力计15的值为vq1,0、vq2,0、P1,0和P2,0，此时多孔介质中水渗流速度恒定，根据式1可知孔隙水压力梯度恒定，多孔介质中初始孔隙气压力Pg,0＝0Pa， 式中，Sw为水饱和度；vw为多孔介质中孔隙水实际渗流速度矢量；uw分别为多孔介质中截面上孔隙水平均渗流速度矢量；μw为孔隙水的粘度系数；K为多孔介质的渗透率，与孔隙率有关，多孔介质的固有属性；Krw为孔隙水相对渗透率；ρw为孔隙水密度；Pw为孔隙水压力；g为重力加速度，ms2；n为多孔介质孔隙率；则，得出初始孔隙水压力为pw,0： 式中，L为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；Pw,0为多孔介质中初始孔隙水压力；P1,0为最初记录时刻的压力计-1的孔隙水压力值；P2,0为最初记录时刻的压力计-2的孔隙水压力值；c计算多孔介质中孔隙水及孔隙气压力和多孔介质整体的平均饱和度：打开第一输气泵7和进气软管20，调节第二蠕动泵17转速大于第一蠕动泵10，同时记录第一流量计11、第二流量计16随时间的变化vq1,1t、vq2,1t，开始记录时刻记为t＝0s时刻，待开关进气软管20处流体由水变为空气时，启动第二输气泵8并关闭进气软管20，调整第二输气泵8至所需功率；待第一压力计12、第二压力计15、第三压力计8和第四压力计13稳定后，记录各压力计的值为P1,1、P2,1、P3,1和P4,1记录所有压力计稳定时的时刻记为t＝t0s时刻，同时记录下孔隙水的稳定渗流速度记为vq，此时多孔介质中孔隙水及孔隙气压力为： 式中，L为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；Pw,1为达到设定饱和度时即试验中所有压力计稳定，t＝t0时刻的平均孔隙水压力；Pg,1为达到设定饱和度时的平均孔隙气压力；P1,1为t＝t0时刻的压力计-1的孔隙水压力值；P2,1为t＝t0时刻的压力计-2的孔隙水压力值；P3,1为t＝t0时刻的压力计-3的孔隙气压力值；P4,1为t＝t0时刻的压力计-4的孔隙气压力值；多孔介质整体的平均饱和度为 式中，Vw、V分别为多孔介质中完全饱和时孔隙水体积和多孔介质总体积；t时间变量；vq1,1t、vq2,1t分别为从时刻开始记录时刻0到试验结束流量计-1和流量计-2随时间的变化函数；t0为所有压力计稳定时的时刻，即达到设定饱和度时的时刻；由土力学知识可知饱和度、基质吸力及基质吸力水头的关系、式3和式4可知，稳定状态时不同位置处的基质吸力为 式中，L为多孔介质长度；z为悬浮颗粒穿透位置到多孔介质土柱顶部的距离；P1,1为t＝t0时刻的压力计-1的孔隙水压力值；P2,1为t＝t0时刻的压力计-2的孔隙水压力值；P3,1为t＝t0时刻的压力计-3的孔隙气压力值；P4,1为t＝t0时刻的压力计-4的孔隙气压力值；若稳定状态时，若进气口压力P3,1与进水口压力P1,1差值等于出气口压力P4,1与出水口压力P2,1差值，那么不同位置处基质吸力变为Pc,1z＝P3,1-P1,1＝P4,1-P2,17由相对饱和度计算公式与基质吸力水头的关系及式7可知，多孔介质中不同位置处饱和度相同；考虑试验过程为一维渗流过程时，将式3代入式1可知 式中，SD为多孔介质横截面面积；uw分别为多孔介质中截面上孔隙水平均渗流速度矢量和孔隙气平均渗流速度矢量；K为多孔介质的渗透率m2,与孔隙率有关，多孔介质的固有属性；L为多孔介质长度；Pw为孔隙水压力；vw多孔介质中孔隙水实际渗流速度矢量；vq为孔隙水的稳定渗流速度；d计算不同出水、进气及处气速率下相应的饱和度；改变第二蠕动泵17的速率，同时调整第一输气泵7和第二输气泵8的功率，至式7中基质吸力为不同值，通过式1计算得到相应的饱和度；e得到多孔介质的土水特征曲线：重复步骤d，得到不同稳定状态下的饱和度值、基质吸力值和孔隙水渗流速度vq；根据相对饱和度及基质吸力水头的关系，采用最小二乘法参数拟合的方法可得到相应多孔介质在不同填充粒径、不同孔隙率和不同温度的VG模型中参数Tα、Tn、Tm；根据孔隙水相对渗透率与饱和度的关系，和式8中渗流速度与多孔介质渗透率及孔隙水相对渗透率的关系，通过拟合参数方法可得到多孔介质渗透率K和VG模型中参数L，即得到多孔介质的土水特征曲线。

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