智能四聯變水頭滲透儀的研制與應用

(蘇州昱創流體科技有限公司，江蘇蘇州，215636)

摘  要：智能四聯變水頭滲透儀在傳統變水頭滲透儀基礎上進行了智能化的設計，利用計算機自動采集數據和處理，無需人工讀數，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力。

關鍵詞：變水頭滲透儀，智能化，滲透系數

 

Development and application of intelligent quadruple falling head permeameter

2.Suzhou Yuchuang Fluid Tech  Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215636, China)

Abstract: Based on the traditional falling head permeameter, the intelligent quadruple falling head permeameter is developed. Using this apparatus, the working efficiency and test precision are improved, which liberates labor force greatly.

Key words: falling head permeameter; intelligent; permeability coefficient

 

0 引 言

    土體滲透性的測定是巖土工程和工程地質評價的重要內容，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。對于常見的黏性土體的滲透系數測定常采用變水頭滲透儀來完成。

   由于粘性土的滲透系數較小，通常要在幾個小時或幾十個小時完成一次試驗，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。在滿足達西定律的滲透原理基礎上進行了智能化的設計，并對滲透試驗儀器的結構和功能做了改進，研制出了一種智能四聯變水頭滲透儀，實現了滲透系數試驗的自動化，并得到了用戶認可。

 

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，研制出了智能四聯變水頭滲透儀（如圖1），同時結合用戶反饋，對儀器結構進行了優化。

 

圖1 昱創科技智能四聯變水頭滲透儀

Fig.1 intelligent quadruple falling head permeameter

 

1.1儀器特點

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，實現了水頭高度的自動測量，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，能夠按照指定的時間間隔，存儲試驗過程中水頭高度的變化，實現脫機工作，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。試驗過程中無需人工參與，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生產力。
2. 自動補水裝置。本儀器增加了微型水泵，并實現自動化控制，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，向液位管內補水時無需擔心液位管內的水溢出。

1.2主要技術指標

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；

綜合誤差0.3%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―測量水頭的起始時間和終止時間（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℃時試樣滲透系數

K₂₀―20℃時試樣滲透系數

η_T―T℃時水的動力粘滯系數（10^-6kPa.s）

η_T―20℃時水的動力粘滯系數（10^-6kPa.s）

比值η_T/η₂₀與溫度的關系，見相關的表查得。

 

3 液位傳感器標定

液位傳感器標定是用來對儀器上的液位傳感器進行標準化定義。

1、滿量程：需要標定的傳感器的總量程，以0.1mm為單位，本儀器最高可設置為10000（1000mm）。

2、自動分段：對總量程進行等量分段，默認分五個點進行標定。

3、調整水位：依次調整水位到實際值所示的值，點擊對應的采集按鈕，完成該點的標定。

4、保存標定參數：采集完五個點后，觀察標定曲線（如圖2）是否是一條直線，確認是直線后點擊下載參數，將標定的數據寫入采集板。

 

圖2 傳感器標定曲線

Fig.2 Curve of sensor calibration

 

標定完成后，進行水頭高度檢驗，將液位標尺數值和顯示屏上數值進行對比，誤差在0.3%F.S.以內，檢驗結果見表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，開啟電源，利用微型水泵先向水箱注水；
2. 再依次將三通開關擰至“補水”，使有機玻璃管水位達到上限（1m水頭處）；
3. 將三通開關擰至“滲透”，打開容器開關，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關擰至“關閉”，同時關閉容器開關。

 

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、導環和傳壓活塞，將鎖緊螺釘輕微壓住活塞；
5. 依次開啟三通開關補水，使有機玻璃管水位接近上限（1m以下），依次將三通開關擰至“滲透”，開始滲透試驗操作。
6. 在觸摸屏界面上設置相關參數，啟動數據采集，開啟容器開關，開始試驗。
7. 試驗結束后，將所有開關復位，并將試驗數據上傳至電腦，根據時間與水頭變化的關系曲線，選擇不同時間段計算出相應的滲透系數。
8. 需要時，輸出打印本次試驗成果；
9. 試驗結束后關閉電源，取出土樣，清洗容器。

5 試驗實時記錄和處理結果

本儀器操作系統可通過顯示觸摸屏進行儀器的參數預設、運行控制及人機交互；以四聯方式工作，可同時平行開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行數據自動采集、顯示、自動運行存儲，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圖形輸出。可通過局域網進行試驗數據在線查詢。可提供儀器的局域網遠程數據通訊、下載、存儲與監控功能；可根據用戶的多樣性需求，提供各種智能化的功能選擇。

本儀器經過反復試驗論證，以下是其中幾組試驗采集數據和試驗結果報告，詳見圖3至圖8。

第一組：

 

圖3 水頭高度與時間關系曲線（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 水頭高度與時間關系曲線（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 水頭高度與時間關系曲線（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

1.四聯變水頭滲透儀適用范圍可滿足粘土、粉質粘土、粉土、環境土以及人工制備的各類土樣。

2.人工智能滲透儀可以替代傳統的試驗方法，提高精度、解放勞動力，本儀器結構簡單、操作方便、數據可靠，滿足科研教學生產的需求。

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。

致謝：感謝同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，博士生導師高彥斌教授和同濟大學楊熙章教授對本文進行了審核并提出寶貴意見。

 

參考文獻

1. GB/T 50123-2019. 土工試驗方法標準[S].中國計劃出版社, 2019
2. SL237-1999土工試驗規程[S].
3. 楊熙章.土工試驗與原理[M].同濟大學出版社, 1993
4. 袁聚云等.土質學與土力學[M].人民交通出版社, 2009
5. 鄭國勛等.變水頭滲透儀數據采集及控制系統硬件設計與實現[J].長春工程學院學報（自然科學版）,2015,16(4).