[发明专利]一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置和方法

权利要求书

1.一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置，其特征在于，包括：定水头管、试样管和观测管，所述定水头管、试样管和观测管之间通过连接管连接呈U型管，所述定水头管的上方设置马里奥特瓶。

2.根据权利要求1所述的一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验装置，其特征在于，所述试样管的长度0.2～0.3m，所述观测管的长度0.1～0.2m，所述定水头管的长度为1.0～1.2m；所述定水头管、试样管和观测管的管径为75mm。

3.一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将试样管横向压入试验土层，去除试样管两端多余的土体，通过连接头分别将定水头管和观测管固定于试样管的两端；

步骤二：在试样管与定水头管连接口内铺设砾石滤层；

步骤三：在定水头管中注入少量水，使得水位高于试样管高度，静置一段时间，使得土样处于完全饱和状态；

步骤四：在定水头管上部端口安装马里奥特瓶，马里奥特瓶的进水端放置管内水位处并注入一定量的水，使得定水头管内水位处于定水位，定水头管内水位与观测管中水位产生一定的水头差；

步骤五：瞬时向定水头管内注入定量水，并开启马里奥特瓶，使得定水头管与观测管之间保持水头差不变，观测出水口管内水体浑浊状况；逐渐加大水头差，在每一级水头下渗流稳定后，提升至下一级水头高度，直至土体发生渗透破坏，并记录每一级水头差下出水口的渗流溢流量；

步骤六：根据记录的水头差、渗流溢流量及渗透破坏发生时间，计算临界水力坡降。

4.根据权利要求3所述的一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验方法，其特征在于，其中计算临界水力坡降包括以下步骤：

根据试样管中土样饱和且压力水头处处相等，瞬时向定水头管内注入定量水，而观测管内水位不变，形成固定水头差，测得观测管内流量随时间的变化，建立非稳定水流模型：

式中：u为试样管内水位变化值，x为试样管内位置，t为时间；Δh为水头差；l为试样管内试样长度；a为试样传导系数；K为试样渗透系数；μ为贮水率。

5.根据权利要求4所述的一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验方法，其特征在于，利用分离变量法与傅里叶变换，上述非稳定水流模型方程组任意一点水位变化值解析解为：

将上式(1)进行无量纲化：

式中：为无量纲水位变化；为无量纲位置；为无量纲时间；

土样中任一点处的水力坡降：

6.根据权利要求5所述的一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验方法，其特征在于，

任意时刻t，在任意位置x处单位截面积流量值：

将单位截面积流量值与水力坡降无量纲化，可得：

将与分别代入公式(6)，求出进出水口处的无量纲单位截面积流量值：

时

时

7.根据权利要求6所述的一种确定饱和原位土样临界水力坡降的试验方法，其特征在于，其中：a＝K/μ为试样传导系数，K为试样渗透系数，μ为贮水率的求解包括以下步骤：对于时刻通过位置单位截面积流量值；

对公式(11)与(12)两边同时取对数，有：

上式(13)与(14)右边的第二项都是常数；采用配线法，将二曲线重叠，任选一匹配点，记下对应的坐标值[q]、和[t]，代入上述(11)、(12)二式，获得：

渗透系数：

传导系数：

贮水率：

根据达西定律，令为表观水力梯度或稳定状态下水力梯度，则式(3)可表达为：

最终根据试验过程中土样渗透破坏发生时间点t_p，通过式(16)计算出临界水力坡降。