CN103091226A - 一种检测饱和土孔隙率装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测饱和土孔隙率的测量装置及使用方法，包括环刀、不锈钢电极、环刀、有机玻璃盒子、阻抗测试仪等。当测量土样阻抗时，根据土样性质选择环刀，不锈钢电极由连线与阻抗测试仪连接；当测量孔隙水阻抗时，选择有机玻璃盒子，不锈钢电极由连线和连线与阻抗测试仪连接；频率选择器和电平调节器通过阻抗测试仪与计算机连接。该装置可以采集土样、制备饱和土样、设置电信号频率和阻抗测试电压、测定饱和土和孔隙水的电阻率，根据土样的性质选取土性参数和胶结系数、计算机得出孔隙率。本发明具有简单易行、成本低、测量周期短、且结果较准确等特点，不需要昂贵的设备，操作方法简单，在实验室或现场均可以操作，实用性很高。

Description

一种检测饱和土孔隙率装置及方法

技术领域

本发明属于土壤孔隙的分析方法技术领域，尤其涉及一种检测饱和土孔隙率的装置及检测方法。

背景技术

土壤孔隙率（n）是土壤颗粒之间的孔隙体积（V_V）占土壤总体积（V）的比率，是反映土体密实程度的重要物理性质指标。目前，对土壤孔隙的分析有不少方法，有经验计算方法、水银压入法、图像处理法、气压比重计法、吸水法、容重换算法等。这些方法中有的误差大，有的成本高（设备费、使用费偏高），有的测量周期长，有的条件受限难以推广，针对现有方法的缺陷，本技术方案能很好的弥补它们的不足。

1：经验计算方法

目前,实验室内土壤孔隙率的计算公式为:

$n=\frac{V_v}{V}\×100\%=1-\frac{{\mathrm{\γ}}_d}{d_s{\mathrm{\γ}}_w}=1-\frac{\mathrm{\γ}}{(1+\mathrm{\ω})d_s{\mathrm{\γ}}_w}$

式中：V_v为土中孔隙的体积，V为土样的体积，γ_d为土的干重度，d_s为土粒相对密度，γ_w为水的重度，ω为土的含水量，γ为土的天然重度。实验室中土壤孔隙率数据是由其它土的指标（天然重度、含水量、土粒相对密度、水的重度）换算得来，大部分指标（天然重度、含水量、土粒相对密度）在测量过程中均会有误差，换算过程中的误差会放大，并且测量步骤比较繁琐，故换算得来的数据不准确，而且该方法适用于实验室操作，不适合工程现场应用。

2：水银压入法

水银压入法是鉴于水银对固体表面的不可润湿性，要在压力的作用下水银才能压入多孔材料的孔隙中，孔径越小所需的压力越大。由相应的水银压入量可求出对应尺寸的孔隙体积，由此算出孔隙体积随孔径大小变化的孔径分布曲线。水银压入法由于需要压力作用，一般要用到水银测孔仪，而且不适合应用于土质较软的土壤，因为可能会导致土样被压力压散，所以这种方法一般用于进行较硬固体的孔径分析。另外，水银以及仪器价格不菲，使用此方法时试验成本较高，而且水银属于有毒化学品，使用不当会对实验人员和环境造成危害。

3：图像处理法

图像处理法是利用土壤切片及数字图像处理技术，对土壤结构进行小尺度或多指标分析，定量、定形地研究土壤的孔隙结构，从而获取相关参数。图像处理法具有直观性强，分析较准确的优点。目前使用的三维图像技术有CT(computed tomography)或CAT(computer-assisted tomography)，但设备费和使用费都较高，只有条件较好的机构才使用，一般研究人员往往不具备这样的条件。

4：气压比重计法

气压比重计法的测量原理来自物理学中著名的Boyle-Mariotteshen定理。土壤表层样本经标准环刀采样后置于烘箱中，烘干土样连同环刀直接送入气压比重计的气囊中进行抽气处理。将抽出气体与大气压强之差在玻璃管连通器中直接显示为汞高形式，即可换算成孔隙率。此方法测量周期长，操作复杂，无法满足实时信息获取的需要，极大地限制了它的实际应用。

5：吸水法

吸水法是先将土样与环刀一起放置在含水的容器内，经过24小时浸润待土样中含水量大到饱和后，随机进行称重。然后放入烘箱，烘干土样再次称重可得容积饱和含水率。因水的比重为1，故容积饱和含水率理论上直接等于孔隙率。此方法的测量时间也很长，并且测量误差较大，实际应用不多。

6:容重换算法

按照土壤物理学中关于容重与孔隙率的关系（

其中：n为孔隙率，ρ_b为土壤干容重，ρ_s为土壤样本中土粒密度）将土壤容重换算成土壤孔隙率。显然，对于不同土壤质地，土粒密度差异是客观存在的。并且确定不同土壤质地的土粒密度费工费时，通常以石英砂样本的容重作为典型参考值，这无形中就增加了测量数据的误差。

7:液体石蜡法

基于液体石蜡不具有极性，当它与土体接触时其体积保持不变,亦不产生吸附和浸湿作用。因此，可利用液体石蜡的这些特点，进行土壤孔隙率的测定试验。该方法是先测出湿土样的质量m₁，再用细线系住土样放入装有液体石蜡的大量杯中，测出土样的体积v₁，将土样拿出捻碎成颗粒状再次放入同一量杯中（务必使土颗粒全部进入量杯），测出此时土颗粒的体积v₂，则土中空气体积为v₁-v₂，将量杯中的混合物倒出并过滤，去除土中水分，测得土颗粒质量为m₂，则土中水的质量为m₁-m₂，即可得土中水的体积v₃，则土中孔隙体积为v₂+v₃，孔隙率为

此方法测量步骤复杂，测量误差较大。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种检测饱和土孔隙率的方法，旨在解决目前方法中有的误差大，有的成本高（设备费、使用费偏高），有的条件受限难以推广，有的测量周期长等各种不足之处，特别是在现场的可操作性不强的问题。

一种用于检测饱和土孔隙率的测量装置，包括环刀（1）、不锈钢电极（3、4）、环刀（5）、不锈钢电极（7、8）、有机玻璃盒子（9）、不锈钢电极（10、11）、阻抗测试仪（14）、频率选择器（15）、电平调节器（16）、计算机（17）。当测量土样阻抗时，根据土样性质，选择环刀（1）或环刀（5），不锈钢电极（3、4）或不锈钢电极（7、8）分别由连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接；当测量孔隙水阻抗时，选择有机玻璃盒子（9），不锈钢电极（10、11）分别由连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接；频率选择器（15）和电平调节器（16）通过阻抗测试仪（14）与计算机（17）连接；频率选择器（15）可以设置电信号频率，电平调节器（16）可以设置阻抗测试电压，计算机（17）进行参数设置和自动运算。

所述的检测饱和土孔隙率的装置，所述环刀（1）是由不锈钢制成的空腔圆柱筒体；环刀的内壁是绝缘的环氧树脂涂层（2）；电极（3、4）由弧形不锈钢制成，粘贴于环氧树脂涂层（2）内表面，与环刀（1）绝缘。

所述的检测饱和土孔隙率的装置，所述环刀（5）是由不锈钢制成的空腔圆柱筒体；环刀的内壁是绝缘的环氧树脂涂层（6）；电极（7、8）由圆形不锈钢制成，置于土样上下表面，不与环刀连接。

所述的检测饱和土孔隙率的装置，所述的有机玻璃盒子（9）是由有机玻璃制成的带底面的圆柱筒体；电极（10、11）由圆形不锈钢制成，粘贴于有机玻璃盒子（9）的内表面。

一种检测饱和土孔隙率的方法，包括以下步骤：

A1：采集土样，在取样过程中，土样不得受压、受挤和受扭，

在运输过程避免振动破坏土体结构；

A2：用上述环刀（1）切取试验土样，根据试样的透水性能选取不同方法来制备饱和土样，主要采用浸水饱和法、毛细管饱和法或抽气饱和法来制备饱和土样；

A3：上述环刀（1）的不锈钢电极（3、4）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压，通过阻抗测试仪（11）测试饱和土样的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述饱和土样的电阻率ρ₀；

A4：上述有机玻璃盒子（9）的不锈钢电极（10、11）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压，通过阻抗测试仪（14）测试用于制备饱和土溶液（即孔隙水）的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述孔隙水的电阻率ρ_w；

A5：根据土样的性质在原有试验得来的数据库中选取参数α和m，由计算机（17）利用式

自动计算出上述饱和土样的孔隙率n。

进一步，饱和土体的电阻率和孔隙水的电阻率比值取决于岩土体的结构特性，即：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_w}={\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}\left(f\right)\·n}^{-m}$

故： $n={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w\·\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}\left(f\right)}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{\frac{1}{m}}$

式中：ρ₀、ρ_w分别为饱和土、孔隙水电阻率；α为土性参数，由土的类型决定；f为阻抗测试仪（14）的电信号频率；β(f)为电信号频率f的函数，该关系式已通过前期试验取得；n为孔隙率；m为胶结系数。对于特定的土而言，α和m都为常数。

进一步，根据土样性质，也可以使用上述环刀（5）的不锈钢电极（7、8）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压，通过阻抗测试仪（14）测试饱和土样的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述饱和土样的电阻率ρ₀。

本发明提供的方法具有简单易行，成本低，测量周期短，且结果较准确等特点。不需要昂贵的设备，操作方法简单，在实验室或现场均可以操作，实用性很高，具有推广应用的价值。

附图说明

图1为本发明所用环刀的示意图（一）。

图2为本发明所用环刀的示意图（二）。

图3为本发明所用有机玻璃盒子的示意图。

图4为本发明所用检测装置的示意图。

图中1、环刀；2、环氧树脂涂层；3、不锈钢电极；4、不锈钢电极；5、环刀；6、环氧树脂涂层；7、不锈钢电极；8、不锈钢电极；9、有机玻璃盒子；10、不锈钢电极；11、不锈钢电极；12、连线；13、连线；14、阻抗测试仪；15、频率选择器；16、电平调节器；17、计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

土的电阻率实际上就是当电流垂直通过边长为1m的立方体土时所呈现的电阻大小，单位为Ω·m，与电导率成倒数。电阻率是土的基本物性参数之一，但与测试仪器的电信号频率相关，同时也与土的孔隙率、饱和度、孔隙形状、孔隙水电阻率和土性等有关。综合而言，已知电信号频率条件下，特定土的电阻率由土颗粒的电阻率和孔隙水的电阻率组成，受饱和度和孔隙率的影响。相对于孔隙水而言，土颗粒自身的导电性很差，可以忽略不计，因此特定土的电阻率取决于孔隙水电阻率、孔隙率、饱和度。对于饱和土而言，土电阻率取决于孔隙水电阻率和孔隙率。

饱和土的电阻率和孔隙水的电阻率比值取决于岩土体的结构特性，即：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_w}={\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}\left(f\right)\·n}^{-m}$

（1-1）

故： $n={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w\·\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}\left(f\right)}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{\frac{1}{m}}$

（1-2）

式中：ρ₀、ρ_w分别为饱和土、孔隙水电阻率；α为土性参数，由土的类型决定；f为测试仪器的电信号频率；β(f)为电信号频率f的函数，该关系式已通过前期试验取得；n为孔隙率；m为胶结系数。对于特定的土而言，α和m都为常数。因此，只要测定了ρ₀和ρ_w，就可以根据上式计算出土的孔隙率n值。而ρ₀和ρ_w的测定是易于通过电阻率方法得到的，这就是通过电阻率法测试饱和土孔隙率的原理。

本发明实施例提供的检测饱和土孔隙率的方法包括以下步骤：

实施例1

首先采集土样，取样过程中，土样不得受压，受挤和受扭，采集完毕后，在运输过程避免振动破坏土体结构；用环刀（1）切取试验土样，根据试样的透水性能选取不同方法(浸水饱和法、毛细管饱和法、抽气饱和法）来制备饱和土样；不锈钢电极（3、4）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压；通过阻抗测试仪（14）测试饱和土样的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述饱和土样的电阻率ρ₀。

有机玻璃盒子（9）的不锈钢电极（10、11）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压，通过阻抗测试仪（14）测试用于制备饱和土溶液（即孔隙水）的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述孔隙水的电阻率ρ_w。

根据土样的性质在原有试验得来的数据库中选取参数α和m，最后计算机通过式（1-2）计算孔隙率n。

实施例2

首先采集土样，取样过程中，土样不得受压，受挤和受扭，采集完毕后，在运输过程避免振动破坏土体结构；用环刀（2）切取试验土样，根据试样的透水性能选取不同方法(浸水饱和法、毛细管饱和法、抽气饱和法）来制备饱和土样；不锈钢电极（7、8）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压；通过阻抗测试仪（14）测试饱和土样的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述饱和土样的电阻率ρ₀。

有机玻璃盒子（9）的不锈钢电极（10、11）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压，通过阻抗测试仪（14）测试用于制备饱和土溶液（即孔隙水）的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述孔隙水的电阻率ρ_w。

根据土样的性质在原有试验得来的数据库中选取参数α和m，最后计算机通过式（1-2）计算孔隙率n。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种检测饱和土孔隙率的测量装置，其特征在于，包括环刀（1）、不锈钢电极（3、4）、环刀（5）、不锈钢电极（7、8）、有机玻璃盒子（9）、不锈钢电极（10、11）、阻抗测试仪（14）、频率选择器（15）、电平调节器（16）、计算机（17）。当测量土样阻抗时，根据土样性质，选择环刀（1）或环刀（5），不锈钢电极（3、4）或不锈钢电极（7、8）分别由连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接；当测量孔隙水阻抗时，选择有机玻璃盒子（9），不锈钢电极（10、11）分别由连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接；频率选择器（15）和电平调节器（16）通过阻抗测试仪（14）与计算机（17）连接；频率选择器（15）用于设置电信号频率，电平调节器（16）用于设置阻抗测试电压，计算机（17）用于进行参数设置和自动运算。

2.根据权利要求1所述的检测饱和土孔隙率的测量装置，其特征在于，所述环刀（1）是由不锈钢制成的空腔圆柱筒体；环刀的内壁是绝缘的环氧树脂涂层（2）；电极（3、4）由弧形不锈钢制成，

粘贴于环氧树脂涂层（2）内表面，与环刀（1）绝缘。

3.根据权利要求1所述的检测饱和土孔隙率的测量装置，其特征在于，所述环刀（5）由不锈钢制成的空腔圆柱筒体；环刀的内壁是绝缘的环氧树脂涂层（6）；电极（7、8）由圆形不锈钢制成，置于土样上下表面，不与环刀连接。

4.根据权利要求1所述的检测饱和土孔隙率的测量装置，其特征在于，所述的有机玻璃盒子（9）是由有机玻璃制成的带底面的圆柱筒体；电极（10、11）由圆形不锈钢制成，粘贴于有机玻璃盒子（9）的内表面。

5.一种检测饱和土孔隙率的方法，其特征在于：

A1：采集土样，在取样过程中，土样不得受压、受挤和受扭，在运输过程避免振动破坏土体结构；

A2：用上述环刀（1）切取试验土样，根据试样的透水性能选取不同方法来制备饱和土样，主要采用浸水饱和法、毛细管饱和法或抽气饱和法来制备饱和土样；

A3：上述环刀（1）的不锈钢电极（3、4）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压，通过阻抗测试仪（11）测试饱和土样的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述饱和土样的电阻率ρ0；

A4：上述有机玻璃盒子（9）的不锈钢电极（10、11）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压，通过阻抗测试仪（14）测试用于制备饱和土溶液（即孔隙水）的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述孔隙水的电阻率ρw；

A5：根据土样的性质在原有试验得来的数据库中选取参数α和m，由计算机（17）利用式

自动计算出上述饱和土样的孔隙率n。

6.如权利要求5所述的检测饱和土孔隙率的方法，其特征在于：根据土样性质，也可以使用上述环刀（5）的不锈钢电极（7、8）分别通过连线（12）和连线（13）与阻抗测试仪（14）连接，利用频率选择器（15）设置电信号频率f，利用电平调节器（16）设置阻抗测试电压，通过阻抗测试仪（14）测试饱和土样的阻抗值，利用计算机（17）自动计算出上述饱和土样的电阻率ρ0。

7.如权利要求5所述的检测饱和土孔隙率的方法，其特征在于：饱和土体的电阻率和孔隙水的电阻率比值取决于岩土体的结构特性，即：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_w}=\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}\left(f\right)\·n^{-m}$

故： $n={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_w\·\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}\left(f\right)}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right)}^{\frac{1}{m}}$

式中：ρ0、ρw分别为饱和土、孔隙水电阻率；α为土性参数，由土的类型决定；f为阻抗测试仪（14）的电信号频率；β(f)为电信号频率f的函数，该关系式已通过前期试验取得；n为孔隙率；m为胶结系数。对于特定的土而言，α和m都为常数。

8.如权利要求7所述的检测饱和土孔隙率的方法，其特征在于：饱和土体电阻率和孔隙水电阻率的比值与阻抗测试仪（14）的电信号频率f的函数β(f)相关。

9.如权利要求7所述的检测饱和土孔隙率的方法，其特征在于，饱和土体电阻率和孔隙水电阻率的比值与土性参数α和胶结系数m相关。

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