CN103091226B - 一种检测饱和土孔隙率装置及方法 - Google Patents
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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
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(VV)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:
式中:Vv为土中孔隙的体积,V为土样的体积,γd为土的干重度,ds为土粒相对密度,γw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,ρb为土壤干容重,ρs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。
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:
故:
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。
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:
(1-1)
故:
(1-2)
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ρw,就可以根据上式计算出土的孔隙率n值。而ρ0和ρw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ρw。
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ρw。
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 (1)
1.一种检测饱和土孔隙率的测量装置,其特征在于,包括第一环刀、第一不锈钢电极、第二不锈钢电极、第二环刀、第三不锈钢电极、第四不锈钢电极、有机玻璃盒子、第五不锈钢电极、第六不锈钢电极、阻抗测试仪、频率选择器、电平调节器、计算机;当测量土样阻抗时,根据土样性质,选择第一环刀或第二环刀,第一不锈钢电极、第二不锈钢电极或第三不锈钢电极、第四不锈钢电极分别由第一连线和第二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,第五不锈钢电极、第六不锈钢电极分别由第一连线和第二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;频率选择器用于设置电信号频率,电平调节器用于设置阻抗测试电压,计算机用于进行参数设置和自动运算;
所述第一环刀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;第一不锈钢电极、第二不锈钢电极由弧形不锈钢制成,粘贴于环氧树脂涂层内表面,与第一环刀绝缘;
所述第二环刀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;第三不锈钢电极、第四不锈钢电极由圆形不锈钢制成,置于土样上下表面,不与环刀连接;
所述的有机玻璃盒子是由有机玻璃制成的带底面的圆柱筒体;第五不锈钢电极、第六不锈钢电极由圆形不锈钢制成,粘贴于有机玻璃盒子的内表面。
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