CN103837662B - 增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，包括基座、试样容器、半透膜、丝网、计重装置、容纳瓶、进水管、出水管，试样容器设有用于容纳待测土体试样的腔室，试样容器顶部设有盖板，试样容器的腔室紧密扣合于基座，基座之上设有丝网、丝网上方铺设有半透膜，基座上设有土体水势测量仪，蠕动泵设置于进水管，进水管与出水管穿设于基座中，进水管与出水管的一端连通于腔室，进水管与出水管的另一端连通于容纳瓶，进水管还设有蠕动泵。本发明通过渗析技术控制土体试样吸力和增/脱湿路径，避免湿润锋影响，缩短测量时间，可以测量湿化路径下非饱和土体的水力特性参数。本发明还提供一种非饱和土体水力特性参数测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置及方法。
背景技术
土体湿化病害带来的危害已逐渐受到重视，如黄土湿陷性、边坡湿化失稳和路基湿化变形等。然而土体湿化过程的机理解释尚不成熟，这主要由于土体湿化过程的复杂性。土体的土水特征曲线存在滞回性，即脱湿路径、增湿路径下的土水特征曲线具有差别。一般来说，增湿路径下的土水特征曲线拥有偏小的进气值，而且非饱和渗透系数在增湿、脱湿路径下也存在滞回性。可见，准确测量土体在增湿、脱湿路径下的土水特征曲线和非饱和渗透系数是不仅困难而且重要。尤其是准确测量湿化过程中的土水特征曲线和非饱和渗透系数，是理解土体湿化机理的基础，更是采取适当措施预防湿化灾害的依据。
传统的稳态法测量增湿、脱湿路径下的土水特征曲线，耗时很长，试验周期为3个月到1年不等。近年来，基于瞬态剖面单元法的简易蒸发法被用来测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数，缩短了试验时间，但是此方法仅能测量脱湿路径下土体的水力特性，不能用于测量增湿路径下非饱和土体的水力特性。中国专利申请CN201210196089提出一种测量增湿路径下渗透系数的方法，此方法不适用于进气值大于100kPa的土体，另外由于湿化产生的浸润线影响，降低了此专利提出的方法的测量精度，此专利中应用传感器测量土体含水率（精度为3%），存在较大误差。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，包括基座、试样容器、半透膜、丝网，所述试样容器设有用于容纳待测土体试样的腔室，所述试样容器顶部设有盖板，所述试样容器的腔室紧密扣合于基座，所述基座之上设有丝网、所述丝网上方铺设有半透膜，所述基座上还设有用于测量待测土体试样的负孔隙水压力的土体水势测量仪，所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置还设有计重装置、容纳瓶、进水管、出水管，所述蠕动泵设置于所述进水管，所述进水管与出水管穿设于基座中，所述进水管与出水管的一端连通于所述腔室，所述进水管与出水管的另一端连通于容纳瓶。
进一步的，所述基座设有集水槽，所述集水槽呈螺旋状盘绕，其一端设置于基座中心，另一端设置于基座边缘。
进一步的，所述进水管连通于集水槽位于基座边缘的一端，所述出水管连通于集水槽位于基座中心的一端。
进一步的，所述试样容器沿竖直方向排布设有至少两个土体水势测量仪。
进一步的，相邻土体水势测量仪之间的间距为20mm至150mm。
进一步的，相邻土体水势测量仪之间的间距为30mm。
进一步的，所述土体水势测量仪的反应时间为0.5min至2min。
进一步的，所述土体水势测量仪的反应时间为1.5min。
一种使用如前所述的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量方法，包括以下步骤：
步骤一：组装增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置；将基座、进水管、出水管、容纳瓶相互组装连接，检查气密性；
步骤二：将待测土体试样放置于试样容器的腔室中；
步骤三：将装有待测土体试样的试样容器密封连接至基座，盖上盖板；
步骤四：安装土体水势测量仪，待土体水势测量仪数值稳定后记录土体水势测量仪的初始读数。
步骤五：根据土体水势测量仪初始读数和干湿路径要求，调整大分子溶液浓度，使大分子溶液在导管中循环运动，记录天平读数和土体水势测量仪读数。
步骤六：待吸力平衡后，调整大分子溶液浓度，记录天平读数和土体水势测量仪读数，直到吸力再次平衡。
步骤七：重复步骤六。
进一步的，所述大分子溶液采用PEG溶液。
相较于现有技术，本发明通过渗析技术控制土体试样吸力和增/脱湿路径，吸力控制范围超过100kPa，避免了湿润锋影响。基于瞬态剖面法测量同一土体增湿和脱湿路径下非饱和土体水力特性参数，大大缩短了测量时间，尤其可以测量湿化路径下非饱和土体的水力特性参数；可同时测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数；本发明的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置及检测方法还可测量不同增/脱湿历史下的非饱和土体水力特性参数。
附图说明
图1是本发明的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置的结构示意图。
图2是本发明的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置的基座的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
请参阅图1至图2，本发明提供了一种增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置10及检测方法。本发明通过渗析技术控制土体试样吸力和增/脱湿路径，基于瞬态剖面法测量同一土体增湿和脱湿路径下非饱和土体水力特性参数，尤其可以测量湿化路径下非饱和土体的水力特性参数；且可同时测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数；本发明还可测量不同增/脱湿历史下的非饱和土体水力特性参数。
本发明的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置10包括基座11、试样容器13、半透膜15、丝网17，所述试样容器13设有用于容纳待测土体试样100的腔室131，所述腔室131顶部设有盖板133，所述腔室131紧密扣合于基座11，腔室131内的基座11之上设置丝网17、所述丝网17上方铺设半透膜15。本发明的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置10还设有计重装置21、容纳瓶23、进水管25、出水管27、蠕动泵29。所述计重装置21用于测量土体含水率的变化。本发明的计重装置21用于计量容纳瓶23及置于容纳瓶23中的大分子溶液的质量，并可用于显示容纳瓶23中的大分子溶液的质量变化。在本实施例中，所述计重装置21采用天平。可以理解的是，本发明的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置10也可采用其他装置，如电子计重秤等装置计量，只需保证其量程及精度符号要求即可。
所述进水管25与出水管27穿设于基座11中，所述进水管25与出水管27的一端连通于所述腔室131，所述进水管25与出水管27的另一端连通于容纳瓶23。进水管25、出水管27穿设于基座11并连通于试样容器13的腔室131、容纳瓶23之间，形成回路，所述蠕动泵29用于提供液体循环动力，从而将容纳瓶23中的大分子溶液送入试样容器13的腔室131。在本实施例中，所述大分子溶液采用PEG（聚乙二醇，polyethyleneglycol）溶液。
在本实施例中，所述基座11位于腔室131内的上表面开设有集水槽115，所述集水槽115呈螺旋状盘绕，其一端设置于基座11中心，另一端设置于基座11边缘。所述进水管25连通于集水槽115位于基座11边缘的一端，所述出水管27连通于集水槽115位于基座11中心的一端。在本实施例中，为了保证接触面积大且流动顺畅，集水槽115的宽度为1mm（毫米）至5mm，深度为2mm至6mm，作为优选方式，集水槽115的宽度为3mm，深度为3mm。
丝网17胶结于基座11的集水槽115上方，半透膜15层叠放置于细丝网17上方。在本实施例中，在细丝网17与半透膜15之间可设置O型圈进行密封。本发明中的半透膜15用于提供稳定的渗析吸力。
在本实施例中，基座11和试样容器13均为筒状，为了避免土体的尺寸效应影响，基座11和试样容器13外径为50mm至200mm，为了避免测量过程中试样容器足够硬度，所述试样容器13的壁厚为1mm至20mm，作为优选方式，所述装置要求有足够的刚度，其基座11和试样容器13外径为130mm，所述试样容器13的壁厚为15mm。为了保证土体水势测量仪19测量结果的代表性，所述试样容器13的高度为50mm至200mm，作为优选方式，所述试样容器13的高度为80mm。
试样容器13上设有至少一个土体水势测量仪19，用于检测放置于试样容器13的腔室131中的待测土体试样100的负孔隙水压力。在本实施例中，试样容器13沿竖直方向排布有多个土体水势测量仪19，为了保证水力梯度测量的精度，相邻土体水势测量仪19之间的间距为20mm至150mm。作为优选方式，所述土体水势测量仪19个数为2个，相隔距离为30mm。所述土体水势测量仪19量程根据待测量土体的进气值而定，需大于土体的进气值。土体水势测量仪19的反应时间为0.5min（分钟）至2min，作为优选方式，所述土体水势测量仪19的反应时间为1.5min。在本实施例中，所述土体水势测量仪19采用张力计。
试样容器13用于容纳待测土体试样100，当所述待测土体试样100为重塑土样时，土样在试样容器13的腔室131中按设计密度进行压实；当土体试验为原状土时，土样按适合尺寸切割，放入腔室131中。使用时，盖板133盖设于腔室131，盖板133与腔室131不进行密封，所述盖板133与试样容器13的外径相同。
一种非饱和土体水力特性参数检测方法，包括如下步骤：
步骤一：组装增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置10；将基座11、进水管25、出水管27、容纳瓶23相互组装连接，检查气密性；
步骤二：将待测土体试样100放置于试样容器13的腔室131中；若待测土体试样100为重塑土，则将待测量土体试样在腔室131中压实；若待测土体试样100为原状土，则将待测土体试样100切成适合的形状后放入腔室131内；
步骤三：将装有待测土体试样100的试样容器13密封连接至基座11，盖上盖板133；
步骤四：安装土体水势测量仪19，待土体水势测量仪19数值稳定后记录土体水势测量仪19的初始读数。
步骤五：根据土体水势测量仪19初始读数和干湿路径要求，调整大分子溶液浓度，开启蠕动泵29，使大分子溶液在导管中循环运动，记录天平读数和土体水势测量仪19读数。
步骤六：待吸力平衡后，调整大分子溶液浓度，记录天平读数和土体水势测量仪19读数，直到吸力再次平衡。
步骤七：重复步骤六，直到所有增/脱湿路径全部施加。
本发明通过渗析技术控制土体试样吸力和增/脱湿路径，吸力控制范围超过100kPa，避免了湿润锋影响。基于瞬态剖面法测量同一土体增湿和脱湿路径下非饱和土体水力特性参数，大大缩短了测量时间，尤其可以测量湿化路径下非饱和土体的水力特性参数；可同时测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数；本发明的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置10及检测方法还可测量不同增/脱湿历史下的非饱和土体水力特性参数。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，其特征在于：包括基座、试样容器、半透膜、丝网，所述试样容器设有用于容纳待测土体试样的腔室，所述试样容器顶部设有盖板，所述试样容器的腔室紧密扣合于基座，所述基座之上设有丝网、所述丝网上方铺设有半透膜，所述基座上还设有用于测量待测土体试样的负孔隙水压力的土体水势测量仪，所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置还设有计重装置、容纳瓶、进水管、出水管，所述进水管连接一个蠕动泵，所述进水管与出水管穿设于基座中，所述进水管与出水管的一端连通于所述腔室，所述进水管与出水管的另一端连通于容纳瓶。
2.根据权利要求1所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，其特征在于：所述基座设有集水槽，所述集水槽呈螺旋状盘绕，其一端设置于基座中心，另一端设置于基座边缘。
3.根据权利要求2所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，其特征在于：所述进水管连通于集水槽位于基座边缘的一端，所述出水管连通于集水槽位于基座中心的一端。
4.根据权利要求1所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，其特征在于：所述试样容器沿竖直方向排布设有至少两个土体水势测量仪。
5.根据权利要求4所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，其特征在于：相邻土体水势测量仪之间的间距为20mm至150mm。
6.根据权利要求5所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，其特征在于：相邻土体水势测量仪之间的间距为30mm。
7.根据权利要求4所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，其特征在于：所述土体水势测量仪的反应时间为0.5min至2min。
8.根据权利要求5所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置，其特征在于：所述土体水势测量仪的反应时间为1.5min。
9.一种使用如权利要求1至8中任一项的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置的增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量方法，其特征在于：所述非饱和土体水力特性参数检测方法包括以下步骤：
步骤一：组装增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量装置；将基座、进水管、出水管、容纳瓶相互组装连接，检查气密性；
步骤二：将待测土体试样放置于试样容器的腔室中；
步骤三：将装有待测土体试样的试样容器密封连接至基座，盖上盖板；
步骤四：安装土体水势测量仪，待土体水势测量仪数值稳定后记录土体水势测量仪的初始读数；
步骤五：根据土体水势测量仪初始读数和干湿路径要求，调整大分子溶液浓度，使大分子溶液在导管中循环运动，记录天平读数和土体水势测量仪读数；
步骤六：待吸力平衡后，调整大分子溶液浓度，记录天平读数和土体水势测量仪读数，直到吸力再次平衡；
步骤七：重复步骤六。
10.根据权利要求9所述增/脱湿路径下非饱和土体水力特性参数测量方法，其特征在于：所述大分子溶液采用PEG溶液。
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