CN104165748A - 一种土体风蚀测试系统及其评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土体风蚀测试系统及其评价方法，该测试系统包括台式电子秤、风蚀装置、光照装置和模拟降雨装置，其中：风蚀装置包括土样盘、支架、支架底座、风机、风蚀物回收器和可移动式挡风玻璃，光照装置包括灯管、温度传感器和温度控制器，模拟降雨装置包括降雨喷头、水管、雨量控制器和水泵；该评价方法的具体步骤包括组装测试系统、安放测试土样、初次测试试验、实施影响条件、风蚀性能评价和清理测试系统。本发明不仅具有测试土体风蚀性能精度高的特点，而且组装方便和操作简便可靠，能够快速、有效地评价土体抗风蚀性能。

Description

一种土体风蚀测试系统及其评价方法

技术领域

本发明属于土体工程技术领域，特别是涉及一种土体风蚀测试装置及其评价方法。

背景技术

随着全球气候变化和人类活动对地表作用的日益加剧,特别是城市大范围建筑施工，矿山开采等，造成的沙尘暴和扬尘等生态环境问题，已严重影响了人们的生活和制约了社会经济的发展。近年来，国内外将如何采用有效的防尘固沙方法来解决问题已成为研究的重点。在防尘固沙工程中，抗风蚀效果是最主要的考虑因素，因此在一种防尘固沙方法被大规模推广使用前，对其处理后土体的抗风蚀性能的测试和评价是必不可少的工作。

在土体风蚀测试的室内研究中，采用最多的是实验室风洞模拟测试，如中科院兰州沙漠研究所在上世纪60年代建成的室内风沙环境风洞。在风洞模拟测试中，所需的土样较多，一次制样所需的时间较长，所需的工作量大，并且在很大程度上无法体现土样抗风蚀性能的微小差异。而在防尘固沙方法对比测试时，往往所要测试的对比试样的数量较多，并且对于化学固沙方法中所采用的土样由于掺入不同配方的改良材料使得试样不能反复应用，并且在同种方法中的不同配方改良下的抗风蚀性能存在的差异较小。因此常规的实验室风洞模拟试验很难满足目前防尘固沙方法的测试要求。

中国专利申请201010139941.5公开了一种“土壤风蚀测定装置”，它既可在室内模拟不同下垫面的风沙运动，又可在野外实地操作测定风蚀量和测定不同下垫面状况下的滞沙量。但还存在以下明显不足：一是该装置在测试过程中无重量测量装置，不能对风蚀量进行实时测量，给测试结果造成较大误差；二是没有考虑干湿循环、日照等环境因素对土样风蚀的影响，导致无法得出改良土样在不同条件下抗风蚀效果对比结果；三是测试过程采用敞开式，外界环境对测试结果影响较大，无法实现对土样风蚀量的微小差异评价。

综上所述，如何克服现有技术的不足已成为目前土体工程技术领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种土体风蚀测试系统及其评价方法，本发明不仅具有测试土体风蚀性能精度高的特点，而且组装方便和操作简便可靠，能够快速、有效地评价土体的抗风蚀性能。

根据本发明提出的一种土体风蚀测试系统，其特征在于它包括台式电子秤、风蚀装置、光照装置和模拟降雨装置，其中：风蚀装置包括土样盘、支架、支架底座、风机、风蚀物回收器和可移动式挡风玻璃，光照装置包括灯管、温度传感器和温度控制器，模拟降雨装置包括降雨喷头、水管、雨量控制器和水泵；所述土样盘设置在台式电子秤的秤盘上，并位于支架的正下方；所述支架的支杆底部设有支架底座；所述支架的一侧面上设置风机，该风机出风口位于土样盘盘边的上方，该支架的另一侧面上设置风蚀物回收器；所述可移动式挡风玻璃设置在支架的四周和顶部；所述灯管设置在位于土样盘正上方的支架的顶面内侧；所述温度控制器设置在支架的顶面外侧，该温度控制器分别与设置在支架内部的温度传感器和支架顶面内侧的灯管连接；在位于土样盘的正上方、支架的顶面内侧中心部位设置降雨喷头，该降雨喷头通过位于支架外部的水管依次与雨量控制器和水泵连接。

根据本发明提出的基于以上所述一种土体风蚀测试系统的评价方法，其特征在于包括以下具体步骤：

步骤一，组装测试系统：先将台式电子秤设置于装配有灯管和降雨喷头的支架的正下方，将风机设置于支架的一侧面上，将风蚀物回收器设置于支架的另一侧面上，将温度传感器设置于支架的内部并与支架顶面外侧的温度控制器相连接，支架的顶面内侧中心部位设置降雨喷头，该降雨喷头通过位于支架外部的水管依次与雨量控制器和水泵连接；

步骤二，安放测试土样：将预制的空土样盘设置于台式电子秤上，记土样盘的重量为G_p，将待测土样按设计要求装入土样盘中，调整风机出风口至土样表面的高度距离为5cm，在支架的四周和顶部装上可移动式挡风玻璃；

步骤三，初次测试试验：记录台式电子秤的初始读数，即土样盘和土样的总重量为G₀,打开风蚀物回收器一侧的可移动式挡风玻璃，开启风机，然后在60分钟内每间隔6分钟记录一次台式电子秤的读数，该读数分别记为G₁、G₂、G₃……G₁₀；

步骤四，实施影响条件：初次测试结束后，如需进一步评价在不同影响条件下的风蚀性能，可根据测试要求，实施影响条件：①通过光照装置来设置温度和照射时间；②通过模拟降雨装置来设置降雨量和降雨时间；③可反复进行前述①和②两种实现干湿循环的影响条件，在完成影响条件后，关闭光照装置和模拟降雨装置，重复步骤三进行测试试验；

步骤五，风蚀性能评价：整理每次测试后的数据，并通过公式计算出对应的抗风蚀系数，根据抗风蚀系数的大小评价土样的风蚀性能，抗风蚀系数R取值0.05-1，在同等条件下R值越大，其抗风蚀性能越好，其中：

R＝[(G₀-G₁)×0.05+(G₀-G₂)×0.15+(G₀-G₃)×0.25+……+(G₀-G₁₀)×0.95+(G₁₀-G_p)×1]÷(G₀-G_p)；

步骤六，清理测试系统：在测试结束后，关闭风机，取出与清理风蚀物回收器和土样盘，并清理除此之外的其余的装置，以备再次测试。

本发明的原理是：随着当今全社会对环境保护与经济社会协调发展的意识日益强化，审视现有土体风蚀测试方法，因其采用土样风蚀测试结束后的重量来评价土样的风蚀性，所以不能满足高精度、微小差异和实施影响条件的要求。本发明巧妙地发挥了电子秤、风蚀装置、光照装置和模拟降雨装置的协同作用，对土样测试的全过程实施充分的影响条件，同时在测试过程中对土样的剩余量进行实时测量，并对不同时间段的风蚀量给予对应的加权系数，以致能够得到对应的抗风蚀系数，从而可实现高精度和微小差异的评价。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明可直接对土样在风蚀过程中的剩余土样进行全过程实时称量，无需对测试后的试样进行再次称重，既可有效避免了再次称重造成的误差，又可大大减少工作量；二是本发明能够充分考虑日照和降雨造成的干湿循环后对土样风蚀性能的影响，测试结果更接近自然影响条件下土样的风蚀性能，特别是能够对改良土样的抗风蚀性能进行全面的对比；三是本发明能够实现土样抗风蚀性能的微小差异评价，给土体的改良效果的鉴定提供一种简便可靠、快速和有效的评价方法。本发明广泛适用于沙漠化、沙尘暴和扬尘区域的改良土体的抗风蚀性能测试，特别适用于不同改良土体抗风蚀性能的微小差异评价。

附图说明

图1为本发明提出的一种土体风蚀性能的测试系统的结构示意图。

具体实施方式

下面以下结合附图和实施例对本发明具体实施方式作进一步的详细描述。

结合图1，一种土体风蚀测试系统，它包括台式电子秤(1)、风蚀装置、光照装置和模拟降雨装置，其中：风蚀装置包括土样盘(2)、支架(3)、支架底座(4)、风机(5)、风蚀物回收器(6)和可移动式挡风玻璃(7)，光照装置包括灯管(8)、温度传感器(9)和温度控制器(10)，模拟降雨装置包括降雨喷头(11)、水管(12)、雨量控制器(13)和水泵(14)；所述土样盘(2)设置在台式电子秤(1)的秤盘上，并位于支架(3)的正下方；所述支架(3)的支杆底部设有支架底座(4)；所述支架(3)的一侧面上设置风机(5)，该风机(5)出风口位于土样盘(2)盘边的上方，该支架(3)的另一侧面上设置风蚀物回收器(6)；所述可移动式挡风玻璃(7)设置在支架的四周和顶部；所述灯管(8)设置在位于土样盘(2)正上方的支架(3)的顶面内侧；所述温度控制器(10)设置在支架(3)的顶面外侧，该温度控制器(10)分别与设置在支架(3)内部的温度传感器(9)和支架(3)顶面内侧的灯管(8)连接；在位于土样盘(2)的正上方、支架(3)的顶面内侧中心部位设置降雨喷头(11)，该降雨喷头(11)通过位于支架(3)外部的水管(12)依次与雨量控制器(13)和水泵(14)连接。

本发明提出的一种土体风蚀测试系统的进一步优选方案是：所述台式电子秤(1)为量程10kg、精度0.01g的自动采集台式电子秤；所述土样盘(2)的底面边长为40-50cm、边高为5-15cm的正方形体，其材质为透明玻璃；所述支架(3)的形状为长方体、采用材质为不锈钢的实心杆焊接组成，该实心杆的直径Φ为30-45mm；支架底座(4)为设有中心孔径Φ30-45mm的塑料底托；所述风机(5)的数量为3-5台；所述灯管(8)的数量为3-6根。

实施例1。以测试土样量3kg为例，本发明提出的一种土体风蚀测试系统的主要部件的设计参数和要求是：

本发明采用的台式电子称(1)为量程10kg、精度0.01g的自动采集台式电子秤；土样盘(2)的底面边长为45cm、边高为10cm的正方形体，土样盘(2)的材质采用透明玻璃；支架(3)采用直径为Φ40mm的不锈钢实心杆焊接而成，支架(3)的支杆底部设有支架底座(4)，支架(3)的形状为长方体；风机(5)的数量为4台，每台风机(5)采用设有导风口的轴流风机，风机直径为Φ10cm；所述灯管(8)的数量为4根，每根灯管(8)采用100W功率的白炽灯管；温度传感器(9)采用测量范围为5-60℃的接触式温度传感器；温度控制器(10)采用温度控制范围为0-100℃的电子式温度控制器；水管(12)采用内径为Φ2cm的塑料管；降雨喷头(11)采用降雨半径为65cm单式降雨喷头；雨量控制器(13)采用可自动控制水管流速的电磁阀式雨量控制器；水泵(14)采用压力为100-500kPa水柱的离心低压泵。

实施例2。以测试土样量2kg为例，本发明提出的一种土体风蚀测试系统的主要部件的设计参数和要求是：

本发明采用的土样盘(2)的底面边长为40cm、边高为5cm的正方形体；风机(5)的数量为3台，每台风机(5)采用设有导风口的轴流风机，风机直径为Φ10cm；所述灯管(8)的数量为3根，每根灯管(8)采用100W功率的白炽灯管。本发明实施例2采用的其它部件同实施例1。

实施例3。以测试土样量5kg为例，本发明提出的一种土体风蚀测试系统的主要部件的设计参数和要求是：

本发明采用的土样盘(2)的底面边长为50cm、边高为15cm的正方形体；风机(5)的数量为5台，每台风机(5)采用设有导风口的轴流风机，风机直径为Φ10cm；所述灯管(8)的数量为6根，每根灯管(8)采用100W功率的白炽灯管。本发明实施例3采用的其它部件同实施例1。

实施例4。结合实施例1至3，本发明提出的一种土体风蚀测试系统的评价方法的具体步骤如下：

步骤一，组装测试系统：先将台式电子秤(1)设置于装配有灯管(8)和降雨喷头(11)的支架(3)的正下方，将风机(5)设置于支架(3)的一侧面上，将风蚀物回收器(6)设置于支架(3)的另一侧面上，将温度传感器(9)设置于支架(3)的内部并与支架(3)顶面外侧的温度控制器(10)相连接，支架(3)的顶面内侧中心部位设置降雨喷头(11)，该降雨喷头(11)通过位于支架(3)外部的水管(12)依次与雨量控制器(13)和水泵(14)连接；

步骤二，安放测试土样：将预制的空土样盘(2)设置于台式电子秤(1)上，记土样盘(2)的重量为G_p，将待测土样按设计要求装入土样盘(2)中，调整风机(5)出风口至土样表面的高度距离为5cm，在支架(3)的四周和顶部装上可移动式挡风玻璃(7)；

步骤三，初次测试试验：记录台式电子秤(1)的初始读数，即土样盘(2)和土样的总重量为G₀,打开风蚀物回收器(6)一侧的可移动式挡风玻璃(7)，开启风机(5)，然后在60分钟内每间隔6分钟记录一次台式电子秤(1)的读数，该读数分别记为G₁、G₂、G₃……G₁₀；

步骤四，实施影响条件：初次测试结束后，进一步评价在影响条件下的风蚀性能，根据测试要求，实施影响条件：①通过光照装置设置温度40℃和照射时间1小时；②通过模拟降雨装置设置降雨量0.5mm/h和降雨时间0.5小时；③放置24小时后通过光照装置设置温度40℃和照射时间3小时；关闭光照装置和模拟降雨装置，重复步骤三进行测试试验；

步骤五，风蚀性能评价：整理测试后的数据，并通过公式计算出实施影响条件后的抗风蚀系数R为，根据抗风蚀系数的大小评价土样的风蚀性能，抗风蚀系数R取值0.05-1，在同等条件下R值越大，其抗风蚀性能越好，其中：

R＝[(G₀-G₁)×0.05+(G₀-G₂)×0.15+(G₀-G₃)×0.25+……+(G₀-G₁₀)×0.95+(G₁₀-G_p)×1]÷(G₀-G_p)＝0.75；

步骤六，清理测试系统：在测试结束后，关闭风机(5)，取出与清理风蚀物回收器(6)和土样盘(2)，并清理除此之外的其余的装置，以备再次测试。

应用以上评价方法分别对6组待测土样进行实际测试评价，其评价结果如下：

土样为过2mm标准筛的粘土和砂土并按1：2混合均匀，其中砂土平均粒径0.36mm、均匀系数2.35、比重2.7g/cm³；粘性土液限为35.1％、塑性指数为17.5，最佳含水量16.5％。土样采用高分子固沙剂进行改良，固沙剂为透明粘稠液体；待测6组土样的固沙剂喷洒浓度分别为0％、1％、2％、3％、5％和7％，每组试样厚度5cm，采用本实施例的评价方法所得的抗风蚀系数R分别为0.28、0.87、0.88、0.91、0.93和0.97。从测试结果可明显地得出6组改良后试样的微小差异，可很好地给土体的改良效果提供有效的参考依据。因此，采用本发明的测试系统及其评价方法将更加可靠、快速和有效地实现土体风蚀性能的微小差异评价。

本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

Claims (8)

1.一种土体风蚀测试系统，其特征在于它包括台式电子秤(1)、风蚀装置、光照装置和模拟降雨装置，其中：风蚀装置包括土样盘(2)、支架(3)、支架底座(4)、风机(5)、风蚀物回收器(6)和可移动式挡风玻璃(7)，光照装置包括灯管(8)、温度传感器(9)和温度控制器(10)，模拟降雨装置包括降雨喷头(11)、水管(12)、雨量控制器(13)和水泵(14)；所述土样盘(2)设置在台式电子秤(1)的秤盘上，并位于支架(3)的正下方；所述支架(3)的支杆底部设有支架底座(4)；所述支架(3)的一侧面上设置风机(5)，该风机(5)出风口位于土样盘(2)盘边的上方，该支架(3)的另一侧面上设置风蚀物回收器(6)；所述可移动式挡风玻璃(7)设置在支架(3)的四周和顶部；所述灯管(8)设置在位于土样盘(2)正上方的支架(3)的顶面内侧；所述温度控制器(10)设置在支架(3)的顶面外侧，该温度控制器(10)分别与设置在支架(3)内部的温度传感器(9)和支架(3)顶面内侧的灯管(8)连接；在位于土样盘(2)的正上方、支架(3)的顶面内侧中心部位设置降雨喷头(11)，该降雨喷头(11)通过位于支架(3)外部的水管(12)依次与雨量控制器(13)和水泵(14)连接。

2.根据权利要求1所述的一种土体风蚀测试系统，其特征在于台式电子秤(1)为量程10kg、精度0.01g的自动采集台式电子秤。

3.根据权利要求1所述的一种土体风蚀测试系统，其特征在于土样盘(2)的底面边长为40-50cm、边高为5-15cm的正方形体，其材质为透明玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种土体风蚀测试系统，其特征在于支架(3)的形状为长方体、采用材质为不锈钢的实心杆焊接组成,该实心杆的直径Φ为30-45mm。

5.根据权利要求1所述的一种土体风蚀测试系统，其特征在于支架底座(4)为设有中心孔径Φ30-45mm的塑料底托。

6.根据权利要求1所述的一种土体风蚀测试系统，其特征在于风机(5)的数量为3-5台。

7.根据权利要求1所述的一种土体风蚀测试系统，其特征在于灯管(8)的数量为3-6根。

8.基于权利要求1-7所述的一种土体风蚀测试系统的评价方法，其特征在于包括以下具体步骤：

步骤一，组装测试系统：先将台式电子秤(1)设置于装配有灯管(8)和降雨喷头(11)的支架(3)的正下方，将风机(5)设置于支架(3)的一侧面上，将风蚀物回收器(6)设置于支架(3)的另一侧面上，将温度传感器(9)设置于支架(3)的内部并与支架(3)顶面外侧的温度控制器(10)相连接，支架(3)的顶面内侧中心部位设置降雨喷头(11)，该降雨喷头(11)通过位于支架(3)外部的水管(12)依次与雨量控制器(13)和水泵(14)连接；

步骤二，安放测试土样：将预制的空土样盘(2)设置于台式电子秤(1)上，记土样盘(2)的重量为G_p，将待测土样按设计要求装入土样盘(2)中，调整风机(5)出风口至土样表面的高度距离为5cm，在支架(3)的四周和顶部装上可移动式挡风玻璃(7)；

步骤三，初次测试试验：记录台式电子秤(1)的初始读数，即土样盘(2)和土样的总重量为G₀,打开风蚀物回收器(6)一侧的可移动式挡风玻璃(7)，开启风机(5)，然后在60分钟内每间隔6分钟记录一次台式电子秤(1)的读数，该读数分别记为G₁、G₂、G₃……G₁₀；

步骤四，实施影响条件：初次测试结束后，如需进一步评价在不同影响条件下的风蚀性能，可根据测试要求，实施影响条件：①通过光照装置来设置温度和照射时间；②通过模拟降雨装置来设置降雨量和降雨时间；③可反复进行前述①和②两种实现干湿循环的影响条件，在完成影响条件后，关闭光照装置和模拟降雨装置，重复步骤三进行测试试验；

步骤五，风蚀性能评价：整理每次测试后的数据，并通过公式计算出对应的抗风蚀系数，根据抗风蚀系数的大小评价土样的风蚀性能，抗风蚀系数R取值0.05-1，在同等条件下R值越大，其抗风蚀性能越好，其中：

R＝[(G₀-G₁)×0.05+(G₀-G₂)×0.15+(G₀-G₃)×0.25+……+(G₀-G₁₀)×0.95+(G₁₀-G_p)×1]÷(G₀-G_p)；

步骤六，清理测试系统：在测试结束后，关闭风机(5)，取出与清理风蚀物回收器(6)和土样盘(2)，并清理除此之外的其余的装置，以备再次测试。