CN105784964A - 一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置 - Google Patents

Abstract

一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置，涉及非饱和土水分运移检测设备技术领域，特别涉及一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置，其特征在于，包括土样桶(1)、插孔Ⅰ(2)、插孔Ⅱ(3)、插孔Ⅲ(4)、插孔Ⅳ(5)、插孔Ⅴ(6)、插孔Ⅵ(7)、插孔Ⅶ(8)、插孔Ⅷ(9)、插孔Ⅸ(10)、插孔Ⅹ(11)、水分传感器Ⅰ(12)、吸力传感器Ⅰ(13)、水分传感器Ⅱ(14)、吸力传感器Ⅱ(15)、水分传感器Ⅲ(16)、吸力传感器Ⅲ(17)、水分传感器Ⅳ(18)、吸力传感器Ⅳ(19)、水分传感器Ⅴ(20)、吸力传感器Ⅴ(21)、数据采集器Ⅰ(22)、数据采集器Ⅱ(23)、显示模块、干湿分界线。

Description

一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置

技术领域

本发明涉及非饱和土水分运移检测设备技术领域，特别涉及一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置。

背景技术

一般认为土壤由固相(土壤颗粒)、液相(土壤水)和气相(土壤所含气体)三相构成，在土壤颗粒孔隙完全由液相填充，即水占土壤孔隙的比例为百分之百时该土壤称之为饱和土。反之，土壤孔隙由水和空气填充，即饱和度小于100时但大于0时，该土壤为非饱和土。

基质势又称“间质势”、“毛管势”。是指在土壤基质(固体颗粒)的吸附作用下，土壤水较自由水降低的自由能(势值)。基质势是土壤吸附力和弯月面力作用的结果。水分为土壤基质吸附后，其自由活动能降低，与处于同样高度和外压，同样温度和浓度的不受基质影响的自由水(势值为零)相比，基质势总为负值。基质势不仅影响土壤水分的吸持，而且影响大量土壤水的运动

以往对非饱和土不同基质势组合时，水分运移研究多采用数值软件或理论公式研究，对于研究非饱和土水分运移的专门的测试装置国内外均没有。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提供一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置，其特征在于，包括土样桶1、插孔Ⅰ2、插孔Ⅱ3、插孔Ⅲ4、插孔Ⅳ5、插孔Ⅴ6、插孔Ⅵ7、插孔Ⅶ8、插孔Ⅷ9、插孔Ⅸ10、插孔Ⅹ11、水分传感器Ⅰ12、吸力传感器Ⅰ13、水分传感器Ⅱ14、吸力传感器Ⅱ15、水分传感器Ⅲ16、吸力传感器Ⅲ17、水分传感器Ⅳ18、吸力传感器Ⅳ19、水分传感器Ⅴ20、吸力传感器Ⅴ21、数据采集器Ⅰ22、数据采集器Ⅱ23、显示模块、干湿分界线，土样桶1一侧中间部位处设置干湿分界线，所述的干湿分界线，其一侧上部依次设置插孔Ⅰ2、插孔Ⅲ4，下部依次设置插孔Ⅱ3、插孔Ⅳ5，另一侧上部依次设置插孔Ⅴ6、插孔Ⅶ8、插孔Ⅸ10，下部依次设置插孔Ⅵ7、插孔Ⅷ9、插孔Ⅹ11，所述的数据采集器Ⅰ22，其包括单片机电路、时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块，所述的数据采集器Ⅰ22，其单片机电路分别与时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块相连接，所述的数据采集器Ⅱ23，其包括单片机电路、时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块，所述的数据采集器Ⅱ23，其单片机电路分别与时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块相连接，所述的显示模块，其分别与所述的数据采集器Ⅰ22的单片机电路和所述的数据采集器Ⅱ23的单片机电路相连接，水分传感器Ⅰ12一端通过插孔Ⅰ2插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅱ14一端通过插孔Ⅳ5插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅲ16一端通过插孔Ⅴ6插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅳ18一端通过插孔Ⅷ9插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅴ20一端通过插孔Ⅸ10插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅰ13一端通过插孔Ⅱ3插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅱ15一端通过插孔Ⅲ4插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅲ17一端通过插孔Ⅵ7插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅳ19一端通过插孔Ⅶ8插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅴ21一端通过插孔Ⅹ11插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接。

所述一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置，其特征在于，所述的土样桶1，其材质具体为有机玻璃。

所述一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置，其特征在于，所述的吸力传感器Ⅰ13、吸力传感器Ⅱ15、吸力传感器Ⅲ17、吸力传感器Ⅳ19、吸力传感器Ⅴ21，其具体为热传导吸力探头。

本发明的有益效果是，结构简单，设计新颖，实用可靠，操作简单方便，能够将不同初始体积含水率的土样的水分运移变化情况，全面的进行数据化的统计、比较，并能够得出可靠的实验数据，能够定量研究不同基质势土样相互接触(水气混合)或不接触(气态水)时非饱和土中不同基质势对水分运移的影响规律；定量研究不同基质势、不同断面和不同时期非饱和土中水分变化和运移情况；直接、实时量测同一断面非饱和土在不同基质势作用下的非饱和土土水特征曲线，解决了非饱和土土水特征曲线无法直接量测或量测不准确的难题；量测范围广，适合多种非饱和土基质势组合时的量测，对基质势影响下的非饱和土水分运移规律做出数据化的展现，能够作为岩土工程、交通工程、水利工程和农业工程中勘察检测土质情况的可靠工具。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明第一实验组的水分传感器随时间变化示意图。

图3是本发明第一实验组的吸力传感器随时间变化示意图。

图4是本发明第二实验组的水分传感器随时间变化示意图。

图5是本发明第二实验组的吸力传感器随时间变化示意图。

图6是本发明第三实验组的水分传感器随时间变化示意图。

图7是本发明第三实验组的吸力传感器随时间变化示意图。

具体实施方式

一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置，其特征在于，包括土样桶1、插孔Ⅰ2、插孔Ⅱ3、插孔Ⅲ4、插孔Ⅳ5、插孔Ⅴ6、插孔Ⅵ7、插孔Ⅶ8、插孔Ⅷ9、插孔Ⅸ10、插孔Ⅹ11、水分传感器Ⅰ12、吸力传感器Ⅰ13、水分传感器Ⅱ14、吸力传感器Ⅱ15、水分传感器Ⅲ16、吸力传感器Ⅲ17、水分传感器Ⅳ18、吸力传感器Ⅳ19、水分传感器Ⅴ20、吸力传感器Ⅴ21、数据采集器Ⅰ22、数据采集器Ⅱ23、显示模块、干湿分界线。

如图1所示，土样桶1一侧中间部位处设置干湿分界线，所述的土样桶1，其材质具体为有机玻璃，所述的干湿分界线，其一侧上部依次设置插孔Ⅰ2、插孔Ⅲ4，下部依次设置插孔Ⅱ3、插孔Ⅳ5，另一侧上部依次设置插孔Ⅴ6、插孔Ⅶ8、插孔Ⅸ10，下部依次设置插孔Ⅵ7、插孔Ⅷ9、插孔Ⅹ11，所述的数据采集器Ⅰ22，其包括单片机电路、时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块，所述的数据采集器Ⅰ22，其单片机电路分别与时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块相连接，所述的数据采集器Ⅱ23，其包括单片机电路、时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块，所述的数据采集器Ⅱ23，其单片机电路分别与时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块相连接，所述的显示模块，其分别与所述的数据采集器Ⅰ22的单片机电路和所述的数据采集器Ⅱ23的单片机电路相连接，水分传感器Ⅰ12一端通过插孔Ⅰ2插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅱ14一端通过插孔Ⅳ5插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅲ16一端通过插孔Ⅴ6插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅳ18一端通过插孔Ⅷ9插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅴ20一端通过插孔Ⅸ10插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ22的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅰ13一端通过插孔Ⅱ3插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅱ15一端通过插孔Ⅲ4插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅲ17一端通过插孔Ⅵ7插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅳ19一端通过插孔Ⅶ8插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅴ21一端通过插孔Ⅹ11插入土样桶1内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路相连接，所述的吸力传感器Ⅰ13、吸力传感器Ⅱ15、吸力传感器Ⅲ17、吸力传感器Ⅳ19、吸力传感器Ⅴ21，其具体为热传导吸力探头。

本发明利用安装于土样中不同位置的吸力传感器、水分传感器对所处土样土层中的水分和吸力的探测，将探测后的信号分别传递给数据采集器Ⅰ22、数据采集器Ⅱ23，数据采集器Ⅰ22、数据采集器Ⅱ23的A\D转换电路分别将信号转换后传递给数据采集器Ⅰ22的单片机电路和数据采集器Ⅱ23的单片机电路，信号经单片机电路处理后，传递给显示模块，显示模块将吸力传感器、水分传感器所探测到的信号以数据的形式展现，操作人员根据得到的数据，进行对比分析，做出结论，在使用时，准备三个实验组，分别对三个实验组进行装样，具体为将土样每25mm一层分层击实，装下一层时，把前一层试样部分打毛使试样整体性好，在土样桶1一侧中间部位处的干湿分界线两侧分别装好两种不同含水率的土样，保证土样桶1内的土样按干湿分界线两侧的初始体积含水率有明显差异，试样装样完成后，分别将水分传感器Ⅰ12、吸力传感器Ⅰ13、水分传感器Ⅱ14、吸力传感器Ⅱ15、水分传感器Ⅲ16、吸力传感器Ⅲ17、水分传感器Ⅳ18、吸力传感器Ⅳ19、水分传感器Ⅴ20、吸力传感器Ⅴ21通过各自所对应的插孔Ⅰ2、插孔Ⅱ3、插孔Ⅲ4、插孔Ⅳ5、插孔Ⅴ6、插孔Ⅵ7、插孔Ⅶ8、插孔Ⅷ9、插孔Ⅸ10、插孔Ⅹ11插入土样桶1中，保证传感器与试样接触良好，在传感器与土样桶1接触处涂密封胶，使试样水分不被蒸发，分别规定水分传感器Ⅰ12、吸力传感器Ⅰ13到土样桶1内壁底部的土样为1#，水分传感器Ⅱ14、吸力传感器Ⅱ15与水分传感器Ⅰ12、吸力传感器Ⅰ13之间的土样为2#，水分传感器Ⅲ16、吸力传感器Ⅲ17与水分传感器Ⅱ14、吸力传感器Ⅱ15之间的土样为3#，水分传感器Ⅳ18、吸力传感器Ⅳ19与水分传感器Ⅲ16、吸力传感器Ⅲ17之间的土样为4#，水分传感器Ⅴ20、吸力传感器Ⅴ21与水分传感器Ⅳ18、吸力传感器Ⅳ19之间的土样为5#，控制三个实验组土样干密度为1.7克每立方厘米，第一实验组试样两端初始体积含水率为40.63％和15.13％，第二实验组试样两端初始体积含水率为26.01％和13.36％，第三实验组试样两端初始体积含水率为46.79％和12.63％，传感器每小时采集一次数据。

第一实验组的数据变化情况如图2和图3所示，由数据变化情况可以看出，a中1#水分传感器水分变化较小，主要是1#、2#传感器在湿土中含水率已达到饱和程度，水分运移变化不明显，2#水分传感器由于距离干土端较近，传感器变化较1#明显，水分传感器含水率始终呈减小趋势，3#、5#水分传感器位于干土段，3#水分传感器变化最为显著，它距湿段较近，含水率变化较大，5#变化较为缓慢是因为距湿段较远，水分较难到达。由图看出5个水分传感器大概在4d左右含水率都达到平衡，b中3#、4#吸力传感器在不同时段吸力随时间的变化情况，土样中3#吸力传感器变化较为显著，其变化曲线大概和3#水分传感器规律一致，说明测试结果是较为可靠的。由于1#、2#传感器始终处于饱和土段吸力数值始终显示为0.1kPa，4#、5#的测试结果数据相同，故图中4#、5#不同时段吸力随时间的变化情况重合。

第二实验组的数据变化情况如图4和图5所示，由数据变化情况可以看出，a中3#传感器变化最为显著，4#传感器变化很微小，5#传感器传感器附近的含水率也有轻微的变化，而它们湿段含水率远远小于湿段含水率，只是干段基质势大于干段基质势，引起这种现象的原因是：①基质势是决定水分运移的主要因素；②干-湿段基质势之差远小于相应值，故这时候气态水的运移也是水分运移的一个主要因素。b中3#的吸力随初始体积含水率的增加而降低；4#、5#吸力传感器随含水率的降低而增加。

第三实验组的数据变化情况如图6图7所示，由数据变化情况可以看出，该组合所有传感器都能有效的工作，由图中可看出两组传感器读数都发生了规律性的变化。

由第一实验组、第二实验组和第三实验组得出，随初始体积含水率或吸力梯度的增加，水分运移量越大，试样含水率或吸力平衡的时间越长，气态水运移为辅，液态水运移越占优；反之，含水率或吸力梯度越小，水分运移量越小，试样含水率或吸力平衡时间越短，水分运移以液态水和气态水混合运移越为主。

Claims (3)

1.一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置，其特征在于，包括土样桶(1)、插孔Ⅰ(2)、插孔Ⅱ(3)、插孔Ⅲ(4)、插孔Ⅳ(5)、插孔Ⅴ(6)、插孔Ⅵ(7)、插孔Ⅶ(8)、插孔Ⅷ(9)、插孔Ⅸ(10)、插孔Ⅹ(11)、水分传感器Ⅰ(12)、吸力传感器Ⅰ(13)、水分传感器Ⅱ(14)、吸力传感器Ⅱ(15)、水分传感器Ⅲ(16)、吸力传感器Ⅲ(17)、水分传感器Ⅳ(18)、吸力传感器Ⅳ(19)、水分传感器Ⅴ(20)、吸力传感器Ⅴ(21)、数据采集器Ⅰ(22)、数据采集器Ⅱ(23)、显示模块、干湿分界线，土样桶(1)一侧中间部位处设置干湿分界线，所述的干湿分界线，其一侧上部依次设置插孔Ⅰ(2)、插孔Ⅲ(4)，下部依次设置插孔Ⅱ(3)、插孔Ⅳ(5)，另一侧上部依次设置插孔Ⅴ(6)、插孔Ⅶ(8)、插孔Ⅸ(10)，下部依次设置插孔Ⅵ(7)、插孔Ⅷ(9)、插孔Ⅹ(11)，所述的数据采集器Ⅰ(22)，其包括单片机电路、时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块，所述的数据采集器Ⅰ(22)，其单片机电路分别与时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块相连接，所述的数据采集器Ⅱ(23)，其包括单片机电路、时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块，所述的数据采集器Ⅱ(23)，其单片机电路分别与时钟电路、复位电路、A\D转换电路、存储模块相连接，所述的显示模块，其分别与所述的数据采集器Ⅰ(22)的单片机电路和所述的数据采集器Ⅱ(23)的单片机电路相连接，水分传感器Ⅰ(12)一端通过插孔Ⅰ(2)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ(22)的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅱ(14)一端通过插孔Ⅳ(5)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ(22)的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅲ(16)一端通过插孔Ⅴ(6)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ(22)的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅳ(18)一端通过插孔Ⅷ(9)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ(22)的A\D转换电路相连接，水分传感器Ⅴ(20)一端通过插孔Ⅸ(10)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅰ(22)的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅰ(13)一端通过插孔Ⅱ(3)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ(23)的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅱ(15)一端通过插孔Ⅲ(4)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ(23)的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅲ(17)一端通过插孔Ⅵ(7)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ(23)的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅳ(19)一端通过插孔Ⅶ(8)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ(23)的A\D转换电路相连接，吸力传感器Ⅴ(21)一端通过插孔Ⅹ(11)插入土样桶(1)内部，另一端与所述的数据采集器Ⅱ(23)的A\D转换电路相连接。

2.根据权利要求1所述一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置，其特征在于，所述的土样桶(1)，其材质具体为有机玻璃。

3.根据权利要求1所述一种基质势影响的非饱和土水分运移规律测试装置，其特征在于，所述的吸力传感器Ⅰ(13)、吸力传感器Ⅱ(15)、吸力传感器Ⅲ(17)、吸力传感器Ⅳ(19)、吸力传感器Ⅴ(21)，其具体为热传导吸力探头。