CN105910941A - 基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法，该方法包括以下步骤：按土工实验标准取多个冻土试样并编号；在压力板仪陶土板表面铺上无气水直至陶土板下方管路无气泡产生饱和为止；将冻土试样放入压力板仪试样区，给冻土试样施加20kPa气压力,待冻土试样内达到吸力平衡状态后，从量管中读出冻土试样的排水量；再重复步骤依次施加各级气压力得到气压力值与相对应气压力值下未冻水排水量的数据；计算出各级气压力下冻土试样的未冻水含量得出冻土试样的土水特征曲线；以渐近线对应的含水量即为冻土试样在此温度条件下的未冻水含量。有益效果是该方法测试成本较低、原理明确、操作简便、测试结果直观。为认识冻土的液态水含量及冻土工程相关研究提供新的方法。

Description

基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法

技术领域

本发明主要涉及土木工程岩土冻结领域，主要应用于天然冻土或人工冻土中未冻水含量测定的一种基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法。

背景技术

冻结法施工在国际上被广泛用于城市建设中已有100多年的历史，我国采用冻结法施工技术也有40多年的历史。近年来随着社会经济的高速发展，富含水的困难地质条件日益增多，未冻水含量的影响是工程中必须要解决的问题。未冻水含量直接影响人工冻土冻结工程的稳定性和安全性，故未冻水含量的确定对于工程具有重大意义。

目前，冻土中未冻水含量的测定方法主要包括量热法、脉冲核磁共振法(NMR)、时域反射法(TDR)和差示扫描量热法(DSC)。

量热法基于能量守恒的原理操作与计算比较繁琐复杂。脉冲核磁共振法(NMR)根据不同物理、化学状态的氢核在射频场的干扰下产生不同的豫驰时间计算未冻水含量。该法测定未冻水含量的成本较高。

时域反射法(TDR)运用土壤的介电常数与体积含水率的函数关系来确定未冻水含量。对于冻土这种特殊土，能否运用该法测量含水率还在探索之中。研究表明，土的介电常数容易受土质、温度和重度等物理因素的影响。在冻土的孔隙水分布不均匀时，测试所得介电常数不准确。

差示扫描量热法(DSC)基于热量补偿的原理，通过测量的补给热量计算得到冻土中未冻水含量。补给的热量大小通过计算机控制，预先给定与被测土样一致的热场分布，即量热基线。这个热量基线是该法的关键之处，对于变化多样的土样来说，量热基线是不容易确定的。现有研究是在已知量热基线基础上进行研究的，因此运用DSC法进行大量试验有较大难度。

以上几种冻土中未冻水含量测定的方法存在操作繁琐、误差大、设备昂贵、测试时间太长以及需要专业测试人员等问题。因而寻求一种简易的冻土中未冻水含量的测试方法，具有重大理论意义和工程实用价值。

发明内容

本发明目的是提供一种基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法，以利于实现冻土中未冻水含量的直接测试，且具有实验成本较低、操作简便、计算便捷等特点，以便于准确确定工程冻土中未冻水的含量。

为实现上述目的，本发明提供一种基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法，该方法利用压力板仪测定冻土中未冻水含量，该压力板仪包括有：进气管、量表、压力盒、试样区、高进气值陶土板、空气收集器、量管，该方法包括以下步骤：

(1)按土工实验标准取规格为Φ61.8mm×10mm的多个冻土试样，并依次对各土样进行编号。

(2)在压力板仪陶土板表面铺上无气水，施加气压力，直至陶土板下方连接的管路无气泡产生为止，此时陶土板饱和完成。

(3)将冻土试样放入压力板仪试样区中，给冻土试样施加20kPa的气压力,待冻土试样内部达到吸力平衡状态后，从量管中读出冻土试样的排水量m_w1。

(4)重复步骤(3)依次施加气压力p为50kPa，100kPa，200kPa，300kPa，400kPa，500kPa，得到各级气压力值与相对应气压力值下未冻水排水量m_w的数据。

(5)通过步骤(3)、(4)得到冻土试样的排水量，依据各级气压力下冻土未冻水含水量计算公式

$w=\frac{m_w}{m_i}\×100\%$

式中，w—冻土试样中的未冻水含量％，精确至0.01％；

m_w—试样排出水的质量g，精确至0.01g；

m_i—试样的质量g，精确至0.01g；

计算出各级气压力下冻土试样的未冻水含量，据此得出冻土试样的土水特征曲线。

(6)根据步骤(5)得到的土水特征曲线存在水平渐近线，即随着气压力逐步增大，冻土中未冻水的含量最终趋于稳定，气压力与未冻水含量之间的关系曲线趋于一条直线，该直线即为水平渐近线，该渐近线对应的含水量即为冻土试样在此温度条件下的未冻水含量。

本发明的效果是弥补了压力板仪在冻土领域应用上的空白，且测试成本较脉冲核磁共振法低、操作比差示扫描量热法更加简便，改善了以往利用量热法计算未冻水含量带来的繁琐工序，为认识冻土的液态水含量提供了一种便捷的测试手段，为冻土工程相关研究提供了新的途径和方法。设陶土板的渗透系数为k，则在气压力作用p的效应下，断面面积为A的压力板仪试样区在气压力作用下的排水量为pkA/980.6。排水量与原冻土试样质量之比即为冻土试样在此气压力作用下的未冻水含量。

附图说明

图1为本发明中所使用压力板仪原理图；

图2为本发明中气压力对数值与未冻水含水量之间的关系曲线图。

图中：

1.进气管 2.量表 3.压力盒 4.试样区

5.高进气值陶土板 6.空气收集器 7.量管

具体实施方式

结合附图对本发明的基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法加以说明。

本发明的原理是：通过气泵给土样施加压力p，并利用压力盒3来控制压力的变化。利用饱和高进气值陶土板5，采用轴平移技术控制土样的基质吸力，孔隙水压力保持为零，在外加气压压力p作用下，冻土试样吸水或排水以达到土样内部的吸力平衡，当冻土试样排出的水量不再变化时，表明土样内部已达平衡状态。同时从量管7中读出冻土试样的排水量m_w，然后改变气压力待平衡后再计录排水量，多次重复此操作，得到一系列气压力值与冻土试样排水量的数据，根据公式排水量与原冻土试样质量之比即为在此气压力值作用下的未冻水含量，最后根据计算数据绘制相应的曲线关系图。

本发明的基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法包括以下步骤：

基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法，该方法利用压力板仪测定冻土中未冻水含量，该压力板仪包括有：进气管1、量表2、压力盒3、试样区4、高进气值陶土板5、空气收集器6、量管7，该方法包括以下步骤：

(1)按土工实验标准取规格为Φ61.8mm×10mm的多个冻土试样，并依次对各土样进行编号。

(2)在压力板仪陶土板5表面铺上无气水，施加气压力，直至陶土板(5)下方连接的管路无气泡产生为止，此时陶土板5饱和完成。

(3)将冻土试样放入压力板仪试样区4中，给冻土试样施加20kPa的气压力,待冻土试样内部达到吸力平衡状态后，从量管7中读出冻土试样的排水量m_w1。

(4)重复步骤(3)依次施加气压力p为50kPa，100kPa，200kPa，300kPa，400kPa，500kPa，得到各级气压力值与相对应气压力值下未冻水排水量m_w的数据。

(5)通过步骤(3)、(4)得到冻土试样的排水量，依据各级气压力下冻土未冻水含水量计算公式

$w=\frac{m_w}{m_i}\×100\%$

式中，w—冻土试样中的未冻水含量％，精确至0.01％；

m_w—试样排出水的质量g，精确至0.01g；

m_i—试样的质量g，精确至0.01g；

计算出各级气压力下冻土试样的未冻水含量，据此得出冻土试样的土水特征曲线。

(6)根据步骤(5)得到的土水特征曲线存在水平渐近线，即随着气压力逐步增大，冻土中未冻水的含量最终趋于稳定，气压力与未冻水含量之间的关系曲线趋于一条直线，该直线即为水平渐近线，该渐近线对应的含水量即为冻土试样在此温度条件下的未冻水含量。

本发明的基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法具体试验步骤是这样实现的：

(1)按土工实验标准取规格为Φ61.8mm×10mm多个冻土试样，测得每个土样的质量为61.66g。

(2)实验之前先将陶土板5进行饱和，在陶土板5表面铺上无气水，从上往下用与陶土板5进气值接近的气压来施加压力，直到陶土板5下方连出的管路无气泡产生为止，此时饱和完成。

(3)将冻土试样放入压力板仪试样区4中，给土样施加20kPa气压力。通过压力盒3控制孔隙气压力，在外加气压力下，土样吸水或排水以达到土样内部的吸力平衡，当该土样透过陶土板5的水量不再变化时，表明冻土试样内部已达吸力平衡状态，同时计录出土样排水量m_w1。

(4)重复步骤(3)逐步增大气压力依次为50kPa，100kPa，200kPa，300kPa，400kPa，500kPa使达到冻土试样内部吸力平衡并从量管7中读数计录土样排出的水量m_wi，得到所施加的各级气压力值p与相对应气压力值下冻土未冻水排水量m_w之间的数据。整个过程中的原则是：实验时，冻土试样中的水分只有单一流向，气泡通过冲刷引入集气瓶6中，水只能流到不承压的自由端量管7中，在此应该注意不要让水流出量管7。

(5)通过步骤(3)、(4)得到冻土试样的排水量，依据各级气压力下冻土未冻水含量的计算公式

$w=\frac{m_w}{m_i}\×100\%$

式中，w—冻土试样中的未冻水含量(％)，精确至0.01％；

m_w—试样排出水的质量(g)，精确至0.01g

m_i—试样的质量(g)，精确至0.01g。

计算出各级气压力下冻土试样的未冻水含量如表2所示，据此可得冻土试样的土水特征曲线。

(6)根据步骤(5)得到的土水特征曲线存在水平渐近线，即随气压力逐步增大，冻土试样中未冻水含量最终趋于稳定，近似于一条直线，该直线即为水平渐近线。该渐近线对应的含水量即为冻土试样在此温度条件下的未冻水含量。据此可绘出各级气压力对数值与冻土中未冻水含量之间的关系曲线，曲线图如图2所示。

本发明的基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试理论公式推导如下：

气压力作用下某水微粒所受的作用力即为所施加气压力P。根据土体在气压力作用下排水情况，依据达西定律求得相对气压力的等效水头作用下土体中的排水量Q

$Q=k\frac{\mathrm{\Δ}H}{h}A---\left(1\right)$

式(1)中k为陶土板渗透系数(cm/s)；h为陶土板厚度(cm)；ΔH为气压力P等效的水头高度；A为压力板仪试样区的横截面的内径面积(cm²)；其中ΔH的计算如式(2)所示

$\mathrm{\Δ}H=\frac{P}{\mathrm{\ρ}g}---\left(2\right)$

式(2)中ρ为水的密度，取ρ＝1.0g/cm³，g为重力加速度，取g＝980.6cm/s²。取陶土板厚度为1.0cm，则将式(2)带入式(1)，得土体中的排水量见式(3)

$Q=\frac{pkA}{980.6}---\left(3\right)$

各级气压力作用下冻土试样的理论排水量如表1所示，由于土中水在高势能下自身产生向低势能作用方向的运动，故不考虑土体内部渗透系数的影响。实际排水量仅限于土体中的自由水含量，不包括土中结合水；土体中的排水量并非随着压力值的增大而持续增大，当土体中的自由水在气压力作用下排出完成后，继续增大气压力值，土体中排水量不在增加。

表1 各级气压力作用下冻土试样的排水量

表2 各级气压力作用下冻土试样的未冻水含量

注：p—气压力；

m_w—冻土试样排出水的质量；

w—冻土中的未冻水含量。

以上所述仅为结合本次实验过程进行说明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，比如更改冻土试样的尺寸等均为本权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于压力板仪的冻土未冻水含量的测试方法，该方法利用压力板仪测定冻土中未冻水含量，该压力板仪包括有：进气管(1)、量表(2)、压力盒(3)、试样区(4)、高进气值陶土板(5)、空气收集器(6)、量管(7)，该方法包括以下步骤：

(1)按土工实验标准取规格为Φ61.8mm×10mm的多个冻土试样，并依次对各土样进行编号；

(2)在压力板仪陶土板(5)表面铺上无气水，施加气压力，直至陶土板(5)下方连接的管路无气泡产生为止，此时陶土板(5)饱和完成；

(3)将冻土试样放入压力板仪试样区(4)中，给冻土试样施加20kPa的气压力,待冻土试样内部达到吸力平衡状态后，从量管(7)中读出冻土试样的排水量m_w1；

(4)重复步骤(3)依次施加气压力p为50kPa，100kPa，200kPa，300kPa，400kPa，500kPa，得到各级气压力值与相对应气压力值下未冻水排水量m_w的数据；

(5)通过步骤(3)、(4)得到冻土试样的排水量，依据各级气压力下冻土未冻水含水量计算公式

$w=\frac{m_w}{m_i}\×100\%$

式中，w—冻土试样中的未冻水含量％，精确至0.01％；

m_w—试样排出水的质量g，精确至0.01g；

m_i—试样的质量g，精确至0.01g；

计算出各级气压力下冻土试样的未冻水含量，据此得出冻土试样的土水特征曲线；

(6)根据步骤(5)得到的土水特征曲线存在水平渐近线，即随着气压力逐步增大，冻土中未冻水的含量最终趋于稳定，气压力与未冻水含量之间的关系曲线趋于一条直线，该直线即为水平渐近线，该渐近线对应的含水量即为冻土试样在此温度条件下的未冻水含量。