CN107014975B - 轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法 - Google Patents

轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法，其中的装置包括水力特性测量系统和体变测量系统，所述水力特性测量系统包括计重装置和水势测量仪，所述体变测量系统包括恒水头提供装置、外部容器、试样容器、柔性壁、硬质薄壁套环、位移传感器和体积测量装置；恒水头提供装置与外部容器、体积测量装置连接，所述试样容器设在外部容器中，待测土体试样设在所述试样容器内，待测土体试样的上部、下部分别埋设水势测量仪，位移传感器设在待测土体试样的上方，外部容器及恒水头提供装置均位于所述计重装置上。采用本发明的技术方案，实现了非饱和土体土水特征曲线、渗透系数及土体侧向和轴向变形的同时测量。

Description

轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于岩土工程测量技术领域，尤其涉及一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法。
背景技术
土体的非饱和水力特性在“海绵城市”建设、土质边坡稳定性分析、农业土壤中水分的储存、垃圾填埋场建设等领域都扮演着重要的角色。土体的非饱和水力特性包括土水特征曲线和非饱和渗透系数。其中，土水特征曲线可影响农业生产中农作物可从土中获取水量的大小。非饱和渗透系数可影响降雨过程中非饱和土坡抗滑力的大小，以及雨水在非饱和土坡内的下渗速率和下渗深度，从而评估降雨过程中非饱和土坡的稳定性。非饱和渗透系数还可以用于估计污染物在土壤内部的迁移速率和迁移深度，为垃圾填埋场的设计提供指导。因此，对土体的非饱和水力特性进行准确测量是十分有必要的。
目前，土体非饱和水力特性的测量方法可分为稳态法和瞬态法两种。稳态法测量土体水力特性的耗时很长，试验周期为3个月到1年不等。而瞬态法，如基于瞬态剖面单元法的简易蒸发法，可大大缩短水力特性的测量时间，并且能够同时测量出土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数。授权专利CN201320301148.X基于简易蒸发法，设计出了一种非饱和粗颗粒土水力特性的测量装置，实现了脱湿阶段非饱和粗颗粒土的水力特性测量。类似地，专利申请CN201410024072.X设计出了一种非饱和土体水力特性各向异性测量装置，测量了非饱和土体在不同蒸发方向上的水力特性。但是，上述装置还不具备同时测量土体侧向和轴向变形的功能，降低水力特性测量结果的准确性。特别是当待测土体为粘性土时，土体内部水势的变化将产生较显著的土体体变，此时若无法测量土体的总体变，将导致土样饱和度、体积含水率的计算值与实际值出现偏差，使土水特征曲线测量结果与实际情况产生偏差。同时，若无法分别测量试样的侧向变形和轴向变形，就无法获知土样横截面和高度的变化情况，导致土样的蒸发速率和水力梯度的计算值与实际值出现偏差，最终将导致非饱和渗透系数函数测量值与实际值产生偏差。另外，专利申请CN 201110048938.7设计出了一种能同时测量非饱和土体土水特征曲线及轴向和侧向变形的装置。但是该装置存在两点不足：其一，该装置无法测得考虑土样变形的非饱和土渗透系数；其二，由于该装置使用激光测距仪测量土样某点的侧向位移，因此无法直接测量土体的侧向体变。同时，在其侧向变形的测量过程中，需要根据土样的实时变形情况人为地调节激光测距仪的高度，导致测量过程费力繁琐，测量结果准确性降低。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法，实现了非饱和土体水力特性及土体侧向和轴向变形的同时测量。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置，其包括水力特性测量系统和体变测量系统，所述水力特性测量系统包括计重装置和水势测量仪，所述体变测量系统包括恒水头提供装置、外部容器、试样容器、柔性壁、硬质薄壁套环、位移传感器和体积测量装置；所述恒水头提供装置与所述外部容器连通，所述体积测量装置与所述恒水头提供装置相连，所述外部容器内设有固体颗粒和体积测量液体，所述试样容器设在所述外部容器中，待测土体试样设在所述试样容器内，所述柔性壁包裹在所述待测土体试样的侧壁外；所述待测土体试样的上部、下部分别埋设所述水势测量仪，所述位移传感器设在所述待测土体试样的上方，所述硬质薄壁套环设在所述待测土体试样的顶部表面上；所述外部容器及恒水头提供装置均位于所述计重装置上。
作为本发明的进一步改进，所述水势测量仪之间的距离为20mm~1000mm。所述水势测量仪的量程需大于土体的进气值。所述土体水势测量仪的反应时间为0.5min至2min。
作为本发明的进一步改进，所述体积测量液体在40℃时的运动粘度值不大于26mm2/s，在20℃时的对应蒸汽压值不大于2.3 kPa。
作为本发明的进一步改进，所述固体颗粒的等效直径介于0.075mm与50mm之间，所述固体颗粒的密度大于所述体积测量液体的密度。
作为本发明的进一步改进，所述试样容器的侧壁为多孔材质，所述试样容器的侧壁的极限抗拉强度不小于16 MPa，变形模量不小于0.1 GPa，允许液体渗透。
作为本发明的进一步改进，所述硬质薄壁套环的外径为50mm~100mm，所述硬质薄壁套环的壁厚为0.01mm~30mm，所述硬质薄壁套环的抗压强度大于1 kPa，变形模量大于0.1GPa。
作为本发明的进一步改进，所述恒水头提供装置提供的水头与所述待测土体试样的顶面高度相同。
作为本发明的进一步改进，所述硬质薄壁套环由所述柔性壁包裹。
本发明还公开了一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性的测量方法，其采用如上任意一项所述的轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置进行测量。
作为本发明的进一步改进，所述轴/径向变形可测的非饱和水力特性的测量方法包括以下步骤：
步骤S1：将待测土体试样用所述柔性壁包裹，放置于所述试样容器内；
步骤S2：对所述待测土体试样进行抽真空饱和；
步骤S3：所述待测土体试样饱和后，将所述水势测量仪安装进所述待测土体试样内；
步骤S4：将安装有所述水势测量仪的所述待测土体试样放置于所述外部容器，在周围倒入所述固体颗粒；
步骤S5：倒入所述体积测量液体填充，使所述外部容器内的液面高度与所述待测土体试样顶面高度相同；
步骤S6：将所述外部容器放置在所述计重装置上，连接所述外部容器和恒水头提供装置，保持所述外部容器内液面高度与所述待测土体试样顶面高度相同；
步骤S7：在所述待测土体试样的上部安装所述位移传感器；
步骤S8：记录所述的体积测量装置的读数，计算所述待测土体试样的侧向变形；记录位移传感器的读数，计算所述待测土体试样的轴向变形；结合所述土体水势测量仪和所述计重装置的读数，获取所述待测土体试样的体积变化修正后的土水特征曲线和非饱和渗透系数。
作为本发明的进一步改进，步骤S8还包括：试验开始前，覆盖土样表面，待土体水势测量仪数值稳定后记录两个土体水势测量仪的初始读数，然后移开土样表面的覆盖物，记录位移传感器、计重装置及体积测量装置的初始读数。试验过程中，对水势测量仪、位移传感器、计重装置及体积测量装置的读数进行数据采集。当待测土体试样内部的水势大小即将到达水势测量仪的测量上限时，停止试验。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，其一，实现了土体侧向体积变化的直接测量；其二，轴向变形和侧向变形的测量过程全自动化；其三，不仅可测得考虑土样变形的土水特征曲线，而且可测得考虑土样变形的非饱和渗透系数。
附图说明
图1是本发明的一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置的结构示意图。
图中标记包括：1-计重装置；2-水势测量仪；3-体积测量装置；4-外部容器；5-待测土体试样；6-柔性壁；7-试样容器；8-体积测量液体；9-固体颗粒；10-恒水头提供装置；11-位移传感器 12-硬质薄壁套环。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性的测量装置，包括水力特性测量系统和体变测量系统，所述水力特性测量系统包括计重装置1和水势测量仪2，所述体变测量系统包括恒水头提供装置10、外部容器4、试样容器7、柔性壁6、硬质薄壁套环12、体积测量液体8、固体颗粒9、位移传感器11和体积测量装置3，所述恒水头提供装置10与所述外部容器4通相连，所述体积测量装置3与所述的恒水头提供装置10相连，所述外部容器4内部放置有固体颗粒9和体积测量液体8，所述外部容器4中心部位放置试样容器7，所述试样容器7内部放置由所述柔性壁6包裹的待测土体试样5，所述待测土体试样5的上、下部分别埋设有水势测量仪2，所述位移传感器11设在待测土体试样5的上方，所述待测土体试样5的顶面放置所述硬质薄壁套环12，所述硬质薄壁套环12由所述柔性壁6包裹，所述外部容器4及恒水头提供装置10均位于所述计重装置1上。
所述待测土体试样5 的高度为50mm至2000mm，待测土体土样横截面的直径或等效直径为20mm至1000mm。在本实施例中，作为一种优选，所述待测土体试样5高度为100mm，横截面选为圆形，直径为65mm。
所述柔性壁6用于包裹待测土体试样5的柔性壁。在本实施例中，作为一种优选，所述柔性壁6采用乳胶膜。可以理解的是，本发明也可采用其它柔性壁6，只需保证柔性壁6能在土体体变测量过程中与土体侧壁充分贴合即可。
所述硬质薄壁套环12用于支撑超出土样高度部分的柔性壁6，防止由于脱湿导致待测土体试样5轴向收缩，进而导致体积测量液体8漫过待测土体试样5的表面。
所述试样容器7用于防止待测土体试样5在重力作用下发生形状变化。所述试样容器7的筒壁为多孔材质，允许液体渗透。为了使所述试样容器7能够给待测土体试样5提供足够的支撑力，所述试样容器7 的壁厚为1mm至20mm，容器材质的极限抗拉强度大于16 MPa，变形模量大于0.1 GPa。在本实施例中，作为一种优选，所述试样容器7采用壁厚为5mm的亚克力有机玻璃管。可以理解的是，本发明也可采用其它材质的试样容器7，只需保证其极限抗拉强度和变形模量符合要求即可，即满足极限抗拉强度不小于16 MPa，变形模量不小于0.1 GPa，允许液体渗透。
同时，所述试样容器7的高度不大于所述待测土体试样5的高度，所述试样容器7内部腔体的尺寸与所述待测土体试样5的外部尺寸一致。在本实施例中，作为一种优选，所述试样容器7的高度为95mm，内部腔体直径为65mm。
所述水势测量仪2用于测量待测土体试样5内孔隙水压力。在本实施例中，待测土体试样5沿竖直方向排布有多个土体水势测量仪2，为了保证水力梯度测量的精度，相邻土体水势测量仪2之间的间距为20mm至1000mm。作为一种优选，所述水势测量仪2个数为2个，相隔距离为60mm。所述水势测量仪2量程根据待测土体的进气值而定，需大于土体的进气值。土体水势测量仪2的反应时间为0.5min至2min，作为一种优选，所述土体水势测量仪2的反应时间为1.5min。在本实施例中，作为一种优选，所述水势测量仪2采用张力计。可以理解的是，本发明也可采用其它水势测量仪2，只需保证其量程及精度符号符合要求即可。
所述计重装置1用于测量待测土体试样5的水分损失量。在本实施例中，作为一种优选，所述计重装置1采用天平。可以理解的是，也可采用其它计重装置1，如电子计重秤等装置计量，只需保证其量程及精度符号符合要求即可。
所述体积测量液体8在40℃时的运动粘度值小于26 mm2/s，在20℃时的对应蒸汽压值不大于2.3 kPa。在本实施例中，作为一种优选，所述体积测量液体8采用纯水。可以理解的是，也可采用其它体积测量液体8，只需保证其运动粘度值及蒸汽压值符合要求即可。
所述固体颗粒9等效直径介于0.075mm与50mm之间，所述固体颗粒9密度应大于所述体积测量液体8的密度。在本实施例中，作为一种优选，所述固体颗粒9采用4-6目石英砂。可以理解的是，本发明也可采用其它固体颗粒9，只需保证其等效直径及密度符合要求即可。
所述恒水头提供装置10用于保持所述外部容器4内液面高度与所述待测土体试样5顶面高度相同。在本实施例中，作为一种优选，所述恒水头提供装置10采用马氏瓶。可以理解的是，本发明也可采用其它恒水头提供装置10，如体积压力控制器，只需保证其量程及精度符号符合要求即可。
所述体积测量装置3用于测量土样侧向变形。在本实施例中，作为一种优选，所述体积测量装置3采用压力传感器。可以理解的是，本发明也可采用其它体积测量装置3，只需保证其量程及精度符号符合要求即可。
所述位移传感器11用于测量土样轴向变形。在本实施例中，作为一种优选，所述位移传感器11采用激光测距仪。可以理解的是，本发明也可采用其它位移传感器11，如LVDT等，只需保证其量程及精度符号符合要求即可。
实施例2
采用实施例1的一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性的测量装置进行测量的方法，参见图1，包括以下步骤：
步骤一：将待测土体试样5用柔性壁6包裹，放置于试样容器7内；若待测土体试样5为重塑土，则将待测土体试样5在制样器中压实，再用柔性壁6包裹；若待测土体试样5为原状土，则将待测土体试样5切成合适的形状后，再用柔性壁6包裹。
步骤二：对待测土体试样5进行抽真空饱和。
步骤三：待测土体试样5饱和后，将水势测量仪2安装进待测土体试样5内。
步骤四：将安装有水势测量仪2的待测土体试样5放置于外部容器4，在四周倒入固体颗粒9。
步骤五：倒入所述液体填充，使所述外部容器4内液面高度与所述待测土体试样5顶面高度相同。
步骤六：将所述外部容器4放置在所述计重装置1上，连接所述外部容器4和恒水头提供装置10，保持所述外部容器4内液面高度与所述待测土体试样5顶面高度相同。
步骤七：在待测土体试样5上部安装位移传感器11。
步骤八：记录体积测量装置3的读数，计算待测土体试样5的侧向变形；记录位移传感器11的读数，计算待测土体试样5的轴向变形；结合土体水势测量仪2和计重装置1的读数，可获取待测土体试样5的体积变化修正后的非饱和水力特性。试验开始前，覆盖土样表面，待土体水势测量仪2数值稳定后记录两个土体水势测量仪2的初始读数，然后移开土样表面的覆盖物，记录位移传感器11、计重装置1及体积测量装置3的初始读数。试验过程中，对水势测量仪2、位移传感器11、计重装置1及体积测量装置3的读数进行数据采集。当待测土体试样5内部的水势大小即将到达水势测量仪2的测量上限时，停止试验。
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 (8)

1.一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置，其特征在于：其包括水力特性测量系统和体变测量系统，所述水力特性测量系统包括计重装置和水势测量仪，所述体变测量系统包括恒水头提供装置、外部容器、试样容器、柔性壁、硬质薄壁套环、位移传感器和体积测量装置；所述恒水头提供装置与所述外部容器连通，所述体积测量装置与所述恒水头提供装置相连，所述外部容器内设有固体颗粒和体积测量液体，所述试样容器设在所述外部容器中，待测土体试样设在所述试样容器内，所述柔性壁包裹在所述待测土体试样的侧壁外；所述待测土体试样的上部、下部分别埋设所述水势测量仪，所述位移传感器设在所述待测土体试样的上方，所述硬质薄壁套环设在所述待测土体试样的顶部表面上；所述外部容器及恒水头提供装置均位于所述计重装置上；所述恒水头提供装置提供的水头与所述待测土体试样的顶面高度相同；所述固体颗粒的等效直径介于0.075mm与50mm之间，所述固体颗粒的密度大于所述体积测量液体的密度。
2.根据权利要求1所述的轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置，其特征在于：所述水势测量仪之间的距离为20mm~1000mm。
3.根据权利要求1所述的轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置，其特征在于：所述体积测量液体在40℃时的运动粘度值不大于26 mm2/s，在20℃时的对应蒸汽压值不大于2.3 kPa。
4.根据权利要求1所述的轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置，其特征在于：所述试样容器的侧壁为多孔材质，所述试样容器的侧壁的极限抗拉强度不小于16 MPa，变形模量不小于0.1 GPa，允许液体渗透。
5.根据权利要求1所述的轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置，其特征在于：所述硬质薄壁套环的外径为50mm~100mm，所述硬质薄壁套环的壁厚为0.01mm~30mm，所述硬质薄壁套环的抗压强度大于1 kPa，变形模量大于0.1 GPa。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置，其特征在于：所述硬质薄壁套环由所述柔性壁包裹。
7.一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性的测量方法，其特征在于：其采用如权利要求1~6任意一项所述的轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置进行测量。
8.根据权利要求7所述的轴/径向变形可测的非饱和水力特性的测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤S1：将待测土体试样用所述柔性壁包裹，放置于所述试样容器内；
步骤S2：对所述待测土体试样进行抽真空饱和；
步骤S3：所述待测土体试样饱和后，将所述水势测量仪安装进所述待测土体试样内；
步骤S4：将安装有所述水势测量仪的所述待测土体试样放置于所述外部容器，在周围倒入所述固体颗粒；
步骤S5：倒入所述体积测量液体填充，使所述外部容器内的液面高度与所述待测土体试样顶面高度相同；
步骤S6：将所述外部容器放置在所述计重装置上，连接所述外部容器和恒水头提供装置，保持所述外部容器内液面高度与所述待测土体试样顶面高度相同；
步骤S7：在所述待测土体试样的上部安装所述位移传感器；
步骤S8：记录所述的体积测量装置的读数，计算所述待测土体试样的侧向变形；记录位移传感器的读数，计算所述待测土体试样的轴向变形；再结合所述土体水势测量仪和所述计重装置的读数，获取所述待测土体试样的体积变化修正后的土水特征曲线和非饱和渗透系数。
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