CN108061740A - 一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置，包括叠式压力板仪、截水瓶、电导仪、数据采集板、压阻式传感器、气源和调压阀门，所述叠式压力板仪包括数个由陶土板底座分隔而成的压力室，所述截水瓶通过管路连接至排水口，并且所述截水瓶置于压阻式传感器上，所述电导仪的探头置于截水瓶内，所述调压阀门的输入端通过管路密封连接至气源，其试验方法包括以下步骤，装样、加压、测试、计算。通过叠式压力板仪结合压阻传感器、电导仪能够对非饱和土水特征曲线测试中，土样内部的盐分变化实现精确测量，可以建立岩土体非饱和状态下水盐运移规律的定量化方程，为解决非饱和盐渍土以及非饱和高含盐量土的强度分析提供指导。

Description

一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置 及其试验方法

技术领域：

本发明属于水盐迁移试验技术领域，尤其是涉及一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置及其试验方法。

背景技术：

土体孔隙水是一种成分复杂的化学溶液，土中水盐运移过程中将发生一系列复杂的作用，如较高含水量的较大孔隙中的毛细凝聚作用，低含水量的表面水化、阳离子交换的水化、分子扩散、膨胀性粘土矿物的渗透层膨胀、水动力机械弥散作用以及结晶盐－盐溶液相变。土壤水盐运移过程和运移机理研究一直是岩土工程领域的研究热点问题之一，受到广大学者关注：牛玺荣、杨含建立了盐渍土的水热迁移方程、水盐迁移方程；张军艳提出渗流扩散混合迁移是盐分迁移的主要形式，温度变化是盐分迁移的主要因素；曹福贵通过室内外试验研究，得出路基水、热、盐、力四场之间是相互影响的，并修正了热流方程和水分迁移方程。然而盐渍土水-热-盐-力多场耦合分析中，吸力作为非饱和土的一个重要应力变量并没有予以充分考虑。

土体孔隙水溶质的化学成分(即盐分)种类及含量不同将显著影响微观尺度的土固体颗粒与孔隙水间的物理化学作用，进而宏观上影响土体的物理力学行为。其中，盐分是一个活跃而敏感的因素，在某种程度上，可以说盐是水运动的加速剂和指示剂。盐分在土体孔隙盐溶液中随着水分迁移而迁移，并在环境温度及相对湿度等因素影响下随土体含水量变化在岩土体内部及表面发生溶解、积聚，结晶膨胀等相态的改变，造成岩土体工程力学性质劣化，引起大量盐胀、盐风化及溶陷等工程病害。因而，以吸力作为一个应力变量，来考虑非饱和土中的盐分的运移规律十分必要，为研究非饱和盐渍土中水-热-盐-力多场耦合分析提供知识储备基础。

土壤孔隙水发生吸附和保留主要由两种机制作用：(1)短程物理化学机制,包括低含水量的表面水化、交换性阳离子的水化和膨胀性粘土矿物的渗透层膨胀；(2)在较高含水量的较大孔隙中的毛细凝聚。控制水合体系的吸附和保留的因素主要与矿物表面的性质有关,包括矿物学、比表面积(SS)、阳离子交换能力(CEC)和交换性阳离子类型。控制毛细管中的吸附和保留的因素主要与大尺度孔隙和颗粒织物的性能有关,包括孔径、孔径分布和孔隙连接性。而孔隙水溶液中盐分的加入势必极大地影响以上各种物理化学作用的机制。

土壤持水曲线(SWRC)是描述非饱和土中吸力与饱和度或体积含水率之间关系的曲线，是理解土壤水分含量及其相关的能量之间基本关系的关键,它能够反映非饱和土的众多性质如渗透性、强度、土体内水分迁移规律等。同时，作为解释非饱和土行为的一项基本结构关系，土-水特征曲线是将理论、试验及预测方法有机结合的重要关系之一，也是构筑非饱和土各种重要关系的基础。

土的持水性能是土体的重要特性之一，能够反映土体中孔隙水变化的难易程度。研究非饱和盐渍土的持水性能是研究非饱和土中的水-盐-气存在形态以及迁移规律的基础，也是研究非饱和土中各相之间的细观现象与土的客观特性的纽带。土的持水曲线(SWRC)作为评价土体持水性能的重要指标，更是一项可以解释非饱和盐渍土盐分运移规律的重要研究基础手段，故而成为本发明的核心技术思想之一。

土壤水盐运移过程和运移机理研究一直是岩土工程领域的研究热点问题之一，受到广大学者关注。然而上述盐渍土水-热-盐-力多场耦合分析中，吸力作为非饱和土的一个重要应力变量并没有予以充分考虑。现有技术中对于非饱和状态下水盐运移规律的研究相对较少，仅有部分学者通过非饱和导水率仪从非饱和角度对于遗址土的盐害问题进行了分析介绍，缺乏对水盐运移规律的深入分析介绍。卢宁等对土水特征曲线测试中的阳离子交换进行介绍，也未对土水特征曲线测试中每一阶段的盐分丢失量进行详细说明。

类似技术最早出现在Mnheim(1966)利用挤液法来量测渗透吸力。其原理是量测孔隙水的电导率从而间接估计土中的渗透压力。与纯水相比，会有溶解盐的孔隙水具有较高的电导率，根据孔隙水的电导率，就可以知道溶解盐的总浓度，而土的渗透吸力同溶解盐的总浓度有关。其具体操作方法为，在一定挤压压力下将土中的孔隙水利用图1所示的厚壁圆筒活塞式挤液器取出，然后量测取出孔隙水的电导率，应用渗透压力与电导率之间的率定曲线，然后根据电导率确定土的渗透压力。Krahn和Fredlund(1972)分别利用该方法对冰渍土及Regina粘土的渗透吸力进行了测试，结果表明采用挤液法量测渗透吸力是可靠的。

目前的技术方法主要不能够解决非饱和土体在增湿或者减湿过程中，不同阶段土体中盐分的丢失量和增加量的准确测定，导致利用轴平移技术(压力板仪测试)测试土水线的最后烘干质量时，产生较大的误差。笔者在对高含盐量土进行土水特征曲线测试时发现，盐分损失引起试样干质量变化量可达到5.13％～13.22％，该误差导致高含盐量土土水特征曲线测试结果准确性差，可靠度低。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：本发明主要通过一种叠式压力板仪以及与电导仪组合后进行土水曲线测试中盐分丢量的精确测试，进而可以间接确定非饱和土在增湿或者减湿过程中的水盐运移规律，对于非饱和土在不同状态下的水盐运移特征可以得到一个定量的认识，进而可为盐渍土以及高含盐量岩土体在非饱和中不同状态下的非饱和强度测试以及预测提供可靠的理论依据。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置，包括叠式压力板仪、截水瓶、电导仪、数据采集板、压阻式传感器、气源和调压阀门，所述叠式压力板仪包括数个由陶土板底座分隔而成的压力室，并且位于顶部和底部的压力室分别通过顶部盖板和底板进行密封，所述陶土板底座上设置有陶土板，所述陶土板上开设有排水口，所述截水瓶通过管路连接至排水口，并且所述截水瓶置于压阻式传感器上，所述压阻式传感器通过电路连接至数据采集板，所述电导仪的探头置于截水瓶内，所述调压阀门的输入端通过管路密封连接至气源，所述调压阀门的输出端通过管路分别密封连通至各个压力室，所述调压阀门、数据采集板和电导仪还分别通过电路连接至控制模块。

作为优选，所述陶土板还连接有冲刷管，所述冲刷管的管体上设置有二通阀门。

作为优选，所述陶土板的外缘封闭设置有密封圈。

基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置的试验方法，包括以下步骤，

S1、装样：通过冲刷管对陶土板底座上的陶土板预先进行饱和处理，后将预先削制好的饱和试样放置在陶土板上，同时在环刀与陶土板之间通过密封圈进行密封，利用陶土板底座上的固定螺栓将试样紧固在陶土板上；

S2、加压：控制模块控制调压阀门向叠式压力板仪中不同的压力室施加不同的空气压力；

S3、测试：施加压力后，打开压阻式传感器的电源开关和数据采集板的开关，实时监测截水瓶中的排水量用以判断基质吸力达到平衡的时间，待基质吸力稳定后，对截水瓶中的排出液进行稀释，此时电导仪探头会及时记录排出液中的易溶盐总量以及电导率等参数，同时，测记该级压力基质吸力稳定后土样的含水率；

S4、计算：通过试样初始状态下的易溶盐总量减去排出液中的易溶盐总量即为试样在对应基质吸力状态下的易溶盐总量，据此可建立基质吸力与易溶盐损失量的定量关系，确定非饱和状态下的水盐运移规律。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：本发明中通过叠式压力板仪结合压阻传感器、电导仪能够对非饱和土水特征曲线测试中，土样内部的盐分变化实现精确测量。基于此，可以建立岩土体非饱和状态下水盐运移规律的定量化方程，为解决非饱和盐渍土以及非饱和高含盐量土的强度分析提供指导。

附图说明：

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明试验装置的结构示意图。

图2是本发明陶土板底座的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细描述：

如图1和图2所示的一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置，包括叠式压力板仪、截水瓶6、电导仪7、数据采集板8、压阻式传感器9、气源10和调压阀门11，所述叠式压力板仪包括数个由陶土板底座5分隔而成的压力室2，多个压力室2可以实现同一种土样不同基质吸力的同时测试，因此大大节约了测试时间，也可将多个压力板仪并联后代替叠式压力板仪，并且位于顶部和底部的压力室2分别通过顶部盖板1和底板3进行密封，所述陶土板底座5上设置有陶土板21，所述陶土板21上开设有排水口4，所述截水瓶6通过管路连接至排水口4，并且所述截水瓶6置于压阻式传感器9上，截水瓶6顶部设置有机玻璃盖，确保从陶土板21中排出的水分不被蒸发，测试中，待基质吸力稳定后，按照一定倍数稀释试样16中经陶土板21排出的渗滤液进行易溶盐总量的测定，根据试样中初始状态的易溶盐总量与排出液中易溶盐总量计算试样中盐分的损失量，不同基质吸力条件下易溶盐的损失量往往存在较大的差别，根据不同基质吸力下的易溶盐损失量，可以修正试样在脱湿过程中质量的真实变化，进而提高土水特征曲线的测试精度和可靠性，多个压阻式传感器9最终汇总连接到数据采集板8，压阻式传感器9对于截水瓶6的质量变化实时监测，随着截水瓶6中排出液的增加，其质量一直处于增加状态，直至最终稳定，最终稳定的质量即为试样中排水的总质量，据此结合最终烘干质量可以直接确定岩土体的土水特征曲线，结合上述易溶盐总量的测试结果，可以确定岩土体在非饱和状态下的水盐运移规律，能够定量化确定脱湿过程中盐分的损失量，结合土体土水线测试前后微观结构变化可以解释盐分损失对于土体强度降低影响的内在机理，数据采集板8进行多个截水瓶6质量变化的实时采集，待固定时间内截水瓶6的质量保持稳定后即认为该级基质吸力测试过程结束，可以进行后续的操作工作，所述电导仪7的探头置于截水瓶6内，所述调压阀门11的输入端通过管路密封连接至气源10，所述调压阀门11的输出端通过压缩气体入口24连通至压力室21内部，所述调压阀门11、数据采集板8和电导仪7还分别通过电路连接至控制模块12，所述控制模块12为计算机。

所述陶土板21还连接有冲刷管14，所述冲刷管14的管体上设置有二通阀门13，在试验之前，打开二通阀门13通过冲刷管14对陶土板21进行冲刷，使得陶土板21处于饱和状态，此外，传统陶土板底座往往在直径上远远大于测试样品的直径，这样会导致与样品底部接触位置的陶土板往往由于存在水分的运移而处于饱和状态，但试样周围的陶土板由于底部饱和，但顶部与空气直接接触往往会引起陶土板处于不饱和状态，同时，陶土板中不饱和范围的逐步扩大会影响试样土水特征曲线测试的准确性和可靠性。本次发明方案中，陶土板的设置在直径方面往往小于测试土样3～5mm，同时在环刀与陶土板底座5接触位置设置了密封圈15，该方法保证了试样土水特征曲线测试中，空气只通过试样顶部向底部传输，同时陶土板21面积的100％被试样覆盖，保证了陶土板在测试中不干燥，进而保证了试验结果的准确性。

其具体试验方法，包括以下步骤，

装样：通过冲刷管14对陶土板底座5上的陶土板21预先进行饱和处理，后将预先削制好的饱和试样16小心放置在陶土板21上，同时在环刀与陶土板21之间通过密封圈进行密封，利用陶土板底座5上的固定螺栓将试样16紧固在陶土板21上，确保二者之间始终具有良好的密封性，最后用固定螺栓25将整个叠式压力板仪固定好。

加压：通过调压阀门11向叠式压力板仪中不同的压力室2施加不同的空气压力，调压阀门11由电磁阀控制，控制精度能够达到1％，同时可以通过计算机进行控制，调压阀门11的压力数据传输至计算机；

测试：施加压力后，打开压阻式传感器9的电源开关和数据采集板8的开关，实时监测截水瓶6中的排水量用以判断基质吸力达到平衡的时间，待基质吸力稳定后，对截水瓶6中的排出液进行稀释，此时电导仪7探头会及时记录排出液中的易溶盐总量以及电导率等参数，同时，测记该级压力基质吸力稳定后土样的含水率；

计算：通过试样初始状态下的易溶盐总量减去排出液中的易溶盐总量即为试样在对应基质吸力状态下的易溶盐总量，据此可建立基质吸力与易溶盐损失量的定量关系，确定非饱和状态下的水盐运移规律。

本试验方法还可通过设置多组平行样品，在测试中取出平行样品进行同一级基质吸力下盐分测定进而建立盐分损失公式。

需要强调的是：对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置，其特征在于：包括叠式压力板仪、截水瓶(6)、电导仪(7)、数据采集板(8)、压阻式传感器(9)、气源(10)和调压阀门(11)，所述叠式压力板仪包括数个由陶土板底座(5)分隔而成的压力室(2)，并且位于顶部和底部的压力室(2)分别通过顶部盖板(1)和底板(3)进行密封，所述陶土板底座(5)上设置有陶土板(21)，所述陶土板(21)上开设有排水口(4)，所述截水瓶(6)通过管路连接至排水口(4)，并且所述截水瓶(6)置于压阻式传感器(9)上，所述压阻式传感器(9)通过电路连接至数据采集板(8)，所述电导仪(7)的探头置于截水瓶(6)内，所述调压阀门(11)的输入端通过管路密封连接至气源(10)，所述调压阀门(11)的输出端通过管路分别密封连通至各个压力室(2)，所述调压阀门(11)、数据采集板(8)和电导仪(7)还分别通过电路连接至控制模块(12)。

2.根据权利要求1所述的基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置，其特征在于：所述陶土板(21)还连接有冲刷管(14)，所述冲刷管(14)的管体上设置有二通阀门(13)。

3.根据权利要求1所述的基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置，其特征在于：所述陶土板(21)的外缘封闭设置有密封圈(15)。

4.根据权利要求3所述的基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1、装样：通过冲刷管(14)对陶土板底座(5)上的陶土板(21)预先进行饱和处理，后将预先削制好的饱和试样(16)放置在陶土板(21)上，同时在环刀与陶土板(21)之间通过密封圈进行密封，利用陶土板底座(5)上的固定螺栓(25)将试样(16)紧固在陶土板(21)上；

S2、加压：控制模块(12)控制调压阀门(11)向叠式压力板仪中不同的压力室(2)施加不同的空气压力；

S3、测试：施加压力后，打开压阻式传感器(9)的电源开关和数据采集板(8)的开关，实时监测截水瓶(6)中的排水量用以判断基质吸力达到平衡的时间，待基质吸力稳定后，对截水瓶(6)中的排出液进行稀释，此时电导仪(7)探头会及时记录排出液中的易溶盐总量以及电导率等参数，同时，测记该级压力基质吸力稳定后土样的含水率；

S4、计算：通过试样初始状态下的易溶盐总量减去排出液中的易溶盐总量即为试样在对应基质吸力状态下的易溶盐总量，据此可建立基质吸力与易溶盐损失量的定量关系，确定非饱和状态下的水盐运移规律。