CN108508044B - 一种干湿循环下水土特征曲线测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种干湿循环下水土特征曲线测量装置及方法，包括实验部件，实验部件放置在Micro－CT检测设备中，实验部件包括土样室、吸力施加部件和连接管路，土样室底部设有第一底座，吸力施加部件包括储水室、有机玻璃管和第二底座，储水室下方通过阀门连接有机玻璃管，有机玻璃管下方设有第二底座，第二底座与第一底座通过连接管路相连，吸力施加部件通过铁架和设置在铁架上的夹具固定，铁架上还设有激光位移计，激光位移计用于测定有机玻璃管中水位的变化。
Description
技术领域
本发明涉及水土特征技术领域，具体涉及一种干湿循环下水土特征曲线测量装置及方法。
背景技术
自然条件下的土体在经历“降雨—干燥”若干个干湿循环，土的机械和水力学性质会发生很大变化，尤其是边坡在经历这种过程后，变得更容易发生表层溜坍、滑坡等自然灾害，造成巨大的生命财产损失。从微观角度，解释非饱和土在干湿循环后的性质变得尤为重要。
非饱和土的水土特征曲线是反映土的含水状态(如饱和度、体积含水量、质量含水量等)和非饱和土的基质吸力之间关系的曲线，它能反映出非饱和土的材料性质和力学性质之间的关系，在非饱和问题的研究中占有非常重要的地位。目前实验室测定水土特征曲线的方法有张力计法、轴平移技术、电导率传感器法等等。这些方法存在吸力施加缓慢、测量时间长、对试验条件要求高、不能反映非饱和土的孔隙、材料构造等微观特点等缺点。
而对于非饱和土的微观结构研究，通常有计算机断层扫描(CT)和扫描电子显微镜(SEM)两条途径。前者多应用于医疗、生命领域，在土木工程领域的应用经验缺乏，且分辨率较低，无法满足研究要求。后者试样较小，且试验过程中需对土壤试样进行表面镀金属处理，对土样产生破坏，且同一土样无法重复试验。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种干湿循环下水土特征曲线测量装置及方法，解决试验结果精确度不高，测量困难的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种干湿循环下水土特征曲线测量装置，包括实验部件，所述实验部件放置在Micro－CT检测设备中，所述实验部件包括土样室、吸力施加部件和连接管路，所述土样室底部设有第一底座，所述吸力施加部件包括储水室、有机玻璃管和第二底座，所述储水室下方通过阀门连接有机玻璃管，所述有机玻璃管下方设有第二底座，所述第二底座与第一底座通过连接管路相连，所述吸力施加部件通过铁架和设置在铁架上的夹具固定，所述铁架上还设有激光位移计，所述激光位移计用于测定有机玻璃管中水位的变化。
进一步，所述土样室的顶部设有橡皮塞，所述土样室与第一底座之间设有O型橡胶环和纤维素滤膜。
进一步，所述土样室通过螺栓固定设置在第一底座上，所述第一底座上设有多孔板。
进一步，所述有机玻璃管通过螺栓固定设置在第二底座上。
一种干湿循环下水土特征曲线测量方法，包括以下步骤：
S1、在有机玻璃管和储水室内加入添加了3％质量氯化铯显影剂的蒸馏水；
S2、将实验土样打碎、晾干，并通过漏斗加入土样室，土样高度为230mm；
S3、将土样室放置于CT室承物台上，并使试样中心与承物台圆心重合，移动承物台，使承物台圆心与射线管的距离为80mm；
S4、移动吸力施加部件，使其稳定后的液面高于土样顶部10mm，使土样充分饱和，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为180keV，电流为145μA，进行初始扫描7min，得到第一CT图；
S5、向下移动吸力施加部件，使其稳定后的液面低于土样顶部70mm，以水位所在位置为吸力零点，计算吸力值，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为155keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝0－50mm，扫描段内的吸力范围为0－490pa，得到第二CT图；
S6、继续向下移动吸力施加部件，使其稳定后的液面低于土样顶部220mm，以水位所在位置为吸力零点，计算吸力值，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为155keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝60－210mm，扫描段内的吸力范围为588.6－2060.1pa，得到第三CT图；
S7、向上移动吸力施加部件，使其稳定后的液面低于土样顶部120mm，以水位所在位置为吸力零点，计算吸力值，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为165keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝25－110mm，扫描段内的吸力范围为245.25－1079.1pa，得到第四CT图；
S8、继续向上移动吸力施加部件，使其稳定后的液面低于土样顶部40mm，以水位所在位置为吸力零点，计算吸力值，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为170keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝0－30mm，扫描段内的吸力范围为0－294.3pa，得到第五CT图；
S9、通过不同高度的吸力值和CT图计算各断面的饱和度，将各断面的吸力值和饱和度绘制水土特征曲线；
S10、重复步骤S5－S9，得到同一土样经过多次干湿循环过程后的水土特征曲线。
本发明的有益效果是：
1.土壤含水状态的测定通过图像分析可以得到，解决了以往测定方式的测定困难、精确度不高的问题；
2.可以在测定水土特征曲线的同时，无损检测非饱和土体的微观结构；
3.操作简便，单个曲线的测定时间比以往手段大大缩短，单位时间内试验可重复次数增加。
附图说明
图1为本发明结构原理图；
图2为本发明流程图；
图3为本发明实施例中吸力施加部件高于土样顶部10mm的原理图；
图4为本发明实施例中吸力施加部件低于土样顶部70mm的原理图；
图5为本发明实施例中吸力施加部件低于土样顶部220mm的原理图；
图6为本发明实施例中吸力施加部件低于土样顶部120mm的原理图；
图7为本发明实施例中吸力施加部件高于土样顶部40mm的原理图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、土样室，2、连接管路，3、第一底座，4、储水室，5、有机玻璃管， 6、夹具，7、第二底座，8、铁架，9、激光位移计，10、橡皮塞。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种干湿循环下水土特征曲线测量装置，包括实验部件，实验部件放置在Micro－CT检测设备中，实验部件包括土样室1、吸力施加部件和连接管路2，土样室1底部设有第一底座3，吸力施加部件包括储水室4、有机玻璃管5和第二底座7，储水室4下方通过阀门连接有机玻璃管5，有机玻璃管5下方设有第二底座7，第二底座7与第一底座3通过连接管路2 相连，吸力施加部件通过铁架8和设置在铁架8上的夹具6固定，铁架8上还设有激光位移计9，激光位移计9用于测定有机玻璃管5中水位的变化。
在本发明实施例中，土样室1的顶部设有橡皮塞10，土样室1与第一底座3之间设有O型橡胶环和纤维素滤膜。
在本发明实施例中，土样室1的底部通过螺栓设置在第一底座3上，第一底座3上设有多孔板。
在本发明实施例中，有机玻璃管5通过螺栓固定设置在第二底座7 上。
如图2所示，一种干湿循环下水土特征曲线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在有机玻璃管和储水室内加入添加了3％质量氯化铯显影剂的蒸馏水；
S2、将实验土样打碎、晾干，并通过漏斗加入土样室，土样高度为230mm；
S3、将土样室放置于CT室承物台上，并使试样中心与承物台圆心重合，移动承物台，使承物台圆心与射线管的距离为80mm；
S4、如图3所示，移动吸力施加部件，使其稳定后的液面高于土样顶部 10mm，使土样充分饱和，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为180keV，电流为145μA，进行初始扫描7min，得到第一CT图，第一CT图用于标定误差；
S5、如图4所示，向下移动吸力施加部件，使其稳定后的液面低于土样顶部70mm，以水位所在位置为吸力零点，距吸力零点高差为h处的基质吸力可由流体静力学公式计算得到，为ψ＝9.81×h，其中h单位为mm，ψ单位为Pa，理论上测得的吸力范围为0－686.7Pa，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为155keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝0－50mm，扫描段内的吸力范围为0－490pa，得到第二CT图；
S6、如图5所示，继续向下移动吸力施加部件，使其稳定后的液面低于土样顶部220mm，以水位所在位置为吸力零点，距吸力零点高差为h处的基质吸力可由流体静力学公式计算得到，为ψ＝9.81×h，其中h单位为mm，ψ单位为Pa，该过程原理图如图3，理论上测得的吸力范围为0－2158.2Pa，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为155keV，电流为145μA，进行CT 扫描，扫描范围为h＝60－210mm，扫描段内的吸力范围为588.6－2060.1pa，得到第三CT图；
S7、如图6所示，向上移动吸力施加部件，使其稳定后的液面低于土样顶部120mm，以水位所在位置为吸力零点，距吸力零点高差为h处的基质吸力可由流体静力学公式计算得到，为ψ＝9.81×h，其中h单位为mm，ψ单位为Pa，该过程原理图如图4，理论上测得的吸力范围为0－1177.2Pa，调节 Micro－CT检测设备的射线管能量为165keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝25－110mm，扫描段内的吸力范围为245.25－1079.1pa，得到第四CT图；
S8、如图7所示，继续向上移动吸力施加部件，使其稳定后的液面低于土样顶部40mm，以水位所在位置为吸力零点，距吸力零点高差为h处的基质吸力可由流体静力学公式计算得到，为ψ＝9.81×h，其中h单位为mm，ψ单位为Pa，该过程原理图如图5，理论上测得的吸力范围为0－392.4Pa，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为170keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝0－30mm，扫描段内的吸力范围为0－294.3pa，得到第五CT 图；
S9、通过不同高度的吸力值和CT图计算各断面的饱和度，采用OTSU阈值分割方法可将各断面CT灰度图中的液相和固相分割出来，从而计算得到各断面液相和气相的面积分别为Al和Aa，则该断面的饱和度可由公式将各步骤，各断面，计算得到的吸力值和饱和度一一对应绘制于直角坐标系将各断面的吸力值和饱和度绘制水土特征曲线；
S10、重复步骤S5－S9，得到同一土样经过多次干湿循环过程后的水土特征曲线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种干湿循环下水土特征曲线测量装置，其特征在于，包括实验部件，所述实验部件放置在Micro－CT检测设备中，所述实验部件包括土样室(1)、吸力施加部件和连接管路(2)，所述土样室(1)底部设有第一底座(3)，所述吸力施加部件包括储水室(4)、有机玻璃管(5)和第二底座(7)，所述储水室(4)下方通过阀门连接有机玻璃管(5)，所述有机玻璃管(5)下方设有第二底座(7)，所述第二底座(7)与第一底座(3)通过连接管路(2)相连，所述吸力施加部件通过铁架(8)和设置在铁架(8)上的夹具(6)固定，所述铁架(8)上还设有激光位移计(9)，所述激光位移计(9)用于测定有机玻璃管(5)中水位的变化。
2.根据权利要求1所述的干湿循环下水土特征曲线测量装置，其特征在于，所述土样室(1)的顶部设有橡皮塞(10)，所述土样室(1)与第一底座(3)之间设有O型橡胶环和纤维素滤膜。
3.根据权利要求1所述的干湿循环下水土特征曲线测量装置，其特征在于，所述土样室(1)通过螺栓固定设置在第一底座(3)上，所述第一底座(3)上设有多孔板。
4.根据权利要求1所述的干湿循环下水土特征曲线测量装置，其特征在于，所述有机玻璃管(5)通过螺栓固定设置在第二底座(7)上。
5.一种采用权利要求1－4中任一项所述的测量装置进行干湿循环下水土特征曲线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在有机玻璃管和储水室内加入添加了3％质量氯化铯显影剂的蒸馏水；
S2、将实验土样打碎、晾干，并通过漏斗加入土样室，土样高度为230mm；
S3、将土样室放置于CT室承物台上，并使试样中心与承物台圆心重合，移动承物台，使承物台圆心与射线管的距离为80mm；
S4、移动吸力施加部件，使有机玻璃管稳定后的液面高于土样顶部10mm，使土样充分饱和，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为180keV，电流为145μA，进行初始扫描7min，得到第一CT图；
S5、向下移动吸力施加部件，使有机玻璃管稳定后的液面低于土样顶部70mm，以水位所在位置为吸力零点，计算吸力值，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为155keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝0－50mm，扫描段内的吸力范围为0－490pa，得到第二CT图；
S6、继续向下移动吸力施加部件，使有机玻璃管稳定后的液面低于土样顶部220mm，以水位所在位置为吸力零点，计算吸力值，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为155keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝60－210mm，扫描段内的吸力范围为588.6－2060.1pa，得到第三CT图；
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S8、继续向上移动吸力施加部件，使有机玻璃管稳定后的液面低于土样顶部40mm，以水位所在位置为吸力零点，计算吸力值，调节Micro－CT检测设备的射线管能量为170keV，电流为145μA，进行CT扫描，扫描范围为h＝0－30mm，扫描段内的吸力范围为0－294.3pa，得到第五CT图；
S9、通过不同高度的吸力值和CT图计算各断面的饱和度，将各断面的吸力值和饱和度绘制水土特征曲线；
S10、重复步骤S5－S9，得到同一土样经过多次干湿循环过程后的水土特征曲线。
6.根据权利要求5所述的干湿循环下水土特征曲线测量方法，其特征在于，所述步骤S9中吸力值ψ的计算公式为：
ψ＝9.81×h (1)
在公式(1)中，h为距吸力零点的高度差。
7.根据权利要求5所述的干湿循环下水土特征曲线测量方法，其特征在于，所述步骤S9中各断面饱和度的计算方法具体为：采用OTSU阈值分割方法可将各断面CT灰度图中的液相和固相分割出来，从而计算得到各断面液相和气相的面积分别为Al和Aa，各断面饱和度Sr的计算公式为：
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