CN111220540B - 一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土壤毛细孔隙中土‑水粘附力的测定方法，包括步骤：一、获取待测土样中的束缚水饱和度；二、放置待测土样；三、待测土样的离心试验；四、获取当前离心力；五、待测土样去水；六、将测后土样视为待测土样，循环步骤一至步骤五，直至待测土样中束缚水饱和度小于20％；七、获取当前离心力关于束缚水饱和度的微段插值函数；八、测定土壤对毛细水粘附力。本发明通过对待测土样进行离心试验，估算出土体在离心作用下结构将要发生变化时土体对毛细水粘附力即黏性摩阻力大小，揭示了不同离心力作用下试样中孔喉分布情况，并根据孔喉的分布，进一步揭示土样中孔隙水的流动规律，对计算毛细水上升高度及土渗流范围估计具有重要意义。

Description

一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法
技术领域
本发明属于土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定技术领域，具体涉及一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法。
背景技术
土壤入渗是一个较为传统而重要的研究课题，土壤入渗规律关系着地下水的均衡及自然环境的质量，也与人类生活息息相关。同时由于入渗的原因，也会带来很多地质灾害，如滑坡，崩塌，地面沉降等。学者们越来越重视对土壤的渗透特性的研究。由于土壤的孔隙较小，入渗规律较复杂。水在其中的入渗过程影响因素较多，其入渗不完全是由于重力或水头压力的作用所致。水在土壤中的入渗，相当于在一个毛细管道中流动，表面张力的作用对水的入渗起到驱动作用，而另一个很重要的力即土颗粒表面与水的粘附力，对水的入渗起到了非常重要的作用，所以水的入渗是在表面张力、重力及粘附力的共同作用下进行的。目前，水的表面张力测试已比较成熟，重力可通过计算得出，如果可测到毛细孔隙中土壤与水粘附力，则可对土壤中水的入渗规律进行更准确而科学的分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，通过对待测土样进行离心试验，估算出土体在离心作用下结构将要发生变化时土体对毛细水粘附力即黏性摩阻力大小，揭示了不同离心力作用下试样中孔喉分布情况，并根据孔喉的分布，进一步揭示土样中孔隙水的流动规律，对计算毛细水上升高度及土渗流范围估计具有重要意义，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取待测土样中的束缚水饱和度：利用核磁共振成像分析仪测定待测土样中的束缚水饱和度；
步骤二、放置待测土样：向离心套筒底部放置滤纸，将待测土样从核磁共振成像分析仪中取出，在其外侧包纱布或热缩膜后，放置在带有滤纸的离心套筒内；
步骤三、待测土样的离心试验，过程如下：
步骤301、将装有待测土样的离心套筒放入离心机中；
步骤302、再取三个与待测土样同质量且形状相同的试样分别装入离心套筒中，并放入离心机中，使离心机中四个离心套筒呈中心对称布设；
步骤303、盖好离心机盖子，设置离心机转速，对待测土样进行离心试验；
步骤四、获取当前离心力：根据公式
Figure BDA0002377758280000021
计算当前离心力P，其中，Δρ为水密度与空气密度之差，L为待测土样长度，Re为待测土样的外旋转半径，n为离心机转速；
步骤五、待测土样去水：待测土样的离心试验结束后，将待测土样从离心套筒中取出，将待测土样表面水渍吸去，此时待测土样变为测后土样，并称量所述测后土样的质量；
步骤六、将测后土样视为待测土样，循环步骤一至步骤五，直至待测土样中束缚水饱和度小于20％；
步骤七、获取当前离心力关于束缚水饱和度的微段插值函数，过程如下：
步骤701、利用origin软件建立束缚水饱和度和对应的当前离心力之间非线性关系，调取origin软件中的非线性曲线拟合模块，拟合束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线；
步骤702、将origin软件中拟合的束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线导入MATLAB数值分析软件内，对曲线进行微段分割，在每个微段曲线内，采取插值法求出每个微段曲线的微段插值函数Pi＝fi(x)，其中，变量x表示束缚水饱和度，Pi为第i个微段曲线中关于变量x的当前离心力因变量，fi(·)为第i个微段曲线中当前离心力关于束缚水饱和度的函数映射关系，i为微段曲线编号且i＝1,2，…I，I为拟合的束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线中微段曲线的分割总数；
步骤八、测定土壤对毛细水粘附力，过程如下：
步骤801、根据公式
Figure BDA0002377758280000031
计算第i个微段曲线的微段插值函数Pi＝fi(x)的曲率半径Ri，其中，Pi'为Pi的一阶导数，Pi”为Pi的二阶导数；
对I个曲率半径值进行由大至小排序，获取最小曲率半径Rmin；
再通过最小曲率半径Rmin获取对应位置处的束缚水饱和度x0；
步骤802、将束缚水饱和度x0带入其对应的微段插值函数中，计算此时的离心力
Figure BDA0002377758280000032
在土壤毛细孔隙中毛细水全部流出之前土体结构率先破坏，最小曲率半径Rmin时土体结构破坏，待测土样土体结构破坏时的离心力为土壤对毛细水的粘附力，即离心力
Figure BDA0002377758280000033
为土壤毛细孔隙中土-水粘附力。
上述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：步骤二中待测土样首次放置在带有滤纸的离心套筒内时，待测土样为饱和土样；
所述饱和土样的制作过程为：将采集的土壤土样先烘干，再加水饱和。
上述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：所述饱和土样尺寸为Φ25mm×H30mm。
上述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：所述滤纸的尺寸为Φ25mm。
上述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：步骤一中利用核磁共振成像分析仪输出的T2谱分布图测定待测土样中的束缚水饱和度。
上述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：步骤702中，对曲线进行微段分割时，每个微段曲线中两端点对应的束缚水饱和度的差值绝对值为10-5～5×10-5。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过核磁共振成像分析仪测定待测土样中的束缚水饱和度，通过待测土样的离心试验获取当前离心力，离心力的大小反应土壤对毛细水粘附力，当毛细水挣脱土壤毛细孔隙的粘附力时，即毛细水挣脱土壤毛细孔隙，此时的离心力代表土壤对毛细水粘附力，通过多组实验揭示了不同离心力作用下试样中孔喉分布情况，并根据孔喉的分布，进一步揭示土样中孔隙水的流动规律，便于推广使用。
2、本发明通过有限次待测土样的离心试验的参数规律，拟合束缚水饱和度和对应的当前离心力形成的曲线，可靠稳定，操作效率高，将测定的多组数据通过origin软件建立束缚水饱和度和对应的当前离心力之间非线性关系，调取origin软件中的非线性曲线拟合模块，拟合束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线，将origin软件中拟合的束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线导入MATLAB数值分析软件内，对曲线进行微段分割，在每个微段曲线内，采取插值法求出每个微段曲线的微段插值函数，找出突变点，具有普遍适用性。
3、本发明方法步骤简单，将曲率半径最小值位置处的束缚水饱和度带入其对应的微段曲线的微段插值函数中，计算此时的离心力，在土壤中毛细水全部流出之前土体结构率先破坏，曲率半径取最小值时土体结构破坏，待测土样土体结构破坏时的离心力为土壤对毛细水的粘附力，即离心力为土壤对毛细水粘附力，估算出土体对毛细水粘附力即黏性摩阻力大小，对计算毛细水上升高度及土渗流范围估计具有重要意义，适应于黄土及一般粘性土的毛细孔隙中土-水粘附力的测定，便于推广使用。
综上所述，本发明通过对待测土样进行离心试验，估算出土体在离心作用下结构将要发生变化时土体对毛细水粘附力即黏性摩阻力大小，揭示了不同离心力作用下试样中孔喉分布情况，并根据孔喉的分布，进一步揭示土样中孔隙水的流动规律，对计算毛细水上升高度及土渗流范围估计具有重要意义，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取待测土样中的束缚水饱和度：利用核磁共振成像分析仪测定待测土样中的束缚水饱和度；
本实施例中，步骤一中利用核磁共振成像分析仪输出的T2谱分布图测定待测土样中的束缚水饱和度。
步骤二、放置待测土样：向离心套筒底部放置滤纸，将待测土样从核磁共振成像分析仪中取出，在其外侧包纱布或热缩膜后，放置在带有滤纸的离心套筒内；
本实施例中，步骤一中待测土样首次放置在带有滤纸的离心套筒内时，待测土样为饱和土样；
所述饱和土样的制作过程为：将采集的土壤土样先烘干，再加水饱和。
步骤三、待测土样的离心试验，过程如下：
步骤301、将装有待测土样的离心套筒放入离心机中；
步骤302、再取三个与待测土样同质量且形状相同的试样分别装入离心套筒中，并放入离心机中，使离心机中四个离心套筒呈中心对称布设；
步骤303、盖好离心机盖子，设置离心机转速，对待测土样进行离心试验；
步骤四、获取当前离心力：根据公式
Figure BDA0002377758280000061
计算当前离心力P，其中，Δρ为水密度与空气密度之差，L为待测土样长度，Re为待测土样的外旋转半径，n为离心机转速；
步骤五、待测土样去水：待测土样的离心试验结束后，将待测土样从离心套筒中取出，将待测土样表面水渍吸去，此时待测土样变为测后土样，并称量所述测后土样的质量；
步骤六、将测后土样视为待测土样，循环步骤一至步骤五，直至待测土样中束缚水饱和度小于20％；
步骤七、获取当前离心力关于束缚水饱和度的微段插值函数，过程如下：
步骤701、利用origin软件建立束缚水饱和度和对应的当前离心力之间非线性关系，调取origin软件中的非线性曲线拟合模块，拟合束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线；
步骤702、将origin软件中拟合的束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线导入MATLAB数值分析软件内，对曲线进行微段分割，在每个微段曲线内，采取插值法求出每个微段曲线的微段插值函数Pi＝fi(x)，其中，变量x表示束缚水饱和度，Pi为第i个微段曲线中关于变量x的当前离心力因变量，fi(·)为第i个微段曲线中当前离心力关于束缚水饱和度的函数映射关系，i为微段曲线编号且i＝1,2，…I，I为拟合的束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线中微段曲线的分割总数；
本实施例中，步骤702中，对曲线进行微段分割时，每个微段曲线中两端点对应的束缚水饱和度的差值绝对值为10-5～5×10-5，即拟合的束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线中微段曲线的分割总数I取值为50000～100000，实际使用时，保证每个微段曲线求得插值函数误差小于5％的情况下，可自行根据情况调整微段曲线长度及插值点个数。
需要说明的是，通过核磁共振成像分析仪测定待测土样中的束缚水饱和度，通过待测土样的离心试验获取当前离心力，离心力的大小反应土壤对毛细水粘附力，当毛细水挣脱土壤毛细孔隙的粘附力时，即毛细水挣脱土壤毛细孔隙，此时的离心力代表土壤对毛细水粘附力，通过多组实验揭示了不同离心力作用下试样中孔喉分布情况，并根据孔喉的分布，进一步揭示土样中孔隙水的流动规律；通过有限次待测土样的离心试验的参数规律，拟合束缚水饱和度和对应的当前离心力形成的曲线，可靠稳定，操作效率高，将测定的多组数据通过origin软件建立束缚水饱和度和对应的当前离心力之间非线性关系，调取origin软件中的非线性曲线拟合模块，拟合束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线，将origin软件中拟合的束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线导入MATLAB数值分析软件内，对曲线进行微段分割，在每个微段曲线内，采取插值法求出每个微段曲线的微段插值函数，找出突变点，具有普遍适用性。
步骤八、测定土壤对毛细水粘附力，过程如下：
步骤801、根据公式
Figure BDA0002377758280000071
计算第i个微段曲线的微段插值函数Pi＝fi(x)的曲率半径Ri，其中，Pi'为Pi的一阶导数，Pi”为Pi的二阶导数；
对I个曲率半径值进行由大至小排序，获取最小曲率半径Rmin；
再通过最小曲率半径Rmin获取对应位置处的束缚水饱和度x0；
步骤802、将束缚水饱和度x0带入其对应的微段插值函数中，计算此时的离心力
Figure BDA0002377758280000072
在土壤毛细孔隙中毛细水全部流出之前土体结构率先破坏，最小曲率半径Rmin时土体结构破坏，待测土样土体结构破坏时的离心力为土壤对毛细水的粘附力，即离心力
Figure BDA0002377758280000073
为土壤毛细孔隙中土-水粘附力。
本实施例中，所述饱和土样尺寸为Φ25mm×H30mm。
本实施例中，所述滤纸的尺寸为Φ25mm。
本发明方法步骤简单，将曲率半径最小值位置处的束缚水饱和度带入其对应的微段曲线的微段插值函数中，计算此时的离心力，在土壤中毛细水全部流出之前土体结构率先破坏，曲率半径取最小值时土体结构破坏，待测土样土体结构破坏时的离心力为土壤对毛细水的粘附力，即离心力为土壤对毛细水粘附力，估算出土体对毛细水粘附力即黏性摩阻力大小，对计算毛细水上升高度及土渗流范围估计具有重要意义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取待测土样中的束缚水饱和度：利用核磁共振成像分析仪测定待测土样中的束缚水饱和度；
步骤二、放置待测土样：向离心套筒底部放置滤纸，将待测土样从核磁共振成像分析仪中取出，在其外侧包纱布或热缩膜后，放置在带有滤纸的离心套筒内；
步骤三、待测土样的离心试验，过程如下：
步骤301、将装有待测土样的离心套筒放入离心机中；
步骤302、再取三个与待测土样同质量且形状相同的试样分别装入离心套筒中，并放入离心机中，使离心机中四个离心套筒呈中心对称布设；
步骤303、盖好离心机盖子，设置离心机转速，对待测土样进行离心试验；
步骤四、获取当前离心力：根据公式
Figure FDA0002377758270000011
计算当前离心力P，其中，Δρ为水密度与空气密度之差，L为待测土样长度，Re为待测土样的外旋转半径，n为离心机转速；
步骤五、待测土样去水：待测土样的离心试验结束后，将待测土样从离心套筒中取出，将待测土样表面水渍吸去，此时待测土样变为测后土样，并称量所述测后土样的质量；
步骤六、将测后土样视为待测土样，循环步骤一至步骤五，直至待测土样中束缚水饱和度小于20％；
步骤七、获取当前离心力关于束缚水饱和度的微段插值函数，过程如下：
步骤701、利用origin软件建立束缚水饱和度和对应的当前离心力之间非线性关系，调取origin软件中的非线性曲线拟合模块，拟合束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线；
步骤702、将origin软件中拟合的束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线导入MATLAB数值分析软件内，对曲线进行微段分割，在每个微段曲线内，采取插值法求出每个微段曲线的微段插值函数Pi＝fi(x)，其中，变量x表示束缚水饱和度，Pi为第i个微段曲线中关于变量x的当前离心力因变量，fi(·)为第i个微段曲线中当前离心力关于束缚水饱和度的函数映射关系，i为微段曲线编号且i＝1,2，…I，I为拟合的束缚水饱和度和对应的当前离心力之间的曲线中微段曲线的分割总数；
步骤八、测定土壤对毛细水粘附力，过程如下：
步骤801、根据公式
Figure FDA0002377758270000021
计算第i个微段曲线的微段插值函数Pi＝fi(x)的曲率半径Ri，其中，Pi'为Pi的一阶导数，Pi”为Pi的二阶导数；
对I个曲率半径值进行由大至小排序，获取最小曲率半径Rmin；
再通过最小曲率半径Rmin获取对应位置处的束缚水饱和度x0；
步骤802、将束缚水饱和度x0带入其对应的微段插值函数中，计算此时的离心力
Figure FDA0002377758270000022
在土壤毛细孔隙中毛细水全部流出之前土体结构率先破坏，最小曲率半径Rmin时土体结构破坏，待测土样土体结构破坏时的离心力为土壤对毛细水的粘附力，即离心力
Figure FDA0002377758270000023
为土壤毛细孔隙中土-水粘附力。
2.按照权利要求1所述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：步骤二中待测土样首次放置在带有滤纸的离心套筒内时，待测土样为饱和土样；
所述饱和土样的制作过程为：将采集的土壤土样先烘干，再加水饱和。
3.按照权利要求2所述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：所述饱和土样尺寸为Φ25mm×H30mm。
4.按照权利要求1所述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：所述滤纸的尺寸为Φ25mm。
5.按照权利要求1所述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：步骤一中利用核磁共振成像分析仪输出的T2谱分布图测定待测土样中的束缚水饱和度。
6.按照权利要求1所述的一种土壤毛细孔隙中土-水粘附力的测定方法，其特征在于：步骤702中，对曲线进行微段分割时，每个微段曲线中两端点对应的束缚水饱和度的差值绝对值为10-5～5×10-5。
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