CN111337291B - 原状土取土器及土壤入渗性能测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土壤入渗性能测量技术领域，尤其涉及一种原状土取土器及土壤入渗性能测量方法，所述取土器包括取土管保护套管、承压盖和取土管；取土管保护套管的第一端设有刃口，取土管保护套管内设有第一取土管定位环面；承压盖与取土管保护套管的第二端可拆卸地连接，承压盖内设有第二取土管定位环面；取土管用于放置在取土管保护套管内；取土管由透明材料制成；取土管的侧面设有进水口，进水口用于与供水装置的进水管相连接，进水口设有密封件。本发明的原状土取土器不仅可以精准地采集野外原状土，其所采集的原状土可以直接用于原状土土壤入渗特性测量、湿润锋观测、优先流入渗测量和优先流通道观测研究中。

Description

原状土取土器及土壤入渗性能测量方法

技术领域

本发明涉及土壤入渗性能测量技术领域，尤其涉及原状土取土器及土壤入渗性能测量方法。

背景技术

目前，采集原状土的方法主要有环刀法和原状取土管法。环刀法在取土过程中存在操作复杂、劳动强度大等缺点；原状取土管法与环刀法相比，一次可以取多个土层的土样，取土效率较高，但土样推出困难、土样分离精准度低。使用以上两种方法采集原状土可以准确的测量土壤容重和土壤含水率，但无法用于测量土壤入渗性能随时间的变化过程。

土壤入渗性能是土壤的固有属性。土壤的入渗过程涉及到地表产流、灌溉或降雨后土壤水分分布、降雨对浅层地下水的补给以及化肥、农药等污染物随水分迁移等。研究这一过程对于增加土壤入渗、减少地表径流、防止土壤侵蚀等方面具有非常重要的意义。通常土壤入渗性能试验主要在室内和野外进行，室内试验采用筛分后的土壤，去除石头、杂草等杂物，土壤的均匀性较好，但由于改变了土壤的原始状态，测量结果无法真实地反映原状土的土壤入渗性能；野外试验主要采用土壤入渗性能测量装置，如圆盘入渗仪、双环入渗仪、人工模拟降雨等，圆盘入渗仪和双环入渗仪很难对深层土壤入渗性能进行测量。人工模拟降雨过程易受自然风速、气温变化等影响，测量结果存在一定误差，且无法获取较高的初始入渗性能。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明提供一种原状土取土器，包括取土管保护套管、承压盖和取土管；所述取土管保护套管的第一端设有刃口，所述取土管保护套管内设有第一取土管定位环面；所述承压盖与所述取土管保护套管的第二端可拆卸地连接，所述承压盖内设有第二取土管定位环面；所述取土管用于放置在所述取土管保护套管内，所述第一取土管定位环面和所述第二取土管定位环面分别用于与所述取土管的第一端和所述取土管的第二端相配合；所述取土管由透明材料制成；所述取土管的侧面设有进水口，所述进水口用于与供水装置相连接，所述进水口设有密封件。

在一个实施例中，所述取土管保护套管包括保护套管主体和与所述保护套管主体可拆卸连接的取土管靴，所述刃口设于所述取土管靴，所述第一取土管定位环面设于所述取土管靴。

在一个实施例中，所述保护套管主体的长度小于所述取土管的长度。

在一个实施例中，所述第一取土管定位环面设有弹性元件。

在一个实施例中，所述第一取土管定位环面和所述第二取土管定位环面设有垫圈。

在一个实施例中，所述手柄包括依次相连的端盖、支撑杆和卡环；所述端盖用于承受取土所需的敲击力，所述卡环用于固定所述承压盖。

在一个实施例中，所述密封件为橡胶密封圈。

在一个实施例中，所述刃口的角度为10度至30度。

在一个实施例中，所述取土管由有机玻璃制成。

本发明的第二方面提供一种土壤入渗性能测量方法，包括如下步骤：

步骤一、使用上述的原状土取土器采集土样，取出取土管；

步骤二、将排好气的马氏瓶放置于一位置，该位置使得马氏瓶的进气口高度略高于取土管中土柱的设计水层高度；

步骤三、将马氏瓶的供水管连接至取土管的进水口，打开马氏瓶的供水口和进气口，使供水管完全充水，然后拧紧进气口；

步骤四、记下马氏瓶的初始读数；打开马氏瓶的进气口，从而使马氏瓶里的水开始流进取土管中的土柱，同时按下秒表开始计时；当马氏瓶内液面下降开始供水后，每隔一定时间间隔记录马氏瓶的水位，当入渗达到稳定后结束试验。

本发明的有益效果是：本发明涉及的原状土取土器可以精准地采集野外原状土，其所采集的原状土可以直接用于原状土土壤入渗特性测量、湿润锋观测、优先流入渗测量和优先流通道观测研究中，对于原状土壤入渗性能的研究具有重要意义；本发明涉及的原状土取土器在操作时简单、便捷、省力，工作稳定性良好，可以为土壤物理学科领域的研究以及样品测量、工业生产等实际应用提供重要基础，克服了传统的原状土取土器采集的土壤无法直接用于入渗试验和野外入渗测量、操作复杂、影响因素多等问题。

附图说明

图1是本发明实施例的取土管靴的沿纵向剖切的截面图；

图2是本发明实施例的取土管的沿纵向剖切的截面图；

图3是本发明实施例的取土管保护套管的沿纵向剖切的截面图；

图4是本发明实施例的承压盖的沿纵向剖切的截面图；

图5是本发明实施例的手柄的沿纵向剖切的截面图；

图6是本发明实施例的取土器主体的装配图；

图7是本发明实施例的原状土取土器的使用过程示意图；

图8是本发明实施例的取土管装满原状土的效果图；

图9是本发明实施例的取土管应用于土壤入渗性能测量方法的示意图；

图10是本发明提供的土壤入渗性能测量方法的土壤入渗率随时间变化图；

附图标记说明：1、取土器主体；2、承压盖；21、第二取土管定位环面；22、开口；3、取土管保护套管；4、取土管；5、取土管靴；52、刃口；53、第一取土管定位环面；6、手柄；61、端盖；62、支撑杆；63、卡环；7、垫圈；8、马氏瓶；81、进气口；82、供水口；83、供水管；a、水层；b、湿润层；c、土壤层。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1至图6所示，本发明的第一方面提供一种原状土取土器，包括取土器主体，取土器主体包括取土管保护套管3、承压盖2和取土管4；取土管保护套管3的第一端设有刃口52，取土管保护套管3内设有第一取土管定位环面53；承压盖2与取土管保护套管3的第二端可拆卸地连接，承压盖2内设有第二取土管定位环面21；取土管4用于放置在取土管保护套管3内，第一取土管定位环面53和第二取土管定位环面21分别用于与取土管4的第一端和取土管4的第二端相配合；取土管4由透明材料制成；取土管4的侧面设有进水口(图中未示出)，进水口用于与供水装置的进水口相连接，进水口设有密封件(图中未示出)。

本发明涉及的原状土取土器不仅可以精准地采集野外原状土，其所采集的原状土可以直接用于物理特性测量试验中；而传统的环刀法和取土管4法无法实现这一功能，实现了室内准确测量原状土入渗性能的目的。本发明涉及的原状土取土器在操作时简单、便捷、省力，工作稳定性良好。

此外，本发明涉及的原状土取土器可以为土壤物理学科领域的研究以及样品测量、工业生产等实际应用提供重要基础，具有良好的应用前景。

在一个实施例中，取土管保护套管3包括保护套管主体和与保护套管主体可拆卸连接的取土管靴5，刃口52设于取土管靴5，第一取土管定位环面53设于取土管靴5。

在一个实施例中，保护套管主体的长度小于取土管4的长度。这种情况下，便于将取土管4从取土管保护套主体内取出。

在一个实施例中，第一取土管定位环面53设有弹性元件。这种情况下，安装取土管4时，弹性元件受压；当需要将取土管4取出时，弹性元件可以将取土管4弹起。具体地，弹性元件可以是弹簧片、卷簧或者压缩弹簧等。

在一个实施例中，第一取土管定位环面53和第二取土管定位环面21设有垫圈7。垫圈7可以增强取土管4与承压盖2、取土管4与取土管保护套管3之间的紧密结合，并具有缓冲作用，可以避免取土管4受压而导致的破裂、变形。

在一个实施例中，取土管4由有机玻璃制成。由有机玻璃制成的取土管4透明无色，便于在后续的土壤入渗性能测量过程中观察入渗状况，并且具有一定强度。

在一个实施例中，本发明的原状土取土器还包括手柄6，手柄6包括依次相连的端盖61、支撑杆62和卡环63；端盖61用于承受取土所需的敲击力，卡环63用于固定承压盖2。端盖61直接接受橡皮锤的打击力；支撑杆62传递橡皮锤的打击力并便于操作者控制整个原状土取土器的方向，使之垂直切入土壤；卡环63的作用是固定取土器，防止工作过程中取土器受力发生侧移。

在一个实施例中，承压盖2的盖体顶部设有开口22。设有开口22的承压盖2，有利于在取土过程中使土壤充满取土管4；设有开口22的承压盖2也便于使用者观察取土情况。

在一个实施例中，取土管靴5通过内螺纹与取土管保护套管3相连接。这种情况下，便于根据不同的取土要求，为取土管保护套管3安装具有不同尺寸和刃口角度的取土管靴5，使得本发明实施例的原状土取土器的互换性和适应性更强。

图1是本发明实施例的取土管靴5的沿纵向剖切的截面图；取土管靴5是本发明实施例的原状土取土器的主要入土部件，同时也是最先切入土壤的部分，其结构尺寸的设计对取土器的取土效果和取土质量有很大的影响。

在一个实施例中，取土管靴5的刃口52的尖端宽度a为0.5毫米。取土管4的刃口52的尖端宽度是影响整个原状土取土器进入土壤所受阻力的重要参数。一般来说，刃口52的尖端宽度越小，切土阻力越小，但在切土过程中与土壤中的坚硬物质发生挤压时，过小的刃口52的尖端宽度会引发刃口52迸裂和变形。

如果取土环境复杂，土壤中的坚硬物质较多，可以对取土管靴5进行淬火处理，以保证其有较大的强度、硬度和刚度。

在一个实施例中，取土管靴5的内径为50毫米；取土管靴5的内径取决于取土管4的内径，它应小于或等于取土管4的内径；具体地，取土管靴5的内径与取土管4内径相等，这样可以减少土壤进入取土管4的摩擦力，取土更省力。

在一个实施例中，取土管靴5的总体高度为30毫米。取土管靴5的高度不宜过大，过大则增加取土的摩擦阻力。

在一个实施例中，取土管靴5的刃口52的角度为10度至30度。取土管靴5的刃口52的角度对取土质量有很大影响。取土管靴5的刃口52的角度因切入土层性质不同而有差别，一般切土软土层时适用的刃口52的角度较小，切硬土层时适用的刃口52的角度较大。

在一个实施例中，取土管4采用有机玻璃制成，为减小取土管4的侧面受力，管靴的壁厚较大，因此在不影响管靴抗压能力的情况下，取土管靴5的刃口52的角度为30度。

在一个实施例中，密封件为橡胶密封圈；所述橡胶密封圈能够保证供水装置的供水管在连接至取土管的进水口时，保持密封。

在一个实施例中，取土管4的内径为50毫米，外径为60毫米，取土管4的长度L取决于入渗实验对所取土样深度的要求，同时还要考虑取土管4长度对原状土取土器压入土壤的难易程度的影响，L值优选为100毫米。

图3是本发明实施例的取土管保护套管3的沿纵向剖切的截面图；取土管保护套管3的作用是保护其内部的取土管4，减小土壤对取土管4侧向压力。同时取土管保护套管3与取土管靴5和承压盖2连接，传递自上而下的压力，取土管保护套管3的长度可以根据取土管4的长度决定，其内径可以根据取土管4的外径来决定。

图4是本发明实施例的承压盖2的沿纵向剖切的截面图；承压盖2的作用是承受手柄6垂直向下的打击力，并且将这一向下的力传递给整个取土器，使取土器垂直切入土壤。

图5是本发明实施例的手柄6的沿纵向剖切的截面图；手柄6的作用是控制整个取土器垂直切入土壤，同时传递橡皮锤的打击力给取土器。

图6是本发明实施例的取土管靴5、取土管4、取土管保护套管3和承压盖2的装配图；图6中的取土管4的两端设有垫圈7，垫圈7可以减小取土管4受到的压力，保证取土管4的完整。

参照图7，本发明实施例的原状土取土器的取土过程如下：

1)将取土管4放入取土管保护套管3中；

2)先将取土管靴5与装有取土管4的取土管保护套管3装配在一起，然后将这两部分与承压盖2通过连接；

3)将整个原状土取土器垂直放到土壤表面，使承压盖2与手柄6的卡环63连接，手握手柄6，控制好方向，用橡皮锤敲击手柄6的端盖61，使整个原状土取土器垂直向下切入土壤；图7中的箭头表示敲击方向；

4)当整个原状土取土器完全进入土壤后，停止敲击，然后将整个原状土取土器从土壤中取出，除去取土管靴5和承压盖2，取出装有原状土的取土管4；

5)对取土管4进行后续处理，包括为取土管4的两端盖上盖子，并注明上下，贴上标签，做好记录；接着就可以将取土管4拿回实验室使用。

从图8可以看出，采集到的土壤可以充满整个取土管4，有效地保证了所取土壤的原状性，并且本发明的原状土取土器操作方便，取土效率高，是一种可靠的用于原状土的取土工具，具有很好的使用和推广价值。

图9是本发明实施例的取土管应用于土壤入渗性能测量方法的示意图。

本发明的第二方面提供一种土壤入渗性能测量方法，取土管4可以直接应用于该方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一、使用上述原状土取土器采集土样，取出取土管4。同时可以准备好用于供水的马氏瓶8；马氏瓶8是一种供水装置，外壁带有刻度，可实现恒定水头自动供水。

步骤二、将排好气的马氏瓶8放置于一位置，该位置使得马氏瓶8的进气口81高度略高于取土管4中土柱的设计水层的高度；

步骤三、打开马氏瓶8的供水口82和进气口81，使供水管83完全充水，然后拧紧进气口81，将马氏瓶8的供水管83接到土柱的进水口上；

步骤四、记下马氏瓶8的初始读数；打开马氏瓶8的进气口81，从而使马氏瓶8里的水开始流进土柱，同时按下秒表开始计时，当马氏瓶8内液面下降开始供水，每隔一定时间间隔记录马氏瓶的水位，时间间隔可以是2min、5min或10min，当入渗达到稳定后结束试验。

图10是土壤入渗率随时间变化图，图中显示有水层a，湿润层b和土壤层c。以北京地区的粉壤土为例，采集的土样土壤容重为1.30g/cm³；在一维垂直入渗过程中，初始入渗率较大，而后随着入渗时间的延长，入渗率逐渐趋于一个相对稳定的值，在入渗初始阶段，入渗率为254mm/h，入渗进行到100min后，入渗率逐渐趋于稳定，最后稳定在30mm/h左右。

虽然上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种原状土取土器，其特征在于，包括取土管保护套管、承压盖和取土管；所述取土管保护套管的第一端设有刃口，所述取土管保护套管内设有第一取土管定位环面；所述承压盖与所述取土管保护套管的第二端可拆卸地连接，所述承压盖内设有第二取土管定位环面；所述取土管用于放置在所述取土管保护套管内，所述第一取土管定位环面和所述第二取土管定位环面分别用于与所述取土管的第一端和所述取土管的第二端相配合；所述取土管由透明材料制成；所述取土管的侧面设有进水口，所述进水口用于与供水装置相连接，所述进水口设有密封件；

所述取土管保护套管包括保护套管主体和与所述保护套管主体可拆卸连接的取土管靴，所述刃口设于所述取土管靴，所述第一取土管定位环面设于所述取土管靴；

所述保护套管主体的长度小于所述取土管的长度；

所述承压盖的盖体顶部设有开口。

2.根据权利要求1所述的原状土取土器，其特征在于，所述第一取土管定位环面设有弹性元件。

3.根据权利要求1所述的原状土取土器，其特征在于，所述第一取土管定位环面和所述第二取土管定位环面设有垫圈。

4.根据权利要求1所述的原状土取土器，其特征在于，还包括手柄，所述手柄包括依次相连的端盖、支撑杆和卡环；所述端盖用于承受取土所需的敲击力，所述卡环用于固定所述承压盖。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的原状土取土器，其特征在于，所述密封件为橡胶密封圈。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的原状土取土器，其特征在于，所述刃口的角度为10度至30度。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的原状土取土器，其特征在于，所述取土管由有机玻璃制成。

8.一种土壤入渗性能测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、使用如权利要求1至7中任一项所述的原状土取土器采集土样，取出取土管；

步骤二、将排好气的马氏瓶放置于一位置，该位置使得马氏瓶的进气口高度略高于取土管中土柱的设计水层高度；

步骤三、将马氏瓶的供水管连接至取土管的进水口，打开马氏瓶的供水口和进气口，使供水管完全充水，然后拧紧进气口；

步骤四、记下马氏瓶的初始读数；打开马氏瓶的进气口，从而使马氏瓶里的水开始流进取土管中的土柱，同时按下秒表开始计时；当马氏瓶内液面下降开始供水后，每隔一定时间间隔记录马氏瓶的水位，当入渗达到稳定后结束试验。

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