CN111650082A - 一种非饱和土土水特征曲线测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非饱和土土水特征曲线测量装置及测量方法，在恒温恒湿环境下对土样进行多面蒸发，使土样水分蒸发均匀，并且保证土体内部基质吸力含水率和基质吸力均匀变化，使得非饱和土土水特征曲线准确，误差小，操作步骤简单，用于非饱和黏土和砂土在各向同性蒸发的条件下进行土‑水特征曲线的测量，经济实用，具有良好的推广应用前景，在恒温恒湿条件下进行试验，试验结果更准确、客观。

Description

一种非饱和土土水特征曲线测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及水土特征测量技术领域，特别涉及一种非饱和土土水特征曲线测量装置及测量方法。

背景技术

土-水特征曲线(soil-water characteristic curve，SWCC)是反映土的含水率与土体吸力关系的曲线,它能够反映非饱和土的渗透性质和强度性质等。在地球表面广泛分布的天然地表沉积土大多处于非饱和状态，非饱和土的研究对于工程实际应用有着非常重要的作用。非饱和土中水的流动是个很缓慢的过程，要达到水气的稳定状态需要较长的时间，因此，SWCC的测定是个费时费力的过程。

目前测量非饱和土土水特征曲线测试方法有直接测试法和简易蒸发法等，其测试方法仅容许土样通过一个侧面进行水分蒸发，导致土样内部的含水量分布极为不均匀，基质吸力的分布也极为不均匀，因此，测量得到的含水率为平均含水率，而测量得到的基质吸力为传感器位置的基质吸力，最终导致该方法的可靠度和准确性较低，由试验得到的土水特征曲线误差较大。

因此，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中试样水分蒸发不均匀导致土水特征曲线误差大的技术问题，提供一种非饱和土土水特征曲线测量装置及测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种非饱和土土水特征曲线测量装置，所述非饱和土土水特征曲线测量装置包括一恒温恒湿容器、一电子天平、一张力计、一多面体试样筒、一套真空饱和系统和一电压表；

所述电子天平设置在所述恒温恒湿容器内，所述多面体试样筒设置在所述电子天平上，所述多面体试样筒包括筒体，所述筒体内设置有容纳若干土壤样品的第一空腔，所述筒体的底部设置有一开孔，所述张力计通过所述开孔插入至所述若干土壤样品；所述张力计远离所述开孔的底端外侧设置有所述电压表；

所述真空饱和系统包括依次连接的真空泵、无气水制备装置、饱和装置以及压力体积控制器，所述饱和装置内设置有第二空腔，所述第二空腔内设置有一第一通水管，所述无气水制备装置通过所述第一通水管将无气水充满所述第二空腔；若干所述张力计安装于所述第二空腔内，并与所述饱和装置固定。

所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其中，所述第一通水管的两端分别设置有第一球阀和第二球阀，所述第一球阀和所述第二球阀设置于所述饱和装置的外部，所述第一球阀通过连接所述无气水制备装置，所述第二球阀连接所述压力体积控制器。

所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其中，所述空腔内还设置有若干橡胶垫圈，所述橡胶垫圈位于所述张力计远离所述饱和装置上表面的底端，所述橡胶垫圈套设于所述张力计。

所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其中，所述饱和装置的上表面设置有若干固定板，每个固定板上设置有若干固定件，所述张力计远离所述橡胶垫圈的一端安装在所述固定板上，所述张力计通过所述固定件固定于所述固定板。

所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其中，所述多面体试样筒通过支撑杆设置在所述电子天平上，所述支撑杆内设置有一接口，所述张力计通过所述接口与所述电压表电连接，所述支撑杆外设置有刻度。

所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其中，所述筒体的每个面上均设置有均匀分布的多个蒸发微孔。

所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其中，所述多面体试样筒的筒体为正多面体筒体，所述筒体的每个面均为正多边形面。

所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其中，还包括压力传感器，所述压力传感器通过压力信号线与所述电压表连接。

所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其中，所述真空泵包括真空泵防水装置和无油真空泵，所述真空泵防水装置通过第二通水管与所述无气水制备装置，所述真空泵防水装置通过第三通水管与所述无油真空泵连接，所述真空泵防水装置上设置有真空度量表。

第二方面，本申请还提供一种非饱和土土水特征曲线测量方法，所述非饱和土土水特征曲线测量方法包括以下步骤：

通过无气水制备装置制备无气水，张力计干燥处理后固定安装于所述饱和装置内，并将所述饱和装置放置低于所述无气水制备装置内无气水的位置；

开启所述第一球阀和第二球阀，并启动真空泵一预定时间，使得无气水充满所述饱和装置的第二空腔以及所述张力计的孔隙，形成初始真空饱和状态，关闭第二球阀；

控制第一球阀和第二球阀启停，利用压力体积控制器向所述饱和装置施加压力进行多次预压循环，直至所述饱和装置处于完全饱和状态；

将处于完全饱和状态下的最后一次预压循环设置为压力传感器的标定过程，将所述张力计接入电压表，通过压力体积控制器向饱和装置施加压力，获得张力计压力值与电压对应关系；

将土壤样品均分加入多面体试样筒，制备试样，确保试样处于饱和状态；

取多面体试样筒底部部分土样，称量取出所述部分土样的质量，并在烘干后，称量所述部分土样的干土质量，以计算出取出所述部分土样的质量和待测土样的整体含水率；

将所述部分土样回填，并将张力计和支撑杆倒置放入多面体试样筒的开孔处，并固定，确定所述部分土样的体积；

将电子天平放入恒温恒湿容器内，将多面体试样筒、张力计、支撑杆放置在电子天平上，并调节恒温恒湿容器的温度、湿度与当前环境温度、湿度相同，获取电子天平的读数和张力计所测吸力值；

每隔预设时间获取电子天平和电压表的数据，直至电子天平读数不再变化，取出所述多面体试样筒内的待测土样，分别获取所述待测土样以及烘干处理后的待测土样的重量，并计算待测土样的含水率；

基于待测土样的含水率以及吸力值，绘制基质吸力与土样含水率的非饱和土土水特征曲线。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种非饱和土土水特征曲线测量装置及测量方法，所述非饱和土土水特征曲线测量装置包括一恒温恒湿容器、一电子天平、一张力计、一多面体试样筒、一套真空饱和系统和一电压表；所述电子天平设置在所述恒温恒湿容器内，所述多面体试样筒设置在所述电子天平上，所述多面体试样筒包括筒体，所述筒体内设置有容纳若干土壤样品的第一空腔，所述筒体的底部设置有一开孔，所述张力计通过所述开孔插入至所述若干土壤样品；所述张力计远离所述开孔的底端外侧设置有所述电压表；所述真空饱和系统包括依次连接的真空泵、无气水制备装置、饱和装置以及压力体积控制器，所述饱和装置内设置有第二空腔，所述第二空腔内设置有一第一通水管，所述无气水制备装置通过所述第一通水管将无气水充满所述第二空腔；若干所述张力计安装于所述第二空腔内，并与所述饱和装置固定。本发明在恒温恒湿环境下对土样进行多面蒸发，使土样水分蒸发均匀，并且保证土体内部基质吸力含水率和基质吸力均匀变化，使得非饱和土土水特征曲线准确，误差小，操作步骤简单，用于非饱和黏土和砂土在各向同性蒸发的条件下进行土-水特征曲线的测量，经济实用，具有良好的推广应用前景，在恒温恒湿条件下进行试验，试验结果更准确、客观。

附图说明

图1为本发明的非饱和土土水特征曲线测量装置的结构示意图。

图2为多面体试样筒的一实施例结构示意图。

图3为饱和装置的结构示意图。

图4为正十二面体试样筒测量装置的剖面示意图。

图5为粉质黏土的典型土-水特征曲线图。

图6为压力值与电压的关系曲线图。

图7为花岗岩残积土样实施例的非饱和土土水特征曲线。

具体实施方式

本发明提供一种非饱和土土水特征曲线测量装置及测量方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

经发明人研究发现，目前测定非饱和土土水特征曲线所采用的方法有直接测试法和简易蒸发的实验方法，其中，该直接测试法有体积压力板仪、Tempe仪和TDR基质吸力量测法、热传导法等，这些方法的基质吸力值测量范围主要取决于陶土板的进气值，而这些方法采用的张力计陶土板进气值较小，因此只能获得吸力较低下的SWCC曲线图。另外，这些方法大都需要十分复杂的转化标定程序，使用成本普遍较高，适用性较低。并且，如果土样饱和不充分，则在测量过程中会导致一系列诸如测量持续时间短、测量数据不稳定、受温度影响大等问题，致使其应用范围受到限制。

而简易蒸发的试验方法的原理是：首先通过抽真空饱和法对土样进行充分饱和后，在土样的侧面钻孔，放入已饱和的高量程张力计，并用挖出的一定质量的原土回填张力计与孔壁四周土样间的缝隙，之后用胶带及保鲜膜封住试样的底面及侧面，仅留顶面与空气直接接触，通过测量土表的蒸发所造成的试样质量变化来推算土样内部的含水率，并结合高量程张力计所测得的基质吸力值绘制土水特征曲线。通过多次简易蒸发试验后发现，该方法测定的土水特征曲线可靠度及准确性较低，究其原因，该方法仅容许顶面土体与空气直接接触，内部各层土体失水进入非饱和阶段后，实际蒸发量随着含水率的变化而变化的，而含水率在土样内部分布极为不均匀，基质吸力的分布也极为不均匀，导致测定出的含水率数据为整个土样的平均含水率，而基质吸力为张力计所在位置的吸力，据此绘制出的土水特征曲线并不准确。

因此，发明人研究发现目前测定非饱和土土水特征曲线所采用的方法仅容许土样通过一个侧面进行水分蒸发，导致土样内部的含水量分布极为不均匀，基质吸力的分布也极为不均匀，因此测量得到的含水率为平均含水率，而测量得到的基质吸力为传感器位置的基质吸力，最终导致该方法的可靠度和准确性较低，由试验得到的土水特征曲线误差较大。

因此，基于上述问题，本申请提供一种饱和土土水特征曲线测量装置及测量方法，在恒温恒湿环境下对土样进行多面蒸发，使土样水分蒸发均匀，并且保证土体内部基质吸力含水率和基质吸力均匀变化，使得非饱和土土水特征曲线准确，误差小，操作步骤简单、经济实用，具有良好的推广应用前景。

下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。

图1示例了本发明的非饱和土土水特征曲线测量装置的结构示意图，图2示例了多面体试样筒的一实施例结构示意图。图3示例了饱和装置的结构示意图。图4示例了正十二面体试样筒测量装置的剖面示意图。图5示例了粉质黏土的典型土-水特征曲线图。如图1和图2所示，所述非饱和土土水特征曲线测量装置包括一恒温恒湿容器10、一电子天平11、一张力计1、一多面体试样筒2、一套真空饱和系统30和一电压表5；所述电子天平11设置在所述恒温恒湿容10器内，所述多面体试样筒2设置在所述电子天平11上，所述多面体试样筒2包括筒体21，所述筒体21内设置有容纳若干土壤样品6的第一空腔22，所述筒体21的底部设置有一开孔7，所述张力计1通过所述开孔7插入至所述若干土壤样品6；所述张力计1远离所述开孔7的底端外侧设置有所述电压表5；所述真空饱和系统30包括依次连接的真空泵31、无气水制备装置32、饱和装置33以及压力体积控制器34，所述饱和装置33内设置有第二空腔331，所述第二空腔331内设置有一第一通水管332，所述无气水制备装置32通过所述第一通水管332将无气水充满所述第二空腔331；若干所述张力计1安装于所述第二空腔332内，并与所述饱和装置33固定。这样，采用恒温恒湿容器10不仅保证土壤样品6进行多面均匀蒸发，保证土体内部基质吸力含水率和基质吸力均匀变化，还排除土壤样品6蒸发受到温度和湿度因素的影响，使得试验数据更准确和客观。

进一步地，如图1所示，所述真空泵31包括真空泵防水装置312和无油真空泵311，所述真空泵防水装置312通过第二通水管50与所述无气水制备装置32，所述真空泵防水装置312通过第三通水管40与所述无油真空泵311连接，所述真空泵防水装置312上设置有真空度量表313。在本实施例中，所述无气水制备装置32为真空饱和缸。

进一步地，所述压力体积控制器34为GDS压力控制器。

进一步地，所述土壤样品6包括土壤(图未标示)和土工刀61，所述土壤设置在所述土工刀61内。所述土工刀61用于对土壤的表面凿出一条条凹痕，以保证上下层之间土颗粒的良好咬合。

相应的，如图2所示，所述多面体试样筒2的筒体21为正多面体筒体，筒体21的每个面均为正多边形面，每个面上均匀分布多个蒸发微孔。该蒸发微孔的直径为微米级别，用于防止制样时土壤样品6流出，又能保证土壤样品6内部的水分蒸发。在本实施例中，所述蒸发微孔的直径较佳为0.74微米，使得土壤样品6的水分蒸发均匀，且确保土壤样品6不受到其他因素影响，其土壤样品6减少的体积仅仅是由于土壤样品6蒸发水分导致。本实施例中所采用的多面体试验筒2不仅容易标准化生产，扩大应用，而且正因多面，能够更好避免所述多面体试样筒2的筒体21内部的土壤样品6各面蒸发不均匀而造成的测量误差。经试验，本实施例的一个方式中，所述多面体试样筒2为正十二面体，每个面的形状为正五边形，例如：本实施例较佳的所述筒体21的棱长为50mm，容积为957.88cm³，每个正五边形表面均匀分布9600个直径为0.74微米的蒸发微孔。当然，所述多面体试样筒2并非限制的，只要是具有多面的规则试样筒也可以作为所述多面体试样筒2，例如正二十四面体，每个面的形状为三角形等。

具体实施时，如图1和图4所示，所述多面体试样筒2通过支撑杆4设置在所述电子天平11上，所述支撑杆4内设置有一接口(图未标示)，所述张力计1通过所述接口与所述电压表5电连接，以便于将电压值转化为土壤样品6内部的基质吸力值，从而实现对土壤样品6的基质吸力值的实时测定。所述支撑杆4外设置有刻度，这样可直接读数，通过筒体21、张力计1、支撑杆4的底面积以及所述支撑杆4上显示的刻度值，可计算出埋入土壤样品6内部支撑杆的体积，进而得到内部土壤样品6的体积。在本实施例中，所述支撑杆4采用不锈钢支架，不仅防止生锈，而且设备简单，便捷。所述电压表5采用高精度数显电压表。

在所述筒体21的下部设置的开孔7的直径远远大于所述蒸发微孔，所述开孔7用于为张力计1和支撑杆4插入筒体21内的土壤样品6提供空间。在本发明实施例中，经多次实验可获知所述开孔7的直径较佳为8mm，该开孔7的直径距离恰好确保张力计1和支撑杆4插入筒体21内且孔隙最小，甚至无孔隙。

如图1、图3和图4所示，在饱和装置33中，所述第一通水管331的两端分别设置有第一球阀37和第二球阀38，所述第一球阀37和所述第二球阀38设置于所述饱和装置33的外部，所述第一球阀37通过连接所述无气水制备装置32，所述第二球阀38连接所述压力体积控制器34。所述第二空腔332内还设置有若干橡胶垫圈39，所述橡胶垫圈39位于所述张力计1远离所述饱和装置33上表面的底端，所述橡胶垫圈39套设于所述张力计。所述橡胶垫圈39用于防止所述张力计1破损，为张力计1提供缓冲力，从而提高数据准确性。

相应的，所述饱和装置33的上表面设置有若干固定板8，每个固定板8上设置有若干固定件81，所述张力计1远离所述橡胶垫圈39的一端安装在所述固定板8上，所述张力计1通过所述固定件81固定于所述固定板8。在本实施例中，所述固定板8的材质为金属材质，因此，所述固定8为固定金属板，所述固定件81采用螺栓。所述张力计1为高量程张力计1，所述张力计1用于测量土壤对水的吸力值，土壤愈湿，对水的吸力就愈小；反之则大。当土壤湿度增大到所有空隙充满水时，土壤水张力将降为零。换言之，此时土壤含水率达到了饱和。各种土壤的饱和含水率，以重量含水率和容积含水率而言都不一致，但对土壤水张力而言却是一致的都为零。在实际应用中，通常以土壤含水率指导农业灌溉，这就必须根据实测资料找出土壤含水率与土壤水张力的关系式，有了这个关系式便可根据观测的土壤水张力随时得知相应的土壤含水率，依据试验得到的土壤水张力指标就可指导农田灌溉，条件许可时，还可根据土壤水张力指标自动控制灌溉。这样，大大降低劳动强度，提高工作效率。而土水特征曲线的两个特征点：一个对应于土的进气值点，另一个特征点是对应于残余含水量的点。进气值是指空气开始进入土体边界的土颗粒或颗粒集合体之间的最大孔隙时对应的基质吸力值；残余饱和度可以认为是非饱和土的液相开始变得不连续时的饱和度，如图5所示。

进一步地，所述非饱和土土水特征曲线测量装置还包括压力传感器(图未标示)，所述压力传感器通过压力信号线与所述电压表5连接。

这样，基于上述非饱和土土水特征曲线测量装置，在恒温恒湿环境下对土样进行多面蒸发，使土样水分蒸发均匀，并且保证土体内部基质吸力含水率和基质吸力均匀变化，使得非饱和土土水特征曲线准确，误差小，操作步骤简单，用于非饱和黏土和砂土在各向同性蒸发的条件下进行土-水特征曲线的测量，经济实用，具有良好的推广应用前景。

需要说明的是，本发明测量方法是通过对土样从饱和状态蒸发失水到非饱和状态的全过程的多个平衡状态下的土体基质吸力及对应的含水量进行测量，最终绘制完整的土-水特征曲线。因此，基于上述非饱和土土水特征曲线测量，本实施例提供了一种非饱和土土水特征曲线测量方法，所述非饱和土土水特征曲线测量方法包括：

1)通过无气水制备装置32制备无气水，张力计1干燥处理后固定安装于所述饱和装置33内，并将所述饱和装置33放置低于所述无气水制备装置32内无气水的位置。

具体地，预先使得高量程张力计1处于饱和状态。所述高量程张力计1的饱和过程共分为两个阶段：初始真空饱和及预压循环稳定：

利用无气水制备装置32制备无气水，这样，利用高纯度的无气水可使得高量程张力计1不易发生汽化，抗张拉的能力更强。

然后将高量程张力计1安装于饱和装置33内，放入35℃的烘箱内部，保持12小时，以保证高量程张力计1内的小腔体和陶土板孔隙内完全干燥。

然后干燥后立即把高量程张力计1固定于饱和装置33中，此时，饱和装置33低于无气水制备装置内液体高度。

2)开启所述第一球阀37和第二球阀38，并启动真空泵31一预定时间，使得无气水充满所述饱和装置33的第二空腔332以及所述张力计1的孔隙，形成初始真空饱和状态，关闭第二球阀38。

具体地，初始真空饱和状态过程：按照图1所示将饱和装置接入真空饱和系统30，打开第一球阀F、第二球阀E，由于饱和装置33的水头低于无气水制备装置32内的水头，因此，在水头差的作用下，无气水制备装,32内的水将会通过第一通水管332充满高量程张力计1和饱和装置33的第二空腔331。在此过程中，需要保持真空泵31为开启状态，继续抽气30分钟，待饱和装置33内无气泡后，关闭第二球阀E，并保持24小时，以便于无气水充满高量程张力计1的孔隙及小水腔。

3)控制第一球阀37和第二球阀38启停，利用压力体积控制器34向所述饱和装置33施加压力进行多次预压循环，直至所述饱和装置33处于完全饱和状态。

具体地，执行预压循环稳定：为了排除初始真空饱和过程中未完全抽出的气泡，还需要进行预压循环。关闭第一球阀F，打开第二球阀E，利用压力体积控制器34向饱和装置33逐步施加一定压力，以稳定腔体中可能存在的气泡。经多次试验，施加压力至1.9MPa为最佳，该压力按10kPa/min的加载速度从0kPa逐渐加载到1.9MPa。接着以该压力值稳定24h。需要说明的是，首次施压需稳定1.9MPa的压力24小时，之后逐步卸载至0MPa，当压力卸载到0kPa后，打开第一球阀F，使张力计1、饱和装置33、无气水制备装置连通，将含有气泡的水排入无气水制备装置33，如此结束一次循环。然后重复上述操作进入下一次循环，经多次试验发现，循环次数4次即可达到试验所需饱和程度。

4)将处于完全饱和状态下的最后一次预压循环设置为压力传感器的标定过程，将所述张力计接入电压表，通过压力体积控制器向饱和装置施加压力，获得张力计压力值与电压对应关系。

此时为高量程张力计1标定过程：由于高量程张力计1标定及饱和程序采用同一套装置，故可取预压循环过程中的最后一次加压循环作为压力传感器的标定过程，将高量程张力计1接入电压表5，通过压力体积控制器34向饱和装置33施加压力，观察电压的变化情况，并绘制电压-张力计所受压力值关系曲线，如图6所示，即可获得张力计1压力值与电压对应关系。

5)将待测土壤样品均分加入多面体试样筒，制备试样，确保试样处于饱和状态。

接着，依据土样的干密度及正十二面体试样筒2的体积推算出所需制备土样的总质量。将干土试样均分为5份加入正十二面体试样筒2内，每加入一层试样均用振动台进行振实，每次试样振动时间为1分钟，以保证土样均匀密实。为了防止分层现象的发生，在振动完成后，需要用土工刀61在土样的表面凿出一条条凹痕.，以保证上下层之间土颗粒的良好咬合，试样制备完成后，利用保鲜膜将正十二面体试样筒2底部的开孔7封住，防止饱和过程中试样流失。利用抽真空饱和法对其充分饱和。

6)取多面体试样筒底部部分土样，称量取出所述部分土样的质量，并在烘干后，称量所述部分土样的干土质量，以计算出取出所述部分土样的质量和待测土样的整体含水率。

接着，试样饱和完成后，撕去保鲜膜，利用直柄钻头钻取正十二面体试样筒2底部的部分土样，称量取出土体部分的质量m₁，并置于108℃下烘干24小时后，称量干土质量m₂，通过公式(1)计算出取出土体的质量(即m₂)和饱和后土体的含水率w_s(由于饱和后土样的各部分含水率相同，因此，取出部分土体的含水率即为待测土样的整体含水率)：

7)将所述部分土样回填，并将张力计和支撑杆倒置放入多面体试样筒的开孔处，并固定，确定所述部分土样的体积。

接着，将所述部分土样回填张力计1与孔壁四周土样间的缝隙，以保证张力计1与待测土样充分接触。将张力计1和支撑杆4倒置放入正十二面体试样筒1底部的开孔7。读取支撑杆4上的刻度线，拧紧固定螺栓，并记录支撑杆4上的刻度，以确定部分土体的体积。

8)将电子天平放入恒温恒湿容器内，将多面体试样筒、张力计、支撑杆放置在电子天平上，并调节恒温恒湿容器的温度、湿度与当前环境温度、湿度相同，获取电子天平的读数和张力计所测吸力值。

如图1所示，将电子天平11放入恒温恒湿容器10内，将如图4所示的测量装置放在电子天平11上，读取不同时刻的天平数值，电子天平11读数的减少量即为待测土样的水分蒸发量。调节恒温恒湿容器10的温度、湿度，保持与当前环境温度、湿度相同。记下此时电子天平11读数和张力计1所测吸力值。由于恒温恒湿容器10的温度和湿度，保持恒定，因此，可以保证试样发生均匀蒸发。

9)每隔预设时间获取电子天平和电压表的数据，直至电子天平读数不再变化，取出所述多面体试样筒内的待测土样，分别获取所述待测土样以及烘干处理后的待测土样的重量，并计算待测土样的含水率。

接着，随着土样内部水分的自由蒸发，土样含水量逐渐减小，吸力逐渐增大，每隔预设时间记录一次天平和电压表的数据，在本实施例中，所述预设时间为20-30分钟。试验结束后，取出正十二面体试样筒21内部试样并称重，所得质量为m₃，把待测土样放入烘箱中烘干，所得质量为m₄。

通过公式(2)计算待测土样的残余体积含水率w_r。

10)基于待测土样的含水率以及吸力值，绘制基质吸力与土样含水率的非饱和土土水特征曲线。

接着，基于待测土样的含水率以及吸力值，在单对数坐标轴中绘制出基质吸力与土样含水率的非饱和土土水特征曲线。

不同的土-水特征曲线模型所采用的拟合函数拟合常数与土体内部的结构特征密切相关，可采用Van Genuchten模型拟合土-水特征曲线：

其中，w表示试样的体积含水率；wr表示残余体积含水率、ws表示饱和体积含水率；

表示基质吸力。其中，

w、wr和ws可通过试验获取，a、b和c为曲线拟合的拟合参数，通过将

w、wr和ws代入Van Genuchten模型，并利用最小二乘法得到，通过采用本发明的测定装置，最终发现拟合效果较好，R²为9887，Van Genuchten模型能很好地描述花岗岩残积土的土-水特征曲线，所得参数可用于对花岗岩残积土边坡渗流和稳定性的模拟研究及数值分析，如图7所示。

这样，本发明的测量方法能够保证土体内部基质吸力含水率和基质吸力均匀变化，可适用于非饱和黏土和砂土在各向同性蒸发的条件下进行土-水特征曲线的测量。并且充分考虑土样内部其他部分土体的基质吸力随含水率的变化规律及边界补给，对土样进行多面蒸发，并在恒温恒湿条件下进行试验，试验结果更准确、客观，使得其测量精度高、设备简单、操作步骤简单、经济实用等优势，具有良好的推广应用前景。

综上所述，本发明提供了一种非饱和土土水特征曲线测量装置及测量方法，所述非饱和土土水特征曲线测量装置包括一恒温恒湿容器、一电子天平、一张力计、一多面体试样筒、一套真空饱和系统和一电压表；所述电子天平设置在所述恒温恒湿容器内，所述多面体试样筒设置在所述电子天平上，所述多面体试样筒包括筒体，所述筒体内设置有容纳若干土壤样品的第一空腔，所述筒体的底部设置有一开孔，所述张力计通过所述开孔插入至所述若干土壤样品；所述张力计远离所述开孔的底端外侧设置有所述电压表；所述真空饱和系统包括依次连接的真空泵、无气水制备装置、饱和装置以及压力体积控制器，所述饱和装置内设置有第二空腔，所述第二空腔内设置有一第一通水管，所述无气水制备装置通过所述第一通水管将无气水充满所述第二空腔；若干所述张力计安装于所述第二空腔内，并与所述饱和装置固定。本发明在恒温恒湿环境下对土样进行多面蒸发，使土样水分蒸发均匀，并且保证土体内部基质吸力含水率和基质吸力均匀变化，使得非饱和土土水特征曲线准确，误差小，操作步骤简单，用于非饱和黏土和砂土在各向同性蒸发的条件下进行土-水特征曲线的测量，经济实用，具有良好的推广应用前景，在恒温恒湿条件下进行试验，试验结果更准确、客观。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种非饱和土土水特征曲线测量装置，其特征在于，所述非饱和土土水特征曲线测量装置包括一恒温恒湿容器、一电子天平、一张力计、一多面体试样筒、一套真空饱和系统和一电压表；

所述电子天平设置在所述恒温恒湿容器内，所述多面体试样筒设置在所述电子天平上，所述多面体试样筒包括筒体，所述筒体内设置有容纳若干土壤样品的第一空腔，所述筒体的底部设置有一开孔，所述张力计通过所述开孔插入至所述若干土壤样品；所述张力计远离所述开孔的底端外侧设置有所述电压表；

所述真空饱和系统包括依次连接的真空泵、无气水制备装置、饱和装置以及压力体积控制器，所述饱和装置内设置有第二空腔，所述第二空腔内设置有一第一通水管，所述无气水制备装置通过所述第一通水管将无气水充满所述第二空腔；若干所述张力计安装于所述第二空腔内，并与所述饱和装置固定。

2.根据权利要求1所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其特征在于，所述第一通水管的两端分别设置有第一球阀和第二球阀，所述第一球阀和所述第二球阀设置于所述饱和装置的外部，所述第一球阀通过连接所述无气水制备装置，所述第二球阀连接所述压力体积控制器。

3.根据权利要求1所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其特征在于，所述第二空腔内还设置有若干橡胶垫圈，所述橡胶垫圈位于所述张力计远离所述饱和装置上表面的底端，所述橡胶垫圈套设于所述张力计。

4.根据权利要求3所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其特征在于，所述饱和装置的上表面设置有若干固定板，每个固定板上设置有若干固定件，所述张力计远离所述橡胶垫圈的一端安装在所述固定板上，所述张力计通过所述固定件固定于所述固定板。

5.根据权利要求1所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其特征在于，所述多面体试样筒通过支撑杆设置在所述电子天平上，所述支撑杆内设置有一接口，所述张力计通过所述接口与所述电压表电连接，所述支撑杆外设置有刻度。

6.根据权利要求5所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其特征在于，所述筒体的每个面上均设置有均匀分布的多个蒸发微孔。

7.根据权利要求6所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其特征在于，所述多面体试样筒的筒体为正多面体筒体，所述筒体的每个面均为正多边形面。

8.根据权利要求1所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其特征在于，还包括压力传感器，所述压力传感器通过压力信号线与所述电压表连接。

9.根据权利要求1所述的非饱和土土水特征曲线测量装置，其特征在于，所述真空泵包括真空泵防水装置和无油真空泵，所述真空泵防水装置通过第二通水管与所述无气水制备装置，所述真空泵防水装置通过第三通水管与所述无油真空泵连接，所述真空泵防水装置上设置有真空度量表。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的非饱和土土水特征曲线测量装置实现测量方法，其特征在于，所述非饱和土土水特征曲线测量方法包括：

通过无气水制备装置制备无气水，张力计干燥处理后固定安装于所述饱和装置内，并将所述饱和装置放置低于所述无气水制备装置内无气水的位置；

开启所述第一球阀和第二球阀，并启动真空泵一预定时间，使得无气水充满所述饱和装置的第二空腔以及所述张力计的孔隙，形成初始真空饱和状态，关闭第二球阀；

控制第一球阀和第二球阀启停，利用压力体积控制器向所述饱和装置施加压力进行多次预压循环，直至所述饱和装置处于完全饱和状态；

将处于完全饱和状态下的最后一次预压循环设置为压力传感器的标定过程，将所述张力计接入电压表，通过压力体积控制器向饱和装置施加压力，获得张力计压力值与电压对应关系；

将土壤样品均分加入多面体试样筒，制备试样，确保试样处于饱和状态；

取多面体试样筒底部部分土样，称量取出所述部分土样的质量，并在烘干后，称量所述部分土样的干土质量，以计算出取出所述部分土样的质量和待测土样的整体含水率；

将所述部分土样回填，并将张力计和支撑杆倒置放入多面体试样筒的开孔处，并固定，确定所述部分土样的体积；

将电子天平放入恒温恒湿容器内，将多面体试样筒、张力计、支撑杆放置在电子天平上，并调节恒温恒湿容器的温度、湿度与当前环境温度、湿度相同，获取电子天平的读数和张力计所测吸力值；

每隔预设时间获取电子天平和电压表的数据，直至电子天平读数不再变化，取出所述多面体试样筒内的待测土样，分别获取所述待测土样以及烘干处理后的待测土样的重量，并计算待测土样的含水率；

基于待测土样的含水率以及吸力值，绘制基质吸力与土样含水率的非饱和土土水特征曲线。

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