CN111896716A - 一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种监测土壤特性的技术，具体涉及一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置及方法。以解决精度不高、不方便携带，不能够计算土壤最终吸水量与供试土样的含水量的问题。包括有机玻璃容器、供水瓶、水管、百分表、储水室等。其中孔状渗透板、储水室、供水瓶、密封顶盖、活塞、通气管、固定架和底座都为有机玻璃材质。有机玻璃容器和供水瓶通过水管相连，在土壤样品上盖有铝制孔状压板，通过百分表的探针可测出土壤膨胀的高度，进而计算出土壤的膨胀率。本发明能够有效提高土壤胀缩特性测量的准确度，方便携带，还可以计算出最终土壤的吸水量与供试土样的含水量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测土壤特性的技术，具体涉及一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置及方法。
背景技术
土壤在自然降水、蒸发条件下，常处于干湿交替状态。土壤湿润时膨胀，干旱时收缩，特别是对于膨胀性土壤而言，胀缩过程及其产生的危害性更加明显。土壤含有蒙脱石和伊利石等粘粒矿物，对含水量的变化非常敏感。蒸发、降雨以及短暂的含水量和水位变化都会使土壤发生胀缩现象。在吸水过程中，土壤湿度增加，体积膨胀并形成膨胀压力，在脱水过程中，土壤将发生轴向和径向的收缩，且其收缩应变逐渐增大，最终将导致土壤出现裂缝，并随着含水率减小，裂缝的面积、长度及密度均呈现增大趋势，这些对于边坡工程和绿化工程均具有显着危害。在边坡工程方面，边坡吸水时，土壤膨胀、软化，强度下降；失水后土壤收缩，随之产生裂隙。反复的胀缩导致了膨胀土的土体松散，并在其中形成许多不规则的裂隙，从而为土壤表面的进一步风化创造了条件；在发生降雨入渗时，极易导致滑坡等地质灾害。在绿化工程方面，土壤收缩产生的裂缝可能破坏作物根系，从而影响其分布及吸水，造成机械撕裂；另一方面，土壤收缩裂缝将导致土壤水分运动及溶质迁移特性发生改变，甚至产生优先流，造成养分流失和地下水污染等生态问题。由此可以看出，膨胀土的胀缩问题是土地工程研究的热点问题。目前对于监测土壤胀缩特性的装置，供水方式不能完全模拟土壤自然状态下通过毛细空隙吸水过程，进而导致精度不高、不方便携带，不能够计算最终吸水量与供试土样的含水量的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的胀缩特性测量不准确，吸水量不均等问题，提供一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置及方法，采用本装置能够有效提高土壤胀缩特性测量的准确度，方便携带，此外可以通过供水瓶的供水量计算供试土样的含水量以及最终膨胀状态下的吸水量。
本发明的技术方案是：
一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置，包括有机玻璃容器和第一刻度线，其特征在于：还包括孔状渗透板、储水室、水管、铝制孔状压板(18)、大理石表架底座；
所述有机玻璃容器为圆柱形，有机玻璃容器柱体一侧设有第一刻度线，且柱体另一侧的下方设有进水口；
孔状渗透板在有机玻璃容器内相对固定，孔状渗透板下方为储水室，孔状渗透板上铺有一层滤纸，滤纸防止土样试样掉入储水室；
所述水管一端穿过进水口与储水室相通，另一端外接供水瓶，且水管上设有止水夹；
所述有机玻璃容器底部设有底座，且底座与有机玻璃容器固定连接；所述底座位于所述大理石表架底座上；
所述钢制表架与大理石表架底座为一体件；所述钢制表架一端设置有螺丝固定架，另一端设置有百分表，且百分表位于所述有机玻璃容器的正上方。
所述供水瓶包括瓶体、密封顶盖、活塞、通气管、固定架、出水口；
所述密封顶盖位于供水瓶瓶体上端，密封顶盖中心处设有通气孔，通气孔上装有活塞；
所述固定架垂直固定于供水瓶一侧，且固定架中间设有圆孔，出水口位于供水瓶的另一侧，且与所述水管固定连接；
所述通气管上端贯穿并固定于密封顶盖上，下端靠近供水瓶底部，且穿过固定架的圆孔，通气管与外界大气相连，平衡储水室与供水瓶的气压。
基于以上方案，本发明还进一步做了如下优化：
进一步地，所述有机玻璃容器、孔状渗透板、储水室、第一刻度线、进水口和底座为一体件。
进一步地，所述供水瓶、固定架、出水口、第二刻度线为一体件。
进一步地，所述水管设有流量计，且流量计位于止水夹和进水口之，流量计可以表示土壤实现最终膨胀状态的吸水量。
进一步地，所述有机玻璃容器高度为5.5cm，直径为6.18cm，有机玻璃容器一侧刻度线的量程范围为0-5.5cm，精度为毫米，进水口距有机玻璃容器底部的高度为2cm。
进一步地，所述储水室高为3cm；所述底座的厚度为0.3cm，直径为8cm；所述孔状渗透板的孔直径为1mm，孔间距为3mm。
进一步地，所述供水瓶瓶体的高度为15cm，直径为6cm；所述第二刻度线位于供水瓶瓶体上靠固定架的一侧，且量程范围为0-15cm，精度为毫米，往供水瓶中加水时，第二刻度线可方便看出吸水量。
进一步地，所述通气管的内径为0.5cm。
进一步地，所述孔状渗透板、储水室、供水瓶、密封顶盖、活塞、通气管、固定架和底座都为有机玻璃材质。
基于以上装置，本发明提供一种用于监测土壤胀缩特性的方法，包括以下步骤：
步骤一：在有机玻璃容器中的孔状渗透板上铺一层滤纸，将土壤样品按照1.4g/cm3的容重填充或者选择环刀中原状土1:1回填，填充的高度为2cm；
步骤二：填充完成后，将铝制孔状压板置于试样上，调整螺丝固定架使百分表的探针恰好触及铝制孔状压板，将百分表归零；
步骤三：先关闭止水夹，流量计归零，后给供水瓶加水，加至高度为10cm；
步骤四：准备就绪后，打开止水夹，使供水瓶中的水充满储水室，注意观察，确保储水室中的水一直处于充满状态，浸泡24h使土壤样品自下而上吸水饱和；
步骤五：读取并记录百分表在0h、0.5h、1h、3h、6h、9h、12h、15h、21h、24h时读数；
步骤六：利用下式计算土壤样品的膨胀率，主要包括土壤瞬时膨胀率δp和最终膨胀率δf。
δp＝(Ht－H0)/H0×100％ (1)
δf＝(Hf－H0)/H0×100％ (2)
上式中：Ht—某吸力时的土体膨胀高度，mm；H0—土体初始高度，mm；Hf—土体饱和高度，mm。
本发明相比现有技术的有益效果是：
(1)本发明一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置及方法，其装置简单且方便携带，其方法可以快速又精确的实现实验室内土壤胀缩特性的检测。
(2)有机玻璃容器连接了供水瓶，能够实现自动补水，供水均匀，胀缩检测系统稳定性良好。
(3)连接有机玻璃容器和供水瓶的水管上设有止水夹和流量计，可以精准控制土壤吸水量，且可以计算出每个时间段的含水量。
附图说明
图1是本发明一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置示意图；
图中，1-有机玻璃容器,2-孔状渗透板，3-储水室，4-第一刻度线，5-进水口，6-止水夹，7-供水瓶，8-密封顶盖，9-活塞，10-通气管，11-固定架，12-出水口，13-水管，14-流量计，15-底座，16-第二刻度线，17-滤纸，18-铝制孔状压板，19-钢制表架，20-百分表，21-大理石表架底座，22-螺丝固定架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示：一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置及方法，包括有机玻璃容器1、供水瓶7，水管13,钢制表架19。
其中有机玻璃容器1与供水瓶7都为圆柱形；有机玻璃容器1通常上方开口。
其中有机玻璃容器1柱体一侧设有第一刻度线4，且柱体另一侧设有进水口5；有机玻璃容器1内设有孔状渗透板2，且孔状渗透板2与有机玻璃容器1相对固定；孔状渗透板2下方为储水室3，且孔状渗透板2上铺有一层滤纸17；有机玻璃容器1底部设有底座15，且底座15与有机玻璃容器1固定连接。
其中所述钢制表架19与大理石表架底座21为一体件；所述钢制表架19一端设置有螺丝固定架22，另一端设置有百分表20，且百分表20位于所述有机玻璃容器1的正上方。
其中供水瓶7瓶体上端设有密封顶盖8，密封顶盖8中心处设有通气孔，通气孔上装有活塞9；供水瓶7内设有固定架11且固定架11垂直固定于供水瓶7一侧，固定架11中间设有圆孔，供水瓶7另一侧的下方设有出水口12；供水瓶7瓶体上靠固定架11一侧设有第二刻度线16；供水瓶7内设有通气管10，且通气管10上端贯穿并固定与密封顶盖8上，下端靠近供水瓶7的底部，且通气管10穿过固定架11的圆孔；供水瓶7本身的水源由打开密封顶盖8后注水。
其中水管13一端穿过进水口5与储水室3相通，另一端与出水口12固定连接，水管与进水口固定连接，且水管13上设有止水夹6和流量计14；且流量计14位于止水夹6和进水口5之间。
其中有机玻璃容器1、孔状渗透板2、储水室3、第一刻度线4、进水口5和底座15为一体件。
其中供水瓶7、固定架11、出水口12、第二刻度线16为一体件。
其中有机玻璃容器1的高度为5.5cm，直径为6.18cm；第一刻度线4的量程范围为0-5.5cm，精度为毫米；进水口5距有机玻璃容器1底部的高度为2cm。
其中储水室高度为3cm；底座15的厚度为0.3mm，直径为8cm；孔状渗透板2的孔直径为1mm，孔间距为3mm。
其中供水瓶7瓶体的高度为15cm，直径为6cm；第二刻度线16的量程范围为0-15cm，精度为毫米。
其中通气管10的内径为0.5cm。
其中孔状渗透板、储水室、供水瓶、密封顶盖、活塞、通气管、固定架和底座都为有机玻璃材质。
上述装置的基本工作原理为：
首先在有机玻璃容器中的孔状渗透板上铺一层滤纸，将土壤样品按照1.4g/cm3的容重填充或者选择环刀中原状土1:1回填，填充的高度为2cm；
填充完成后，在土壤样品上盖上铝制孔状压板18，调整螺丝固定架22使百分表20的探针恰好触及铝制孔状压板18，将百分表20归零；上述过程完成后关闭止水夹6，流量计14归零；给供水瓶7加水，加至高度为10cm；准备就绪后，打开止水夹6，使供水瓶7中的水充满储水室3，注意观察，确保储水室3中的水一直处于充满状态；浸泡24h使土壤样品自下而上吸水饱和。其次读取并记录百分表20在0h、0.5h、1h、3h、6h、9h、12h、15h、21h、24h时读数。最后利用下式计算土壤样品的膨胀率，主要包括土壤瞬时膨胀率δp和最终膨胀率δf。
δp＝(Ht－H0)/H0×100％ (1)
δf＝(Hf－H0)/H0×100％ (2)
上式中：Ht—某吸力时的土壤样品膨胀高度，mm；H0—土壤样品初始高度，mm；Hf—土壤样品饱和高度，mm。
Claims (9)
1.一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置，包括有机玻璃容器(1)和第一刻度线(4)，其特征在于：还包括孔状渗透板(2)、储水室(3)、水管(13)、铝制孔状压板(18)、大理石表架底座(21)；
所述有机玻璃容器(1)为圆柱形，有机玻璃容器(1)柱体一侧设有第一刻度线(4)，且柱体另一侧设有进水口(5)；
孔状渗透板(2)在有机玻璃容器(1)内相对固定，孔状渗透板(2)下方为储水室(3)，孔状渗透板(2)上铺有一层滤纸(17)；
所述水管(13)一端穿过进水口(5)与储水室(3)相通，另一端外接供水瓶(7)，且水管(13)上设有止水夹(6)；
有机玻璃容器(1)底部设有底座(15)，且底座(15)与有机玻璃容器(1)固定连接；所述底座(15)位于所述大理石表架底座(21)上；
所述钢制表架(19)与大理石表架底座(21)为一体件；所述钢制表架(19)一端设置有螺丝固定架(22)，另一端设置有百分表(20)，且百分表(20)位于所述有机玻璃容器(1)的正上方；
所述供水瓶(7)包括瓶体、密封顶盖(8)、活塞(9)、通气管(10)、固定架(11)和出水口(12)；
所述密封顶盖(8)位于供水瓶(7)瓶体上端，密封顶盖(8)中心处设有通气孔，通气孔上装有活塞(9)；
所述固定架(11)垂直固定于供水瓶(7)一侧，且固定架(11)中间设有圆孔，出水口(12)位于供水瓶(7)的另一侧，且与所述水管(13)固定连接；
所述通气管(10)上端贯穿并固定于密封顶盖(8)上，下端靠近供水瓶(7)底部，且穿过固定架(11)的圆孔。
2.根据权利要求1所述的一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置，其特征在于：所述有机玻璃容器(1)、孔状渗透板(2)、储水室(3)、第一刻度线(4)、进水口(5)和底座(15)为一体件。
3.根据权利要求1所述的一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置，其特征在于：所述供水瓶(7)、固定架(11)、出水口(12)、第二刻度线(16)为一体件。
4.根据权利要求1所述的一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置，其特征在于：所述水管(13)设有流量计(14)，且流量计(14)位于止水夹(6)和进水口(5)之间。
5.根据权利要求1所述的一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置，其特征在于：所述有机玻璃容器(1)高度为5.5cm，直径为6.18cm，第一刻度线(4)的量程范围为0-5.5cm，精度为毫米，进水口(5)距有机玻璃容器(1)底部的高度为2cm。
6.根据权利要求1所述的一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置，其特征在于：所述储水室(3)高为3cm；所述底座(15)的厚度为0.3cm，直径为8cm；所述孔状渗透板(2)的孔直径为1mm，孔间距为3mm。
7.根据权利要求4所述的一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置，其特征在于：所述供水瓶(7)瓶体的高度为15cm，直径为6cm；所述第二刻度线(16)位于供水瓶(7)瓶体上靠固定架(1)的一侧，且量程范围为0-15cm，精度为毫米。
8.根据权利要求3所述的一种用于监测土壤胀缩特性的实验装置，其特征在于：所述通气管(10)的内径为0.5cm。
9.一种用于监测土壤胀缩特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在有机玻璃容器(1)中的孔状渗透板(2)上铺一层滤纸(17)，将土壤样品按照1.4g/cm3的容重填充或者选择环刀中原状土1:1回填，填充的高度为2cm；
步骤二：填充完成后，将铝制孔状压板(18)置于试样上，调整螺丝固定架(22)使百分表(20)的探针恰好触及铝制孔状压板(18)，将百分表(20)归零；
步骤三：关闭止水夹(6)，流量计(14)归零；给供水瓶(7)加水，加至高度为10cm；
步骤四：准备就绪后，打开止水夹(6)，使供水瓶(7)中的水充满储水室(3)，注意观察，确保储水室(3)中的水一直处于充满状态，浸泡24h使土壤样品自下而上吸水饱和；
步骤五：读取并记录百分表(20)在0h、0.5h、1h、3h、6h、9h、12h、15h、21h、24h时的读数；
步骤六：利用下式计算土壤样品的膨胀率，主要包括土壤瞬时膨胀率δp和最终膨胀率δf；
δp＝(Ht－H0)/H0×100％ (1)
δf＝(Hf－H0)/H0×100％ (2)
上式中：Ht某吸力时的土体膨胀高度，mm；H0—土体初始高度，mm；Hf—土体饱和高度，mm。
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2020
- 2020-08-25 CN CN202010860887.7A patent/CN111896716B/zh active Active
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