CN111999211A - 土壤孔隙水密度的获取方法 - Google Patents

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陈仁朋
邱泽敏
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Abstract

本发明公开一种土壤孔隙水密度的获取方法，包括如下步骤：S1、选取若干组土样烘干至完全干燥，测量并记录各干燥土样质量；S2、将各干燥土样分别放入氦气比重计中，测量并记录各干燥土样体积；S3、将各干燥土样放入对应的湿度控制瓶中，以能够得到达到指定热力学平衡状态的润湿土样；S4、将各润湿土样移出对应的湿度控制瓶，测量并记录各润湿土样质量；S5、将各润湿土样分别放入氦气比重计中，测量并记录各润湿土样体积；S6、根据以下公式计算土壤孔隙水密度：
Figure DDA0002623645990000011
式中，i为第i组土样，Mtw为润湿土样质量，Mtd为干燥土样质量，Vtw为润湿土样体积，Vtd为干燥土样体积。本发明能够准确测定土壤特别是黏性土孔隙水密度的方法，是研究特殊土力学行为的基础。

Description

土壤孔隙水密度的获取方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术，具体地，涉及一种土壤孔隙水密度的获取方法。
背景技术
土壤中孔隙水包括吸附水和毛细水，吸附水是由于土水之间的范德华力、电场力等物理化学力的作用紧紧吸附在土颗粒表面的薄膜状水层，由于吸附作用，该薄膜状水层中的水分子相互挤压，致使该区域水密度大于自由水密度，随着离土颗粒表面越远，这种吸附作用会逐渐减弱；毛细水是指在土颗粒形成的毛细孔隙中，由于毛细作用吸附而储存在土壤中的水，产生了负的孔隙水压，水分子的间距变大，致使该区域水密度小于自由水密度。土壤孔隙水密度是表征多种土的基本特性参数(例如体积水含量、比表面积、孔隙水压力和基质势等)的基础。但是，土壤中孔隙涉及众多纳米级孔径，现有技术难以探测纳米孔中物质的体积或密度，不能得到土壤孔隙水准确密度，目前仍缺乏能够准确测定不同含水量下土壤孔隙水密度的技术。
因此，需要设计一种新的土壤孔隙水的密度的获取方法，以能够解决上述技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种土壤孔隙水密度的获取方法，该土壤孔隙水密度的获取方法能够准确测定土壤特别是黏性土孔隙水密度的方法，是研究特殊土力学行为的基础。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种土壤孔隙水密度的获取方法，其中，包括如下步骤：S1、选取若干组土样烘干至完全干燥，测量并记录各干燥土样的质量；S2、将各所述干燥土样分别放入氦气比重计中，测量并记录各所述干燥土样的体积；S3、将各所述干燥土样放入对应的湿度控制瓶中，以能够得到达到指定热力学平衡状态的润湿土样；S4、将各所述润湿土样移出对应的所述湿度控制瓶，测量并记录各所述润湿土样的质量；S5、将各所述润湿土样分别放入所述氦气比重计中，测量并记录各所述润湿土样的体积；S6、根据以下公式计算土壤孔隙水的密度：
Figure BDA0002623645970000021
式中，i为第i组土样，Mtw为所述润湿土样的质量，Mtd为所述干燥土样的质量，Vtw为所述润湿土样的体积，Vtd为所述干燥土样的体积。
典型地，所述氦气比重计包括样本室和参照室，所述样本室与所述参照室之间管路上设置有压力检测装置和气阀。
优选地，在步骤S2中，将各所述干燥土样分别放入所述氦气比重计的样本室中，关闭所述气阀，调整所述样本室内的气压P1，此时系统对应的气体状态方程为P1(Vc－Vtd)＝nRT；打开所述气阀，待气流稳定后，读取气压P2，此时系统对应的气体状态方程为P2(Vc－Vtd+Vr)＝nRT；通过两个气体状态方程计算得到所述干燥土样的体积；式中，Vc为样本室的体积，Vr为参照室的体积，Vtd为所述干燥土样的体积，n为气体的物质的量，R为气体常量，T为系统温度。
优选地，在步骤S5中，将各所述润湿土样分别放入所述氦气比重计的样本室中，关闭所述气阀，调整所述样本室内的气压P3，此时系统对应的气体状态方程为P3(Vc－Vtw)＝nRT；打开所述气阀，待气流稳定后，读取气压P4，此时系统对应的气体状态方程为P4(Vc－Vtw+Vr)＝nRT；通过两个气体状态方程计算得到所述润湿土样的体积；式中，Vc为样本室的体积，Vr为参照室的体积，Vtw为所述润湿土样的体积，n为气体的物质的量，R为气体常量，T为系统温度。
具体地，所述压力检测装置为压力传感器。
可选地，选取的所述土样的组数为14组。
可选地，所述湿度控制瓶内布置有饱和盐溶液。
进一步地，所述饱和盐溶液包括LiBr饱和盐溶液、ZnBr2饱和盐溶液、LiCl饱和盐溶液、LiI饱和盐溶液、MgCl2饱和盐溶液、K2CO3饱和盐溶液、NaBr饱和盐溶液、KI饱和盐溶液、NaNO3饱和盐溶液、NaCl饱和盐溶液、KBr饱和盐溶液、KCl饱和盐溶液、KNO3饱和盐溶液和K2SO4饱和盐溶液。
具体地，各种所述湿度控制瓶内形成指定相对湿度，以能够得到所述润湿土样。
通过上述技术方案，本发明的有益效果如下：
在本发明的基本技术方案中，先测量干燥土样的质量以及体积，再利用湿度控制瓶，得到润湿土样，并测量润湿土样的质量和体积，然后，根据润湿土样与干燥土样的质量差与体积差的比值，得到土壤孔隙水密度，克服现有技术难以准确测定孔隙水密度的问题，能够更好地辅助对多种特殊土基本特性的研究，为探究土-水相互作用、特殊土力学行为提供一种新的途径。
有关本发明的其它优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。
附图说明
下列附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，其与下述的具体实施方式一起用于解释本发明，但本发明的保护范围并不局限于下述附图及具体实施方式。在附图中：
图1是本发明具体实施方式的土壤孔隙水的密度的获取方法的流程框图；
图2是本发明具体实施方式的氦气比重计的工作原理图，其中，气阀关闭；
图3是本发明具体实施方式的氦气比重计的工作原理图，其中，气阀打开；
图4是本发明具体实施方式的饱和盐溶液种类和相对湿度RH的图表。
附图标记说明
1样本室 2参照室
3压力检测装置 4气阀
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“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，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
密度是物质的最基本物理指标之一。因此，土壤孔隙水密度是研究特殊土力学行为的基础，例如，体积水含量，比表面积，孔隙水压力和基质势；体积含水量是指土壤中水的体积和土壤干燥时的体积的比值，用于表示土壤的含水量；区别于重力含水量，重力含水量是指土壤中水的质量和土壤干燥时的质量的比值；若土颗粒表面上的水层密度发生改变，则会影响体积含水量的准确性；比表面积是指单位质量物料所具有的总面积，是评价粘土类矿物环境岩土特性及工程力学行为的重要指标之一；孔隙水压力是指土壤或岩石中地下水的压力，该压力作用于微粒或孔隙之间，其分为静孔隙水压力和超静孔隙水压力；由于吸附作用的紧密吸附，土颗粒表面水膜的水分子排列变得紧密，水分子相互挤压，致使吸附的水膜的水压高于自由水的水压，可见，孔隙水密度是孔隙水压问题的解决关键，可作为纳米孔中孔隙水压间接测量指标；基质势是指在恒温恒高条件下水由自由水状态转化为土中水状态所对应的单位体积自由能变化量，该物理量是非饱和土力学的基本指标，其定义涉及到孔隙水密度；因此，基质势也与孔隙水密度是相关的。
由上可知，对土壤孔隙水密度的测量具有非常重要的意义；但是，土壤中孔隙涉及众多纳米级孔径，现有技术难以探测纳米孔中物质的体积或密度，不能得到土壤孔隙水准确密度；为此，本发明针对上述两种持水机制的孔隙水，即由于土水之间的范德华力、电场力等物理化学力的作用紧紧吸附在土颗粒表面的薄膜状水层、以及由于毛细作用吸附而储存在土壤中的毛细水，利用能够探测纳米孔的氦气比重计，提供了一种土壤孔隙水密度的获取方法，以能够得到准确的土壤孔隙水密度，以下结合具体实施方式对本发明的土壤孔隙水密度的获取方法进行较为详细地说明。
如图1所示，本发明基本实施方式的土壤孔隙水密度的获取方法，其中，包括如下步骤：
S1、选取若干组土样烘干至完全干燥，测量并记录各干燥土样的质量；
S2、将各所述干燥土样分别放入氦气比重计中，测量并记录各所述干燥土样的体积；
S3、将各所述干燥土样放入对应的湿度控制瓶中，以能够得到达到指定热力学平衡状态的润湿土样；
S4、将各所述润湿土样移出对应的所述湿度控制瓶，测量并记录各所述润湿土样的质量；
S5、将各所述润湿土样分别放入所述氦气比重计中，测量并记录各所述润湿土样的体积；
S6、根据以下公式计算土壤孔隙水密度：
Figure BDA0002623645970000061
式中，i为第i组土样，Mtw为所述润湿土样的质量，Mtd为所述干燥土样的质量，Vtw为所述润湿土样的体积，Vtd为所述干燥土样的体积。
将土壤样品放在烘箱里进行烘干，每隔一段时间取出称重一次，直至称重恒定时，得到的恒定的质量，为干燥土样的质量，通过上述方式，能够保证干燥土样的质量的准确性。然后，将干燥土样放入氦气比重计中，以得到干燥土样的体积。
如果把干燥土样重新放在常温、常压的大气之中，干燥土样的质量又逐渐增加，直到与当时空气湿度达到平衡为止，并且随着空气湿度的高低变化而相应地作增减变动，上述现象说明土壤有显著持水能力；为此，可以将干燥土样放入湿度控制瓶中，湿度控制瓶可以营造一种指定相对湿度的环境，从而得到达到指定热力学平衡状态的润湿土样，然后可以测量润湿土样的质量，并利用氦气比重计得到润湿土样的体积，根据润湿土样与干燥土样的质量差与体积差的比值，就可以得出一组土壤孔隙水密度。其中，“热力学平衡状态”是指饱和土样中的水分在某一相对湿度空气中，水分蒸发，降低了孔隙水中的势，当进行到一定程度时，各处孔隙水的势相等，水的蒸发和蒸汽的液化处于动态平衡，此时视为达到热力学平衡状态；而且不同的相对湿度环境可以致使土样达到不同的平衡状态，从而获得不同含水量的土样，为此，可以指定一种相对湿度环境，以获得指定热力学平衡状态的土样。
重复上述过程可以得到多组土壤孔隙水密度，而且，在不同含水量的情况下，得到不同的土壤孔隙水密度；主要原因在于：吸附水紧附于土壤颗粒表面，由于吸附作用使得水分子相互挤压，所以，其密度会高于自由水；毛细水存在于土壤孔隙中，具有流动性，受制于毛细作用，使得毛细水压低于外界气压(此时毛细水压即为负的孔隙水压)，所以，其密度低于自由水。当吸附水和毛细水同时存在时，在低含水量状态下，吸附作用主导，吸附水的密度会高于自由水；在高含水量状态下，毛细作用主导，毛细水的密度会低于自由水；从而，各组土壤孔隙水的密度各不相同。这样，便于研究各组土壤孔隙水密度对应的基本土壤特性，在工业、农业、建筑业等不同行业，提供一种新途径，以探究土-水相互作用。
此外，用氦气比重计测量土壤孔隙水密度的方法相较于传统的排水测量方法较为简便，且大大缩短用时，提高了试验效率和试验结果的精度。传统排水测量法是将土壤浸泡在水中至土样完全饱和，需要长时间的等待，而且其中可能还有气体因无法及时排出，以闭合气泡形式存在于土样中，无法达到完全饱和，致使测量体积不准确；同时，采用传统的排水测量方法测量完全干燥的土样的体积时，会使土颗粒表面的水因土颗粒的吸附作用导致水的性质发生变化(如密度增大，体积则变小)，这也会导致测量结果的不准确；选择使用氦气比重计进行测量土样体积，是因为氦气的原子大小是所有惰性气体中最小的，它可以到达土样中纳米级的孔隙，而且性质稳定，不易与土壤中的其他物质发生反应等导致其物理化学性质发生变化，氦气比重计测量土壤孔隙水密度的方法相较于传统的排水测量方法要节约很多时间，且能大大提高试验结果的精度。
在具体实施方式中，氦气比重计主要由样本室1和参照室2两部分构成，样本室1与参照室2通过管路连接，在管路上安装压力检测装置3和气阀4，其中，压力检测装置3可以为现有的用于检测气压的设备，优选为压力传感器，如气体压力传感器；通过气阀4的开闭，能够控制样本室1与参照室2之间的连通与切断，根据两个气体状态方程，得出土样的体积。
参照图2和图3，图2示出了气阀4关闭时样本室1和参照室2所处的压力状态，图3示出了气阀4开启后样本室1和参照室2所处的压力状态；以干燥土样为例，选取一组干燥土样放入氦气比重计的样本室1中，关闭气阀4，使样本室1和参照室2中处于真空状态，向样本室1中注入氦气，调整样本室1内的气压为P1，此时，系统对应的气体状态方程为P1(Vc－Vtd)＝nRT；然后，打开气阀4，待气体稳定后，通过压力检测装置3读取压力P2，此时，系统对应的气体状态方程为P2(Vc－Vtd+Vr)＝nRT；从而通过上述两个气体状态方程可以计算得到干燥土样的体积；以此类推，其它各组干燥土样的体积也可以通过上述步骤得到；其中，Vc为样本室的体积，Vr为参照室的体积，Vtd为所述干燥土样的体积，n为气体的物质的量，R为气体常量，T为系统温度。
同理地，以润湿土样为例，选取一组润湿土样放入氦气比重计的样本室1中，关闭气阀4，使样本室1和参照室2中处于真空状态，向样本室1中注入氦气，调整样本室1内的气压为P3，此时，系统对应的气体状态方程为P3(Vc－Vtw)＝nRT；然后，打开气阀4，待气体稳定后，通过压力检测装置3读取压力P4，此时，系统对应的气体状态方程为P4(Vc－Vtw+Vr)＝nRT；从而通过上述两个气体状态方程可以计算得到润湿土样的体积；以此类推，其它各组润湿土样的体积也可以通过上述步骤得到；其中，Vc为样本室的体积，Vr为参照室的体积，Vtw为所述润湿土样的体积，n为气体的物质的量，R为气体常量，T为系统温度。
在具体实施例中，湿度控制瓶内布置饱和盐溶液，以能够在湿度控制瓶内形成指定的相对湿度的气体环境，使干燥土样充分持水稳定，得到润湿土样；下面以14组土样为例进行说明，饱和盐溶液的种类与土样组数对应。
参照图4，14组土样分别与一种饱和盐溶液对应，每种饱和的盐溶液在相同的温度下，每个湿度控制瓶内营造指定的相对湿度(RH)的气体环境，使得每个湿度控制瓶内的干燥土样获得相应的持水量，从而形成对应的润湿土样。在具体实施例中，14个湿度控制瓶中分别放置LiBr饱和盐溶液、ZnBr2饱和盐溶液、LiCl饱和盐溶液、LiI饱和盐溶液、MgCl2饱和盐溶液、K2CO3饱和盐溶液、NaBr饱和盐溶液、KI饱和盐溶液、NaNO3饱和盐溶液、NaCl饱和盐溶液、KBr饱和盐溶液、KCl饱和盐溶液、KNO3饱和盐溶液和K2SO4饱和盐溶液，对应的相对湿度(RH)分别为6.37％、7.75％、11.30％、17.56％、32.78％、43.16％、57.57％、68.86％、74.25％、75.29％、80.89％、84.34％、93.58％以及97.3％。
为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合相对优选的技术特征进行说明。
如图1至图4所示，本发明优选实施方式的土壤孔隙水密度的获取方法，包括如下步骤：
将14组土样放入烘箱里进行烘烤，进行多次烘干，利用电子天平称重，直至称重恒定，得到14组干燥土样的质量；
将14组干燥土样分别依次放入氦气比重计的样本室1中，关闭气阀4，再使样本室1和参照室2中形成真空环境，然后向样本室1中注入氦气，使样本室1内的压力为P1，此时，系统对应的气体状态方程为P1(Vc－Vtd)＝nRT；打开气阀4，待气体稳定后，通过压力检测装置3，读取样本室1内的压力P2，此时系统对应的气体状态方程为P2(Vc－Vtd+Vr)＝nRT；通过两个气体状态方程计算得到各组干燥土样的体积；Vc为样本室的体积，Vr为参照室的体积，Vtd为所述干燥土样的体积，n为气体的物质的量，R为气体常量，T为系统温度；
将14组干燥土样分别放入具有LiBr饱和盐溶液、ZnBr2饱和盐溶液、LiCl饱和盐溶液、LiI饱和盐溶液、MgCl2饱和盐溶液、K2CO3饱和盐溶液、NaBr饱和盐溶液、KI饱和盐溶液、NaNO3饱和盐溶液、NaCl饱和盐溶液、KBr饱和盐溶液、KCl饱和盐溶液、KNO3饱和盐溶液和K2SO4饱和盐溶液的湿度控制瓶，使各组干燥土样分别持水稳定，得到14组润湿土样；
利用电子天平，测量并记录各组润湿土样的质量；
将14组润湿土样分别依次放入氦气比重计的样本室1中，关闭气阀4，再使样本室1和参照室2中形成真空环境，然后向样本室1中注入氦气，使样本室1内的压力为P3，此时，系统对应的气体状态方程为P3(Vc－Vtw)＝nRT；打开气阀4，待气体稳定后，通过压力检测装置3，读取样本室1内的压力P4，此时系统对应的气体状态方程为P4(Vc－Vtw+Vr)＝nRT；通过两个气体状态方程计算得到各组润湿土样的体积；式中，Vc为样本室的体积，Vr为参照室的体积，Vtw为所述润湿土样的体积，n为气体的物质的量，R为气体常量，T为系统温度；
将润湿土样移出氦气比重计，并放入对应的湿度控制瓶中，以备后用；
根据公式
Figure BDA0002623645970000101
计算各组土样的土壤孔隙水密度，式中，i为第i组土样，Mtw为润湿土样的质量，Mtd为干燥土样的质量，Vtw为润湿土样的体积，Vtd为干燥土样的体积。
由上述技术方案可知，本发明的土壤孔隙水密度的获取方法简洁精巧，能够得到较为精准的土壤孔隙水的密度，作为首个能够准确测定土壤特别是黏性土孔隙水密度的方法，提供了一种新途径来探究土-水相互作用和特殊土力学行为；此外，还可以潜在地调和土壤孔隙水密度上下界的争议(即有认为是小于1g/cm3，也有认为是大于1g/cm3)。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种土壤孔隙水密度的获取方法，其中，包括如下步骤：
S1、选取若干组土样烘干至完全干燥，测量并记录各干燥土样的质量；
S2、将各所述干燥土样分别放入氦气比重计中，测量并记录各所述干燥土样的体积；
S3、将各所述干燥土样放入对应的湿度控制瓶中，以能够得到达到指定热力学平衡状态的润湿土样；
S4、将各所述润湿土样移出对应的所述湿度控制瓶，测量并记录各所述润湿土样的质量；
S5、将各所述润湿土样分别放入所述氦气比重计中，测量并记录各所述润湿土样的体积；
S6、根据以下公式计算土壤孔隙水密度：
Figure FDA0002623645960000011
式中，i为第i组土样，Mtw为所述润湿土样的质量，Mtd为所述干燥土样的质量，Vtw为所述润湿土样的体积，Vtd为所述干燥土样的体积。
2.根据权利要求1所述的土壤孔隙水密度的获取方法，其中，所述氦气比重计包括样本室(1)和参照室(2)，所述样本室(1)与所述参照室(2)之间管路上设置有压力检测装置(3)和气阀(4)。
3.根据权利要求2所述的土壤孔隙水密度的获取方法，其中，在步骤S2中，将各所述干燥土样分别放入所述氦气比重计的样本室(1)中，关闭所述气阀(4)，调整所述样本室(1)内的气压P1，此时系统对应的气体状态方程为P1(Vc－Vtd)＝nRT；打开所述气阀(4)，待气流稳定后，读取气压P2，此时系统对应的气体状态方程为P2(Vc－Vtd+Vr)＝nRT；通过两个气体状态方程计算得到所述干燥土样的体积；
式中，Vc为样本室的体积，Vr为参照室的体积，Vtd为所述干燥土样的体积，n为气体的物质的量，R为气体常量，T为系统温度。
4.根据权利要求2所述的土壤孔隙水密度的获取方法，其中，在步骤S5中，将各所述润湿土样分别放入所述氦气比重计的样本室(1)中，关闭所述气阀(4)，调整所述样本室内(1)的气压P3，此时系统对应的气体状态方程为P3(Vc－Vtw)＝nRT；打开所述气阀(4)，待气流稳定后，读取气压P4，此时系统对应的气体状态方程为P4(Vc－Vtw+Vr)＝nRT；通过两个气体状态方程计算得到所述润湿土样的体积；
式中，Vc为样本室的体积，Vr为参照室的体积，Vtw为所述润湿土样的体积，n为气体的物质的量，R为气体常量，T为系统温度。
5.根据权利要求2所述的土壤孔隙水密度的获取方法，其中，所述压力检测装置(3)为压力传感器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的土壤孔隙水密度的获取方法，其中，选取的所述土样的组数为14组。
7.根据权利要求6所述的土壤孔隙水密度的获取方法，其中，所述湿度控制瓶内布置有饱和盐溶液。
8.根据权利要求7所述的土壤孔隙水密度的获取方法，其中，所述饱和盐溶液包括LiBr饱和盐溶液、ZnBr2饱和盐溶液、LiCl饱和盐溶液、LiI饱和盐溶液、MgCl2饱和盐溶液、K2CO3饱和盐溶液、NaBr饱和盐溶液、KI饱和盐溶液、NaNO3饱和盐溶液、NaCl饱和盐溶液、KBr饱和盐溶液、KCl饱和盐溶液、KNO3饱和盐溶液和K2SO4饱和盐溶液。
9.根据权利要求8所述的土壤孔隙水密度的获取方法，其中，各种所述湿度控制瓶内形成指定相对湿度，以能够得到所述润湿土样。
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