CN113504270B - 一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪和测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪和测定方法，测定仪包括多个测定单元，测定单元包括主连接管、加热透水管、半透膜、湿敏电阻、橡胶气囊和充气管，加热透水管套设在主连接管的外部，加热透水管与主连接管之间形成测量室，半透膜设置在加热透水管的内壁上，湿敏电阻包裹在主连接管外壁上，橡胶气囊设置在测量室的下方；任意相邻的两个测定单元的充气管之间密封连通，每个充气管均与相应环形气囊相连通，最顶层的测定单元的充气管上端与外部加压设备相连通。本发明的测定方法能够在现场持续测量土体连续深度内的含水率及其变化，可以有效地监测土体的含水率变化，为滑坡灾害的预警提供重要的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及粘性土含水率测定技术领域，特别地，涉及一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪和测定方法。
背景技术
目前，获取粘性土的含水率通常有烘箱法、红外线法、酒精燃烧法和铁锅炒干法。这些方法主要存在以下缺陷：1)、均为直接根据含水率定义，现场采取土体，获得土体烘干前后的质量，前后质量差即为水的质量，测定方式简单，只能在实验室或者现场简易测定；2)、只能采取一定深度的土体进行单次测定，不能获得土体连续深度范围的含水率，获得连续范围的含水率需要多次取土重复试验测定，取土过程重复且繁琐；3)、只能获得某一时刻土体的含水率，不能获得连续时间段内土体含水率的变化。采用这几种方法获得土体含水率的变化时，需要多次取土重复试验测定，且取土需要重新开孔，操作不方便且准确性不高。
因此，本技术领域亟需一种能获取连续深度范围内的土体含水率及其变化的粘性土含水率的测定仪以及一种使用该测定仪现场测定粘性土含水率的测定方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪，能够在现场持续测量土体连续深度内的含水率及其变化，可以有效地监测土体的含水率变化，为滑坡灾害的预警提供实时监测数据和防治参数。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪，包括至少两个测定单元，所述至少两个测定单元沿所述测定单元的长度方向依次连接；每个所述测定单元均包括主连接管、加热透水管、半透膜、湿敏电阻、环形气囊和充气管，所述加热透水管套设在所述主连接管的外部，所述加热透水管与所述主连接管之间形成一环形的测量室，所述半透膜粘贴设置在所述加热透水管的内壁上，所述主连接管外壁上包裹设置有至少一个所述湿敏电阻，所述环形气囊套设在所述主连接管的外壁上且于所述测量室的下方，所述充气管设置在所述主连接管中；任意相邻的两个所述测定单元的所述充气管之间密封连通，每个所述充气管均与相应所述环形气囊相连通，最顶层的所述测定单元的所述充气管上端与外部加压设备相连通；在现场测定粘性土含水率时，将所述测定仪放置在粘性土的钻孔中，利用所述外部加压设备对所有所述环形气囊进行充气，使得所述环形气囊膨胀且其外壁逐渐挤压钻孔孔壁，并最终将所述钻孔在其深度内上下分隔为至少两个相互独立的分隔空间。
进一步的，所述加热透水管包括内外两层均布有透水孔的筒式金属壳，且内层金属壳与外层金属壳之间均布设有螺旋电热丝，并填装有用以固定所述螺旋电热丝的导热绝缘介质；所述加热透水管的底部设有引出电极，所述引出电极的一端与所述螺旋电热丝相连、另一端伸入设置在所述主连接管内。
进一步的，每个所述主连接管内均设置有与所述充气管并列设置的线路管；每个所述测定单元中的所述引出电极和所述湿敏电阻均通过线路与地表控制系统电连接，所述线路管用于保护所述线路。
进一步的，任意相邻的两个所述主连接管之间通过短程螺纹型卡合结构连接，任意相邻的两个所述充气管和两个所述线路管之间均设有上下对应的橡胶圈卡扣；在任意相邻的两个所述主连接管拧紧后，两个所述充气管以及两个所述线路管也相应地被紧密锁定连通。
进一步的，最底层的所述充气管和所述线路管的裸露接口均采用密封盖密封。
进一步的，每个所述主连接管外壁上均包裹设置有2～5个所述湿敏电阻，多个所述湿敏电阻沿所述主连接管的轴向均匀间隔分布。
进一步的，每个所述测量室下方各设置有一块支撑板，所述支撑板与相应所述主连接管的外壁相连接，所述测量室底板、所述主连接管以及所述支撑板共同构成一侧开口的环形的气囊容纳腔，所述环形气囊设置在所述气囊容纳腔中。
进一步的，所述主连接管的外壁上镀设有防水镀层；所述环形气囊为橡胶气囊。
本发明还提供一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定方法，所述测定方法包括使用上述的测定仪，所述测定方法包括以下步骤：
S1、在需要现场测定粘性土含水率的区域钻孔并取芯；
S2、对加热透水管、湿敏电阻进行核检和标定，并根据钻孔取芯情况获取所测深度范围内的土体渗透系数和土体孔隙率，以提供所需测定参数；
S3、先将所述测定仪放置在粘性土的钻孔中，再通过外部加压设备使空气进入环形气囊中，所述环形气囊的外壁向钻孔孔壁膨胀，逐渐挤压孔壁土体，使土体在钻孔深度内被分隔为多个相互独立的分隔空间；
S4、通电，加热透水管发热使所有分隔空间范围内紧贴加热透水管的土体中的自由水加速汽化，汽化后的自由水通过透水孔和半透膜进入相应的测量室内汇集；
S5、定时采用湿敏电阻测定经过一定时间加热后进入各所述测量室的自由水水汽湿度，并换算得出土体含水率。
进一步的，所述土体含水率的表达式为：
其中，w为土体含水率，pF为湿敏电阻所测湿度，λ为土体渗透系数，T为加热时间，n为土体孔隙率，
为调整系数，R为加热透水管的外径。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪，可根据需求设置多个测定单元，测定单元中的环形气囊使土体在钻孔深度内被分隔为多个相互独立的分隔空间；加热透水管通电加热使所有分隔空间范围内紧贴加热透水管的土体中的自由水加速汽化，汽化后的自由水通过透水孔和半透膜汇集到相应的测量室内；通过湿敏电阻测定各测量室内的水汽湿度，并根据加热时间和水汽湿度得出土体中的含水率。本发明的测定仪，通过一次开孔就能够在现场持续测量土体连续深度内的含水率及其变化，结构简单、操作方便，且准确性高。
(2)、本发明的测定方法运用基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪测定土体不同深度范围内含水率，较准确地反映粘性土连续深度范围中的土体含水率及其变化；本发明的测定方法可以有效地监测土体的含水率变化，为滑坡灾害的预警提供实时监测数据和防治参数。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中测定单元的立体结构示意图；
图2是本发明中测定单元的横向截面结构示意图；
其中，1-主连接管，2-加热透水管，2.1-透水孔，3-半透膜，4-湿敏电阻，5-环形气囊，6-充气管，7-线路管，8-防水镀层，a-测量室，b-气囊容纳腔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参见图1和图2，是本发明一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪的测定单元的立体结构示意图和横向截面结构示意图；其中，为了便于更好的说明测定单元的内部结构，图1中示出了其内部结构。
本实施例提供一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪，包括至少两个圆柱体形状的测定单元，至少两个测定单元沿测定单元的长度方向依次连接；任意相邻的两个测定单元之间通过一旋转卡扣结构连接。每个测定单元均包括主连接管1、加热透水管2、半透膜3、湿敏电阻4、环形气囊5和充气管6；加热透水管2套设在主连接管1的外部，加热透水管2与主连接管1之间形成一环形的测量室a；半透膜3粘贴设置在加热透水管2的内壁上，该半透膜3为人工半透膜，可允许水分子从土体中进入测量室。主连接管1外壁上包裹设置有三个湿敏电阻4，三个湿敏电阻4沿主连接管1的轴向均匀间隔分布。在工作状态下，包裹在主连接管外的湿敏电阻在控制系统的控制下，可以对测量室的湿度进行测定和记录。为了避免主连接管与水汽接触而产生生锈的问题，主连接管的外壁上镀设有防水镀层8。环形气囊5套设在主连接管1的外壁上且于测量室的下方，充气管6设置在主连接管1中；环形气囊5为橡胶气囊。本实施例的测定仪，任意相邻的两个测定单元的充气管6之间密封连通，每个充气管6均与相应环形气囊5相连通，最顶层的测定单元的充气管6上端与外部加压设备相连通。在现场测定粘性土含水率时，将测定仪放置在粘性土的钻孔中，利用外部加压设备对所有环形气囊5进行充气，使得环形气囊5膨胀且其外壁逐渐挤压钻孔孔壁，并最终将钻孔在其深度内上下分隔为至少两个相互独立的分隔空间。
在本发明一种优选的实施例中，加热透水管2包括内外两层均布有透水孔2.1的筒式金属壳，内层金属壳与外层金属壳之间均布设有螺旋电热丝，管口两端用陶瓷密封；内层金属壳与外层金属壳之间填装密实的氧化镁粉作为绝缘介质以固定螺旋电热丝。其中，螺旋电热丝可以由镍铬、铁铬合金等制成；内层金属壳和外层金属壳贯穿均布若干透水孔以便水汽进入测量室。加热透水管2的底部设有引出电极，引出电极的一端与螺旋电热丝相连，引出电极的另一端伸入设置在主连接管1内。本实施例的测定仪，螺旋电热丝通过引出电极与设置在主连接管中的线路电连接。当螺旋电热丝中有电流通过时，产生的热量通过结晶氧化镁粉向加热透水管表面扩散，再传递到被加热的介质(土体)中去，达到加热的目的。
在本发明一种优选的实施例中，每个主连接管1内均还设置有与充气管6并列设置的线路管7；每个测定单元中的引出电极和湿敏电阻均通过线路与地表控制系统电连接，线路管7起容纳和保护线路作用。可以根据实际需求现场选择合适数目的测定单元进行组合和安装；例如，某次测定需要5个测定单元，则该测定仪需5套独立完整的加热透水管和湿敏电阻测量控制线路，测定单元的控制线路设置在线路管中。本实施例的测定仪中，多个测定单元的控制线路单独设置；每个测定单元具有单独的进出气功能和测量功能。
在本发明一种优选的实施例中，旋转卡扣结构是指任意相邻的两个主连接管1之间通过短程螺纹型卡合结构连接。任意相邻的两个充气管6和两个线路管7之间均设有上下对应的橡胶圈卡扣；在任意相邻的两个主连接管拧紧后，两个充气管6以及两个线路管7也相应地被紧密锁定连通。最底层的充气管6和线路管7的裸露接口均采用密封盖密封。本实施例旋转卡扣结构丝程短螺距长、旋转角度小，使得相邻两个测定单元易于组装。
在本发明一种优选的实施例中，每个测量室a下方各设置有一块支撑板，支撑板与相应主连接管1的外壁相连接，测量室a底板、主连接管1以及支撑板共同构成一侧开口的环形的气囊容纳腔b，环形气囊5设置在气囊容纳腔b中。气囊容纳腔一侧开口设置，便于环形气囊5在充气加压后向钻孔孔壁膨胀，逐渐挤压孔壁土体，使各个单元之间的土体分隔开。
本发明的一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定方法，测定方法包括使用上述的测定仪，测定方法包括以下步骤：
(1)、在需要现场测定粘性土含水率的区域钻孔并取芯；
(2)、对加热透水管2、湿敏电阻4进行核检和标定，并根据钻孔取芯情况获取所测深度范围内的土体渗透系数和土体孔隙率，以提供所需测定参数；
(3)、先将测定仪放置在粘性土的钻孔中，再通过外部加压设备使空气进入环形气囊5中，环形气囊的外壁向钻孔孔壁膨胀，逐渐挤压孔壁土体，使土体在钻孔深度内被分隔为多个相互独立的分隔空间；
(4)、通电后，加热透水管2发热使所有分隔空间范围内紧贴加热透水管的土体中的自由水加速汽化，汽化后的自由水通过透水孔2.1和半透膜3进入相应的测量室内汇集；
(5)、定时测定土体经过一定时间加热后进入测量室的自由水水汽湿度，进而可以换算为土体的含水率。其中，土体含水率的表达式为：
其中，w为土体含水率，pF为湿敏电阻所测湿度，λ为土体渗透系数，T为加热时间，n为土体孔隙率，
为调整系数，R为加热透水管的外径。
本发明的测定方法，根据所测的区段组合安装各测量单元，可以连续测量不同时段不同深度范围内(钻孔中被气囊分隔的所有分隔空间)的土体含水率，记录并保存于存储器中或发送至终端进行相关应用和处理。本发明的测定方法在封闭的环境中，土体中的自由水经过不同时间加热后汽化，进而改变湿敏电阻阻值，最终可根据加热时间、水汽湿度等换算出土体中的含水率。
本发明的测定方法是将土体分隔，并连续测量土体不同深度范围内含水率的动态变化，土体分隔方式还可以采取电动或者液压的方式进行，但在实现过程中要保证分隔后的密闭性问题。优选地，采用橡胶气囊气动分隔较为方便和高效。
本发明的测定方法中，利用实验室中获取的土体渗透系数及孔隙率，并根据加热汽化原理测量加热汽化的效果指标湿度，以达到能够连续测量和记录土体含水量的目的，在实现过程中能够做到可控、可调和按需可取的实现方式和目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定仪，其特征在于，包括至少两个测定单元，所述至少两个测定单元沿所述测定单元的长度方向依次连接；每个所述测定单元均包括主连接管(1)、加热透水管(2)、半透膜(3)、湿敏电阻(4)、环形气囊(5)和充气管(6)，所述加热透水管(2)套设在所述主连接管(1)的外部，所述加热透水管(2)与所述主连接管(1)之间形成一环形的测量室(a)，所述半透膜(3)粘贴设置在所述加热透水管(2)的内壁上，所述主连接管(1)外壁上包裹设置有至少一个所述湿敏电阻(4)，所述环形气囊(5)套设在所述主连接管(1)的外壁上且于所述测量室的下方，所述充气管(6)设置在所述主连接管(1)中；任意相邻的两个所述测定单元的所述充气管(6)之间密封连通，每个所述充气管(6)均与相应所述环形气囊(5)相连通，最顶层的所述测定单元的所述充气管(6)上端与外部加压设备相连通；在现场测定粘性土含水率时，将所述测定仪放置在粘性土的钻孔中，利用所述外部加压设备对所有所述环形气囊(5)进行充气，使得所述环形气囊(5)膨胀且其外壁逐渐挤压钻孔孔壁，并最终将所述钻孔在其深度内上下分隔为至少两个相互独立的分隔空间。
2.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，所述加热透水管(2)包括内外两层均布有透水孔(2.1)的筒式金属壳，且内层金属壳与外层金属壳之间均布设有螺旋电热丝，并填装有用以固定所述螺旋电热丝的导热绝缘介质；所述加热透水管(2)的底部设有引出电极，所述引出电极的一端与所述螺旋电热丝相连、另一端伸入设置在所述主连接管(1)内。
3.根据权利要求2所述的测定仪，其特征在于，每个所述主连接管(1)内均设置有与所述充气管(6)并列设置的线路管(7)；每个所述测定单元中的所述引出电极和所述湿敏电阻均通过线路与地表控制系统电连接，所述线路管用于保护所述线路。
4.根据权利要求3所述的测定仪，其特征在于，任意相邻的两个所述主连接管(1)之间通过短程螺纹型卡合结构连接，任意相邻的两个所述充气管(6)和两个所述线路管(7)之间均设有上下对应的橡胶圈卡扣；在任意相邻的两个所述主连接管拧紧后，两个所述充气管(6)以及两个所述线路管(7)也相应地被紧密锁定连通。
5.根据权利要求3所述的测定仪，其特征在于，最底层的所述充气管(6)和所述线路管(7)的裸露接口均采用密封盖密封。
6.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，每个所述主连接管(1)外壁上均包裹设置有2～5个所述湿敏电阻(4)，多个所述湿敏电阻(4)沿所述主连接管(1)的轴向均匀间隔分布。
7.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，每个所述测量室(a)下方各设置有一块支撑板，所述支撑板与相应所述主连接管(1)的外壁相连接，所述测量室(a)底板、所述主连接管(1)以及所述支撑板共同构成一侧开口的环形的气囊容纳腔(b)，所述环形气囊(5)设置在所述气囊容纳腔(b)中。
8.根据权利要求1所述的测定仪，其特征在于，所述主连接管(1)的外壁上镀设有防水镀层(8)；所述环形气囊(5)为橡胶气囊。
9.一种基于加热汽化法的粘性土含水率测定方法，其特征在于，所述测定方法包括使用如权利要求1-7中任一项所述的测定仪，所述测定方法包括以下步骤：
S1、在需要现场测定粘性土含水率的区域钻孔并取芯；
S2、对加热透水管(2)、湿敏电阻(4)进行核检和标定，并根据钻孔取芯情况获取所测深度范围内的土体渗透系数和土体孔隙率，以提供所需测定参数；
S3、先将所述测定仪放置在粘性土的钻孔中，再通过外部加压设备使空气进入环形气囊(5)中，所述环形气囊的外壁向钻孔孔壁膨胀，逐渐挤压孔壁土体，使土体在钻孔深度内被分隔为多个相互独立的分隔空间；
S4、通电，加热透水管(2)发热使所有分隔空间范围内紧贴加热透水管的土体中的自由水加速汽化，汽化后的自由水通过透水孔(2.1)和半透膜(3)进入相应的测量室内汇集；
S5、定时采用湿敏电阻(4)测定经过一定时间加热后进入各所述测量室的自由水水汽湿度，并换算得出土体含水率；所述土体含水率的表达式为：
其中，w为土体含水率，pF为湿敏电阻所测湿度，λ为土体渗透系数，T为加热时间，n为土体孔隙率，
为调整系数，R为加热透水管的外径。
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