CN114813441B - 一种基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法 - Google Patents

一种基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，在利用轴平移技术进行土样土水特征曲线测量的同时，利用图像分析技术对土样的体积变化进行监测，通过变化后的体积值计算任意一级吸力（气压）作用下土样的体积含水率和饱和度，从而使土水特征曲线的试验结果更加精确，消除传统方法无法测量试验过程中土样体积变化而引起的较大的误差。本发明可以针对同一土样连续测量其土水特征曲线的脱湿和吸湿段，弥补了通常所用的基于轴平移技术的压力板仪只能测量土样土水特征曲线脱湿段的不足。

Description

一种基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种土水特征曲线测量方法，更具体地，涉及一种基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法。
背景技术
自然界的地表土是由土颗粒、土中水和土中气构成，常常处于非饱和状态。土体的土水特征曲线表征了土中水的含量（质量含水率、体积含水率或饱和度）和其能量（土体吸力）之间的关系。土水特征曲线不仅是非饱和土的基本物理特征，更是非饱和土力学理论和实践中的必要参数。
土体的土水特征曲线有多种方法测量，应用较广泛的是轴平移技术，该方法主要用于测量土样含水率较高时的土水特征曲线。其技术原理是：向土样施加高压空气，将土中水排出。在某一气体压力（即吸力）下，排出的水量为定值，据此可推断该吸力下的土体含水率，得到土水特征曲线。
目前，利用轴平移技术测量土水特征曲线时，土样在脱湿过程中的体积变化并不被考虑，始终以初始体积为标准计算体积含水率和饱和度，导致土样在各级吸力下体积含水率和饱和度存在误差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，在利用轴平移技术测量土水特征曲线的同时定量测量土样的体积变化。据此，可以准确确定土样在各级吸力下的体积含水率和饱和度。
本发明的试验装置结构如下：
本发明试验装置包括一个圆筒形的有机玻璃模具，有机玻璃模具的底部连接有圆盘形底座、顶部连接有盖板，底座和盖板与有机玻璃模具可拆卸连接。底座与盖板扣设于有机玻璃模具上时，两个接触面采用密封连接方式，防止空气泄漏造成有机玻璃模具内压力损失。底座上放置有与有机玻璃模具内径适配的陶瓷板，试验前，需对陶瓷板浸水饱和处理。底座的中心设有出水孔，出水孔底部连接有导管，导管远端连接竖直的毛细管，毛细管上设有竖直的刻度线，便于读取毛细管中水量变化值。由于该试验时间较长，为防止毛细管内水体蒸发影响数据的准确性，毛细管顶部的开口处连接有降低水体蒸发的开孔橡皮塞。
盖板上设有用于向有机玻璃模具内输入压缩气体的压缩气体入口，压缩气体入口连接有输气管，输气管上连接有压力调节组件和气源。气源采用气泵提供压缩空气，压力调节组件可调节气压值，便于控制输入有机玻璃模具内的气压；或通过调节气泵的功率实现气压调节。
一种基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，包括以下步骤：
1）获取待测试用饱和土样，并测量土样的总质量，干土质量ms，初始质量含水率ω0；
2）将土样放置于土水特征曲线测量装置的有机玻璃模具中，土样底部紧贴有机玻璃模具底部的饱和陶瓷板，土样四周紧贴有机玻璃模具的内壁，然后测量放入有机玻璃模具后土样的体积V0；
3）向有机玻璃模具中输入压缩气体，压缩气体对土样施加气体压力；在气体压力作用下，土样中的水逐渐向下渗透并排出土样外，排出的水穿过陶瓷板后经导管进入用于读取排出水量的毛细管中；
压缩气体的气压由小到大呈阶梯式逐级增加，试验时首先将气体压力调整至第一级气压，使土样中的水在第一级气压之下达到脱湿平衡；当毛细管中液面不再上升时，说明在第一级气压下土样已不再脱水，达到脱湿平衡；
读取在第一级气压下达到脱湿平衡后毛细管的液面高度，换算成排出水的质量△m1；再测量有机玻璃模具中土样的体积V1；可得第一级气压下对应的土样质量含水率ω1：
（1）
根据土样质量含水率ω1、水的密度ρw以及土颗粒密度ρs，可以计算得出第一级气压下土样的体积含水率θ1和饱和度S1；
（2）
（3）
4）将气压提高至第二级气压，重复步骤3）的步骤测量对应参数……直至第n级气压下，毛细管中液面不再上升时，说明在第n级气压下土样已不再脱水，即达到了脱湿平衡；
获取第二级气压、第三级气压……第n级气压下排出水的质量△m2，△m3……△mn，有机玻璃模具中土样的体积V2，V3……Vn，对应的土样质量含水率ω2，ω3……ωn；
进而得出对应气压等级下土样的体积含水率θ2，θ3……θn；以及饱和度S2，S3……Sn；
5）根据步骤3）和4）获取的数据，分别以土样质量含水率、体积含水率和饱和度为纵坐标，以对应气压为横坐标绘制土水特征曲线。
本发明步骤3）土样体积测量可采用多种方式，以下列举两种方案。
方案a：采用摄像头拍摄土样上表面并计算得到其面积S0，读取土样高度值h0，获取土样体积V0=S0×h0。
采用方案a时，在盖板下表面的中心固定设置有朝下摄像头，摄像头中心对准土样上表面的中心，摄像头通过信号传输线连接至上位机。摄像头采用自动对焦或手动对焦模式，将焦点对准土样上表面的中心进行拍照，拍摄的照片包括土样上表面和边缘的有机玻璃模具。将照片导入图像分析软件中，由于有机玻璃模具内径为定值，通过测量有机玻璃模具内径所对应的像素值得到每一像素所对应的长度（如：0.1毫米/像素）；通过测量土样上表面直径所对应的像素值，依据毫米-像素比例系数可得到土样上表面的直径（通过多次测量求取直径的平均值，可降低直径数据的误差，提高数据的精确度），进而计算得到土样上表面的面积S0；后续对面积S1、S2……Sn的测量参照上述方案。随着试验的进行，土样高度逐渐降低，土样上表面与摄像头之间的距离逐渐变大，需及时调整焦距，保证拍摄的图片清晰。
有机玻璃模具外表面设有至少3道竖直的刻度线，3道刻度线呈环形分布，相邻刻度线夹角120°，若有机玻璃模具直径较大，可合理增加刻度线数量。通过3道刻度线获取土样高度值，再求取平均值可得土样高度值h0，通过多道刻度线求取平均值，可降低高度数据的误差，提高数据的精确度。
方案b：采用激光雷达三维扫描土样并生成土样的三维立体图，通过三维立体图获取土样体积V0。
采用方案b时，本发明围绕有机玻璃模具周向固定有多个激光雷达，各激光雷达头端对准有机玻璃模具中心，各激光雷达扫描图像合并后形成土样的三维立体图。或围绕有机玻璃模具设置水平的环形轨道，环形轨道上固定有激光雷达，激光雷达头端对准有机玻璃模具中心，激光雷达绕环形轨道转动一周可扫描并形成土样的三维立体图。
本发明步骤3）中，相邻气压等级之间相差10-50kPa，第n级气压的最大值不超过480kPa。
本发明的有益效果在于：
1.在利用轴平移技术进行土样土水特征曲线测量的同时，利用图像分析技术或激光雷达技术对土样的体积变化进行监测，据此可计算任意一级吸力（气压）作用下土样的体积含水率和饱和度，从而使土水特征曲线的试验结果更加精确，消除传统方法无法测量试验过程中土样体积变化而引起的较大误差的问题；
2.利用与陶瓷板相连的导管和毛细管，可以确定试验过程中土样在任意一级吸力作用下的脱水或吸水量，因此本发明可以针对同一土样连续测量其土水特征曲线的脱湿和吸湿段，弥补了通常所用的基于轴平移技术的压力板仪只能测量土样土水特征曲线脱湿段的不足。
附图说明
图1是本发明试验装置的结构示意图；
图2是本发明土样脱湿过程中体积变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，包括以下步骤：
1）获取待测试用饱和土样，并测量土样的总质量，干土质量ms，初始质量含水率ω0；
2）将土样放置于土水特征曲线测量装置的有机玻璃模具中，土样底部紧贴有机玻璃模具底部的饱和陶瓷板，土样四周紧贴有机玻璃模具的内壁，然后测量放入有机玻璃模具后土样的体积V0；
3）向有机玻璃模具中输入压缩气体，压缩气体对土样施加气体压力；在气体压力作用下，土样中的水逐渐向下渗透并排出土样外，排出的水穿过陶瓷板后经导管进入用于读取排出水量的毛细管中；
压缩气体的气压由小到大呈阶梯式逐级增加，试验时首先将气体压力调整至第一级气压，使土样中的水在第一级气压之下达到脱湿平衡；当毛细管中液面不再上升时，说明在第一级气压下土样已不再脱水，达到脱湿平衡；
读取在第一级气压下达到脱湿平衡后毛细管的液面高度，换算成排出水的质量△m1；再测量有机玻璃模具中土样的体积V1；可得第一级气压下对应的土样质量含水率ω1：
（1）
根据土样质量含水率ω1、水的密度ρw以及土颗粒密度ρs，可以计算得出第一级气压下土样的体积含水率θ1和饱和度S1；
（2）
（3）
4）将气压提高至第二级气压，重复步骤3）的步骤测量对应参数……直至第n级气压下，毛细管中液面不再上升时，说明在第n级气压下土样已不再脱水，即达到了脱湿平衡；
获取第二级气压、第三级气压……第n级气压下排出水的质量△m2，△m3……△mn，有机玻璃模具中土样的体积V2，V3……Vn，对应的土样质量含水率ω2，ω3……ωn；
进而得出对应气压等级下土样的体积含水率θ2，θ3……θn；以及饱和度S2，S3……Sn；
5）根据步骤3）和4）获取的数据，分别以土样质量含水率、体积含水率和饱和度为纵坐标，以对应气压为横坐标绘制土水特征曲线。

Claims (10)

1.一种基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）获取待测试用饱和土样，并测量土样的总质量，干土质量ms，初始质量含水率ω0；
2）将土样放置于土水特征曲线测量装置的有机玻璃模具中，土样底部紧贴有机玻璃模具底部的饱和陶瓷板，土样四周紧贴有机玻璃模具的内壁，然后测量放入有机玻璃模具后土样的体积V0；
3）向有机玻璃模具中输入压缩气体，压缩气体对土样施加气体压力；在气体压力作用下，土样中的水逐渐向下渗透并排出土样外，排出的水穿过陶瓷板后经导管进入用于读取排出水量的毛细管中；
压缩气体的气压由小到大呈阶梯式逐级增加，试验时首先将气体压力调整至第一级气压，使土样中的水在第一级气压之下达到脱湿平衡；当毛细管中液面不再上升时，说明在第一级气压下土样已不再脱水，达到脱湿平衡；
读取在第一级气压下达到脱湿平衡后毛细管的液面高度，换算成排出水的质量△m1；再测量有机玻璃模具中土样的体积V1；可得第一级气压下对应的土样质量含水率ω1：
（1）
根据土样质量含水率ω1、水的密度ρw以及土颗粒密度ρs，可以计算得出第一级气压下土样的体积含水率θ1和饱和度S1；
（2）
（3）
4）将气压提高至第二级气压，重复步骤3）的步骤测量对应参数……直至第n级气压下，毛细管中液面不再上升时，说明在第n级气压下土样已不再脱水，即达到了脱湿平衡；
获取第二级气压、第三级气压……第n级气压下排出水的质量△m2，△m3……△mn，有机玻璃模具中土样的体积V2，V3……Vn，对应的土样质量含水率ω2，ω3……ωn；
进而得出对应气压等级下土样的体积含水率θ2，θ3……θn；以及饱和度S2，S3……Sn；
5）根据步骤3）和4）获取的数据，分别以土样质量含水率、体积含水率和饱和度为纵坐标，以对应气压为横坐标绘制土水特征曲线。
2.根据权利要求1所述的基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，所述有机玻璃模具为圆筒形，底部连接有底座、顶部连接有盖板，底座与盖板连接至有机玻璃模具上时，上下两个接触面均密封连接；底座上放置有与有机玻璃模具内径适配的陶瓷板，底座中部设有出水孔，出水孔底部连接有导管，导管远端连接竖直的毛细管，毛细管用于读取从土样中排出的水的液位高度；盖板上设有用于向有机玻璃模具内输入压缩气体的压缩气体入口，压缩气体入口连接有输气管，输气管上连接有压力调节组件和气源。
3.根据权利要求2所述的基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，所述步骤3）土样体积测量采用拍照装置拍摄土样上表面并计算得到其面积S0，读取土样高度值h0，获取土样体积V0=S0×h0。
4.根据权利要求3所述的基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，所述盖板下表面的中心固定有摄像头，摄像头对准土样上表面的中心，摄像头通过信号传输线连接至上位机；有机玻璃模具表面沿竖直方向设有至少3道刻度线，通过刻度线读取土样高度值h0。
5.根据权利要求1所述的基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，所述步骤3）中土样体积通过激光雷达三维扫描土样并生成土样的三维立体图，通过三维立体图计算获取土样体积V0。
6.根据权利要求5所述的基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，沿周向围绕有机玻璃模具固定有多个激光雷达，各激光雷达头端对准有机玻璃模具中心，各激光雷达扫描图像合并后形成土样的三维立体图。
7.根据权利要求5所述的基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，沿周向围绕有机玻璃模具设有水平的环形轨道，环形轨道上固定有激光雷达，激光雷达头端对准有机玻璃模具中心，激光雷达绕环形轨道转动一周可扫描并形成土样的三维立体图。
8.根据权利要求1所述的基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，所述步骤3）中，相邻气压等级之间相差10-50kpa。
9.根据权利要求8所述的基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，所述步骤3）中，第n级气压的最大值不超过480kpa。
10.根据权利要求2所述的基于轴平移的高精度土水特征曲线测量方法，其特征在于，所述毛细管顶部的开口处连接有降低水体蒸发的开孔橡皮塞。
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