CN115979880B - 一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法，包括丙烯酸环境室、混合室和第一天平，丙烯酸环境室内设置有用于放置试验土样的底座，丙烯酸环境室的内、外侧分别设置有第三和第四相对湿度温度传感器，试验土样包括自上而下均分的第一层、第二层、第三层和第四层土样结构，第一层土样的底部和第二层土样的顶部之间设置有第一相对湿度温度传感器，第三层土样的底部和第四层土样的顶部之间设置有第二相对湿度温度传感器；丙烯酸环境室和混合室之间设置有流量分离板以实现气流的流通，混合室设置有分别与内腔相连通的蒸汽输入管线和干燥空气输送管线。土样的无约束性质提供了三维吸水/排水边界条件，测量精度更高。

Description

一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法。

背景技术

土壤孔隙气体(如空气和孔隙水)之间的相互作用是理解非饱和土特性的基础，且与非饱和抗剪强度以及渗透系数有关。在给定吸力条件下，土壤基质孔隙空间中存在的水的体积可以被称为土-水持水曲线(Soil Water Retention Curve，SWRC)，SWRC表明：饱和土壤经历干燥过程后，基质吸力随着含水量的降低而增加。这对于理解低约束条件下土的特性，包括抗剪强度和渗透系数尤其重要。而近地表土壤(即静止土压力系数K₀小于20kPa且土壤的深度不超过1m)对于军事和民用战略研究工作至关重要，例如土堤坍塌、浅沟塌陷和救援行动等研究工作。

而现有测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线的相关技术中，存在下述问题：

第一、由于近表面或土壤剖面上方1米的土壤表现的更类似于无限制的性质，传统的低应力条件下非塑性土实验室研究依赖于有效应力原理来推断土的特性，然而，由于实验中需要施加围压来维持松散非塑性材料的稳定性，这样的测试并不能体现出原位环境中的低围压情况。

第二、研究表明在近海地表土壤中水是通过潮位升高流入土壤中，然而，在没有海岸线影响的情况下，地表土壤中水则主要通过降水渗入地表土壤中或通过吸收空气中的蒸汽，在低至0限制条件下，蒸汽吸收对土壤结构的影响仍不清楚。而现有的实验室研究中使用了径向约束，从而限制了蒸汽吸收的方向，产生内部湍流，并控制了土壤的结构行为，这样的测试也无法获得更贴近实际环境的数据。

第三、传统的岩土工程实验室测试设备，如不饱和三轴和现有的SWRC设备，需在一定限制条件下(如乳胶膜、钢模具和阀座负载)，以在测试前保持样品的稳定性和系统-土壤连通性。因此，在实验装置内不存在大气弹性自由表面边界，这会导致在自然表层土壤中施加不存在的压力。因此，得出的实验室数据不能代表实际的颗粒基质应力状态，尤其是通过无侧限自支撑土样测试证明的处于或接近大气(0表压)围压的土壤。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法，专为低围压近地表环境设计，解决了近地表土壤蒸汽吸收对土壤结构的影响，且低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置在运行时没有受到外部边界条件限制，因此样本是无约束柱。土样的无约束性质提供了三维吸水/排水边界条件，测量精度更高。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，包括自上而下顺次设置的丙烯酸环境室、混合室和第一天平，所述丙烯酸环境室内设置有用于放置试验土样的底座，所述底座的底部设置有可与试验土样相连通的液体流出管和液体流入管，所述液体流入管远离底座的一端延伸出丙烯酸环境室至第二天平的储水容器中且液体流出管远离底座的一端延伸出丙烯酸环境室至第三天平的储水容器中；

所述丙烯酸环境室的内、外侧分别设置有第三相对湿度温度传感器和第四相对湿度温度传感器，所述试验土样包括自上而下均分的第一层土样、第二层土样、第三层土样和第四层土样结构，所述第一层土样的底部和第二层土样的顶部之间设置有第一相对湿度温度传感器，所述第三层土样的底部和第四层土样的顶部之间设置有第二相对湿度温度传感器；

所述丙烯酸环境室和混合室之间设置有流量分离板以实现气流的流通，所述混合室设置有分别与内腔相连通的蒸汽输入管线和干燥空气输送管线；

所述底座和第一天平之间设置有贯穿丙烯酸环境室和混合室的支撑柱。

优选，所述丙烯酸环境室的顶部设置有顶板，所述顶板上设置有若干个流量阀且至少一个流量阀的外侧设置有用于监测试验土样轴向变形δ的非接触式激光距离传感器，丙烯酸环境室内的空气流量、相对湿度、相对温度以及环境室内压力通过流量阀调节。

优选，所述底座上设置有稳定柱，用于连接第三相对湿度温度传感器和第四相对湿度温度传感器的第一电缆、用于连接第一相对湿度温度传感和第二相对湿度温度传感器的第二电缆均粘附在稳定柱上。

优选，所述流量分离板上设置有若干个圆形通孔，混合室的气体通过圆形通孔产生可控的均匀气流进入丙烯酸环境室。

优选，所述近地表土壤持水曲线装置通过四根不锈钢柱设置在基座上，所述第一天平设置在基座上。

优选，潮湿的空气通过外部蒸汽发生器产生并通过蒸汽输入管线进入混合室，干燥的压缩空气在不超过25kPa的压力下经加热或冷却通过干燥空气输送管线注入混合室。

采用上述任意一项所述的装置测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线的方法，包括如下步骤：

步骤1、制备试验土样：

将试验土样分为四层，每层具有相同重量的土壤-水混合物，配制所有试验土样，其中，对于第n层，每击实锤击实能量E_n，根据欠压实进行调整，计算公式为：

式中，μ是欠压实能量的百分比，取值为0.07；N是压实层的总数，取值为4；E_d是每次锤击施加的能量；

其中，第一相对湿度温度传感器放置在第一层土样的底部和第二层土样的顶部之间，第二相对湿度温度传感器放置在第三层土样的底部和第四层土样的顶部之间；

步骤2、将带有模具的试验土样放置在底座上，底座通过支撑柱与第一天平相连，用于计算实验过程中试验土样的质量变化；将试验土样内第一相对湿度温度传感器和第二相对湿度温度传感器的第二电缆粘附到稳定柱上后，将模具取下；

步骤3、将丙烯酸环境室组装到混合室上方的流量分离板上，将第一电缆粘附到稳定柱上后和第二电缆穿过丙烯酸环境室延伸至外部；

液体流出管和液体流入管贯穿丙烯酸环境室，液体流出管和液体流入管的一端连接到底座上，另一端分别插入外部第二天平和第三天平的储水容器中，以测量水质量变化；

将带有流量阀的顶板放置在丙烯酸环境室上，拧紧螺帽，使所有水平接头完全密封；

步骤4、将第一相对湿度温度传感器、第二相对湿度温度传感器和第三相对湿度温度传感器、第四相对湿度温度传感器分别连接到数据记录器上；

打开第一天平，记录试验土样初始质量；

打开第二天平和第三天平，分别记录初始水质量并测量试验过程中水的质量变化，储水容器中的水通过液体流入管吸入底座中，通过液体流出管从底座中流出排到储水容器中，该过程一直持续到水在液体流出管和液体流入管中均匀流动；

将第一相对湿度温度传感器、第二相对湿度温度传感器和第三相对湿度温度传感器和第四相对湿度温度传感器打开并记录数据；

打开顶板上所有的流量阀；

步骤5、将干燥的压缩空气从外部加热或冷却，并在不超过25kPa的压力下经干燥空气输送管线注入混合室；若需根据试验方案所设定的间隔读取试验土样质量变化读数以确定试样饱和度，在获取数据前暂停气流并等待设定时间再读数；然后继续将干燥空气注入混合室，直到干燥循环完成；

步骤6、将蒸汽注入混合室，打开与蒸汽输入管线相连的蒸汽发生器。当蒸汽开始进入混合室时，需持续让蒸汽注入设定时间，然后将干燥空气通过干燥空气输送管线注入混合室；关闭所有顶部流量阀，待室内的蒸汽达到平衡，读取所有仪表的读数；重复上述步骤，直到试验土样达到所需的含水量；

步骤7、根据采集的数据进行低应力环境下的近地表土壤持水曲线的绘制。

优选，步骤6中，对无约束试验土样进行21天的干燥循环和5天的蒸汽循环。

优选，步骤7包括如下步骤：

步骤701、根据公式(2)分别计算第一相对湿度温度传感器、第二相对湿度温度传感器和第三相对湿度温度传感器对应的总吸力ψ_t：

式中，R为普遍气体常数，取值为8.31432J/(mol·K)；T为温度，单位为开尔文；v_wo为水的比体积；ω_v为水蒸气的分子质量，取值为18.016kg/kmol；RH为十进制的相对湿度；

步骤702、根据第一相对湿度温度传感器、第二相对湿度温度传感器和第三相对湿度温度传感器计算的总吸力ψ_t数据，根据公式(3)分别计算得出对应的基质吸力ψ：

步骤703、通过公式(4)分别得到第一相对湿度温度传感器、第二相对湿度温度传感器和第三相对湿度温度传感器处试样的SWRC计算模型：

其中θ、θ_r、θ_s分别为体积含水量、残余体积含水量和饱和体积含水量，α、n、m为拟合参数，且拟合参数m＝1-1/n；

其中：饱和体积含水量θ_s通过公式(5)计算：

式中，G_s为土体相对密度；w_s为土体含水量；e为空隙比；

e通过公式(6)计算：

其中，e₀为试样初始孔隙比；δ为试验土样轴向变形量；H为试样初始高度；

残余体积含水量θ_r通过吸力测试，取残余含水量为0.01；

体积含水量θ通过公式(7)计算：

θ＝eS_r (7)

S_r为饱和度，通过公式(8)计算：

优选，测试过程所使用的水为经过净化、蒸馏、去离子和脱气后的水。

本发明的有益效果是：

第一、本发明的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置在运行时没有受到外部边界条件限制，即外部边界没有薄膜或刚性/半刚性模具的限制，样本是无约束(独立)柱，样本的无约束性质提供了三维吸水/排水边界条件，可深入了解样本内的相对湿度和温度梯度、总土壤吸力和瞬态响应等特性。

第二、本发明提供了一种方法来研究无粘性样本的颗粒结构行为，其中近表面或地表最上层一米的颗粒间应力变化，对用于计算强度特性和控制模型行为的弹性模量的土壤结构或(建筑物的)结构(如墙、地面、屋顶)的量化具有一阶效应。

第三、本发明的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，在该装置中，无封闭自支撑非塑性试样在可控的温度/湿度室中经受三维蒸汽流，土样内部的湿度和温度是通过位于样品顶部和底部四分之一的内部微传感器测量，而孔隙流体的质量是通过外部第二天平和第三天平测量，以防止热平衡误差，从而准确、合理地提供近地表土壤的设计资料，对于理解低约束条件下的土壤行为(包括剪切强度和导水率)尤为重要，同时，对近地表的土壤岩土工程设计的安全性和可靠性具有重大的理论意义与实践价值。

附图说明

图1是本发明一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置的结构示意图；

图2是本发明流量分离板的部分结构示意图；

附图的标记含义如下：1：流量阀；2：非接触式激光距离传感器；3：螺帽；4：顶板；5：不锈钢柱；6：丙烯酸环境室；7：试验土样；8.1：第一相对湿度温度传感器；8.2：第二相对湿度温度传感器；9.1：第三相对湿度温度传感器；9.2：第四相对湿度温度传感器；10：第一电缆；11：稳定柱；12：第二电缆；13：底座；14.1：液体流出管；14.2：液体流入管；15：支撑柱；16：流量分离板；17：蒸汽输入管线；18：干燥空气输送管线；19：混合室；20：丙烯酸底板；21：圆形钢板；22：第一天平；23：基座。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1-2所示，一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，包括自上而下顺次设置的丙烯酸环境室6、混合室19和第一天平22，图1中，丙烯酸环境室6由四块亚克力板组成，该材质可塑性好，透明性能好且寿命长，易热成型比较适合机械加工。

优选，丙烯酸环境室6由四块丙烯酸板(亚克力板)，通过嵌入橡胶垫圈上的螺钉沿竖直方向固定构成，所述丙烯酸环境室6壁厚12mm，内部尺寸为150×150×250mm，丙烯酸环境室6顶部的顶板4和混合室底部的丙烯酸底板20通过带有橡胶O形密封圈的四个外螺纹杆垫圈实现压缩密封，以防止任何泄漏的空气或湿度，所有水平接缝均使用道康宁高真空润滑脂密封，以防止空气或水泄漏，近地表土壤持水曲线装置由四根不锈钢柱5通过螺帽3固定在基座23上，所述第一天平22设置在基座23上。

所述丙烯酸环境室6内设置有用于放置试验土样7的底座13，所述底座13的底部设置有可与试验土样7相连通的液体流出管14.1和液体流入管14.2，所述液体流入管14.2远离底座13的一端延伸出丙烯酸环境室6至第二天平的储水容器中且液体流出管14.1远离底座13的一端延伸出丙烯酸环境室6至第三天平的储水容器中，其中第二天平和第三天平图中未示出，分别用于测量水的质量变化。

所述丙烯酸环境室6的内、外侧分别设置有第三相对湿度温度传感器9.1和第四相对湿度温度传感器9.2，第四相对湿度温度传感器9.2用于监测外部环境条件，防止外部环境条件骤变导致发生可能影响整个设备运行的变化，所述试验土样7包括自上而下均分的第一层土样、第二层土样、第三层土样和第四层土样结构，所述第一层土样的底部和第二层土样的顶部之间设置有第一相对湿度温度传感器8.1，所述第三层土样的底部和第四层土样的顶部之间设置有第二相对湿度温度传感器8.2。

所述丙烯酸环境室6和混合室19之间设置有流量分离板16以实现气流的流通，优选，所述流量分离板16上设置有若干个圆形通孔，混合室19的气体通过圆形通孔产生可控的均匀气流进入丙烯酸环境室6。

图2中，流量分离板16由12个直径为6.5mm的圆形通孔组成，以产生可控的均匀气流进入丙烯酸环境室6，并减少空气-蒸汽湍流对土壤结构的影响。混合室19内部尺寸为152×152×53mm，所述混合室19设置有分别与内腔相连通的蒸汽输入管线17和干燥空气输送管线18，潮湿的空气通过外部蒸汽发生器产生，并通过蒸汽输入管线17进入混合室19，通过控制蒸汽输入管线17的流量大小进而控制分离板16上圆形通孔的气流流量。干燥的压缩空气从外部加热或冷却，并在不超过25kPa的压力下经干燥空气输送管线18注入混合室19。

所述底座13和第一天平22之间设置有贯穿丙烯酸环境室6和混合室19的支撑柱15。底座13通过支撑柱15与第一天平22相连，以计算试验土样7的质量变化，支撑柱15贯穿流量分离板16和丙烯酸底板20，上端与底座13刚接，下端通过圆形钢板21与第一天平22相连。

优选，所述丙烯酸环境室6的顶部设置有顶板4，所述顶板4上设置有若干个流量阀1且至少一个流量阀1的外侧设置有用于监测试验土样7轴向变形δ的非接触式激光距离传感器2，δ用以后续计算试验土样7的饱和度或体积含水量(试验土样7的饱和度或体积含水量是从蒸汽流入到试样开始，根据试验土样7的质量变化值以及轴向变形来计算得到)。

图1中，丙烯酸环境室6的顶部设有三个独立的柱形通风口(即流量阀1)，其中，中间的流量阀1外侧嵌入一个非接触式激光距离传感器2。丙烯酸环境室6内的空气流量、相对湿度、相对温度以及环境室内压力通过流量阀1调节。

优选，所述底座13上设置有稳定柱11，稳定柱11用于固定传感器导线和释放张力，也即用于连接第三相对湿度温度传感器9.1和第四相对湿度温度传感器9.2的第一电缆10、用于连接第一相对湿度温度传感和第二相对湿度温度传感器8.2的第二电缆12均粘附在稳定柱11上。电缆粘附在稳定柱11上，使得施加在微传型感器电缆上的任何外部张力/应力不会传递到试验土样7上或影响内部颗粒结构。

对应的，采用上述任意一项所述的装置测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线的方法，包括如下步骤：

步骤1、制备试验土样7：

由于试样制备对实验限制和数据输出有重要影响，因此采用基于能量的压实方法制备样品，以确保初始土壤组构可重复，在本次实验中，将试验土样7分为四层，每层具有相同重量的土壤-水混合物，使用600kJ/m³的总压实能量(根据等式(1)计算的每层施加的压实能量之和)配制所有试验土样7，其中，对于第n层，每击实锤击实能量E_n，根据欠压实进行调整，计算公式为：

式中，μ是欠压实能量的百分比，取值为0.07；N是压实层的总数，取值为4；E_d是每次锤击施加的能量；

其中，第一相对湿度温度传感器8.1放置在第一层土样的底部和第二层土样的顶部之间，第二相对湿度温度传感器8.2放置在第三层土样的底部和第四层土样的顶部之间。

步骤2、将带有模具的试验土样7放置在底座13上，底座13通过支撑柱15与第一天平22相连，用于计算实验过程中试验土样7的质量变化；将试验土样7内第一相对湿度温度传感器8.1和第二相对湿度温度传感器8.2的第二电缆12粘附到稳定柱11上后，将模具取下。

步骤3、将丙烯酸环境室6组装到混合室19上方的流量分离板16上，将第一电缆10粘附到稳定柱11上后和第二电缆12穿过丙烯酸环境室6延伸至外部；

液体流出管14.1和液体流入管14.2贯穿丙烯酸环境室6，液体流出管14.1和液体流入管14.2的一端连接到底座13上，另一端分别插入外部第二天平和第三天平的储水容器中，以测量水质量变化；

将带有流量阀1的顶板4放置在丙烯酸环境室6上，拧紧螺帽3，使所有水平接头完全密封。

步骤4、将第一相对湿度温度传感器8.1、第二相对湿度温度传感器8.2和第三相对湿度温度传感器9.1、第四相对湿度温度传感器9.2分别连接到数据记录器上；

打开第一天平22，记录试验土样7初始质量；

打开第二天平和第三天平，分别记录初始水质量并测量试验过程中水的质量变化，储水容器中的水通过液体流入管14.2吸入底座13中，通过液体流出管14.1从底座13中流出排到储水容器中，该过程一直持续到水在液体流出管14.1和液体流入管14.2中均匀流动；

将第一相对湿度温度传感器8.1、第二相对湿度温度传感器8.2和第三相对湿度温度传感器9.1和第四相对湿度温度传感器9.2打开并记录数据；

打开顶板4上所有的流量阀1。

步骤5、将干燥的压缩空气从外部加热或冷却，并在不超过25kPa的压力下经干燥空气输送管线18注入混合室19；若需根据试验方案所设定的间隔读取试验土样7质量变化读数以确定试样饱和度，在获取数据前暂停气流并等待设定时间(比如60s)再读数；然后继续将干燥空气注入混合室19，直到干燥循环完成。该步骤的频率取决于土壤矿物学、孔隙度和渗透性。

步骤6、将蒸汽注入混合室19，打开与蒸汽输入管线17相连的蒸汽发生器。当蒸汽开始进入混合室19时，需持续让蒸汽注入设定时间(比如60s)，然后将干燥空气通过干燥空气输送管线18注入混合室19；关闭所有顶部流量阀1，待室内的蒸汽达到平衡，读取所有仪表的读数；重复上述步骤，直到试验土样7达到所需的体积含水量θ时停止蒸汽注入。需注意的是，停止干燥空气注入前，应先关闭蒸汽发生器，以避免热压升高。

步骤7、根据采集的数据进行低应力环境下的近地表土壤持水曲线的绘制。

优选，步骤6中，对无约束试验土样7进行21天的干燥循环和5天的蒸汽循环，以研究瞬态吸力响应和近地表土壤的颗粒结构。在干燥过程中，以不超过25kPa的压力下将干燥空气持续注入混合室19直至需要测量试验土样7的质量，将混合室19的干燥压缩空气关闭；其中，5天蒸汽周期内由于加入蒸汽导致温度升高，然而，这些温度峰值持续时间很短，并很快恢复到蒸汽加入前的状态，而不会影响环境室RH或传感器的性能。

优选，步骤7包括如下步骤：

步骤701、根据公式2分别计算第一相对湿度温度传感器8.1、第二相对湿度温度传感器8.2和第三相对湿度温度传感器9.1对应的总吸力ψt：

式中，R为普遍气体常数，取值为8.31432J/(mol·K)；T为温度，单位为开尔文；v_wo为水的比体积；ω_v为水蒸气的分子质量，取值为18.016kg/kmol；RH为十进制的相对湿度；一般的，在干燥过程中，通过环境室传感器计算出的吸力分别是试样第一相对湿度温度传感器和第二相对湿度温度传感器的1.5-2.0和3.0-4.0倍。

步骤702、根据第一相对湿度温度传感器8.1、第二相对湿度温度传感器8.2和第三相对湿度温度传感器9.1计算的总吸力ψ_t数据，根据公式3分别计算得出对应的基质吸力ψ：

步骤703、通过公式4分别得到第一相对湿度温度传感器8.1、第二相对湿度温度传感器8.2和第三相对湿度温度传感器9.1处试样的SWRC计算模型：

其中θ、θ_r、θ_s分别为体积含水量、残余体积含水量和饱和体积含水量，α、n、m为拟合参数，且拟合参数m＝1-1/n；

其中：饱和体积含水量θ_s通过公式5计算：

式中，G_s为土体相对密度；w_s为土体含水量；e为空隙比；

e通过公式6计算：

其中，e₀为试样初始孔隙比；δ为试验土样7轴向变形量；H为试样初始高度；

残余体积含水量θ_r通过吸力测试，根据单一孔隙比试样的体积含水量与相应吸力的试验数据，应用Van Genuchten模型进行拟合，得到的残余含水量数值很小在0.01附近，因此可取残余含水量为0.01。注意，试验土样7的饱和度或体积含水量是从蒸汽流入到试验土样开始，根据试验土样7的质量变化值以及轴向变形来计算得到。

体积含水量θ通过公式7计算：

θ＝eS_r (7)

S_r为饱和度，通过公式8计算：

ψ_t是基质吸力ψ和渗透吸力分量ψ₀的函数，特别是对于无细粒含量的无粘性土壤(即ψ_t≈ψ+ψ₀)。因此，ψ可以使用传感器专用双线性校准进行量化，即利用公式(3)中的分段函数校准，根据第一相对湿度温度传感器8.1、第二响度湿度温度传感器8.2和第三相对湿度温度传感器9.1记录的数据计算得出ψ；再通过公式(4)即可得到试样的SWRC计算模型(即试验土样关于体积含水量与基质吸力相关模型)。值得注意的是，由于本发明分别在试验土样7内部设置了第一相对湿度温度传感器8.1和第二相对湿度温度传感器8.2以及在丙烯酸环境室6内设置第三相对湿度温度传感器9.1，因此可以通过这三个传感器得到的数据获得试样不同位置处以及整个环境室内的SWRC曲线，通过对比分析三条SWRC曲线可以研究蒸汽吸收对土壤结构的影响以及吸力的变化规律。

为确保结果的可重复性，并将与测试程序相关的任何认知不确定性降至最低，测试过程所使用的水，包括产生腔室蒸汽的水，都经过净化、蒸馏、去离子和脱气，以消除溶解盐的渗透吸力。

本发明的有益效果是：

第一、本发明的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置在运行时没有受到外部边界条件限制，即外部边界没有薄膜或刚性/半刚性模具的限制，样本是无约束(独立)柱，样本的无约束性质提供了三维吸水/排水边界条件，可深入了解样本内的相对湿度和温度梯度、总土壤吸力和瞬态响应等特性。

第二、本发明提供了一种方法来研究无粘性样本的颗粒结构行为，其中近表面或地表最上层一米的颗粒间应力变化，对用于计算强度特性和控制模型行为的弹性模量的土壤结构或(建筑物的)结构(如墙、地面、屋顶)的量化具有一阶效应。

第三、本发明的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，在该装置中，无封闭自支撑非塑性试样在可控的温度/湿度室中经受三维蒸汽流，土样内部的湿度和温度是通过位于样品顶部和底部四分之一的内部微传感器测量，而孔隙流体的质量是通过外部第二天平和第三天平测量，以防止热平衡误差，从而准确、合理地提供近地表土壤的设计资料，对于理解低约束条件下的土壤行为(包括剪切强度和导水率)尤为重要，同时，对近地表的土壤岩土工程设计的安全性和可靠性具有重大的理论意义与实践价值。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，其特征在于，包括自上而下顺次设置的丙烯酸环境室(6)、混合室(19)和第一天平(22)，所述丙烯酸环境室(6)内设置有用于放置试验土样(7)的底座(13)，所述底座(13)的底部设置有可与试验土样(7)相连通的液体流出管(14.1)和液体流入管(14.2)，所述液体流入管(14.2)远离底座(13)的一端延伸出丙烯酸环境室(6)至第二天平的储水容器中且液体流出管(14.1)远离底座(13)的一端延伸出丙烯酸环境室(6)至第三天平的储水容器中；

所述丙烯酸环境室(6)的内、外侧分别设置有第三相对湿度温度传感器(9.1)和第四相对湿度温度传感器(9.2)，所述试验土样(7)包括自上而下均分的第一层土样、第二层土样、第三层土样和第四层土样结构，所述第一层土样的底部和第二层土样的顶部之间设置有第一相对湿度温度传感器(8.1)，所述第三层土样的底部和第四层土样的顶部之间设置有第二相对湿度温度传感器(8.2)；

所述丙烯酸环境室(6)和混合室(19)之间设置有流量分离板(16)以实现气流的流通，所述混合室(19)设置有分别与内腔相连通的蒸汽输入管线(17)和干燥空气输送管线(18)；

所述底座(13)和第一天平(22)之间设置有贯穿丙烯酸环境室(6)和混合室(19)的支撑柱(15)。

2.根据权利要求1所述的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，其特征在于，所述丙烯酸环境室(6)的顶部设置有顶板(4)，所述顶板(4)上设置有若干个流量阀(1)且至少一个流量阀(1)的外侧设置有用于监测试验土样(7)轴向变形δ的非接触式激光距离传感器(2)，丙烯酸环境室(6)内的空气流量、相对湿度、相对温度以及环境室内压力通过流量阀(1)调节。

3.根据权利要求2所述的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，其特征在于，所述底座(13)上设置有稳定柱(11)，用于连接第三相对湿度温度传感器(9.1)和第四相对湿度温度传感器(9.2)的第一电缆(10)、用于连接第一相对湿度温度传感器(8.1)和第二相对湿度温度传感器(8.2)的第二电缆(12)均粘附在稳定柱(11)上。

4.根据权利要求2所述的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，其特征在于，所述流量分离板(16)上设置有若干个圆形通孔，混合室(19)的气体通过圆形通孔产生可控的均匀气流进入丙烯酸环境室(6)。

5.根据权利要求2所述的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，其特征在于，所述近地表土壤持水曲线装置通过四根不锈钢柱(5)设置在基座(23)上，所述第一天平(22)设置在基座(23)上。

6.根据权利要求1所述的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，其特征在于，潮湿的空气通过外部蒸汽发生器产生并通过蒸汽输入管线(17)进入混合室(19)，干燥的压缩空气在不超过25kPa的压力下经加热或冷却通过干燥空气输送管线(18)注入混合室(19)。

7.采用上述权利要求1-6任意一项所述的装置测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、制备试验土样(7)：

将试验土样(7)分为四层，每层具有相同重量的土壤-水混合物，配制所有试验土样(7)，其中，对于第n层，每击实锤击实能量E_n，根据欠压实进行调整，计算公式为：

式中，μ是欠压实能量的百分比，取值为0.07；N是压实层的总数，取值为4；E_d是每次锤击施加的能量；

其中，第一相对湿度温度传感器(8.1)放置在第一层土样的底部和第二层土样的顶部之间，第二相对湿度温度传感器(8.2)放置在第三层土样的底部和第四层土样的顶部之间；

步骤2、将带有模具的试验土样(7)放置在底座(13)上，底座(13)通过支撑柱(15)与第一天平(22)相连，用于计算实验过程中试验土样(7)的质量变化；将试验土样(7)内第一相对湿度温度传感器(8.1)和第二相对湿度温度传感器(8.2)的第二电缆(12)粘附到稳定柱(11)上后，将模具取下；

步骤3、将丙烯酸环境室(6)组装到混合室(19)上方的流量分离板(16)上，将第一电缆(10)粘附到稳定柱(11)上后和第二电缆(12)穿过丙烯酸环境室(6)延伸至外部；

液体流出管(14.1)和液体流入管(14.2)贯穿丙烯酸环境室(6)，液体流出管(14.1)和液体流入管(14.2)的一端连接到底座(13)上，另一端分别插入外部第二天平和第三天平的储水容器中，以测量水质量变化；

将带有流量阀(1)的顶板(4)放置在丙烯酸环境室(6)上，拧紧螺帽(3)，使所有水平接头完全密封；

步骤4、将第一相对湿度温度传感器(8.1)、第二相对湿度温度传感器(8.2)和第三相对湿度温度传感器(9.1)、第四相对湿度温度传感器(9.2)分别连接到数据记录器上；

打开第一天平(22)，记录试验土样(7)初始质量；

打开第二天平和第三天平，分别记录初始水质量并测量试验过程中水的质量变化，储水容器中的水通过液体流入管(14.2)吸入底座(13)中，通过液体流出管(14.1)从底座(13)中流出排到储水容器中，该过程一直持续到水在液体流出管(14.1)和液体流入管(14.2)中均匀流动；

将第一相对湿度温度传感器(8.1)、第二相对湿度温度传感器(8.2)和第三相对湿度温度传感器(9.1)和第四相对湿度温度传感器(9.2)打开并记录数据；

打开顶板(4)上所有的流量阀(1)；

步骤5、将干燥的压缩空气从外部加热或冷却，并在不超过25kPa的压力下经干燥空气输送管线(18)注入混合室(19)；若需根据试验方案所设定的间隔读取试验土样(7)质量变化读数以确定试样饱和度，在获取数据前暂停气流并等待设定时间再读数；然后继续将干燥空气注入混合室(19)，直到干燥循环完成；

步骤6、将蒸汽注入混合室(19)，打开与蒸汽输入管线(17)相连的蒸汽发生器，当蒸汽开始进入混合室(19)时，需持续让蒸汽注入设定时间，然后将干燥空气通过干燥空气输送管线(18)注入混合室(19)；关闭所有顶部流量阀(1)，待室内的蒸汽达到平衡，读取所有仪表的读数；重复上述步骤，直到试验土样(7)达到所需的含水量；

步骤7、根据采集的数据进行低应力环境下的近地表土壤持水曲线的绘制。

8.根据权利要求7所述的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线的方法，其特征在于，步骤6中，对无约束试验土样(7)进行21天的干燥循环和5天的蒸汽循环。

9.根据权利要求7所述的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线的方法，其特征在于，步骤7包括如下步骤：

步骤701、根据公式(2)分别计算第一相对湿度温度传感器(8.1)、第二相对湿度温度传感器(8.2)和第三相对湿度温度传感器(9.1)对应的总吸力ψ_t：

式中，R为普遍气体常数，取值为8.31432J/(mol·K)；T为温度，单位为开尔文；v_wo为水的比体积；ω_v为水蒸气的分子质量，取值为18.016kg/kmol；RH为十进制的相对湿度；

步骤702、根据第一相对湿度温度传感器(8.1)、第二相对湿度温度传感器(8.2)和第三相对湿度温度传感器(9.1)计算的总吸力ψ_t数据，根据公式(3)分别计算得出对应的基质吸力ψ：

步骤703、通过公式(4)分别得到第一相对湿度温度传感器(8.1)、第二相对湿度温度传感器(8.2)和第三相对湿度温度传感器(9.1)处试样的SWRC计算模型：

其中θ、θ_r、θ_s分别为体积含水量、残余体积含水量和饱和体积含水量，α、n、m为拟合参数，且拟合参数m＝1-1/n；

其中：饱和体积含水量θ_s通过公式(5)计算：

式中，G_s为土体相对密度；w_s为土体含水量；e为空隙比；

e通过公式(6)计算：

其中，e₀为试样初始孔隙比；δ为试验土样(7)轴向变形量；H为试样初始高度；

残余体积含水量θ_r通过吸力测试，取残余含水量为0.01；

体积含水量θ通过公式(7)计算：

θ＝eS_r (7)S_r为饱和度，通过公式(8)计算：

10.根据权利要求7-9任意一项所述的一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线的方法，其特征在于，测试过程所使用的水为经过净化、蒸馏、去离子和脱气后的水。

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