CN211877707U - 包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，包括:立式装置，用于盛放测试土壤，且测试土壤中放置多个标志物，每相邻的标志物分别间隔第一预设距离，立式装置的顶部设置有光照模拟单元；水势条件控制装置，连接于立式装置的底部，以控制测试土壤底部的水力边界；湿度条件控制装置，连接于立式装置的顶部，以控制测试土壤表面的吸力边界；压力条件控制装置，接触测试土壤，以对测试土壤施加压力；传感器数据采集装置，伸入立式装置内部，以测试测试土壤的监测数据；图像采集装置，用于采集多个标志物的位移。本实用新型可以实现考虑盐分效应的导水系数测定，实现对应力‑应变关系、土水特征参数和导水特性的一体化测试。

Description

包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置

技术领域

本实用新型涉及土木工程中岩土工程技术领域，尤其涉及一种考虑应力作用的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置。

背景技术

我国西北部大量建成与建设中的基础设施位于内陆盐渍土地区，地下水是矿化度较高的盐水，主要以氯盐和硫酸盐为主，在应力压缩的作用下水盐分布动态变化；同时，地处干旱-半干旱气候环境，蒸发量大于降雨量，地下水的盐分随毛细水在包气带内不断上升并积聚，引起土体工程性质的演化。从工程灾害的演化上看，盐分积聚引起土体内水势梯度的增加和毛细水的持续上升，引起土体的水力变形；同时工程建设中土体在附加应力的作用下发生变形，引起孔隙体积和土体结构变化，非饱和土的水盐迁移特性也会相应发生变化，进一步影响土体工程特性。因此，工程设计仅依据土体的既有状态指标，忽略包气带粉质黏土盐分积聚与变形行为的动态互馈过程，可能为工程带来潜在的危害。

徐永福等(2005)利用陶土板法，设计了考虑应力状态对非饱和渗透系数影响的试验装置。Ng和Leung(2012)通过监测吸湿或脱湿过程中非饱和土内部体积含水率和孔压梯度，得到非饱和土导水系数。Zhou和Ng (2014)提出了考虑应力状态的土水特征曲线预测模型。陶高梁等(2019，公开号CN109932382A)公开的实用新型专利，提供一种基于核磁共振曲线的饱和土和非饱和土渗透系数预测方法，但是测试试样尺寸较小，且未考虑盐分、应力的影响。白汉营等(2019，公开号CN110261283A)公开的实用新型专利中，提出通过有机玻璃筒分层取样测含水率的方法，在野外测定非饱和土的渗透系数。蔡国庆等(2018，公开号CN109060637A)公开的实用新型专利中，提出一种可以记录竖向变形、瞬态水分分布的非饱和土渗透系数测量装置。陈宇龙等(2019，公开号CN109668813A)公开的实用新型专利，提供了一种智能检测非饱和土土水特征曲线与渗透系数的计算模型。詹良通等(2019，公开号CN110455673A)提出一种贯入式原位测试非饱和土中气体扩散系数和渗透系数的装置和方法。

但是，尚存在如下问题，(1)包气带盐渍土水分运动的驱动力还存在溶质吸力，以往装置或方法尚未考虑盐分对导水特性的影响；(2)以往装置或方法尚不能实现对应力-应变关系、土水特征参数和导水特性的一体化测试；(3)尚不能控制边界的湿度和蒸发条件，以模拟现场的环境；(4) 装置不易于搬运移动；(5)无法对土体的渗透过程和每一点位移进行可视化的记录。

引用文献：

徐永福，兰守奇，孙德安等，一种能测量应力状态对非饱和土渗透系数影响的新型试验装置[J].岩石力学与工程学报.2005.(01):160-164；

一种新型控制应力的渗透系数测定试验，岩土与地质环境工程杂志， 2012.138(1)：58-68；

一种考虑应力相关的非饱和土持水曲线预测模型，计算岩土力学，2014, 62:216-222。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，以解决包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试未能考虑盐分对导水特性的影响，并实现对应力-应变关系、土水特征参数和导水特性的一体化测试。

为了解决上述技术问题，根据本实用新型一方面，提供了一种包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，其特征在于，包括:立式装置、水势条件控制装置、湿度条件控制装置、压力条件控制装置、传感器数据采集装置及图像采集装置；

其中，所述立式装置用于盛放测试土壤，且所述测试土壤中放置多个标志物，每相邻的所述标志物分别间隔第一预设距离，所述立式装置的顶部设置有光照模拟单元；

所述水势条件控制装置连接于所述立式装置的底部，以控制所述测试土壤底部的水力边界；

所述湿度条件控制装置连接于所述立式装置的顶部，以控制所述测试土壤表面的吸力边界；

所述压力条件控制装置接触所述测试土壤，以对所述测试土壤施加压力；

所述传感器数据采集装置伸入所述测试土壤内部，以测试所述测试土壤的监测数据；

图像采集装置用于采集所述测试土壤的渗透过程与受力变形过程的图像。

进一步的，所述立式装置包括：所述立式装置包括：第一底座、透明筒体及密封盖；

其中，所述透明筒体固定连接于所述第一底座，所述透明筒体的底部设置有透水反滤层，所述密封盖盖设于所述透明筒体的上部；

所述第一底座、所述透明筒体及所述密封盖构成的容置空间用于放置所述测试土壤,所述测试土壤上部盖设具有透气孔的盖板；

所述透明筒体还设置有第一标尺，以通过所述第一标尺确定所述标志物的位置变化情况；以及

所述第一底座内设置有第一导管及第二导管，所述第一导管及所述第二导管的一端伸入所述容置空间内，另一端分别连接于设置于所述第一底座两侧的第一控制阀及第二控制阀。

进一步的，所述水势条件控制装置包括：第一容器、第二底座及第二标尺；

其中，所述第一容器上设置有刻度且连接有第三导管，所述第三导管的另一端连接至所述第一控制阀，所述第一容器用于盛放盐水，且所述第一容器可调整距离所述第二底座的高度，所述第二标尺用于测量所述测试土壤底部的水头高度。

进一步的，所述湿度条件控制装置包括：蠕动泵、第二容器及第三容器；

其中，所述蠕动泵的一端通过第四导管依次连接第二容器及第三容器后，穿过所述密封盖伸入所述容置空间内，所述蠕动泵的另一端通过第五导管穿过所述密封盖伸入所述容置空间内；

所述第二容器内盛放有饱和盐溶液。

进一步的，所述压力条件控制装置包括：反力单元和施力单元；

其中，所述反力单元包括反力梁和多个固定杆，所述多个固定杆的一端固定连接于所述第一底座，所述反力梁固定连接于所述多个固定杆的另一端；

所述施力单元的一端连接至所述反力梁，另一端抵顶与所述盖板，以施加压力于所述测试土壤。

进一步地，所述施力单元包括：气压千斤顶、全自动数控点胶机及空压机；

其中所述气压千斤顶的一端连接于所述密封盖的一侧，另一端抵顶与所述盖板，所述全自动数控点胶机通过胶管分别连接于所述气压千斤顶和所述空压机。

进一步的，所述传感器数据采集装置包括：数据采集单元及连接至所述数据采集单元的温湿度计、压力传感器、位移计、多个张力计、多个土壤水势传感器和多个体积含水率-盐分-温度传感器；

其中，所述温湿度计固定连接于所述密封盖的一侧，用于测试所述容置空间内位填充所述测试土壤的部分的温度和湿度；

所述压力传感器埋设于所述测试土壤的上部，且接触所述盖板，用于测试所述压力条件控制装置施加于所述测试土壤的压力；

所述位移计固定安装于所述透明筒体的侧壁上，且抵顶于所述盖板，用于测试所述盖板的位移量；

所述多个张力计埋设于所述测试土壤内，且每相邻的两个所述张力计之间间隔第二预设距离，用于测试所述测试土壤的孔隙水压力，以根据所述孔隙水压力得出基质吸力；

所述多个土壤水势传感器埋设于所述测试土壤内，且每相邻的两个所述张力计之间间隔第三预设距离，用于测试所述测试土壤的土壤水势；

所述多个体积含水率-盐分-温度传感器埋设于所述测试土壤内，且每相邻的两个所述张力计之间间隔第四预设距离，用于测试所述测试土壤的含水率、盐分和温度。

进一步地，所述第一底座和所述第二底座均安装有多个滚轮。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本实用新型一种包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

(1)本实用新型在导水系数的测试过程中，实现了测试土壤中盐分效应对测试所带来的影响。

(2)本实用新型实现了对应力-应变关系、土水特征参数和导水特性的一体化测试。

(3)本实用新型能够有效控制测试土壤边界的湿度和蒸发条件，能够更加准确地模拟现场环境，以保证测试的准确性。

(4)本实用新型通过图像采集装置及标志物的设定，能够对测试土壤在渗透过程中各点位移情况的可视化进行记录。

(5)本实用新型通过在第一底座及第二底座上安装有多个滚轮，使得包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置更加易于搬动。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1示出了本实用新型一实施例的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置的结构示意图；

图2示出了本实用新型一实施例的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试方法的流程图；

图3示出了本实用新型一实施例的计算非饱和水势梯度的示意图；

图4示出了本实用新型一实施例的标志物的位移云图。

【符号说明】

1：立式装置、11：第一底座、111：第一导管、112：第二导管、113：第一控制阀、114：第二控制阀、12：透明筒体、121：第一标尺、122：法轮盘、13：密封盖、14：标志物、15：光照模拟单元、16：透水反滤层、 17：盖板、2：水势条件控制装置、21：第一容器、22第二底座、23：第二标尺、24：第三导管、3：湿度条件控制装置、31：蠕动泵、32：第二容器、 33：第三容器、34、第四导管、35：第五导管、4：压力条件控制装置、41：反力单元、411：反力梁、412：固定杆、42：施力单元、421：气压千斤顶、 422：全自动数控点胶机、423：空压机、5、传感器数据采集装置、51：数据采集单元、52：温湿度计、53：压力传感器、54：位移计、55：张力计、 56：土壤水势传感器、57：体积含水率-盐分-温度传感器、6：图像采集装置

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的一种包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置及方法的具体实施方式及其功效，详细说明如后。

本实用新型实施例提供了一种包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，如图1所示，包括:立式装置1、水势条件控制装置2、湿度条件控制装置3、压力条件控制装置4、传感器数据采集装置5及图像采集装置 58。

其中，立式装置1用于盛放测试土壤，为了能够使得图像采集装置58 能够采集到在渗透过程中测试土壤的位移变化，在测试土壤中放置了多个标志物14，其中，每相邻的两个标志物14之间的距离为第一预设距离，该第一预设距离可根据实际测试情况进行调整，优选地，该第一预设距离为 10厘米。在一实施例中，该标志物14采用白色塑料标志物，以能够更加清晰的采集到位移变化。为了能够模拟测试土壤的日照环境，在该立式装置1 的顶部还设置有光照模拟单元15。优选地，该光照模拟单元15为加热灯管，当然也可以采用其他装置进行替代，本实用新型并不以此为限。

在一实施例中，如图1所示，该立式装置1包括：第一底座11、透明筒体12及密封盖13。该透明筒体12的一端固定连接于该第一底座11，密封盖13则盖设于该透明筒体12的另一端，进而第一底座11、透明筒体12 及密封盖13所形成的容置空间则用于盛放测试土壤。

在测试土壤放置于该容置空间后，在测试土壤的顶部还盖设有盖板17，为了能够实现测试土壤中水分的蒸发，该盖板17具有多个透气孔。

第一底座11的内部设置了第一导管111和第二导管112，该第一导管 111和第二导管112的一端伸入到容置空间内，另一端分别连接设置在第一底座11两侧的第一控制阀113和第二控制阀114，以在测试土壤记性吸水时，开启第一控制阀113，使得水势条件控制装置2内的盐水通过第一导管 111流入测试土壤，在测试土壤脱水时，关闭第一控制阀113，并开启第二控制阀114，以使的测试土壤内的水分通过第二导管112流出。

另外，在透明筒体12的底部还设置有透水反滤层16，以在测试土壤吸水过程中，对水势条件控制装置2流入测试土壤中的盐水进行过滤，另外在测试土壤的脱水过程中，对测试土壤排除的水分进行过滤，放置测试土壤流失。优选地，该透水反滤层16为依次铺设与第一底座11上的滤纸、透水板和滤纸。

为了便于计算出放入测试土壤中的多个标志物14的位移距离，在透明筒体12的外侧还设置有第一标尺121。

为了能够使得包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置便于移动，在第一底座11的底部还安装有多个滚轮。

在一实施例中，透明筒体12为分段式圆柱型高强度有机玻璃筒体，通过分段式的设计，能够更加便于测试土壤及多个标志物14的放置，即在一段筒体放置完成后，通过带有螺栓的法轮盘122进行多段筒体的组装。

水势条件控制装置连接于立式装置的底部，以控制测试土壤底部的水力边界。如图1所示，水势条件控制装置2包括：第一容器21、第二底座 22及第二标尺23，其中，该第一容器21上设置有刻度(图中未示出)，以便观察该第一容器21内放置的盐水的体积及液面高度，该第一容器21 通过第三导管24连接至第一控制阀113。该第二容器32放置在可调节高度的支架(图中未示出)上，进而通过该支架来调整第二容器32距离第二底座22的高度。第二标尺23用于确定水头高度，即第二容器32内盛放的盐水顶部距离地面的高度。

湿度条件控制装置连接于立式装置的顶部，以控制测试土壤表面的吸力边界。如图1所示，湿度条件控制装置包括：蠕动泵31、第二容器32及第三容器33，其中，蠕动泵31的一端通过第四导管34依次连接第二容器 32及第三容器33后，穿过密封盖13伸入容置空间内，蠕动泵31的另一端通过第五导管35穿过所述密封盖13伸入所述容置空间内，进而将第二容器32内盛放的饱和盐溶液导入容置空间内。

如图1所示，压力条件控制装置4包括：反力单元41和施力单元42，其中，反力单元41包括反力梁411及多个固定杆412，多个固定杆412的一端固定连接于第一底座11，反力梁411固定连接于多个固定杆412的另一端；施力单元42的一端连接至反力梁411，另一端抵顶于盖板17，以施加压力于测试土壤。

在一实施例中，该施力单元42包括气压千斤顶421、全自动数控点胶机422及空压机423，该全自动数控点胶机422通过导管分别连接至气压千斤顶421及空压机423，以通过该全自动数控点胶机422将空压机423产生的气体压力稳定可控的输送至气压千斤顶421，进而通过盖板17将压力传输至测试土壤。

如图1所示，传感器数据采集装置5包括：数据采集单元51及连接至数据采集单元51的温湿度计52、压力传感器53、位移计54、多个张力计 55、多个土壤水势传感器56和多个体积含水率-盐分-温度传感器57。

其中，温湿度计52固定连接于密封盖13的一侧，用于测试容置空间内位填充测试土壤的部分的温度和湿度。压力传感器53埋设于测试土壤的上部，且接触盖板17，用于测试压力条件控制装置4施加于测试土壤的压力。位移计54固定安装于透明筒体12的侧壁上，且抵顶于盖板17，用于测试盖板17的位移量。多个张力计55埋设于测试土壤内，且每相邻的两个张力计55之间间隔第二预设距离，用于测试测试土壤的孔隙水压力，以根据孔隙水压力得出基质吸力。多个土壤水势传感器56埋设于测试土壤内，且每相邻的两个张力计55之间间隔第三预设距离，用于测试测试土壤的土壤水势。多个体积含水率-盐分-温度传感器57埋设于测试土壤内，且每相邻的两个张力计55之间间隔第四预设距离，用于测试测试土壤的含水率、盐分和温度。

在一具体实施例中，该包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置的安装过程如下：

首先，将带刻度和输水管(即第三导管24)的第一容器21放置在水力条件控制装置上的可活动支架上，第二标尺23固定于水势条件控制装置2 上，以确定水头高度，第一容器21通过输水管与立式装置1的第一底座11 上的第一阀门和第一底座11内的第一导管111相连。

将立式装置1的圆柱形高强有机玻璃筒体，通过螺栓固定在带凹槽的第第一底座11上，该圆柱形高强有机玻璃筒体的底部依次放滤纸、透水板和滤纸后，分层填筑测试土壤并击实至目标密度；在高度方向每50厘米，在同一深度埋置张力计55，土壤水势传感器56，体积含水率-盐分-温度传感器57，各传感器的数据线通过筒体侧壁直径1厘米的孔洞穿出，并用橡胶塞堵住孔洞，缝隙处用硅脂密封；当一段筒体内的测试土壤填筑完成，分段安装有机玻璃筒体，筒体通过螺栓与法轮盘122连接。高度方向每10 厘米，在测试土壤的边缘埋置白色塑料标志物14。

当土层高度达到设计高度，埋置压力传感器53，并放置滤纸，安装带孔钢板(即盖板17)，同时在侧壁粘贴第二标尺23。

在筒体内侧壁固定的三角支架上安装位移计54，位移计54与带孔钢板接触。

安装上部密封盖13，该密封盖13下部装有加热灯管(即光照模拟单元 15)，将温湿度计52固定在密封盖13上。

通过螺纹将四根固定杆412安装在第一底座11上，固定杆412的顶部通过螺栓固定反力梁411，气压千斤顶421固定于反力梁411下部并抵顶与带孔钢板。

将张力计55、土壤水势传感器56、体积含水率-盐分-温度传感器57、温湿度计52、压力传感器53和位移计54的数据线与数据采集器连接。

将蠕动泵31的一端通过橡胶软管(即第四导管34)依次连接第一广口瓶(即第二容器32)、第二广口瓶(即第三容器33)、密封盖13上的进气孔，另一端通过橡胶软管(即第五导管35)连接密封盖13上的出气孔；其中第一广口瓶内为饱和盐溶液。

全自动数控点胶机422的一端通过塑料管与气压千斤顶421相连，另一端通过塑料管与空压机423相连。

高速摄像机(即图像采集装置58)，通过三角支架安装于立式装置1 外的固定点，保证可以拍摄测试土壤的全貌。

在具体实施时，水力条件控制装置与测试土壤的底部连通，并通过调节第一容器21的高度控制底部边界水头高度，通过第一容器21的刻度实时记录容器的内盐水的注入体积。

气压千斤顶421通过螺栓固定在反力梁411的下方，气压千斤顶421 与开孔钢板接触。空压机423提供气体补充，经过全自动数控点胶机422 维持稳定可控的气体压力，通过气压千斤顶421的活塞将固定的荷载施加在开孔钢板。开孔钢板的下部的压力传感器53记录和存储施加的应力。

通过设置于密封盖13一侧的加热灯管，模拟干旱地区土壤表面的太阳辐射，加热灯管的光通量可控。

通过蠕动泵31将第一广口瓶内饱和盐溶液的蒸发气体，送入测试土壤表面，控制测试土壤表面的湿度。

利用土壤水势传感器56测定土壤水势，利用体积含水率-电导率-温度感器测定土壤中的含水率、盐分和温度，利用张力计55测定土壤的孔隙水压力，通过孔隙水压力换算出基质吸力。

传感器的数据线连接到数据采集器，数据采集器通过USB接口连接到电脑，利用传感器配套软件对采集频率进行设置，并实时存储数据。

根据不同时间间隔内体积含水率梯度、孔压梯度和总水势梯度，计算得到与基质吸力和总水势相关的土水特征曲线以及非饱和土导水系数，将其作为表征水盐运移特征的参数，探讨相同时间间隔内以及加载过程的土水特征曲线、总吸力-导水系数和基质吸力-导水系数关系曲线。

高速摄像机实时记录加压过程的测试土壤的照片，采用数字照片量测软件PhotoInfor或同类型软件，得到散点的位移云图，如图4所示。

本实用新型实施例还提供了一种包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试方法，该方法用于上述任一项所述的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，如图4所示，该方法包括：

步骤S1，导通水势条件控制装置与立式装置的连接，并在预设时间间隔通过传感器数据采集装置采集测试土壤的多组第一监测数据。

具体地，通过第二标尺记录第一容器内不同时刻的盐水的液面高度h_z0,t，以及盐溶液的体积V_z0,t；设置采集数据频率(秒/次)并打开数据采集单元；同时，打开与第一容器相连的第一阀门，并开始计时，通过各传感器测量并记录每个深度采集到的与时间相关的体积含水率θ_w，基质吸力ψ_m和总吸力ψ，以及顶部的温湿度计采集的相对湿度RH和温度T。

步骤S2，根据多组第一监测数据计算出测试土壤在吸水过程的水土特征曲线及导水系数。

在一实施例中，步骤S2包括：

步骤S21，根据多个体积含水率、多个基质吸力及多个总吸力，分别确定体积含水率、基质吸力及总吸力的时域曲线。

步骤S22，对体积含水率、基质吸力及总吸力的时域曲线进行平滑处理，以得到体积含水率、基质吸力及总吸力的平滑时域曲线。

具体地，在Matlab软件或其他数据处理软件中，对体积含水率θ_w，基质吸力ψ_m和总吸力ψ的时域曲线θ_w-t、ψ_m-t、ψ-t高斯函数或者移动平均等方法进行数据平滑处理。

步骤S23，根据体积含水率、基质吸力及总吸力的平滑时域曲线计算深度在某一时刻的水力梯度，计算方法如下：

其中，i_zi,t平均为深度z_i(i＝1,2,3……)在某一时刻t_j(j＝1,2,3……)的水力梯度，h_zi,tj为深度z_i(i＝1,2,3……)在某一时刻t_j(j＝1,2,3……)的水势条件控制装置的水头高度，计算方法如下：

与基质吸力相关的水头高度，

与总吸力相关的水头高度，包含盐分的影响，

其中，如图3所示，ψ_m,zi,tj为深度z_i(i＝1,2,3……)在某一时刻t_j (j＝1,2,3……)的基质吸力；ψ_zi,tj为深度z_i(i＝1,2,3……)在某一时刻t_j (j＝1,2,3……)的总吸力；ρ_w为水的密度，g为重力加速度；立式装置底面z＝z₀，水头高度为水势条件控制装置不同时刻的盐溶液的液面高度h_t＝h_z0,t；测试土壤顶面z＝0，水头高度根据顶面饱和盐溶液的总吸力换算，计算方法如下：

步骤S24，计算深度在某一时刻的流速，计算方法如下：

其中，θ_w(z，t)为深度z_i(i＝1,2,3……)在某一时刻t_j(j＝1,2,3……)的体积含水率；v_z0,t平均为立式装置底面某时间段内的平均流速；如图3所示，ΔV 为体积含水率在某时间段内沿深度的积分面积；V_z0,tj为水势条件控制装置内某时间段内盐溶液体积变化；A为立式装置的横截面面积；

步骤S25，计算深度在某一时刻的导水系数，以得到测试土壤在吸水过程中的导水系数的时域曲线，计算方法如下：

步骤S26，根据某一时刻的体积含水率、基质吸力、总吸力及导水系数，获取测试土壤吸水过程的水土特性曲线及与总吸力和基质吸力相关的导水系数。

具体地，根据某一时刻对应的体积含水率θ_w，基质吸力ψ_m、总吸力ψ和导水系数k，得到吸水过程的土水特征曲线θ_w-ψ，以及与总吸力和基质吸力相关的导水系数k-ψ和k-ψ_m。

步骤S3，当传感器数据采集装置采集到的相邻的多组监测数据间的数值变化在预设范围内时，断开水势条件控制装置与立式装置的连接，开启光照模拟单元，并在预设时间间隔通过传感器数据采集装置采集测试土壤的多组第二监测数据。

具体地，当第一容器内盐水的液面高度h_z0,t、基质吸力ψ_m,zi,tj和总吸力ψ_zi,tj的测试数值趋于稳定，关闭与第一容器相连的第一控制阀，开启第二控制阀，同时打开加热灯管，并在预设时间间隔通过传感器数据采集装置采集测试土壤的多组第二测试数据。

步骤S4，根据多组第二监测数据计算出测试土壤在脱水过程的水土特征曲线及导水系数。

在一实施例中，步骤S4包括：

步骤S41，执行步骤S21至步骤S25，以得到测试土壤在脱水过程中的导水系数的时域曲线。

具体地，执行步骤S21至步骤S22，以得到测试土壤在脱水过程中的含水率θ_w，基质吸力ψ_m和总吸力ψ的时域曲线θ_w-t、ψ_m-t、ψ-t。进而执行步骤S23至步骤S25，以得到测试土壤在脱水过程中的导水系数的时域曲线。

步骤S42，根据某一时刻的体积含水率、基质吸力、总吸力及导水系数，获取测试土壤脱水过程的水土特性曲线及与总吸力和基质吸力相关的导水系数。

具体地，根据某一时刻对应的体积含水率θ_w，基质吸力ψ_m、总吸力ψ和导水系数k，得到脱水过程的土水特征曲线θ_w-ψ_m，以及与总吸力和基质吸力相关的导水系数k-ψ和k-ψ_m。

步骤S5，关闭光照模拟单元，通过压力条件控制装置对测试土壤施加应力，通过图像采集装置获取多个标志物的位移，以得到多个标志物的位移云图。

具体地，关闭加热灯管，打开固定位置的高速摄像机，并通过全自动数控点胶机设置输出压强，并打开空压机，对测试土壤施加压应力p。记录加载变形阶段高速摄像机连续拍摄的照片，基于数字散斑相关原理，得到散点的位移云图，位移换算根据第以标尺进行。

步骤S6，根据位移云图计算测试土壤在应力影响下的导水系数。

在一实施例中，步骤S6包括：

步骤S61，根据所述位移云图获取所述多个标志物相对所述立式装置底部的位移距离；

步骤S62，根据所述位移距离计算出每相邻两个所述标志物间的孔隙比变化，计算方式如下：

其中，d_i(i＝1,2,3……)为所述位移距离，e_i(i＝1,2,3……)为每相邻两个所述标志物间的孔隙比，e₀为初始孔隙比，H₀为所述测试土壤的初始高度，ΔH_i为每相邻两个所述标志物之间的高度变化；

步骤S63，根据所述孔隙比计算所述应力、所述基质吸力及所述总吸力的压缩参数，计算方式如下：

其中，α_p为所述应力的压缩参数、α_ψ为所述基质吸力的压缩参数、α_ψm为所述总吸力的压缩参数，p_r为参考应力，p_atm为大气压强，σ_zi为某一深度z_i(i＝1,2,3……)的应力，σ_zi平均为每相邻两个标志物间的平均应力；

步骤S64，执行所述步骤S21至所述步骤S25，以得到所述测试土壤在所述应力的影响下的导水系数。

在上述技术方案中，数字照片量测可以采用软件PhotoInfor，PhotoInfor 基于数字散斑相关原理(DSCM)，满足通用数字散斑相关变形量测需求，可满足网格点与散点的通用分析。拥有针对非均匀变形、局部化变形、大变形和破裂特点材料的专业图像分析方法，量测精度高。

通过本实用新型装置与计算方法，可以实现考虑盐分效应的导水系数测定；实现对应力-应变关系、土水特征参数和导水特性的一体化测试；控制边界的湿度和蒸发条件，以模拟现场的环境；装置易于搬运移动；对土体的渗透过程和每一点位移进行可视化的记录。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，其特征在于，包括:立式装置、水势条件控制装置、湿度条件控制装置、压力条件控制装置、传感器数据采集装置及图像采集装置；

其中，所述立式装置用于盛放测试土壤，且所述测试土壤中放置多个标志物，每相邻的所述标志物分别间隔第一预设距离，所述立式装置的顶部设置有光照模拟单元；

所述水势条件控制装置连接于所述立式装置的底部，以控制所述测试土壤底部的水力边界；

所述湿度条件控制装置连接于所述立式装置的顶部，以控制所述测试土壤表面的吸力边界；

所述压力条件控制装置接触所述测试土壤，以对所述测试土壤施加压力；

所述传感器数据采集装置伸入所述测试土壤内部，以测试所述测试土壤的监测数据；

图像采集装置用于采集所述测试土壤的渗透过程与受力变形过程的图像。

2.根据权利要求1所述的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，其特征在于，所述立式装置包括：第一底座、透明筒体及密封盖；

其中，所述透明筒体固定连接于所述第一底座，所述透明筒体的底部设置有透水反滤层，所述密封盖盖设于所述透明筒体的上部；

所述第一底座、所述透明筒体及所述密封盖构成的容置空间用于放置所述测试土壤,所述测试土壤上部盖设具有透气孔的盖板；

所述透明筒体还设置有第一标尺，以通过所述第一标尺确定所述标志物的位置变化情况；以及

所述第一底座内设置有第一导管及第二导管，所述第一导管及所述第二导管的一端伸入所述容置空间内，另一端分别连接于设置于所述第一底座两侧的第一控制阀及第二控制阀。

3.根据权利要求2所述的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，其特征在于，所述水势条件控制装置包括：第一容器、第二底座及第二标尺；

其中，所述第一容器上设置有刻度且连接有第三导管，所述第三导管的另一端连接至所述第一控制阀，所述第一容器用于盛放盐水，且所述第一容器可调整距离所述第二底座的高度，所述第二标尺用于测量所述测试土壤底部的水头高度。

4.根据权利要求3所述的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，其特征在于，所述湿度条件控制装置包括：蠕动泵、第二容器及第三容器；

其中，所述蠕动泵的一端通过第四导管依次连接第二容器及第三容器后，穿过所述密封盖伸入所述容置空间内，所述蠕动泵的另一端通过第五导管穿过所述密封盖伸入所述容置空间内；

所述第二容器内盛放有饱和盐溶液。

5.根据权利要求4所述的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，其特征在于，所述压力条件控制装置包括：反力单元和施力单元；

其中，所述反力单元包括反力梁和多个固定杆，所述多个固定杆的一端固定连接于所述第一底座，所述反力梁固定连接于所述多个固定杆的另一端；

所述施力单元的一端连接至所述反力梁，另一端抵顶与所述盖板，以施加压力于所述测试土壤。

6.根据权利要求5所述的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，其特征在于，所述施力单元包括：气压千斤顶、全自动数控点胶机及空压机；

其中所述气压千斤顶的一端连接于所述密封盖的一侧，另一端抵顶与所述盖板，所述全自动数控点胶机通过胶管分别连接于所述气压千斤顶和所述空压机。

7.根据权利要求2所述的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，其特征在于，所述传感器数据采集装置包括：数据采集单元及连接至所述数据采集单元的温湿度计、压力传感器、位移计、多个张力计、多个土壤水势传感器和多个体积含水率-盐分-温度传感器；

其中，所述温湿度计固定连接于所述密封盖的一侧，用于测试所述容置空间内位填充所述测试土壤的部分的温度和湿度；

所述压力传感器埋设于所述测试土壤的上部，且接触所述盖板，用于测试所述压力条件控制装置施加于所述测试土壤的压力；

所述位移计固定安装于所述透明筒体的侧壁上，且抵顶于所述盖板，用于测试所述盖板的位移量；

所述多个张力计埋设于所述测试土壤内，且每相邻的两个所述张力计之间间隔第二预设距离，用于测试所述测试土壤的孔隙水压力，以根据所述孔隙水压力得出基质吸力；

所述多个土壤水势传感器埋设于所述测试土壤内，且每相邻的两个所述张力计之间间隔第三预设距离，用于测试所述测试土壤的土壤水势；

所述多个体积含水率-盐分-温度传感器埋设于所述测试土壤内，且每相邻的两个所述张力计之间间隔第四预设距离，用于测试所述测试土壤的含水率、盐分和温度。

8.根据权利要求6所述的包气带盐渍土导水系数与水土参数的测试装置，其特征在于，所述第一底座和所述第二底座均安装有多个滚轮。

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