专利名称：一种保持试验土体的饱和度恒定的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及土木工程土工试验领域一种非饱和土的试验装置，特别是涉及一种保持非饱和土的饱和度恒定的试验装置。
背景技术：
天然土体是一种复杂的三相材料体系，其中土颗粒形成固体土骨架，土骨架空隙之间充满了液体和气体，当骨架之间的空隙全部为液体充满,则形成饱和土 ；如果土体内部的孔隙部分被液体充满，则为非饱和土。非饱和土是一种由土颗粒及不相混溶流体(如水——气、水——油、水——污染物等)组成的非均质多孔介质材料，它广泛分布在土质边坡、土石坝、路基填土、垃圾填埋场及干旱——半干旱地区之中。随着国民经济对交通需求不断提高，公路、铁路建设日益扩大，细粒土 (粉质土和粘质土)、膨胀土、黄土及湿陷性土等非饱和土作为路基材料也逐渐增多。近些年来，随着我国经济的快速发展以及人类社会改造活动的加剧，越来越多与非饱和土有关的工程问题有待解决。
修筑在非饱和土地区的路基工程、水利工程及市政工程等，由于受到诸如气候等因素影响，浅层非饱和土工程性质产生变化，表现为构筑工程中水、热分布变化。这种变化对工程稳定性有重大影响，常导致路基工程出现沉陷、纵胀、水沟失陷等病害，水利工程出现冻胀、塌岸、砌体开裂等病害，市政工程出现冻胀、沉陷、网裂等病害。病害原因是土中含水量增大产生湿陷，强度降低，冻融使土自身体积变化，阴阳面上水、热差异引起变形差异等，影响浅层非饱和土工程稳定性主要指标是含水量和温度。
为了准确掌握具有某种土体饱和度的非饱和土对路基工程、水利工程等工程稳定性的影响，人们需要以该非饱和土为实验对象进行土体固结、粘弹性等水力参数的试验。在进行土体的各项试验过程当中，由于环境温度的变化会导致土体中水分的流失，从而导致土体饱和度发生变化，影响试验结果的准确性。因此，在实验过程中保持土体饱和度恒定就显得非常重要。
为了保持土体饱和度恒定，现有技术中一般采用直接向试验土体中添加水以保持土体饱和度的做法。但是，这种做法具有较大的随意性，土体饱和度不够稳定，从而不利于获得准确的实验结果。发明内容
本发明的目的在于提供一种保持试验土体的饱和度恒定的实验装置，以克服现有技术中保持土体饱和度的随意性，提高试验的准确程度。
本发明人通过大量的实验发现I、土体水分蒸发的物理过程土体水分蒸发持续进行的条件是经常有热量到达土面，提供水分汽化所需的汽化热； 土面水汽压高于大气水汽压；土面能持续得到土内水分。根据各种形态水分的运动情况，土体水分蒸发过程分三个阶段①毛细管运行阶段，当土体湿润时，水充满土体内部孔隙，水分通过毛细管作用，不断快速地向地表运行，水分在地表汽化、扩散，土体水分蒸发强烈。
②薄膜运行阶段，当蒸发耗水使土体含水量降低，小于毛细管水断裂含水量时，毛细管水断开，毛细管传导作用停止，土体水分则以薄膜水形式，由水膜厚的地方向水膜薄的地方运动。由于这种运动缓慢，水分蒸发明显减弱。此时，蒸发不仅在地表进行，土体内部水分也可汽化，并经土体孔隙向大气扩散。
③扩散运行阶段，当土体含水量降低，接近凋萎系数时，土体水分由底层向土面的薄膜运动已基本停止，地表土体内只有气态水进行扩散，蒸发率甚小。
2、土体水分蒸发的影响因素除影响水面蒸发的相同因素外，尚有土体含水量、地下水埋深、土体结构、土体色泽、土体表面特征等。
①当土体含水量接近饱和时，由于不规则的土体颗粒构成了较大的总的蒸发面， 蒸发机会比水平面积相同的自由水面的蒸发机会多。土体表层3 5厘米范围内含水量对蒸发起决定性作用，往下影响较小。
②如果地下水埋深小，潜水位经常保持在毛细管作用范围内，则土体含水量能持久地得到补充，蒸发均匀；反之，如果地下水埋深大，则蒸发率减小的变化幅度大。
③团粒结构的土体，蒸发量小；非团粒结构的土体，蒸发量大。
④土体色泽改变土体表面反射率，从而影响蒸发，土体颜色愈深，蒸发量愈大。棕色土体的蒸发量比白色的大19%，黑色土体的蒸发量比白色的大32%。
⑤土体表面特征影响风的紊动作用，粗糙地面的蒸发量比平滑地面的大；地形高处风速大，高地蒸发量比盆地的大；地表坡向不同，影响吸收辐射，蒸发量也有所不同。
可见，如图I所示，随着外界温度的升高，土体上部的水分在蒸发作用下，不断以水蒸气形式进入空气当中；由于土体上部水分减少，下部水分在毛细作用下，向土体上部运动，导致地下水位不断下降。如图2所示，由于在温度升高的过程中，进入空气中的水分越来越多，空气的湿度随之加大，土体中的水分流失严重，直接造成土体的饱和度下降。因此， 可以考虑通过调整空气的湿度来保持土体饱和度的恒定不变。
据此，本发明所述的装置包括以下部件带有上盖的密闭箱体，用于封装试验土体；所述密闭箱体上设有补水装置，用于对试验土体进行补水；箱体上部设有温度传感器、 湿度传感器和露点传感器，用于检测土体上部的空气的温度和湿度以及露点温度；计算单元，用于接收从所述温度传感器、湿度传感器和露点传感器发送过来的空气的温度、湿度和露点温度数据，并计算出初始时的空气的含水量和其后某个时间空气的含水量，计算出其差值，并通过控制补水装置，将所述差值的水分补入土体中；以及显示单元，用于显示所述空气的温度、湿度、露点温度以及差值。
根据本发明所述的装置，补水装置优选设置在箱体的上盖上。
根据本发明所述的装置，补水装置优选喷淋装置，用于将水分均匀喷淋在土体表面上。
根据本发明所述的装置，箱体的下部还可以设有水箱和透水板，用于模拟地下水层，从而使得实验结果更接近于自然状态。
根据本发明所述的装置，所述计算单元采用单片机制成。
采用本发明所述的装置能够实现向土体精确补充水分，可以简单、有效地保持土体饱和度恒定，从而使得实验的测试结果更加客观、真实、可靠。
图I为高温下土体水分迁移示意图；图2为根据本发明所述方法补水后土体水分迁移示意图；图3为本发明所述的装置的具体实施例的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述方法的具体实施详述如下本发明所述的测试装置包括箱体I和上盖2，所述密闭箱体I上部设有喷淋装置3，箱体上部的一侧设有温度传感器 4、湿度传感器5和露点传感器6，通过计算单元7控制喷淋装置和显示单元8。
根据本发明所述的装置，包括以下部件带有上盖2的箱体1，用于封装试验土体； 所述密闭箱体下部设有水箱9，用于盛放水，水箱9上设有透水板10，将水箱中的水与土体隔开；所述上盖2上设有喷淋装置3，用于对土体的表面进行均匀喷淋补水；所述密闭箱体 I的上部设有温度传感器4、湿度传感器5和露点传感器6，用于检测箱体内土体上部的空气的温度和湿度以及露点温度；计算单元7，采用单片机制成，用于接收从所述温度传感器4、 湿度传感器5和露点传感器6发送过来的空气的温度、湿度和露点温度数据，并计算出初始时的空气的含水量和其后某个时间空气的含水量，计算出其差值，并通过控制喷淋装置3， 将所述差值的水分补入土体中；以及显示单元8，用于显示所述差值。
使用时，先将水盛入水箱9中，盖上透水板10 ;然后在透水板10上放置适量的试验土体,形成土体；盖上上盖2以箱体I ;温度传感器4、湿度传感器5和露点传感器6测试出土体上部的空气的初始温度和湿度，计算出空气初始的含水量Vl ;当温度上升到一定程度后，温度传感器4、湿度传感器5和露点传感器6测试出当前空气的温度、湿度以及与当前空气湿度对应的露点温度，计算出空气当前的含水量V2 ;计算当前含水量V2和初始含水量 Vl的差值Λ V，即为土体中水分的蒸发量；计算单元7控制喷淋装置3将Λ V水量的水分通过均匀喷淋的方式补入土体，以保持土体的饱和度的恒定；同时显示单元8适时将所述空气的温度、湿度、露点温度以及所述差值显示出来，供使用者判断补水量大小。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明。权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围。因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种保持试验土体的饱和度恒定的装置，其特征在于包括以下部件带有上盖的封闭箱体，用于封装试验土体；所述箱体上设有补水装置，用于对试验土体进行补水；箱体上部设有温度传感器、湿度传感器和露点传感器，用于检测土体上部的空气的温度和湿度以及露点温度；计算单元，用于接收从所述温度传感器、湿度传感器和露点传感器发送过来的空气的温度、湿度和露点温度数据，并计算出初始时的空气的含水量和其后某个时间空气的含水量，计算出其差值，并通过控制补水装置，将所述差值的水分补入土体中；以及显示单元，用于显示所述温度、湿度、露点温度以及所述差值。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于所述封闭箱体的下部设有水箱和透水板。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其特征在于所述补水装置设置在封闭箱体的上盖上。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述补水装置为喷淋装置，用于将水分均匀喷淋在土体表面上。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述计算单元是采用单片机制成。
全文摘要
本发明提供了一种保持试验土体的饱和度恒定的装置，包括以下部件带有上盖的密闭箱体；所述密闭箱体上设有补水装置；箱体上部设有温度传感器、湿度传感器和露点传感器；计算单元，用于接收从所述温度传感器、湿度传感器和露点传感器发送过来的空气的温度、湿度和露点温度数据，并计算出初始时的空气的含水量和其后某个时间空气的含水量，计算出其差值，并通过控制补水装置，将所述差值的水分补入土体中；以及显示单元，用于显示所述空气的温度、湿度、露点温度以及差值。采用本发明所述的装置能够实现向土体精确补充水分，可以简单、有效地保持土体饱和度恒定，从而使得实验的测试结果更加客观、真实、可靠。
文档编号G01N33/24GK102928575SQ20121044775
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者王星华, 涂鹏 申请人:中南大学