专利名称：一种保持试验土体的饱和度恒定的方法
技术领域：
本发明涉及土木工程土工试验领域的一种非饱和土的试验方法，特别是涉及一种保持非饱和土饱和度恒定的试验方法。
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非饱和土饱和度恒定的方法，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，本发明所述的方法包括以下步骤将试验土体置于一密闭空间；测试出土体上部的空气的初始温度和湿度，计算出初始的空气含水量Vl ;当温度上升到一定程度，测试得到当前空气的相对湿度，查询跟空气湿度对应的露点温度，计算出当前的空气含水量V2 ;计算当前含水量V2和初始含水量V3的差值Λ V，即为土体中水分的蒸发量；将八V水量的水分补入土体，以保持土体的饱和度的恒定。根据本发明所述的方法，还包括以下步骤在密闭空间下部事先形成模拟地下水层。根据本发明所述的方法，优选通过人工喷淋的方式将Λ V水量的水分补入土体。根据本发明所述的方法，优选在土体中水分处于毛细管运行阶段时进行补水，从而使得补入的水能快速均匀溶入土体。采用本发明所述的方法通过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。
具体实施例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
1.在一长方体形的空间下部设置模拟地下水层；
2.在地下水层上部放置试验土体，形成土体；
3.密闭所述长方体形空间；
4.测试出密闭空间上部的空气的初始温度和湿度，计算出土体上方的空气含水量Vl；
5.温度升高到一定程度后，测试得到当前空气的湿度、温度和露点温度，计算出当前空气的含水量V2 ；
6.计算出Vl和V2之间的差值ΛV，即为土体中水分的蒸发量；
7.在土体中的水分还处于毛细管运行阶段期间，将ΛV的水量通过人工喷淋的方式均匀喷淋到土体表面，从而保持土体的饱和度的恒定。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方法，其特征在于包括以下步骤(1)将试验土体置于一密闭空间，形成土体；(2)测试出所述土体上部的空气的初始温度和湿度，计算出初始的空气含水量Vl；(3)当温度上升到一定程度，测试出当前的空气湿度、温度和露点温度，计算出当前的空气含水量V2 ；(4)计算当前含水量V2和初始含水量Vl的差值ΛV，即为土体中水分的蒸发量；(5)将ΛV水量的水分补入土体，保持土体的饱和度的恒定。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于还包括以下步骤在步骤(I)之前，在所述密闭空间下部形成模拟地下水层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(5)中，通过人工喷淋的方式将ΛV水量的水分补入所述土体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于在所述土体中的水分处于毛细管运行阶段时进行人工喷淋补水。
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方法，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。该方法包括以下步骤将试验土体置于一密闭空间；测试出土体上部的空气的初始温度和湿度，计算出初始的空气含水量V1；当温度上升到一定程度，测试得到当前空气的相对湿度，查询跟空气湿度对应的露点温度，计算出当前的空气含水量V2；计算当前含水量V2和初始含水量V3的差值△V，即为土体中水分的蒸发量；将△V水量的水分补入土体，以保持土体的饱和度的恒定。采用本发明所述的方法通过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G01N1/28GK102937545SQ20121044778
公开日2013年2月20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