一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置及测量方法
【专利摘要】本发明提供一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，包括计重装置、土样容器、土壤水势测量仪，所述土样容器放置于计重装置之上，所述土样容器上开设有土壤水势测量仪安装孔，所述土壤水势测量仪安装于所述土壤水势测量仪安装孔中，所述土样容器设有顶部密封板及侧向密封板，所述顶部密封板及侧向密封板用于开启或封闭所述土样容器。本发明通过测量不同位置的吸力和蒸发面的流量，确定同一土样测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数；采用简易蒸发方法对非饱和水力特性参数进行测量，缩短了试验时间；通过改变蒸发面方向，可分别测量土体竖直和水平方向的非饱和水力特性参数。本发明还公开一种测量方法。
【专利说明】一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非饱和土体水力特性各向异性测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002]土体的散粒体结构特性决定了土体各向异性的产生，尤其在分层压实土中。分层压实土中，土体的细观结构为层状，导致非饱和水力特性参数的各向异性极为严重。非饱和水力特性参数包括土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数。土体中垂直向和水平向的非饱和水力特性参数的差异，是非饱和土体渗流预测不准的主要原因之一。此问题普遍存在于农业、林业、土壤科学、土木工程类等学科。尤其在土木工程中，非饱和水力特性作为土体材料的重要材料特性，一直是人们研究的重点。土体的非饱和水力特性参数的各向异性势必增加了工程安全的不确定性，尤其在分析降雨作用下边坡稳定预测中。
[0003]现有研究对非饱和渗透系数测量较多，中国专利申请CN201210196089.4提出了一种测定非饱和土体渗透系数的装置，中国专利申请CN20130205267.X也提出了粗粒土体的水力特性参数测量，但此两种方法均不能测量非饱和土体的水力特性参数的各向异性。
[0004]中国专利申请201210530675.8提出一种层状粗粒土各向异性测量，但不能测量非饱和土体的土水特征曲线和渗透系数方程，更不能测量非饱和土体水力特性参数的各向异性。可见，现有的研究和设备只对土体的饱和渗透系数的各向异性进行测量，尚未对非饱和水力特性参数的各向异性进行研究。
[0005]根据现有技术中，如果需要测量土体的水力特性参数的各向异性，先通过对大型压实土样进行不同方向取样，然后采用常水头或者变水头方法测量不同方向的饱和渗透系数。此技术中，取样复杂，且易对取样土体产生扰动，影响测量精度，而且测量的渗透系数只为饱和状态，并不能测量非饱和土体的水土特征曲线和渗透系数。
[0006]目前并无涉及土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数的各向异性的研究，也没有直接测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数的各向异性的设备。
【发明内容】
[0007]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，包括计重装置、土样容器、土壤水势测量仪，所述土样容器放置于计重装置之上，所述土样容器上开设有土壤水势测量仪安装孔，所述土壤水势测量仪安装于所述土壤水势测量仪安装孔中，所述土样容器设有顶部密封板及侧向密封板，所述顶部密封板及侧向密封板用于开启或封闭所述土样容器。
[0008]进一步的，所述土样容器采用刚性材料制成。
[0009]进一步的，所述土样容器采用PVC塑料制成。
[0010]进一步的，所述土样容器的外侧边长为60mm至300mm,壁厚为Imm至20mm。
[0011]进一步的，所述土样容器的外侧边长为100mm,壁厚为10_。
[0012]进一步的，所述土样容器沿竖直方向设有至少两个土壤水势测量仪，所述土样容器沿水平方向设有至少两个土壤水势测量仪。
[0013]进一步的，所述沿竖直方向或水平方向的相邻土壤水势测量仪之间的间距为IOmm至 50mm。
[0014]进一步的，所述相邻土壤水势测量仪的间距为40mm。
[0015]一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置的测量方法，包括以下步骤: 步骤一:将待测试的土体试样放置在所述土样容器中；
步骤二:在所述土样容器中饱和待测试的土体试样；
步骤三:安装土壤水势测量仪，并将所述土样容器、土壤水势测量仪和待测试的土体试样放在所述的计重装置上；
步骤四:打开顶部密封板，关闭侧向密封板，使顶部自由蒸发，记录土壤水势测量仪读数和计重装置读数，直到土壤水势测量仪读数超过量程，测量竖直方向的非饱和水力特性参数；
步骤五:在所述土样容器中再次饱和待测试的土体试样；
步骤六:打开侧向密封板，关闭顶部密封板，使侧面自由蒸发，记录土壤水势测量仪读数和计重装置读数，直到土壤水势测量仪读数超过量程，测量水平方向的非饱和水力特性参数。
[0016]进一步的，所述待测试土样为重塑土则按设计的干密度在土样容器中压实；所述待测土样为原状土则将土样切成合适形状放入土样容器中。
[0017]相较于现有技术，本发明的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置通过测量不同位置的吸力和蒸发面的流量，采用同一土样测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数；采用简易蒸发方法对非饱和水力特性参数进行测量，缩短了试验时间；通过改变蒸发面方向，可分别测量土体竖直和水平方向的非饱和水力特性参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置在顶部开启状态下的结构示意图。
[0019]图2是本发明的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置在侧面开启状态下的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合【专利附图】
【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0021]请参阅图1至图2，本发明提供了一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置10及测量方法。
[0022]本发明的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置10包括计重装置11、土样容器13、土壤水势测量仪15。土样容器13放置于计重装置11之上，土壤水势测量仪15安装于土样容器13。待测试的土体试样放置于土样容器13中。所述土样容器13设有顶部密封板131及侧向密封板133。顶部密封板131封盖于土样容器13的顶面，并可相对于土样容器13开启或关闭。同样的，侧向密封板133封盖于土样容器13的侧面,并可相对于土样容器13开启或关闭。在本实施例中，所述计重装置11采用天平。[0023]在本实施例中，所述土样容器13为设有容纳腔的正方体容器，土样容器13采用刚性材料制成,用于容纳待测试的土体试样。在本实施例中,土样容器13外侧边长为60_至300mm,壁厚为Imm至20mm,作为优选方式,土样容器13的材质为PVC塑料,外侧边长为100mm,壁厚为10_。所述土样容器13的顶部及侧面可通过顶部密封板131及侧向密封板133开启，从而使放置于其中的待测试的土体试样与外部连通。
[0024]在本实施例中，土样容器13还设有与侧向密封板133相邻的前侧面及后侧面，前侧面及后侧面相对设置，且前侧面及后侧面上开设有土壤水势测量仪安装孔(图未示)。在本实施例中，所述前侧面共设有四个土壤水势测量仪安装孔，其中沿水平方向设有两个安装孔，沿竖直方向设有两个安装孔。为了保证测量的水力梯度有足够精度，沿水平或竖直方向的土壤水势测量仪安装孔的间距为IOmm至50mm，作为优选方式，相邻土壤水势测量仪安装孔的间距为40mm，从而保证水力梯度的精度。可以理解的是，前侧面沿竖直方向或水平方向可设置二个或多于二个土壤水势测量仪安装孔，从而便于安装土壤水势测量仪15。后侧面也可开设有土壤水势测量仪安装孔，其排布位置、数量及间距与前侧面一致。
[0025]土壤水势测量仪15安装于土壤水势测量仪安装孔。可以理解的是，土壤水势测量仪15的排布方式与土壤水势测量仪安装孔的开设方式一致，为了保证测量的水力梯度有足够精度，土壤水势测量仪15之间的沿竖直方向或水平方向的间距为IOmm至50mm，作为优选方式，沿竖直方向或水平方向的相邻的土壤水势测量仪15的间距为40mm。所述土壤水势测量仪15用于测量土体中负孔隙水压力，土壤水势测量仪15量程大于待测土体的进气值。为了便于土壤水势测量仪)的安装，所述土壤水势测量仪15的直径比所述土样容器13的土壤水势测量仪安装孔小I至2mm，作为优选方式，所述土壤水势测量仪15的直径比所述土样容器13的土壤水势测量仪安装孔小1_。在本实施例中，所述土壤水势测量仪15采用张力计。
[0026]所述土壤水势测量仪15的反应时间小于lOmin，作为优选方式，所述土壤水势测量仪153的反应时间小于1.5min。所述计重装置11的测量面大于所述土样容器13，量程大于所述土样容器13、土壤水势测量仪15和待测试的土体试样总重。
[0027]使用时，开启顶部密封板131、关闭侧向密封板133，待测土体的蒸发面方向为竖直方向，可测量竖直方向的非饱和水力特性参数；关闭顶部密封板131、开启侧向密封板133，待测土体的蒸发面方向为水平方向，可测量水平方向的非饱和水力特性参数。
[0028]一种非饱和土体各向异性测量方法，包括以下步骤:
步骤一:将待测试的土体试样放置在所述土样容器13中。如果待测试土样为重塑土，按设计的干密度在土样容器13中压实；如果待测土样为原状土，将土样切成合适形状放入土样容器13中；
步骤二:在所述土样容器13中饱和待测试的土体试样；
步骤三:安装土壤水势测量仪15，并将所述土样容器13、土壤水势测量仪15和待测试的土体试样放在所述的计重装置11上；
步骤四:打开顶部密封板131，关闭侧向密封板133，使顶部自由蒸发，记录土壤水势测量仪15读数和计重装置11读数，直到土壤水势测量仪15读数超过量程，测量竖直方向的非饱和水力特性参数；
步骤五:在所述土样容器13中再次饱和待测试的土体试样； 步骤六:打开侧向密封板133，关闭顶部密封板131，使侧面自由蒸发，记录土壤水势测量仪15读数和计重装置11读数，直到土壤水势测量仪15读数超过量程，测量水平方向的非饱和水力特性参数。可以理解的是，步骤三、四与步骤五、六的先后顺序可根据需要进行调整。
[0029]本发明的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置10通过测量不同位置的吸力和蒸发面的流量，采用同一土样测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数；采用简易蒸发方法对非饱和水力特性参数进行测量，缩短了试验时间；通过改变蒸发面方向，可分别测量土体竖直和水平方向的非饱和水力特性参数。本发明的有益效果是:本发明的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置10通过测量不同位置的吸力和蒸发面的流量，采用同一土样测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数；采用简易蒸发方法对非饱和水力特性参数进行测量，缩短了试验时间；通过改变蒸发面方向，可分别测量土体竖直和水平方向的非饱和水力特性参数。
[0030]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，其特征在于:包括计重装置、土样容器、土壤水势测量仪，所述土样容器放置于计重装置之上，所述土样容器上开设有土壤水势测量仪安装孔，所述土壤水势测量仪安装于所述土壤水势测量仪安装孔中，所述土样容器设有顶部密封板及侧向密封板，所述顶部密封板及侧向密封板用于开启或封闭所述土样容器。
2.根据权利要求1所述非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，其特征在于:所述土样容器采用刚性材料制成。
3.根据权利要求2所述非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，其特征在于:所述土样容器采用PVC塑料制成。
4.根据权利要求1所述非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，其特征在于:所述土样容器的外侧边长为60mm至300mm,壁厚为Imm至20mm。
5.根据权利要求4所述非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，其特征在于:所述土样容器的外侧边长为100mm,壁厚为10mm。
6.根据权利要求1所述非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，其特征在于:所述土样容器沿竖直方向设有至少两个土壤水势测量仪，所述土样容器沿水平方向设有至少两个土壤水势测量仪。
7.根据权利要求6中所述非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，其特征在于:所述沿竖直方向或水平方向的相邻土壤水势测量仪之间的间距为IOmm至50mm。
8.根据权利要求7所述非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，其特征在于:所述相邻土壤水势测量仪的间距为40mm。
9.一种使用如权利要求1至8中任一项所述的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置的测量方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:将待测试的土体试样放置在所述土样容器中； 步骤二:在所述土样容器中饱和待测试的土体试样； 步骤三:安装土壤水势测量仪，并将所述土样容器、土壤水势测量仪和待测试的土体试样放在所述的计重装置上； 步骤四:打开顶部密封板，关闭侧向密封板，使顶部自由蒸发，记录土壤水势测量仪读数和计重装置读数，直到土壤水势测量仪读数超过量程，测量竖直方向的非饱和水力特性参数； 步骤五:在所述土样容器中再次饱和待测试的土体试样； 步骤六:打开侧向密封板，关闭顶部密封板，使侧面自由蒸发，记录土壤水势测量仪读数和计重装置读数，直到土壤水势测量仪读数超过量程，测量水平方向的非饱和水力特性参数。
10.根据权利要求9所述非饱和土体水力特性的各向异性测量装置的测量方法，其特征在于:所述待测试土样为重塑土则按设计的干密度在土样容器中压实；所述待测土样为原状土则将土样切成合适形状放入土样容器中。
【文档编号】G01N5/04GK103822845SQ201410024072
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】陈锐, 刘坚, 吴宏伟, 黄俊文, 王若宣 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院