一种土水特征和电阻率联合测试装置的制作方法

本实用新型属于土壤电阻率及土水特征曲线测定技术领域，涉及一种土水特征和电阻率联合测试装置。

背景技术：

西北地区的黄土多为非饱和土，其中非饱和土的水敏性、渗透性、非饱和特性决定着黄土的强度和变形特性。黄土的强度、变形特性是黄土高填方工程、边坡工程、隧洞工程、基坑工程等最为关注的力学特性。因此，深入了解黄土的上述物理特性是目前解决黄土力学及工程问题的核心所在，然而目前研究黄土的物理力学特性手段略显单一，本实用新型试图将黄土的电导率特性和土-水特征等引入到一个测试系统中，来更深层次的揭示黄土的上述特性，并能够从土壤电阻率的细观角度来了解黄土的水分迁移规律和结构演化特征，将电阻率演化规律与黄土的土-水特征建立关系，从而实现通过直接测试土壤电阻率来获取土的力学参数这一过程，为黄土的细观行为开避一个新的方法。

黄土的导电性涉及两个不同过程，通过孔隙水导电与颗粒表面导电。因而有两个主要参数控制了土体导电性能的大小：(1)孔隙水的含盐量与饱和度；(2)颗粒表面吸附特征与颗粒之间的连结特性。土的电阻率(ρ)是土体导电能力大小的量度，土体三相组成中，孔隙水、颗粒、结构共同决定了土的电阻率。当孔隙水成分一定时，则取决于饱和度和土的结构。也有用土的电导率(σ)来衡量土导电性能的强弱，电导率定义为：σ＝1/ρ。

大量已有的研究成果表明，土壤电阻率与土壤水分含量、盐分含量、环境温度、土体内部的阴阳离子组分、孔隙比等有关，对于同种性质的黄土来说(这里指颗粒组成不变、孔隙水化学成分不变或变化极小、外界温度不变等)，其电阻率大小主要取决于含水率的变化，而吸力大小也取决于含水率大小。因而黄土的电阻率与其吸力之间必然存在一定的内在联系，若能通过室内试验获得黄土的吸力与其电阻率之间的函数关系，则可利用土的电阻率相关指标来预测吸力大小，从而可达到简化非饱和土吸力测试的目的，进而推进黄土地区高填方工程、隧道工程、边坡工程、地基基础工程等的发展与实际应用，为后期原位监测仪器的研发提供一套新的机理性探索和一个新的途径。

归根结底，土壤电阻率与土体的初始饱和度有关，初始饱和度反映了土体内部初始含水率和孔隙比(干密度)情况，当土体发生变形时，土体内部的水分、气体、土颗粒之间的滑动、摩擦等过程都可以通过连续测试土体的体积含水率、电阻率、基质吸力的演化过程来获取。大量研究结果表明，当土体的干密度不变时，土体的含水率升高引起孔隙中水分增多，则土体的整体导电性增强，电阻率迅速降低，土体颗粒之间的吸力也迅速降低，反之亦然；当土体的干密度增大时，土体中气体含量减小，土体颗粒间距减小，土体颗粒接触面增多，其导电性增大，电阻率降低，干密度直接反映土的密实程度，土体越密实，土体中的孔隙越少，土颗粒之间结合越紧密，相应的基质吸力变大，但土体结构发生变化下，电阻率的变化相对较小。因此，电阻率综合反映了土体内部水分、气体和土颗粒之间的空间组合关系，而基质吸力也反映了上述三相或四相的空间组合关系，二者必然存在一定的关联，因此，理论上建立二者的关系是极有可能的。

非饱和土分布十分广泛，几乎所有的岩土工程问题都会遇到非饱和土强度及变形问题。吸力是非饱和土力学理论体系的基础和核心概念，同样也是研究非饱和土工程性质的一项很重要的参数。凡是涉及到非饱和土的强度、变形问题，如天然土坡、路堤及土坝的稳定性问题，膨胀土、黄土、红黏土等地基变形以及由此而引发的建筑物基础下沉、墙体开裂等破坏的问题，吸力这一参数都有着非常广泛的应用前景。因此，正确预测吸力是用非饱和土力学解决生活及工程实际问题不可或缺的前提。吸力的获取可以通过试验量测和计算获得。在室内试验中，准确量测吸力对试验人员的规范操作要求较高，并且试验所需要的时间较长，此外，非饱和土的试验设备昂贵，拥有此设备的单位又比较少；至于吸力的现场量测则尤为困难，然而在世界范围内积累的实测资料也很少；吸力的计算需要涉及到现阶段仍不太成熟的非饱和土的固结理论。由于吸力的量测与计算的困难限制了非饱和土理论的实际应用，所以这也是非饱和土力学长期以来发展迟缓的一个重要原因。

确定黄土的土-水特征曲线通常用实验和理论推导的黄土土-水特征曲线测量方法很多。常见的土-水特征曲线测试方法有：轴平移技术法(如Tempe仪、压力板仪和改进的三轴仪)；张力计法；热电偶湿度计法；滤纸法；冷镜湿度计法；恒湿箱法等等。同时控制和测量含水量和吸力的方法主要采用上述的吸力测量技术与如下的含水量测量方法:液体流入和流出体积和质量的测量方法；时域反射方法(TDR探头)；电介质湿度探头法(ECHO探头)。

一般来说，现行的实验室吸力测量或控制方法十分复杂且耗时较长，所能测量的吸力范围也受到限制。此外，大多数实验方法最适合确定脱湿状态的土-水特征曲线，如Tempe仪、压力板仪等。然后，吸湿状态才能更好地描述降雨过后斜坡短期内入渗和径流现象。由于很多土都存在滞后效应，含水量相同但干湿历史不同的土，其吸力差距显著。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供了一种土水特征和电阻率联合测试装置，该装置能实现黄土的电阻率和土水特征曲线在同一个设备上同时获得。

本实用新型所采用的技术方案是，一种土水特征和电阻率联合测试装置，包括底座，底座上设置有套筒，套筒内设置有拉杆，套筒从上到下分为若干层，套筒的每层上均接通有电阻率量测系统、吸力量测系统和水分量测系统，套筒的两端均设置有多孔板，套筒一端的多孔板上设置有上盖板，上盖板上设置有压杆。

本实用新型的特点还在于，

多孔板和上盖板之间设置有上托板和上保温板，螺栓依次穿过多孔板、上托板、上保温板和上盖板与螺母和平垫圈连接，上盖板侧面设置有上护环。

底座包括相互连接的下盖板和下底板，下盖板和下底板之间设置有下保温板，下底板的底部设置有支腿。

上盖板和下底板上均设置有L型快插接头内螺纹和L型快插接头外螺纹，L型快插接头内螺纹和L型快插接头外螺纹均设置两个，L型快插接头内螺纹均和L型快插接头内螺纹附近的多孔板接通。

套筒为有机玻璃试筒，有机玻璃试筒从上到下依次分为八层，每层有机玻璃试筒上均匀设置四个通孔，四个通孔依次连接有一个电阻率量测系统、吸力量测系统、另一个电阻率量测系统和水分量测系统。

水分量测系统包括土壤水分传感器，土壤水分传感器插入有机玻璃试筒的通孔内，土壤水分传感器与农业土壤水分采集仪连接。

电阻率量测系统包括一对长方形薄铜片的电极，电极粘贴在有机玻璃试筒的内壁上，电极与铜导线连接，铜导线穿过有机玻璃试筒上的通孔与电阻测量仪表连接。

吸力量测系统包括吸力传感器，吸力传感器包括接头，接头插入有机玻璃试筒上的通孔，接头上依次连接有腔体和压力变送器，接头内设置有陶土板，接头与腔体通过螺钉连接，腔体上设置有螺纹堵头，腔体和压力变送器的连接处设置有密封圈c，陶土板和腔体之间设置有密封圈b。

吸力量测系统还包括数字信号采集仪以及用于信号分析和数据显示的显示器，数字信号采集仪与显示器均与压力变送器连接。

本实用新型的有益效果是：一种土水特征和电阻率联合测试装置，不仅可实现直接量测土体内部的基质吸力、电阻率和体积含水率分布特征、演化特征，还可以利用土壤电阻率指标预测基质吸力，提出非饱和黄土的吸力与电阻率指标的函数关系，分析非饱和土的电阻率与体积含水率的关系，探讨非饱和土的土-水特征曲线变化规律；而且还可实现施加竖向荷载情况下以及模拟降雨入渗时黄土中水分迁移规律的研究。本装置可实现顶部和底部加水入渗功能；排水、不排水功能；轴向变形测量功能、自动竖向加载和读取、记录数据功能；具有结构简单，操作方便，控制稳定，数据可靠特点。

附图说明

图1是本实用新型一种土水特征和电阻率联合测试装置的结构示意图；

图2是本实用新型一种土水特征和电阻率联合测试装置的俯视图；

图3是本实用新型一种土水特征和电阻率联合测试装置中吸力传感器的结构示意图；

图4是本实用新型一种土水特征和电阻率联合测试装置中土壤水分传感器的结构示意图；

图5是本实用新型一种土水特征和电阻率联合测试装置中电极的结构示意图。

图中：1.土壤水分传感器，2.上护环，3.密封圈a，4.L型快插接头外螺纹，5.L型快插接头内螺纹，6.压杆，7.上保温板，8.平垫圈，9.螺母，10.上盖板，11.上托板，12.多孔板，13.吸力传感器，14.拉杆，15.电极，16.有机玻璃试筒，17.下盖板，18.下底板，19.支腿，20.十字槽沉头，21.下保温板，22.接头，23.螺钉，24.陶土板，25.密封圈b，26.腔体，27.螺纹堵头，28.密封圈c，29.压力变送器，30.数字信号采集仪，31.显示器，32.农业土壤水分采集仪，33.电阻测量仪表。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供了一种土水特征和电阻率联合测试装置，如图1-5所示，包括底座，底座上设置有套筒，套筒内设置有拉杆14，套筒从上到下分为若干层，套筒的每层上均接通有电阻率量测系统、吸力量测系统和水分量测系统，套筒的两端均设置有多孔板12，套筒一端的多孔板12上设置有上盖板10，上盖板10上设置有压杆6；

多孔板12和上盖板10之间设置有上托板11和上保温板7，螺栓依次穿过多孔板12、上托板11、上保温板7和上盖板10与螺母9和平垫圈8连接，上盖板10侧面设置有上护环2；

底座包括相互连接的下盖板17和下底板18，下盖板17和下底板18之间设置有下保温板21，下底板18的底部设置有支腿19；

上盖板10和下底板18上均设置有L型快插接头内螺纹5和L型快插接头外螺纹4，L型快插接头内螺纹5和L型快插接头外螺纹4均设置两个，L型快插接头内螺纹5均和L型快插接头内螺纹5附近的多孔板12接通；

套筒为有机玻璃试筒16，有机玻璃试筒16的外径为320mm，有机玻璃试筒16的内径为300mm，有机玻璃试筒16的高度为820mm；有机玻璃试筒16从上到下依次分为八层，有机玻璃试筒16第一层离其顶部距离为35.5mm，第八层离其底部的距离为35.5mm，有机玻璃试筒16其余各层间距为107mm；

每层有机玻璃试筒16上均匀设置四个通孔，四个通孔依次连接有一个电阻率量测系统、吸力量测系统、另一个电阻率量测系统和水分量测系统；

水分量测系统包括土壤水分传感器1，土壤水分传感器1插入有机玻璃试筒16的通孔内，土壤水分传感器1与农业土壤水分采集仪32连接；

电阻率量测系统包括一对长方形薄铜片的电极15，电极15的长度和宽度分别为30mm和10mm，电极15粘贴在有机玻璃试筒16的内壁上，可采用AB胶和环氧树脂将电极15粘贴在有机玻璃试筒16的内壁上，电极15与铜导线连接，铜导线穿过有机玻璃试筒16上的通孔与电阻测量仪表33连接；

吸力量测系统包括吸力传感器13，吸力传感器13包括接头22，接头22插入有机玻璃试筒16上的通孔，接头22上依次连接有腔体26和压力变送器29，接头22内设置有陶土板24，接头22与腔体26通过螺钉23连接，腔体26上设置有螺纹堵头27，腔体26和压力变送器29的连接处设置有密封圈c28，陶土板24和腔体26之间设置有密封圈b25，吸力传感器13的密封性一定要好；压力变送器29的量程为-0.1MPa—0.5MPa；

吸力量测系统还包括数字信号采集仪30以及用于信号分析和数据显示的显示器31，数字信号采集仪与显示器均与压力变送器29连接。

本实用新型一种土水特征和电阻率联合测试装置的工作原理是：

试验前，先将下盖板17，下底板18与底座相连，将有机玻璃试筒16装在下盖板17上，用平垫圈8和螺母9将四根拉杆14固定的下底板18和下盖板17上，然后将上托板11穿过拉杆14盖在有机玻璃试筒16上部，同样再用平垫圈8和螺母9将上托板11和拉杆14固定；

试验过程中，将配置好的黄土试样按照试验所需的压实度分层压实在有机玻璃试筒16内部，试样制好以后放上多孔板12，再将压杆6、上盖板10盖在试样上部，然后在每层的通孔中插上土壤水分传感器1和拧上吸力传感器13，注意用生胶带密封好，将电阻测量仪表33连接在径向的一对电极15上构成电率量测系统，在吸力传感器13上外接数字信号采集仪30和显示器31构成吸力量测系统；将农业土壤水分采集仪32连接在土壤水分传感器1构成水分量测系统，这样就构成了一个完整的测试系统，整套设备就组装好了；

数据采集过程中，打开电阻测量仪表33直接可以测得任意时刻的土壤的电阻，将测得的土壤电阻可以转化为土壤电阻率；体积含水率的量测需要利用农业土壤水分采集仪32来完成；农业土壤水分采集仪具有自动监测、方便快捷、自动存储，可以把储存的数据通过TF卡导出来，同时还可以多通道同时记录任意时刻试样中每层的体积含水率；吸力量测系统采用的是CDSP型数字信号采集系统，此系统具有最高200kH的采样频率，最多可实现32个通道的连续海量存储，可选择是否监视采集状态，采用多窗口显示通道的时域波形，进行采集监视；此系统还可以进行灵活地触发控制；可以手动控制数据采集的开始和结束，可进行指定通道的电压信号触发采集(含多次触发采集)，可灵活设定采集时间；采样频率可在30～200000Hz之间灵活设置，采集通道可在1～32之间连续选择，而本实用新型只需要用到其中的八个通道同时监测，在显示器31上就可以显示具体的数值。

通过以上的量测就可以得到每层的土壤电阻率、体积含水率、吸力值，从而可以反映三者之间的关系；体积含水率和吸力值就可以构成土水特征曲线，通过体积含水率就可以得到黄土的吸力值，同样的，也可以通过土壤电阻率来反映黄土吸力的变化，进而可以通过土壤电阻率来预测黄土中吸力值的大小。这样就实现了在本实用新型上同时测得土壤电阻率和土水特征曲线；

试验结束之后，依次取下压杆6、上盖板10、多孔板12，分别拧开上托板11和下底板18上面的螺母9，取下螺母9和平垫圈8，卸下四根拉杆14，土壤水分传感器1和吸力传感器13等，将试验的黄土土样从有机玻璃试筒16内取出。

本实用新型实现了黄土电阻率量测、吸力量测和体积含水率量测，实现了黄土的电阻率和土水特征曲线在同一个设备上同时获得，实现了自动测量、自动记录，使得数据采集方便且可靠，并且随时记录黄土的电阻率、体积含水率和吸力演化情况，可反映黄土中水分迁移的细观演化规律，还可以实现加载-卸载及模拟水分入渗条件下重塑黄土的长期变形特性及土体内部水分迁移、孔隙状态演化规律。