一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的装置及方法与流程

本发明属于非饱和土研究领域，具体涉及一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的装置及方法。

背景技术：

滤纸法起源于土壤学，1937年Gardner将此方法应用于非饱和土中测量基质吸力。目前滤纸法测量非饱和土基质吸力的方法并没有其他测量方式(压力板仪、离心机、湿度计)操作成熟。此方法是基于热力学平衡理论，即含水率不同的土样和干燥的滤纸在密闭的环境中存在不同的自由能差，因此会进行水分迁移，当达到平衡后，土与滤纸中的自由能差为零，水分不再迁移，土-滤纸-蒸汽平衡过程必须在密闭恒温的环境下进行。将滤纸与土样直接接触，土体中水分和溶质均可以进入滤纸中，最终二者达到平衡，可测试基质吸力；当滤纸不与土体直接接触时，只有土中的水分进行蒸发进入滤纸，而溶质则无法进入滤纸，可测总吸力。土-水特征曲线(SWCC)是描述土中含水率与基质吸力的关系。目前在ASTM D5298-10中对于对此方法做出了简要的阐述，使用的装置是采用密封罐创造密封条件，称量滤纸是放在铝盒或者保鲜袋中，但经过多次试验证明，密封罐很难达到完全密封的效果且不便于操作，称量滤纸使用铝盒或保鲜袋会由于基数过大而造成测量不准。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的装置及方法，实验装置则是改善密封条件，为实验提供一种可以完全密封的环境，操作方法则是一种可降低称量误差的称量方式，进而更准确地完成对于吸力的测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的装置，包括用于装载待测土样的两个环刀，两个环刀对接且对接处设置有滤纸，两个环刀及土样被锡箔纸完全包裹，锡箔纸外部均匀涂覆有石蜡。

滤纸包括测量滤纸以及设置在测量滤纸上下两面的保护滤纸，两保护滤纸均完全覆盖测量滤纸。

两个环刀的接口处缠绕有用于固定环刀与滤纸的电工胶带。

一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的方法，包括如下步骤：

1)将烘干后的环刀土样称重，计算干土质量，并两两一组，将其含水率控制至目标含水率后，用保鲜袋包裹后在保湿器中放置至环刀土样内水分均匀；

2)从干燥器中取出一张测量滤纸进行称重，并记录数据，再从干燥器中取两张保护滤纸，将已称重的滤纸放在两张保护滤纸中间，然后将保护滤纸和测量滤纸放在经步骤1)处理后的两个环刀土样之间，两个环刀的开口对接，然后用电工胶带在环刀的接口处缠绕紧固，将土样和滤纸固定在一起；

3)采用锡箔纸将步骤2)中的环刀土样完全包裹，并在锡箔纸外表均匀涂敷石蜡进行密封后，将封好的环刀土样贴好标签放在20±0.5℃温度的恒温箱中；

4)达到预估平衡时间后，用剪刀从侧壁拆除石蜡与锡箔纸，将上部土样抬起，取出测量滤纸进行称重，然后对平衡后土样的质量进行称量；

5)根据平衡后的土样质量计算含水率，根据测量滤纸的含水率计算吸力。

步骤1)中的控制含水率采用减湿时，先将环刀放入真空饱和仪中将土样在-0.1MPa真空条件下进行饱和后再自然风干至目标含水率；控制含水率采用增湿时，采用滴水法配水至目标含水率。

步骤1)中放置时间为3天以上。

步骤2)中采用分析天平直接对测量滤纸进行称重；且称重时间控制在5s以内。

步骤4)中使用镊子夹取测量滤纸，并使用分析天平进行称重，且称重时间控制在5s以内；平衡后土样的称重为将土样竖起来放在天平上称量。

步骤4)的平衡时间为4～12天，土样的目标含水率越低平衡时间越长。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，采用了锡箔纸和石蜡代替密封罐，联合创造实验密封环境，锡箔纸是为防止取出滤纸时对土样造成损坏，达到了更为精准的效果，相比于ASTM的铝盒称量或者保鲜袋称量均操作便捷，且称量误差小，尤其是在滤纸高含水率(即低吸力)的情况下大大提高的试验测试的精度。

进一步的，从侧壁有环刀保护的部位用剪刀开始拆起，能够有效的防止拆封时对土样有损伤，切勿从土样的顶部或者底部开拆；土样在高含水率下如果采用锡纸包裹可能剐蹭少量土屑，应对每次损失的土样进行称量，精确确定土样含水率。

进一步的，在同一土样含水率的情况下，随着时间的推移，滤纸含水率先增长最后趋于平稳，在含水率为10％的土样中，ASTM D5298-10的7天平衡时间不能使得滤纸含水率平衡，因此本发明设定了含水率与平衡时间的范围，使测试更加准确。

现有技术中称量滤纸时使用的容器基数较大，称量不准确，因此采用ASTM规范试验精度并不是很高，影响非饱和土强度、渗透等性质的计算和工程上的使用；本发明在称量滤纸时直接放置在分析天平上，不需要任何容器，极大程度的提高了称量的精确性，保证了分析结果的准确性。

附图说明

图1本发明装置的结构示意图。

图2本发明土样变化过程示意图，其中图2a为土样与滤纸呈夹心状叠放后，采用电工胶带固定的土样状态，图2b为锡箔纸包裹后的土样状态，图2c为蜡封后的土样状态。

图3为本发明实验结果展示。

附图中：1、测试滤纸，2、保护滤纸，3、土样，4、锡箔纸，5、工业石蜡，6、电工胶带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括用于装载待测土样3的两个环刀，两个环刀的开口对接且对接处设置有滤纸，滤纸包括测量滤纸1以及设置在测量滤纸1上下两面的保护滤纸2，两保护滤纸均完全覆盖测量滤纸，两个环刀的接口处缠绕有用于固定环刀与滤纸的电工胶带6，两个环刀被锡箔纸4完全包裹，锡箔纸4外部均匀涂覆有石蜡5。

本发明还提供了一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的方法，包括如下步骤：

1)将烘干后的环刀土样称重，计算干土质量，并两两一组，将其含水率控制至目标含水率后，用保鲜袋包裹后在保湿器中放置至环刀土样内水分均匀，放置时间为3天以上；当控制含水率采用减湿时，先将环刀放入真空饱和仪中将土样在-0.1MPa真空条件下进行饱和后再自然风干至目标含水率；控制含水率采用增湿时，采用滴水法配水至目标含水率；当实验进行减湿路径时，应采用真空泵将环刀土样进行饱和，抽真空次数不少于3次，且每次不低于20分钟。

2)从干燥器中取出一张测量滤纸进行称重，采用分析天平直接对测量滤纸进行称重；且称重时间控制在5s以内，并记录数据，再从干燥器中取两张保护滤纸，将已称重的滤纸放在两张保护滤纸中间，然后将保护滤纸和测量滤纸放在经步骤1)处理后的两个环刀土样之间，两个环刀的开口对接，然后用电工胶带在环刀的接口处缠绕紧固，将土样和滤纸固定在一起；

3)采用锡箔纸将步骤2)中的环刀土样完全包裹，并在锡箔纸外表均匀涂敷已经融化的石蜡进行密封后，将封好的环刀土样贴好标签放在20±0.5℃温度的恒温箱中；

4)达到预估平衡时间后，用剪刀从侧壁拆除石蜡与锡箔纸，将上部土样抬起，取出测量滤纸进行称重，滤纸称量必须直接放入事先已经调平的分析天平中，不可使用间接承载物如铝盒、保鲜袋等，记录湿滤纸含量，然后对平衡后土样的质量进行称量；此步骤必须在室内环境稳定的情况下进行，实验者必须戴上无菌医用手套，使用镊子夹取测量滤纸，并使用分析天平进行称重，且称重时间控制在5s以内；平衡后土样的称重为将土样竖起来放在天平上称量；本步骤中，土样的平衡与土样的含水率有关，与干密度关系不大，根据实验平衡时间可根据含水率不同分为3个区间，含水率小于5％时，平衡时间为12天以上，当土样含水率介于5％～10％之间时，建议平衡时间为10天以上，当土样含水率大于20％时，建议平衡时间为5天以上。

5)根据平衡后的土样质量计算含水率，根据测量滤纸的含水率计算吸力。

以下为本发明的具体实施例：

试验准备：

滤纸：用蒸馏水将干燥器和铝盒洗净后，干燥器自然风干，铝盒放在干燥箱中干燥。试验员戴上无菌医用手套，取Whatman No.42型滤纸放入铝盒，放置在105℃的鼓风干燥箱箱中8h以上，如若采用烘箱，则温度应控制在30—40℃，放入准备好的干燥器中冷却干燥，干燥器应保持洁净，并提前放入干燥剂。

土样：将带环刀(直径6.18cm)的土样置于烘箱中，设置105℃烘8小时以上，放入干燥器中备用。

其他工具：分析天平(精度0.0001g，称量滤纸)、电子天平(精度0.01g，称量土样)、镊子、电工胶带、锡箔纸、蜡、刷子、无菌手套、剪刀。

试验过程中最少应配备二名试验员。

具体步骤：

1.将烘干后的两个环刀土样称重，计算干土质量后，如是减湿则先将环刀放入真空饱和仪中将土样在-0.1MPa真空条件下进行饱和，抽真空时应不少于3次，每次不少于20分钟，如是增湿，则采用滴水法配水至预估含水率；再用保鲜袋包裹后在保湿器中放置3天以上，使土样内水分均匀，称量饱和土样质量；

2.试验员一调平分析天平，试验员二戴上无菌医用手套，从干燥器中快速取一张测量基质吸力的滤纸放入分析天平中，并迅速关闭防风罩，待天平读数稳定后由试验员一记录数据，这个称量过程尽量在5秒内完成；试验员二再从干燥器中取两张保护滤纸，将已测质量的滤纸放在两张保护滤纸中间，并放在已经称重后的两个环刀土样之间，保护滤纸直径应略大于中间滤纸直径，保证中间滤纸不接触土样。由试验员一用电工胶带在土样接触处缠绕几圈，将土样和滤纸固定在一起，见图2(a)；

3.将准备好的土样采用锡箔纸完全包裹，不能有破损且保证平滑，见图2(b)。用刷子在锡箔纸上涂一层蜡进行密封，见图2(c)。样与滤纸的关系如图2(d)所示。将封好的土样贴好标签放在调好温度的恒温箱中；

4.达到预估平衡时间后，拆封土样，试验员一将上部土样抬起，试验员二戴无菌手套，用镊子迅速将中间滤纸放入分析天平中，称量湿滤纸重量，整个称量过程必须在5s内完成。称量平衡后土样的质量；

5.烘干上一步的中间滤纸，放入干燥器中冷却，称量冷却后滤纸质量。

6.将以上的2个环刀土样放在室内进行自然失水至预计的含水率，重复2-5步；

7.操作注意事项

1)土样减湿是在室内让水分自然蒸发，会存在表面比较干而内部比较湿的情况，应将土样包裹保鲜袋后放在盛有蒸馏水的保湿器中至少3天；

2)饱和土样称量时应及时处理环刀外壁的水分，并且将其竖起来放在天平上，为保证土样不损失，称量后应及时将饱和时所使用的滤纸放在土样的上下面再放入保鲜袋；

3)试验过程中所有与滤纸接触的试验员都应戴上无菌手套操作，且此试验员不能接触除滤纸外的任何东西，防止污染；整个试验操作过程中必须减少对土样的扰动，保护滤纸与中间滤纸的接触面确保没有污染；

4)为避免拆封时对土样有损伤，应从侧壁有环刀保护的部位用剪刀开始拆起，禁止从土样的顶部或者底部开拆；土样在高含水率下如果采用锡纸包裹可能剐蹭少量土屑，应对每次损失的土样进行称量，精确确定土样含水率；

5)如果进行土样的增湿试验，可将环刀土体先进行烘干，采用滴水法对目标含水率进行控制。

本发明实施例的试验结果展示，图3是采用此方法对典型非饱和黄土的测试结果，其中实曲线与虚曲线分别为理论脱湿曲线和理论增湿曲线，方形试验点为脱湿试验点，圆形试验点为增湿试验点，经过相关性分析，其中脱湿部分的曲线与试验点相关系数为99.03％，增湿部分的曲线与试验点相关系数为98.50％，相关性好，试验结果较为理想，因此采用更为简便操作的锡箔纸加蜡封代替密封罐以及直接在天平上称量的方案具有可实施性。