一种联合测定土水特征与渗透性曲线的试验装置及方法与流程

本发明属于非饱和土土水特性测试技术领域，涉及一种联合测定非饱和土土水特征曲线与渗透性曲线的试验装置及方法。

背景技术：

地下水位以上的土体处于非饱和状态，其土水特性直接影响其工程性质。因而，对非饱和土的土水特征曲线和渗透性曲线进行快速、准确地测定，具有重要的工程意义。

目前用于联合测定非饱和土土水特征曲线(Soil water characteristic curve,SWCC)和渗透性曲线的试验方法为瞬态剖面土柱试验法。该方法是将整段土柱嵌入玻璃筒内，一端给以稳定水头，通过等间距地在土柱上插入一组水分计和吸力探头，测定不同时刻含水率和基质吸力沿土柱的分布曲线，根据获得的两组曲线可同时求得土体的土水特征曲线及非饱和渗透性曲线。

现有的瞬态剖面土柱试验法存在以下缺点：试验中采用的张力计是以大气压作为气压源，测量的基质吸力范围不超过100kPa，因而难以得到完整的土水特征曲线SWCC和渗透性曲线；探针插入过程对土样有扰动，且探头主体外置，干扰因素多，可靠性低，测定的数据离散性大；原状大土柱一般直径为30-40cm，取样存在困难，且运输不便。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种联合测定土水特征与渗透性曲线的试验装置及试验方法，解决了现有技术测定曲线不完整、数据离散性高以及试验土样获取困难的问题。

为达到上述目的，本发明所述一种联合测定土水特征与渗透性曲线的试验装置，包括环刀架底座，所述环刀架底座上固定连接有第一环刀架，所述第一环刀架为半圆筒，所述第一环刀架内侧设置有若干大小相同且叠置的环刀，所述每两个环刀之间设置有两张普通滤纸，所述两张普通滤纸之间设置有测量基质吸力滤纸，最上层的环刀为内嵌透水石环刀，所述内嵌透水石环刀正上方设置有供水系统。

所述第一环刀架外侧固定连接有第二环刀架，所述第二环刀架为半圆筒，所述第二环刀架用于暂时放置已经称量过的含土样环刀。

所述第一环刀架和第二环刀架的外侧面均设置有若干对用于固定橡皮筋的挂钩，所述第一环刀架上的每个环刀对应一对挂钩，所述橡皮筋用于对竖向叠置的环刀形成的环刀柱进行固定。

所述供水系统包括mariotte瓶和供水量筒，所述供水量筒置于内嵌透水石环刀正上方上，所述mariotte瓶外壁标有刻度，悬置于供水量筒正上方，所述mariotte瓶用于在测量过程中提供稳定水头，供水量筒底部为已知渗透率的陶土板。

所述测量基质吸力滤纸为Whatman No.42滤纸。

一种联合测定土水特征与渗透性曲线的试验方法，包括下列步骤：

步骤1，取环刀样：用若干大小相同的环刀在同一取样点取同一深度的原状土样形成含土样环刀，然后在每个含土样环刀的上、下两个面分别覆盖一片与环刀底面大小相同的普通滤纸，以免土样污染测量基质吸力滤纸，导致测量基质吸力滤纸质量不准；步骤2，烘干及称量：将所有带普通滤纸的含土样环刀及已知标定曲线的测量基质吸力滤纸在105℃～110℃的烘箱中烘干，烘干时间针对不同类别的土有所不同，细粒土烘干时间为8h～10h，对砂类土烘干时间为6h～8h，将烘干后的含土样环刀及测量基质吸力滤纸放入干燥器内冷却0.5h～1h，然后称量冷却后的含土样环刀及测量基质吸力滤纸的质量，每个含土样环刀或测量基质吸力滤纸的称重时间控制在5s之内；

步骤3，放置环刀及滤纸：将含土样环刀逐层紧贴第一环刀架内壁叠置，每两个带普通滤纸的含土样环刀之间放置一片已知标定曲线的测量基质吸力滤纸，所有带普通滤纸的含土样环刀及测量基质吸力滤纸叠置形成土柱，最上面一层含土样环刀上方放置同样大小的内嵌透水石环刀，所述透水石提前饱和，以保证水从土样表面均匀入渗，然后用橡皮筋固定土柱；

步骤4，向土柱渗水：土柱固定好后，放置供水系统，供水系统由标有刻度的mariotte瓶与供水量筒组成，mariotte瓶提供稳定水头，供水量筒底部为已知渗透率的陶土板，试验时，首先将供水量筒置于内嵌透水石环刀上，再将mariotte瓶加定量的水，悬于供水量筒上方，调节mariotte瓶的高度，水头稳定后，开始向土柱供水；

步骤5，称量：开始供水后，观察mariotte瓶的水位变化，每入渗50ml时，mariotte瓶水位下降一定高度，此时暂停供水，将带普通滤纸的含土样环刀与测定基质吸力滤纸从上至下快速取下并称量质量，每个带普通滤纸的含土样环刀或测定基质吸力滤纸的称量时间控制在5s以内，称量完毕后快速放回原位，继续供水，直至湿润峰到达土柱底部时，试验停止；

步骤6，数据处理：由于每个环刀的质量已知，根据所测得的带普通滤纸的含土样环刀或测定基质吸力滤纸的质量算出土样含水率与滤纸含水率，根据土样含水率绘出土柱在不同时刻的含水率分布曲线，根据滤纸含水率查得对应的基质吸力，绘出土柱在不同时刻的基质吸力分布曲线，根据这两个曲线得到土柱不同位置不同时刻的含水率及对应的基质吸力，从而绘出土水特征曲线；

通过瞬态剖面法确定土样渗透性曲线，根据土样的含水率及基质吸力得到不同时刻的含水率剖面与水头剖面，根据含水率剖面可以算出一定时间间隔的流量，从而得出某一时刻的流速，根据水头剖面可以得到水力梯度，再根据达西定律，流速与水力梯度之比即为渗透系数，绘出不同时刻的基质吸力与渗透系数关系曲线或含水率与渗透系数关系曲线，即土样的渗透性曲线。

步骤2中，用电子天平称取每个带普通滤纸的含土样环刀质量，精确至0.01g，用分析天平称量每片测量基质吸力滤纸的质量，精确至0.0001g。

整个试验过程在恒温条件下进行，室内温度变化不超过2℃，试验装置置于恒温箱内进行操作，恒温箱内温度变化不超过0.2℃。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明提供的一种联合测定土水特征与渗透性曲线的试验装置，利用本装置可同时测定土样的土水特征与渗透性曲线，本装置包括环刀架和设置在土柱上方的供水系统，环刀架内侧壁设置有若干竖向叠置的环刀，环刀之间设置有两张普通滤纸，两张普通滤纸之间设置有测量基质吸力的滤纸，环刀法可准确测得土的含水率，滤纸法测定基质吸力的范围不受限制，使用本装置进行试验能够得到完整的土水特征曲线SWCC和渗透性曲线，且本装置采用叠置的环刀结构，只需用环刀取较小的土样即可，土样的直径为环刀的直径，取样简单快捷，且便于保护运输，利用本装置进行试验时不需要使用探针，避免了探针插入过程对土样有扰动，以及探针探头主体外置，干扰因素多，可靠性低，测定的数据离散性大的问题。

进一步的，第一环刀架外侧固定连接有第二环刀架，第二环刀架为半圆筒，第二环刀架用于暂时放置已经称量过的含土样环刀，操作方便，可有效防止在试验过程中因含土样的环刀随便放置而导致土样污染，进而导致测量结果不够准确。

进一步的，第一环刀架和第二环刀架的外侧面均设置有若干对用于固定橡皮筋的挂钩，第一环刀架上的每个环刀对应一对挂钩，橡皮筋用于对竖向叠置的环刀形成的环刀柱进行固定，防止试验过程中环刀柱倒塌。

进一步的，供水系统包括mariotte瓶和供水量筒，供水量筒置于内嵌透水石环刀正上方上，mariotte瓶外壁标有刻度，悬置于供水量筒正上方，mariotte瓶用于在测量过程中提供稳定水头，供水量筒底部为已知渗透率的陶土板，所述陶土板(3)用于控制水渗入土样的速度，水头流量方便控制，以免水流过快从土样上方溢出，可以得到沿土柱较为连续的含水率或吸力变化曲线。

进一步的，测量基质吸力滤纸为Whatman No.42滤纸，滤纸标定准确，测试结果可靠。

一种联合测定土水特征与渗透性曲线的试验方法，利用mariotte瓶提供稳定且水量合适的水头，利用若干大小相同的环刀取土样，并用两片与标准环刀底面相同大小的普通滤纸覆盖含土样环刀的上下两个面，两张普通滤纸之间夹有测量基质吸力滤纸，采用滤纸法确定不同位置处土样的基质吸力，避免了现有方法中插入探头引起的土样扰动。

进一步的，步骤2中，用电子天平称取每个含土样环刀的质量，精确至0.01g。由于滤纸质量小，质量变化也相对较小，因此精度要求高。为提高实验结果的准确性，本试验选择用分析天平称量每片滤纸质量，精确至0.0001g。

进一步的，整个试验过程应在恒温条件下进行，室内温度变化不超过2℃，试验装置置于恒温箱内进行操作，恒温箱内温度变化不超过0.2℃，防止由于温度变化引起的滤纸吸水量的变化，进而提高试验结果证准确性。

附图说明

图1为试验装置总体结构示意图；

图2为试验装置俯视图(不含供水系统)；

图3为含土样环刀夹滤纸示意图；

图4a为本试验装置及方法测定的土水特征曲线SWCC；

图4b为本试验装置及方法测定的非饱和渗透性曲线；

图5a为传统瞬态剖面土柱试验法测定的土水特征曲线SWCC；

图5b为传统瞬态剖面土柱试验法测定的非饱和渗透性曲线；

附图中：Ⅰ、供水系统，Ⅱ、环刀柱，1、mariotte瓶，2、供水量筒，3、陶土板，4、内嵌透水石环刀，5、含土样环刀，7、环刀架底座，8、环刀架，81、第一环刀架，82、第二环刀架，9、挂钩，10、环刀，11、土样，12、普通滤纸，13、测量基质吸力滤纸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，一种联合测定土水特征与渗透性曲线的试验装置，包括环刀架底座7，环刀架底座7上固定连接有环刀架8，底座与环刀架皆为有机玻璃制成，环刀架8包括背接而成的第一环刀架81和第二环刀架82，第一环刀架81和第二环刀架82等高且均为半圆筒状，第一环刀架81内侧设置有若干大小相同且竖向叠置的环刀10，第一环刀架81和第二环刀架82的外径与环刀10的外径匹配，竖向叠置的含环刀10形成环刀柱Ⅱ，最上层的环刀为内嵌透水石环刀4，用以保证水从土样表面均匀入渗，环刀柱Ⅱ正上方设置有供水系统Ⅰ，环刀10之间紧密接触，第二环刀架82用于放置已经称量过的含土样环刀5。

供水系统Ⅰ用于在试验过程中向土样提供稳定的水头，供水系统Ⅰ包括标有刻度的mariotte瓶1和供水量筒2，供水量筒2置于内嵌透水石环刀4正上方，mariotte瓶1悬于供水量筒2正上方，mariotte瓶1在测量过程中提供稳定水头，供水量筒2底部为已知渗透率的陶土板3，用来控制水渗入土样的速度，以免水流过快从土柱上方溢出。

参照图2，从俯视图看环刀架8为“x”形，第一环刀架81和第二环刀架82的外侧面均设置有若干对用于固定橡皮筋的挂钩9，第一环刀架81上的每个环刀10对应一对挂钩9，橡皮筋用于对整个环刀柱Ⅱ进行固定，防止实验过程中土柱倒塌。

参照图3，每两个含土样环刀5之间设置有两张普通滤纸12，两张普通滤纸12之间设置有测量基质吸力的滤纸13，整个土柱最底部的环刀下方只设置一层普通滤纸12，以免土样11与环刀架底座7接触弄脏土样11。

本试验中环刀10可用现有普通环刀，直径79.8mm，高度20mm。

一种联合测定土水特征与渗透性曲线的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，取环刀样：使用若干同样大小的环刀10在同一取样点取同一深度的原状土样若干，环刀10取土样后，土样11留在环刀10中，就形成了含土样环刀5，然后在每个含土样环刀5的上、下两个面分别覆盖与环刀10底面相同大小的普通滤纸12，以免土样污染测量基质吸力滤纸13，导致测量基质吸力滤纸13质量不准。

步骤2，烘干及称量：将所有带普通滤纸12的含土样环刀5及已知标定曲线的测量基质吸力滤纸13在105～110℃的烘箱中烘干，烘干时间针对不同类别的土有所不同，细粒土烘干时间为8h～10h，砂类土烘干时间为6h～8h。将烘干后的含土样环刀5及测量基质吸力滤纸13放入干燥器内冷却0.5h～1h，冷却后快速称重，每个含土样环刀5或测量基质吸力滤纸13的称重时间控制在5s之内，用电子天平称取每个带普通滤纸12的含土样环刀5的质量，精确至0.01g，用分析天平称量每片测量基质吸力滤纸13的质量，精确至0.0001g，本试验中测量基质吸力滤纸13选用美国生产的Whatman No.42滤纸，标定准确，测试结果可靠，在国际上通用，其标定曲线采用Leong(2011)的标定结果。

步骤3，放置环刀及滤纸：将含土样环刀5逐层紧贴第一环刀架81内壁叠置，每两个含土样的环刀5之间放置一片已知标定曲线的测量基质吸力滤纸13，所有带土样的环刀5及测量基质吸力滤纸13叠置形成土柱，最上面一层环刀上方放置同样大小内嵌透水石环刀4(透水石提前饱和，以保证水从土样11表面均匀入渗)，然后用橡皮筋固定土柱。

步骤4，向土柱渗水：土柱固定好后，即可放置供水系统Ⅰ。供水系统由标有刻度的mariotte瓶1与供水量筒2组成，mariotte瓶1提供稳定水头，供水量筒2底部为已知渗透率的陶土板3，用来控制水渗入土样的速度，以免水流过快从土样上方溢出，试验时，首先将供水量筒2置于内嵌透水石环刀4上，再将mariotte瓶1加定量的水，悬于量筒2上方，调节mariotte瓶1的高度，水头稳定后，开始向土柱供水。

步骤5，称量：开始供水后，观察mariotte瓶1的水位变化，每入渗50ml时，mariotte瓶1水位下降一定高度，此时暂停供水，将带普通滤纸12的含土样环刀5与测定基质吸力滤纸13从上至下快速取下并称量质量，每个带普通滤纸12的含土样环刀5或测定基质吸力滤纸13的称量时间控制在5s以内。称量完毕后快速放回原位，继续供水，直至湿润峰到达土柱底部时，停止试验。注意：整个试验过程应在恒温条件下进行，室内温度变化不超过2℃；试验装置需置于恒温箱内操作，恒温箱内温度变化不超过0.2℃。

步骤6，数据处理：由于每个环刀10的质量已知，根据所测得的带普通滤纸12的含土样环刀5或测定基质吸力滤纸13的质量可以计算出土样含水率与滤纸13含水率，根据土样含水率绘出土柱在不同时刻的含水率分布曲线。根据滤纸含水率得到查得对应的基质吸力，同样可绘出土柱在不同时刻的基质吸力分布曲线。根据这两个曲线得到土柱不同位置不同时刻的含水率及对应的基质吸力，从而绘出土水特征曲线；

通过瞬态剖面法可以确定土样渗透性曲线，根据土样的含水率及基质吸力可以得到不同时刻的含水率剖面与水头剖面。根据含水率剖面可以算出一定时间间隔的流量，从而得出某一时刻的流速，根据水头剖面可以得到水力梯度，再根据达西定律，流速与水力梯度之比即为渗透系数。绘出不同时刻的基质吸力与渗透系数关系曲线或含水率与渗透系数关系曲线，即土样的渗透性曲线。

图4(a)和图4(b)分别为本发明测定的内蒙乌拉特中旗砂土的土水特征曲线与陕西泾阳黄土的非饱和渗透性曲线，由图可见，本方法测定的基质吸力范围均为1～1×10⁵kPa，得到了较为完整的土水特征曲线SWCC与渗透系数曲线。图5(a)和图5(b)为王红等(2014)采用传统的瞬态剖面土柱试验法测定的土水特征曲线与渗透系数曲线，可以看到，受张力计测量范围的限制，其横坐标基质吸力最大到100kPa，无法展现完整的土水特征曲线与渗透系数曲线。覃小华等(2017)采用传统一维土柱入渗试验法时也受到了该方法自身缺陷的制约，无法展现完整的土水特征与渗透系数曲线。