一种测定土壤粘结力的装置的制作方法

本实用新型属于土壤粘结力测定技术领域，涉及一种测定土壤粘结力的装置，具体地说，涉及一种基于流化床思想测定土壤粘结力的装置。

背景技术：

土壤粘结力是指充分湿润情况下单位体积土壤抵抗外力扭剪的能力，在进行水土流失研究中，土壤粘结力测定对于土壤侵蚀预测、细沟发育预报及坡面侵蚀规律研究都具有十分重要的意义，土壤粘结力越大抵抗外力分散的能力越大，土壤抗蚀能力越强，侵蚀越微弱，反之则越剧烈，因此该指标的大小直接影响侵蚀强度。土壤粘结力是众多土壤侵蚀模型重要的输入参数，如EUROSEM(European soil erosion model)和LISEM(Limburge soil erosion model)模型中土壤分离效率系数，KINEROS(Kinematic runoff and erosion model)模型中输沙效率系数，以及MMF(Morgan and Finney)模型中坡面流土壤分离能力的计算都需要粘结力的输入。目前土壤临界抗剪强度测定采用微型粘结力仪(Durham Geo-enterprises，Inc.，UK)进行测定，但测定时需先将地表喷湿，使地表充分湿润，然后进行测定。测定结果受测定人员扭动速度，扭动时施加压力、地表土壤饱和程度、根系和枯落物含量等多种因素影响，波动较大。因此需要寻求一种简便、准确的土壤粘结力测定办法。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种测定土壤粘结力的装置。通过采集土样，进行渗流实验，测定某一水头下单位时间渗流量，借助达西定律即可确定出土壤渗透系数，随水头增大，渗透系数将发生突变，对应水头即为土壤流化水头，根据公式C＝ΔP-(γ_s-γ_w)，即可计算出土壤粘结力。式中C为土壤粘结力，N/m³；ΔP为单位高度土体上水头差作用力，ΔL×9.8×10³N/m³，ΔL为单位高度土体水头差；γ_S为土壤重度，N/m³；γ_w为水的重度，N/m³。

其具体技术方案为：

一种测定土壤粘结力的装置，包括水箱1、试样安装系统和出水装置10，所述水箱1上设溢流口2和注水管3，所述试样安装系统包括有机玻璃锥形体4、第一排气管5、第二排水管6、橡皮塞7、环刀8和密封圈9，所述有机玻璃锥形体4上设有橡皮塞7，所述第一排气管5、第二排水管6位于橡皮塞7上，所述环刀8位于有机玻璃锥形体4的下方，所述环刀8和有机玻璃锥形体4之间设有密封圈9，所述第二排水管6和出水装置10连接，所述出水装置10上设有出水口14。

进一步，所述第一排气管5上设有第一阀门11，所述第二排水管6上设有第二阀门12。

进一步，所述出水装置10为半硬质透明胶管。

进一步，所述环刀8为高53mm，内径70mm的标准环刀。

进一步，所述环刀8设有下盖，所述下盖为多孔盖。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型通过渗透试验，测定土壤在渗透水流作用下，水流作用力克服土壤粘结力时对应的临界状态，进而确定土壤粘结力，克服了传统剪切试验测定结果误差较大的特点。通过渗流流化床，测定环刀内土样渗流过程，借助达西定律，求得土样发生流化时的水力坡降，借助公式，即可求得土壤粘结力，从而为土壤粘结力测定提供便捷方法。

附图说明

图1是测定土壤粘结力的装置的结构示意图；

图2是测定土壤粘结力的装置的装样室的结构示意图；

图3是土壤容重为1.32g/cm³时单位土体水头差与渗流流量关系；

图4是单位土体水头差与渗流流量关系1.02g/cm³。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1-图2，一种测定土壤粘结力的装置，包括水箱1、试样安装系统和出水装置10，所述水箱1上设溢流口2和注水管3，所述试样安装系统包括有机玻璃锥形体4、第一排气管5、第二排水管6、橡皮塞7、环刀8和密封圈9，所述有机玻璃锥形体4上设有橡皮塞7，所述第一排气管5、第二排水管6位于橡皮塞7上，所述环刀8位于有机玻璃锥形体4的下方，所述环刀8和有机玻璃锥形体4之间设有密封圈9，所述第二排水管6和出水装置10连接，所述出水装置10上设有出水口14。

所述第一排气管5上设有第一阀门11，所述第二排水管6上设有第二阀门12。

所述出水装置10为半硬质透明胶管。

所述环刀8为高53mm，内径70mm的标准环刀。

所述环刀8设有下盖，所述下盖为多孔盖。

实验时通过环刀8取样，并固定在试样安装系统上，通过密封圈9密封，防止气体进入；实验时将试样安装系统浸入水中，通过第一排气管5、第二排水管6排出系统中气体。可自由调节出水口14高度的出水装置10由半硬质透明胶管形成，可自由控制出水口14的高度。

本实用新型一种测定土壤粘结力的装置，在具体应用过程中，包括以下步骤：

首先利用装置上的环刀8，采集需要测定点土样；将测试土样13放置于装置上，使其吸水饱和，然后在管道中充水，形成连通状态，逐渐降低出水口14高度，利用出水口14与水箱1内水面间压力差，形成负压，作用在试验土样上，形成渗流作用；通过量筒秒表配合，收集一定时段出水口出流水量，即可确定出该水头下土样渗流流量，利用水头差除以土样高度，即为单位土样上水力坡降，利用达西定律，水力坡降与流量间呈现线性关系；但当渗透水流作用在土粒上的力大于土壤粘结力时，土壤颗粒将呈现悬浮状态，渗透水流开始变浑浊，水力坡降与流量间不在呈现线性关系，对应状态即为土壤粘结力被克服的流化状态，由此即可确定出土壤粘结力。

具体地说，包括以下步骤：

步骤1、采用环刀8采集试验点土样，并盖上环刀下盖；

步骤2、将待测试土样13固定于实验装置上，采用密封圈9确保环刀8与有机玻璃锥形体4间密闭；

步骤3、打开注水管3，向水箱1中注水，并形成溢流；使测试土样13浸水，达到饱和；

步骤4、打开第一阀门11和第二阀门12，向有机玻璃锥形体4及出水装置10内注满水，为保证试验准确稳定性，需充分排出其中气泡；

步骤5、关闭第一阀门11，调整出水口14高度低于水箱1的水面2cm，使出水口14形成出流；

步骤6、开启秒表，记录单位时段出水口14的出流量，即为该水头差下渗透流量；

步骤7、降低出水口高度，每次下降5mm，测定对应水头差Δh，除以土样高度即可得到单位土体的水头差ΔL，水柱/m＝1850ΔhN/m³；同时观测渗流量Q；

步骤8、通过有机玻璃锥形体4观察在渗流作用下土体表面的状况，在水头差达到某一临界值时，土壤表面出现浮动，渗透水出现浑浊现象；

步骤9、点绘单位土体的水头差ΔL与渗流量Q关系散点图，在土体流化前，ΔL与Q间呈现直线函数关系，当次直线关系发生转折时对应水头差，即为土壤流化时水头差。

步骤10、利用公式C＝ΔL-(γ_s-γ_w)，确定出该土样粘结力。

针对杨凌农耕地，试验时采集土样2组，土壤容重分别为1.02g/cm³和1.32g/cm³，试验测得2组土样在不同水头下的渗透流量

当土壤容重为1.32g/cm³，测得土壤渗流流量与单位土体水头差间呈现图3所示关系，在单位水头差为3.49mm水柱/mm时发生较大变化，同时在实验过程中，也观察到土体发生浮动现象，渗透水流呈现出浑浊。根据公式C＝ΔL-(γ_s-γ_w)，取γ_s＝2.65×9.8×10³N/m³，γ_w＝1.1×9.8×10³N/m³，则可计算得土壤粘结力为18.05×10³N/m³。

图4为土壤容重为1.02g/cm³，测得土壤渗流流量与单位土体水头差关系，在单位水头差为1.79mm水柱/mm时发生较大变化。由此即可计算出土壤粘结力为1.396×10³N/mm³。

本实用新型根据测定需要，采用环刀采集待测点土壤试样；固定试样与装置上，并在出口段形成自由出流；通过调整出水口高度，获取不同压力水头；在不同压力水头下，利用量筒收集单位时段出流，记录不同时段出流量，即可获得不同水力坡降下渗流流量；借助达西定律，即可获得不同水力坡降下渗流流量，水力坡降与渗流流量间呈现线性关系，当水力坡降达到某一值后，将不再呈现线性变化，对应压力水头，即为土壤颗粒达到颗粒粘结力破坏对应水力坡降，同时通过水管可以看到，土壤颗粒呈现浮动现象，证明土壤颗粒达到悬浮临界状态，对应状态即为土壤颗粒粘结破坏的临界状态。

本实用新型的实验装置操作简单，成本低廉，采用降低出水口高度，通过虹吸形成压力水头，作用在试验土体上，进行渗透试验，同时规避了试验土体抬升形成的扰动，提升了实验测定的便捷性。该装置不单适用于土壤颗粒粘结力的测定，同时也可用于土壤临界渗透坡降研究，极大的拓宽了仪器的适用范围。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本实用新型的保护范围内。