一种动水流作用下的土样崩解试验装置及试验方法与流程

本发明涉及土壤崩解试验技术领域，具体而言，涉及一种动水流作用下的土样崩解试验装置及试验方法。

背景技术：

土壤的崩解性是描述土壤受水浸入后，发生表面脱落、分散、碎裂的现象。土壤的崩解性的难易是土壤抗侵蚀能力强弱的重要指标，通常以崩解量和崩解速率作为评价土壤抗侵蚀能力的指标。土壤崩解能力受土壤黏土颗粒含量、含水量、干密度等因素的影响，其崩解性的测验通常以在室内进行崩解试验为主。

现有的土壤崩解试验装置大多采用的是静水进行土壤崩解试验，如申请号“2017209666695”、“2015210678707”、“201310347377x”的专利文献等等，这些专利文献采用的技术手段均是在静水中进行土壤的崩解试验，然而在实际中河流两岸消落带的土壤往往是在动水流的作用下发生崩解的，因此现有技术中的土壤崩解试验装置并不能模拟真实情况下动水流对土壤崩解和侵蚀的影响，其不能得出在动水流作用下土壤的崩解量以及崩解速率。

技术实现要素：

本发明的目的包括提供一种动水流作用下的土样崩解试验装置，其不仅可以完成静水状态下的崩解试验，还可以改变水头压力和水流速度，研究土壤在一定流速下，发生崩解的崩解量与崩解速率。

本发明的另一目的包括提供一种动水流作用下的土样崩解试验方法，其能够准确测验出在一定流速的水流中土壤的崩解量和崩解速率，为确定土壤崩解性提供准确的数据支撑。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一方面，本发明提供一种动水流作用下的土样崩解试验装置，包括土样崩解组件，所述土样崩解组件包括称重装置、升降装置和盛放装置，所述称重装置与所述升降装置连接，所述升降装置用于驱动所述盛放装置沿竖直方向往复移动；该试验装置还包括测试管、吹吸气装置以及设有密封盖的密封箱，所述测试管水平放置，所述密封箱设于所述测试管上方，且底部与所述测试管连通，所述密封箱的侧壁与所述测试管的管壁密封，所述吹吸气装置用于向所述密封箱内排入空气或排出空气，所述土样崩解组件设于所述密封箱内部。

发明人发现现有的土壤崩解试验装置都是在静水中测验土壤的崩解量和崩解速率，并不能够模拟真实情况下动水流对土壤的崩解量和崩解速率的影响。

据此发明人发明了一种动水流作用下的土样崩解试验装置，该试验装置在现有的土样崩解试验装置的基础上，通过增设测试管、吹吸气装置和密封箱模拟真实情况下土壤在动水流中的崩解过程，从而准确的确定土壤在一定流速的动水流中的崩解量和崩解速率。

可选的，还包括循环供水系统，所述循环供水系统包括供水槽、供水管、集水槽、回流管、循环水泵和排水管，所述供水管一端与所述供水槽连通，所述供水管另一端与所述测试管的进水端连通，所述集水槽设于所述测试管的出水端，所述回流管一端与所述集水槽连通，其另一端与所述循环水泵的输入端连通，所述排水管一端与所述循环水泵的输出端连通，其另一端与所述供水槽连通，所述供水管上设有第一阀门，所述测试管的出水端设有第二阀门。

可选的，所述循环供水系统还包括竖直设置的支架，所述供水槽安装于所述支架上，所述支架上设有用于测量所述供水槽的水位高度的水头标尺。

可选的，所述循环供水系统还包括溢流管，所述溢流管一端与所述回流管连通，其另一端延伸至所述供水槽的顶部边缘，所述供水槽的顶部边缘设有与所述溢流管配合使用的溢流口。

可选的，所述密封箱的侧壁设有水位标尺，所述密封箱的内底部设有透水石。

可选的，所述升降装置包括吊架，所述称重装置与所述吊架顶部连接，所述吊架顶部安装有释放器，所述盛放装置设有挂钩，所述盛放装置通过所述挂钩挂在所述释放器上，所述盛放装置与所述吊架滑动连接，所述密封箱内部设有用于固定所述吊架的固定块。

可选的，所述吹吸气装置包括气泵、吸气管、吹气管以及放气阀，所述吸气管一端与所述气泵的输入端连通，其另一端与所述密封箱连通，所述吹气管一端与所述气泵的输出端连通，其另一端与所述密封箱连通，所述放气阀安装在所述密封箱上，且与所述密封箱连通。

可选的，所述循环供水系统还包括沉淀池，所述沉淀池设于所述测试管的出水端与所述集水槽之间，所述沉淀池与所述测试管的出水端对应，所述沉淀池通过引流管与所述集水槽连通。

另一方面，本发明提供一种动水流作用下的土样崩解试验方法，采用上述所述的试验装置，包括以下步骤：

s1.取土，获取土样；

s2.打开所述密封箱的密封盖，对所述称重装置调零，将所述土样放入所述盛放装置中并盖好所述密封盖；

s3.向所述测试管的进水端通入一定水头的水，直至所述测试管内的水流平稳无空气，读取并记录所述流速测定仪显示的水流速度v；

s4.调节所述吹吸气装置，使得所述密封箱内的水面保持在所述土样的下方；

s5.利用所述升降装置将所述盛放装置连同所述土样一并下放至所述密封箱内的水中，使得所述土样的底部刚好与所述测试管内的水接触，读取并记录此时所述称重装置显示的所述土样的重量g1，随后利用所述称重装置获取在崩解一定时间后t时刻所述土样的重量g2，以及崩解结束时所述土样的重量g3和整个崩解过程所花的时间te；

s6.根据所得的数据参数，计算并得出所述土样的崩解量和崩解速率。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明提供的试验装置相比于现有的试验装置而言，不仅能够完成土壤在静水状态下的崩解试验，更重要的是能够完成在动水流状态下的崩解试验，使得试验条件更加符合真实情况，提高土壤崩解试验结果的准确性，为后续对土壤崩解性的研究提供更加准确的数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的试验装置的结构示意图；

图2为图1中a-a剖视图。

图标：1-称重装置，2-盛放装置，3-测试管，4-密封盖，5-密封箱，6-流速测定仪，7-供水槽，8-供水管，9-集水槽，10-回流管，11-循环水泵，12-排水管，13-第一阀门，14-第二阀门，15-支架，16-溢流管，17-透水石，18-吊架，19-释放器，20-固定块，21-气泵，22-吸气管，23-吹气管，24-放气阀，25-沉淀池，26-引流管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

请参照图1至图2，本发明提供一种动水流作用下的土样崩解试验装置，包括土样崩解组件，土样崩解组件包括称重装置1、升降装置和盛放装置2，上述称重装置1的选择根据实际情况确定，如电子秤、拉力计、称重计等等，升降装置则可选用释放器19、电绞盘等等，而该盛放装置2优选为网篮以便于放置土样，同时使得土样崩解后的泥沙、石子等杂质顺利落入水中与土样分离，称重装置1与升降装置连接，升降装置用于驱动盛放装置2沿竖直方向往复移动，上述土样崩解组件为现有技术，在此不过多赘述；

此外，该试验装置还包括测试管3、吹吸气装置以及设有密封盖4的密封箱5，测试管3水平放置在地面上，其两端分别作为进水端和出水端，且靠近其进水端的内部设置有水流缓冲区，以减小水流对测试管3的管壁的冲击力，实现水流平稳过渡，同时为了优化试验过程，该测试管3选用扁方形透明的管材，保证在测试管3内部的水流平稳流动且便于观察，并且在测试管3的内部设有用于测量水流速度的流速测定仪6，当然在实际中也可以采用其它方式确定水流的流速，如根据水头计算等等，而密封箱5同样采用透明材质支撑，并设置在测试管3上方，且密封箱5的底部设有开口使其与测试管3连通，密封箱5的侧壁与测试管3的管壁密封，避免密封箱5与测试管3的连通位置处出现缝隙，吹吸气装置用于向密封箱5内排入空气或者排出密封箱5内的空气，以改变密封箱5内气体的含量，实现改变密封箱5内部的压强，从而达到调节密封箱5内的水面高度的目的，同时将土样崩解组件设于密封箱5内部，以进行崩解试验。

通过上述设置，在进行崩解试验时，先将土样放置在密封箱5内的盛放装置2中，保证试验环境处于一个恒温状态(一般情况下指的是常温状态，保证试验环境温度变化不大即可)，随后关闭密封盖4，此时向测试管3的进水端通入具有一定水头的水，随着测试管3内不断的有水流通过，最终将测试管3内的空气全部挤出，由于水流中的空气含量较少，使得密封箱5内完全处于一个相对密闭的状态，且此时密封箱5内的压强与外界的压强保持平衡，随后通过吹吸气装置排出密封箱5内的部分空气，从而减少密封箱5内的空气含量，使得密封箱5内部压强小于外界的压强，此时测试管3内的水流漫入密封箱5内部，使得密封箱5内的水位上升，反之通过吹吸气装置向密封箱5内排入空气，以增大密封箱5内的压强，使得密封箱5内的水位下降，随即利用升降装置将盛放装置2连通土样一并下方至密封箱5的底部，使得土样的底面与测试管3内的水刚好接触进行崩解，整个崩解过程中测试管3内的水始终处于流动状态，实现模拟动水流作用下土壤下表面不断崩解的过程。

除了上述的研究动水流对土壤崩解的影响外，该试验装置也能实现研究静水对土壤崩解的影响，即将循环水泵11关闭，使得测试管3内的水流及密封箱5内的水为静水即可进行土壤在静水状态下的崩解试验。

在本实施例中，为了实现水资源的循环利用，该试验装置还包括循环供水系统，该循环供水系统包括顶部开口的供水槽7、供水管8、集水槽9、回流管10、循环水泵11和排水管12，供水管8一端与供水槽7连通，供水管8另一端与测试管3的进水端连通用于向测试管3供水，集水槽9设于测试管3的出水端用于回收测试管3中流出的水，回流管10一端与集水槽9连通，其另一端与循环水泵11的输入端连通，排水管12一端与循环水泵11的输出端连通，其另一端与供水槽7连通，通过上述设置实现测试管3内流出的水流入集水槽9中，再通过循环水泵11将集水槽9中的水重新抽回至供水槽7中，且通过设置供水槽7安装高度即可实现提供具有一定水头的水，同时供水管8上设有第一阀门13，测试管3的出水端设有第二阀门14，在试验开始前通过调节第一阀门13和第二阀门14的开关状态以及流量的大小能够快速的排出测试管3内的空气；

同时，上述的循环供水系统还包括竖直设置的支架15，供水槽7通过高强度的调节螺栓安装于支架15上，且供水管8为可伸缩的管材，以实现能够调节供水槽7在支架15上的安装高度且供水管8能够自适应供水槽7的安装高度，从而根据试验需要调节水头大小，以满足试验需要，同时支架15上设有用于测量供水槽7的水位高度的水头标尺，以便方便快捷的确定水头的大小；

此外，该循环供水系统还包括可伸缩的溢流管16用于自适应供水槽7的安装高度，溢流管16一端与回流管10连通，其另一端延伸至供水槽7的顶部边缘，供水槽7的顶部边缘设有与溢流管16配合使用的溢流口，当供水槽7内的水溢出后通过溢流管16可重新回流至回流管10内，避免水溢出至地面或其它装置上造成资源浪费，破坏试验环境。

在本实施例中，为了方便确定密封箱5内的水位，在密封箱5的侧壁设有水位标尺，同时为了避免测试管3内的水流入密封箱5时产生冲击，在密封箱5的内底部设有起缓冲作用的透水石17，以保证密封箱5中的水平稳。

在本实施例中，上述的升降装置包括由不锈钢制成的吊架18，称重装置1与吊架18顶部连接，吊架18顶部安装有释放器19，盛放装置2设有挂钩，盛放装置2通过挂钩挂在释放器19上，盛放装置2与吊架18滑动连接，在实际试验时，称重装置1对吊架18有向上拉升作用，密封箱5内部设有固定块20，将吊架18底部卡住，用于防止其向上移动。在释放器19收到指令释放后，盛放装置2沿吊架18的高度方向滑落水中，该吊架18在起到导向作用的同时能够提高盛放装置2在下落过程中的稳定性。

在本实施例中，上述的吹吸气装置包括气泵21、吸气管22、吹气管23以及放气阀24，吸气管22一端与气泵21的输入端连通，其另一端与密封箱5连通，吹气管23一端与气泵22的输出端连通，其另一端与密封箱5连通，放气阀24安装在密封箱5上，且与密封箱5连通，通过放气阀24和气泵22的配合作用能够更加方便和快捷的调节密封箱5内的空气含量，从而实现快速调节密封箱5内的水位。

在本实施例中，考虑到从测试管3中流出的水中含有土样崩解后散落的泥沙、石子等杂质，因此上述的循环供水系统还包括沉淀池25，沉淀池25设于测试管3的出水端与集水槽9之间，沉淀池25与测试管3的出水端对应，沉淀池25通过引流管26与集水槽9连通，使得测试管3流出的水先流入沉淀池25中，经过沉淀池25对水中的杂质沉淀后在经过引流管26流入集水槽9，避免杂质流至回流管10和循环水泵11内造成管路堵塞。

实施例2

一种动水流作用下的土样崩解试验方法，采用上述实施例1所述的试验装置，包括以下步骤：

s1.取土，获取土样，该取土过程选用环刀取土，现在环刀上涂上凡士林后再取土，取土后脱去环刀，并清理土样表面的散土后获得土样；

s2.打开密封箱5的密封盖4，对称重装置1调零，将土样放入盛放装置2中，通过盛放装置2上的挂钩挂在释放器19上，并盖好密封盖4，关闭放气阀24和气泵22；

s3.先关闭第一阀门13，通过调节供水槽7的安装高度以确定供水槽7流出的水的水头，随后向集水槽9中加水并开启循环水泵11，使得集水槽9内的水流至供水槽7中，随后开启第二阀门14为全开状态，再缓慢打开第一阀门13以向测试管3的进水端通入一定水头的水，随后再缓慢调紧第二阀门14，直至测试管3内的水流平稳无空气，读取并记录所述流速测定仪6显示的水流速度v；需要说明的是，上述无空气只是相对而言，并不表示绝对的没有空气，而是基于水中的空气含量较少，当测试管3内被水填充满后近似于测试管3内没有空气；

s4.调节吹吸气装置，即通过调节气泵22以改变密封箱5内的气体含量，使得密封箱5内的水面保持在土样的下方，使得土样刚好未与水接触，避免在崩解未开始前土样与水接触对土样造成破坏，值得说明的是上述通过吹吸气装置调节密封箱5内的水面高度针对每一次单独的试验只需要调节一次即可，无需重复调节；

s5.遥控触发升降装置的释放器19，使得盛放装置2连同土样一并下放至密封箱5内的水中，使得土样的底部刚好与测试管3内的水接触，考虑到土样在刚入水时有水的浮力以及土样自身吸水对土样的重量造成影响，因此土样的初始重量为土样的底面刚好与测试管内的水接触时的重量，即读取并记录土样初次被淹没时称重装置1显示的土样的重量g1作为土样的初始重量，随后再利用称重装置1获取在崩解一定时间后t时刻土样的重量g2，以及崩解结束时土样的重量g3和整个崩解过程所花的时间te；

s6.根据所得的数据参数，计算并得出在水流速度为v的动水流作用下的土样的崩解量和崩解速率。

具体的计算方法如下：

t时刻土样的累计崩解量：

0～t时间内土样的崩解速率：

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。