一种土壤饱和实验及渗透实验复合装置的制作方法

本发明涉及土工试验技术领域，具体涉及一种土壤饱和实验及渗透实验复合装置。

背景技术：

在土壤物理属性、农业水利工程和水文地质等许多领域中都需要了解和掌握土壤水分的运动规律，土壤饱和含水率和土壤渗透系数是掌握土壤水分运动规律的两个基本参数。对于黏粒含量不是很高的土壤，在土壤饱和实验的泡土阶段不需要过高水压泡土，只需保证水面略低于环刀上端口即可，一般24小时左右就能泡饱和；同样在常压或变压测渗透系数实验中也不需要太大的压力。但是对于黏粒含量过高，土壤结构比较紧凑甚至有一些板结的土壤，较低压的水很难将其泡饱和，或者需要较长时间才能将其泡饱和，时间成本较高，并且在常压或变压渗透实验中，较低压也会使得水流渗透过慢，同样时间成本也较高。

目前没有专门的装置来进行加压泡土，都是直接放入水中直至饱和。渗透实验装置方面，目前较为先进的为测量土样渗透液位的光控装置或活动式光控装置，但是这类装置构造比较复杂，制作成本较高，普及性较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种土壤饱和实验及渗透实验复合装置，解决了现有技术成本高，普及性差等问题。本发明的另一目的在于提供一种可调压的土壤饱和实验及渗透实验复合装置，来增加该装置的实验广度，能适应更多种类的土壤测试实验，其操作简单，使用方便。

针对背景技术中情况，本发明提出一种可调压的土壤饱和实验及渗透实验复合装置，该装置不仅可以满足黏粒含量较低土壤的实验要求，还能满足黏粒含量较高土壤的实验要求，当土样的黏粒含量较高时，可直接加水增加水压，若压力还不能满足要求，则可利用气体加压装置向装置内部加气以增加压力，这样有利于水流在土样中的渗流，使得土壤更易吸水或过水，减少了实验时间，降低了时间成本。并且该装置是集土壤饱和实验和渗透实验于一身的复合装置，目前将这两项实验集于一个装置是少见的，该复合装置更有利于实验人员做土壤饱和实验和渗透实验，对于一组土样做完饱和实验后紧接着即可换位置做渗透实验，并且此时还可继续另一组土样的饱和实验，既方便了实验人员又节约了时间。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种土壤饱和实验及渗透实验复合装置，其特征在于：包括土壤饱和实验装置、土壤渗透实验装置和带双刻度的透明管道，所述土壤饱和实验装置包括第一矩形管道、第一环刀支撑台和用于装土样的第一环刀，所述第一矩形管道底部通过带有控制阀门的连接管道与透明管道底部相连，该连接管道低点处设有带控制阀门的排水孔，所述第一环刀支撑台固定于第一矩形管道顶部，第一环刀放在第一环刀支撑台内；所述土壤渗透实验装置包括第二矩形管道、第二环刀支撑台和用于装土样的第二环刀，所述第二矩形管道顶部通过带有控制阀门的连接管道与透明管道底部相连，所述第二矩形管道低点处也设有带控制阀门的排水孔，所述第二环刀支撑台固定于第二矩形管道底部，第二环刀放在第二环刀支撑台内；所述连接管道和连接管道低点处均设有带控制阀门的排水孔，所述第一环刀支撑台和第二环刀支撑台上均设有多个透水孔。本发明同带双刻度的透明管道将土壤饱和实验及渗透实验集于一身，即可单独做某项实验也可同时做两项实验，做两项实验时是针对两组土样。

作为改进，所述透明管道顶部设有与之相连且可读气压值的气体加压装置，通过气体加压装置可以增加透明管道中的水压，从而加快试验进程。增加压力来泡土样，使得土样更容易吸水至饱和或更容易渗透，减少实验等待时间。

作为改进，所述第一环刀与第一矩形管道接触处、所述第二环刀与第二矩形管道接触处均设有密封装置，所述密封装置为止水橡胶圈。增加防水性，防止水没有经过第一环刀或第二环刀就直接漏掉，造成实验误差。

作为改进，所述土壤饱和实验装置的第一环刀有1-6个，所述土壤渗透实验装置的第二环刀也有1-6个。通过选择合适数量的第一环刀或第二环刀可以通过数据分析增加实验的精度。

作为改进，所述土壤饱和实验装置和土壤渗透实验装置可采用有机玻璃、不锈钢或橡胶材料制成，其成本低廉。

本发明的有益效果是：

本发明提出的可调压的土壤饱和实验及渗透实验复合装置，适用性较强，在制作上只需简单玻璃等材料即可，成本较低可以普及，而且是复合装置，使用较为方面，且只需了解简单的土壤饱和实验及渗透实验的原理即可进行实验，尤其是针对于黏粒含量较高甚至有些许板结的土壤，可通过增加水压来使得土样更易吸水或过水，减少了实验等待时间，且复合装置可同时使用饱和实验部分和渗透实验部分，操作也较简单，一个实验人员即可，这样便节约了人力资源和时间成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是图1中渗透实验装置中第二矩形管道的仰视图

图中：1-气体加压装置，2-土壤饱和实验装置，3-土壤渗透实验装置，4-透明管道，5-连接管道，6-底部支座，2.1-第一闸阀，2.2-第一矩形管道，2.3-第一环刀支撑台，2.4-第一环刀，2.5-第一止水橡胶圈，2.6-第一排水孔，3.1-第二闸阀，3.2-第二矩形管道，3.3-第二环刀支撑台，3.4-第二环刀，3.5-第二止水橡胶圈，3.6-第二排水孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明。

如图1所示，一种可调压的土壤饱和实验及渗透实验复合装置，主要包括土壤饱和实验装置2和土壤渗透实验装置3两部分以及与两部分均相连的透明管道4，而将两部分连接起来的是带双刻度的透明管道4以及连接管道5，所述双刻度中的刻度一用于土壤饱和实验装置2需要的水头值读数，双刻度中的刻度二用于土壤渗透实验装置3的水头值读数，透明管道4上端可连接可读气压值的气体加压装置1，整个复合装置靠一个底部支座6支撑。

土壤饱和实验装置2部分，主要是将水加入到装置中，对于黏粒含量较少的土样（土样置于环刀里面），加水至水位与土样上端相平或略低，土样通过毛管吸力将水分从土样底部往上吸，直至土样整体质量变化幅度在误差允许范围之内则说明土样吸水至饱和；对于黏粒含量较高甚至有轻微板结程度的土样，则需要使水位高于土样上端一定高度，即加压泡土，水位高度可控，若装置的管道高度依然不能加快土样吸水的速度，则可以利用气体加压装置1从透明管道4顶部处加压，加压泡土可以使得土样更容易从下端吸收水分，从而在原有基础上缩短了土样达到饱和的时间。

所述土壤饱和实验装置2包括第一矩形管道2.2、第一环刀支撑台2.3和第一环刀2.4，所述第一矩形管道2.2底部通过带有第一闸阀2.1的连接管道5与透明管道4底部相连，第一环刀2.4通过第一环刀支撑台2.3固定于第一矩形管道2.2顶部；所示第一环刀2.4和第一环刀支撑台2.3均有三个，每个第一环刀支撑台2.3上都均匀分布有多个透水孔，第一环刀2.4和第一环刀支撑台2.3的尺寸相契合，将装有土样的第一环刀2.4放入第一环刀支撑台2.3内后，第一矩形管道2.2上部与第一环刀2.4接触的部分需要用第一止水橡胶圈2.5紧紧卡住，以避免水从两者接触部分溢出，该部分装置的低点处还有一个第一排水孔2.6，当需要放水时打开第一排水孔2.6即可将水全部放出，装置的具体结构见说明书附图1。

土壤渗透实验装置3部分，同样是将水加入到装置中，加至适宜水位，使得水分从土样上端往下渗，测出水流下渗的速率，直至水流下渗的速率趋于稳定时，得到稳定下渗速率，则利用达西定律即可计算得到土样的渗透系数。然而对于粘性较大、土壤颗粒较紧的土样，若管道的高度不能满足其压力要求，可以连接气体加压装置1，增加其压力，加压时作好记录便可。

土壤渗透实验装置3主要包括第二矩形管道3.2、第二环刀支撑台3.3和第二环刀3.4，所述第二矩形管道3.2顶部通过带有控制阀门的连接管道5与透明管道4底部相连，第二环刀3.4通过第二环刀支撑台3.3固定于第二矩形管道3.2底部；所示第二环刀3.4和第二环刀支撑台3.3均有三个，每个第二环刀支撑台3.3上都均匀分布有多个透水孔，第二环刀3.4和第二环刀支撑台3.3的尺寸与环刀的尺寸相契合，将装有土样的第二环刀3.4放入第二环刀支撑台3.3内后，第二矩形管道3.2上部与第二环刀3.4接触的部分需要用第二止水橡胶圈3.5紧紧卡住，以免水从两者接触部分溢出，第二矩形管道3.2的右下侧有第二排水孔3.6，当需要放水时打开第二排水孔3.6即可将水全部放出，装置的具体结构见说明书附图1和附图2。

土壤饱和实验装置2和土壤渗透实验装置3基本上的构造都很相似，存在区别即为饱和实验的水是从土样的下端往上渗，而渗透实验时水是从土样上端往下渗，并且两部分的排水孔位置不一样。该复合装置不仅可以单独做土壤饱和实验或渗透实验，当土样组数较多时，可同时利用装置的饱和实验部分和渗透实验部分，且由于是同一装置，基本仅需一个人即可，这样不仅节约了人力资源，还提高了装置和时间的利用效率。

本发明两部分都设计有三个环刀支撑台和配备三个环刀，主要是考虑到实验的三组重复原则。

本发明能用于生产试验中测定原状土样或自制土样的饱和含水率和渗透系数，为农业水利及水文地质等领域研究土壤特性提供基础参数；并且本发明还可作为教学仪器，由于仪器操作较为简单，可让学生亲自动手测定土样参数，既可锻炼学生动手能力，也有利于学生对理论知识的理解。总之，本发明具有广泛的应用前景及适用性。并且本发明制作材料可用成本较低的有机玻璃或不锈钢、橡胶等，成本较低；除此之外，本发明是目前唯一将土壤饱和实验及渗透实验集于一身的简易实验装置，从整体上方便了土样测定实验的操作性，对于土样组数较多的测定实验，节约了人力资源，提高了装置和时间的利用效率，且具有新颖性；并且可调压，除用于一般土样参数的测定外，尤其能用于黏粒含量较高、土壤颗粒排列较为密集的土样参数测定，在原有基础实验方案的基础上缩短实验的时间，节约了时间成本。

利用本发明做土壤饱和实验时，关闭第二闸阀3.1，打开第一闸阀2.1，确保第一排水孔2.6处于关闭状态，将装有土样的第一环刀2.4放在第一环刀支撑台2.3上并将第一止水橡胶圈2.5固定好，然后从透明管道4的入口处加水至所需水位，该水位没有明确要求，是实验人员根据土样黏粒含量和土壤颗粒排列的紧密程度而定，对于一般土样该水位与土样顶端大致相平即可，而对于黏粒含量较高的则加水使水位高于土样顶端10-30cm，若土样黏粒含量很高且出现板结的情况，则除加水至水位高于土样顶端10-30cm以外，还需连接气体加压装置1增加一定数值的压力值，所增加的水位为高于土样底部的水头值，但对于连接了气体加压装置1的情况，除了刻度显示的水位以外还应将增加的气压值换算成水头加上刻度管上的刻度才为高于土样的底部的水头值。加入水之后，土样开始从底部吸水，每隔一段时间（一般4个小时）则将第一排水孔2.6打开将水放出，取下第一环刀2.4（内带有土样）用纸巾擦干表面的水，利用天平称重。称完之后放回第一环刀支撑台2.3上固定好，放好第一止水橡胶圈2.5，关闭第一排水孔2.6，再次从透明管道4的入口放水至之前的水位或加压至之前的压力。重复以上操作，直至土样质量变化在允许范围之内，即土样达到了饱和状态。

利用本发明做土壤渗透实验时，关闭第一闸阀2.1，打开第二闸阀3.1，确保第二排水孔3.6关闭，将装有土样的第二环刀3.4放在第二环刀支撑台3.3上并将第二止水橡胶圈3.5固定好，然后从透明管道4的入口处加水至所需水位，该水位没有明确要求，是实验人员根据土样黏粒含量和土壤颗粒排列的紧密程度而定，对于一般土样该水位高于土样顶端15cm即可，而对于黏粒含量较高的则加水使水位高于土样顶端15-30cm，若土样黏粒含量很高且出现板结的情况，则除加水至水位高于土样顶端15-30cm以外，还需连接气体加压装置1增加一定数值的压力值，加水的水位为高于土样顶部的水头值，但对于连接了气体加压装置1的情况，除了刻度显示的水位以外还应将增加的气压值换算成水头加上刻度管上的刻度才为高于土样的底部的水头值。而刻度的最低处是图1中的H值，H值则为一般土样所对应的水位值15cm，加入水或增加压力之后，水开始从土样顶部往下渗，由于第二环刀支撑台3.3上有均匀分布的透水孔，因此水分能够渗出往下流出，再在土样下方用量筒接住渗出的水流，每隔一段时间（2-4个小时）测量量筒所接的水流，直到单位时间渗出的水量很接近，则利用达西定律计算出土样的渗透系数，做完实验时打开第二排水孔3.6将水全部放出。

本发明不仅可单独做土壤饱和实验或土壤渗透实验，还可同时做土壤饱和实验和土壤渗透实验，但是针对于不同的土样。当同时用复合装置做土壤饱和实验和渗透实验时，打第一闸阀2.1和第二闸阀3.1，加水至某个刻度，但对于两个实验是不一样的刻度，然后重复土壤饱和实验的步骤，而此时的时间间隔必须是饱和实验和渗透实验取的一样，并且每次称重饱和实验的土样时，需要打开第二排水孔3.6，称重完之后再重新加水继续测量，若某个实验达到了要求则可关闭其中一个闸阀来终止某个实验，而另一个实验则一直做到满足要求为止。