一种大埋深土壤膨胀系数测量方法及系统与流程

本发明涉及土壤学实验研究设备领域，特别是涉及一种大埋深土壤膨胀系数测量方法及系统。

背景技术：

土壤物理参数及其水动力特征参数是研究土壤水文过程的重要依据。为了获取土壤物理参数及其水动力特征参数，一般采用原装土取样。目前，随着地下水的大规模开采，华北平原的地下水位埋深由20世纪70年代的2～15m降至现在的8～30m，局部地区甚至达到了56m。那么，地下水位的下降使得土壤水文过程的研究深度从原来的几米拓展到了二十多米甚至更大的范围。在土壤学研究领域，大深埋土壤线性膨胀特征是研究土壤理化性质重要内容之一，也是表征农田胀缩性土壤重要指标之一。

目前，一般采用瓦氏膨胀仪测定环刀内土壤纵向胀缩变化，该方法采用接触式多点测量，测微表弹力会对土壤膨胀过程有一定影响，测定过程中与土壤多次接触，极有可能导致土块破碎，造成研究上的困难；也有学者用针筒直接将调制好的土壤挤玻璃板上，呈长条状，然后用测微尺测定长度变化，该方法采用接触测量，长条状土壤由于粗细不均，造成收缩过程受力不均，形成非线性收缩，极易断裂，测定结果受外界因素影响大。

显然，上述测定方法采用接触测量，操作不便已经不能满足大深埋土壤的膨胀系数的测量要求，存在着膨胀系数不准确的问题。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题是提供一种大埋深土壤膨胀系数测量系统及方法，以解决现有技术中的膨胀系数的测量方案所述存在的大深埋土壤的膨胀系数不准确的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明公开了一种大埋深土壤膨胀系数测量系统，包括：

取样模块，用于预先对大深埋土壤进行取样，得到环刀内的大深埋土壤；

保存模块，用于将所述环刀连同所述环刀内的大深埋土壤保存至玻璃容器，其中，所述玻璃容器包括内层和外层，所述内层的内径与所述环刀的外径相同，所述环刀的外径与所述内层的内径相贴合，所述环刀内的土壤在玻璃容器内的大气压下发生膨胀渗透至所述玻璃容器的所述内层和所述外层之间；

测量模块，用于在预定时间间隔内多次测量位于玻璃容器中的环刀内的大深埋土壤发生膨胀后的长度，并计算相邻两次测量的大深埋土壤的长度的变化系数，若所述变化系数小于预设阈值，则根据最后一次测量的土壤发生膨胀后的长度以及所述环刀的长度计算所述大深埋土壤的膨胀系数；

其中，所述取样模块包括：

手柄，为中空结构，在所述手柄的上方以及所述中空结构内设有绞盘；

钻头，包括内壁和外壁，所述内壁包括上层凹槽和下层凹槽，其中，所述上层凹槽和所述钻头的上截面相间隔形成第一空间、所述下层凹槽与所述钻头的下截面相间隔形成第二空间；其中，所述内壁安设有环刀，所述环刀为中空且上、下截面开口的圆形筒状结构，且卡设在所述上层凹槽和所述下层凹槽之间、且与所述内壁贴合，用于取土；

连接杆，为连接在所述手柄和所述钻头之间的中空结构，内设有两根L型钢丝；其中，所述两根L型钢丝的垂直部分均穿设在所述连接杆中，且所述垂直部分的上截面穿设在所述手柄的中空结构中，且所述上截面与所述绞盘连接，所述两根L型钢丝的水平部分分别设置在所述第一空间和所述第二空间，用于在转动的所述绞盘的带动下切割所述环刀上、下表面的土壤。

根据本发明的另一个方面，本发明还公开了一种大埋深土壤膨胀系数测量方法，包括：

预先采用大深埋土壤取样装置对大深埋土壤进行取样，得到环刀内的大深埋土壤；

将所述环刀连同所述环刀内的大深埋土壤保存至玻璃容器，其中，所述玻璃容器包括内层和外层，所述内层的内径与所述环刀的外径相同，所述环刀的外径与所述内层的内径相贴合，所述环刀内的土壤在玻璃容器内的大气压下发生膨胀渗透至所述玻璃容器的所述内层和所述外层之间；

在预定时间间隔内多次测量位于玻璃容器中的环刀内的大深埋土壤发生膨胀后的长度；

计算相邻两次测量的大深埋土壤的长度的变化系数；

若所述变化系数小于预设阈值，则根据最后一次测量的土壤发生膨胀后的长度以及所述环刀的长度计算所述大深埋土壤的膨胀系数；

其中，所述大深埋土壤取样装置包括：

手柄，为中空结构，在所述手柄的上方以及所述中空结构内设有绞盘；

钻头，包括内壁和外壁，所述内壁包括上层凹槽和下层凹槽，其中，所述上层凹槽和所述钻头的上截面相间隔形成第一空间、所述下层凹槽与所述钻头的下截面相间隔形成第二空间；其中，所述内壁安设有环刀，所述环刀为中空且上、下截面开口的圆形筒状结构，且卡设在所述上层凹槽和所述下层凹槽之间、且与所述内壁贴合，用于取土；

连接杆，为连接在所述手柄和所述钻头之间的中空结构，内设有两根L型钢丝；其中，所述两根L型钢丝的垂直部分均穿设在所述连接杆中，且所述垂直部分的上截面穿设在所述手柄的中空结构中，且所述上截面与所述绞盘连接，所述两根L型钢丝的水平部分分别设置在所述第一空间和所述第二空间，用于在转动的所述绞盘的带动下切割所述环刀上、下表面的土壤。

与现有技术相比，本发明实施例包括以下优点：

借助于本发明上述实施例的技术方案，能够借助于容纳环刀的玻璃容器来对环刀内的大深埋土壤的膨胀长度进行准确测量，从而保证大深埋土壤的膨胀系数的准确度。

附图说明

图1是本发明实施例的一种大埋深土壤取样装置的示意图；

图2是本发明实施例的一种手柄和绞盘的放大示意图；

图3是本发明实施例的一种钻头的放大示意图；

图4是本发明实施例的一种连接杆的放大示意图；

图5是本发明实施例的一种大深埋土壤膨胀系数的测量装置的示意图；

图6是本发明实施例的一种大深埋土壤膨胀系数测量方法的步骤流程图；

图7是本发明实施例的一种大深埋土壤膨胀系数测量系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为了便于理解本发明的大深埋土壤膨胀系数的测量方法，首先，对大深埋土壤取样装置做出说明，参照图1，在本实施例中，示出了本发明的一种大埋深土壤取样装置的示意图，根据本发明实施例的大埋深土壤取样装置具体包括：

手柄1，为中空结构，图2为图1中关于手柄1和绞盘4的放大示意图，参照图1和图2，在所述手柄1的上方以及所述中空结构均内设有绞盘4；并且，手柄1和绞盘4均可以转动。

钻头，图3为图1中钻头的放大示意图，参照图1和图3，该钻头包括内壁6和外壁5，该内壁6和外壁5之间可以是实心结构也可以是中空结构，在不同的实施例中可以根据实际需要灵活设置；

其中，所述内壁6包括上层凹槽(未示出)和下层凹槽(未示出)，其中，所述上层凹槽和所述钻头的上截面相间隔形成第一空间、所述下层凹槽与所述钻头的下截面相间隔形成第二空间；

其中，所述内壁6还安设有环刀7，所述环刀7为中空且上、下截面开口的圆形筒状结构，且卡设在所述上层凹槽和所述下层凹槽之间、且与所述内壁6贴合，用于取土；

在本实施例中，该上层凹槽和下层凹槽用于将环刀7卡设在钻头的内壁6中，因此，上层凹槽和下层凹槽的形状可以相同或不同，它们的形状可以是圆环凹槽也可以是锯齿凹槽，只要它们能够将环刀7卡设在内壁6上即可。因此，本发明对于上层凹槽和下层凹槽的形状、结构并不作具体限定。

连接杆2，图4为图1中连接杆的放大示意图，参照图1和图4，该连接杆为连接在所述手柄1和所述钻头之间的中空结构，内设有两根L型钢丝(图1仅示意出了一根L型钢丝8)；其中，所述两根L型钢丝的垂直部分8a均穿设在所述连接杆中，且所述垂直部分的上截面穿设在所述手柄1的中空结构中，且所述上截面与所述绞盘4连接，所述两根L型钢丝的水平部分分别设置在所述第一空间和所述第二空间(这里示意出了一根位于第一空间A的钢丝)，用于在绞盘4转动时，在所述绞盘4的带动下切割所述环刀7上、下表面的土壤(即位于第一空间、第二空间并超出环刀7的上下截面的土壤)。

而利用上述大埋深土壤取样装置进行具体取土的操作时，可以通过转动手柄1来将钻头钻入大深埋的土壤中，从而使钻头内部的环刀7取土；其中，由于环刀7的上下截面与钻头的上下截面之间都存在空间，这样，当钻头从大深埋的土壤中取出时，环刀7的上下截面上方均会覆盖着大深埋的土壤，那么位于第一空间和第二空间的土壤就会对环刀7内的土壤起到保持压力的作用。那么当钻土完成后，大深埋土壤取样装置到达地面上，由于第一空间和第二空间的土壤就会对环刀7内的土壤起到保持压力的作用，从而会使得环刀7内的土壤还是处于钻土时所处的大深埋环境下的土压力，即环刀7内的土壤会被上下截面的多余的土壤加压，该压力值与大深埋环境下的原始压力相同，这样就可以避免采样的土壤到达地面后因为失去压力而膨胀，造成土壤参数失真，不利于土壤分析的问题。

然后，在环刀7内的土壤基本保持大埋深土壤的土压力条件下，借助于上述两根L型钢丝来对环刀7上下截面的土壤完成切割，这样既能避免传统技术的环刀取土过程中环刀两侧土体易破损，利用环刀测试前需要修补的问题，同时，又能避免土压力释放对环刀7内的土壤造成的形变。从而保证取得的土壤样品的相关特征参数准确，进而准确的测定深层土壤的相关特征参数。

另外，由于需要进行分析的土壤为位于环刀7内部的土壤，因此，在进行土壤分析前，还需要去除位于环刀7上下截面上多余的土壤，这时可以通过转动绞盘4来使钢丝8收紧，由于位于第一空间和第二空间的钢丝为L型的水平部分，这样就可以将多余的土壤切割掉，从而得到用于土壤分析的环刀7内的土壤。

借助于本发明上述实施例的技术方案，能够在取土完成后，由第一空间和第二空间中位于环刀上下截面上的土壤对环刀内的土壤加压，也就是说，采用本发明大埋深土壤取样装置入土后，能够在基本保持大埋深土壤的土压力条件下就完成土体的切割。从而避免了取自大深埋环境下的土壤因为到达地面而无外界压力而膨胀，造成土壤参数失真的问题；同时，通过在第一空间和第二空间设置L型钢丝的水平部分，能够在需要进行土壤分析前，获取所需的环刀内的保持有原始压力的土壤，能够保证土壤参数分析的准确度。这样既能避免传统技术的环刀取土过程中环刀两侧土体易破损，利用环刀测试前需要修补的问题，同时，又能避免土压力释放对环刀内的土壤造成的形变。从而保证取得的土壤样品的相关特征参数准确，进而准确的测定深层土壤的相关特征参数。

继续参照图1～4，在上述实施例的基础上，下面将进一步论述本发明实施例的大埋深土壤取样装置。

可选地，在一个实施例中，用于切割所述环刀上、下表面的土壤的所述两根L型钢丝的水平部分在切割土壤之前可以分别卡设在所述上层凹槽和所述下层凹槽。

相应的，在本实施例中，钢丝8用于在绞盘4转动时收紧从而切割环刀7上表面覆盖的多余土壤，而在切割土壤之前，该钢丝8的水平部分8b是卡设在位于第一空间A的上层凹槽内的；对于未示出的另一个用于在绞盘4转动时收紧从而切割环刀7下表面覆盖的多余土壤的钢丝8，其水平部分则是卡位于第二空间B的下层凹槽内。

这样，在钢丝8未使用时，可以使钢丝8在钻头内有能够卡住的位置，避免在大埋深土壤取样装置移动时，该钢丝在钻头内部发生摇晃而损坏能够碰撞的各个部件。

在本实施例中，对于钢丝8在未使用时所使用的安放位置采用的是已有的用于卡住环刀7的上下层凹槽，这样一方面可以节约大埋深土壤取样装置的制造成本，另一方面可以避免在容积较小的钻头内设置更多的槽口；当然，在不同实施例中，本领域的技术人员也可以根据实际需要在钻头内部设置其他可以在钢丝8不用时来卡住钢丝8的其他部件，其只要能够保持钢丝8不摇晃即可，本发明对此并不做具体限定。

可选地，在另一个实施例中，当转动绞盘拉紧钢丝对环刀上下截面上的土壤切割完成后，同样为了避免钢丝在第一或第二空间内晃动，根据本发明实施例的钻头的内壁还包括：第一内槽和第二内槽，其中，所述第一内槽位于所述上层凹槽和所述钻头的上截面之间，所述第二内槽位于所述下层凹槽和所述钻头的下截面之间；并且用于切割所述环刀上、下表面的土壤的所述两根L型钢丝的水平部分在切割土壤之后分别卡设在所述第一内槽和所述第二内槽。

相应的，在本实施例中，参照图1和图3，这里示出了位于上层凹槽和钻头上截面之间的第一内槽9a和位于下层凹槽和钻头下截面之间的第二内槽9b，这样，当钢丝8对多余的土壤切割完成后，就可以自动卡设在对应的内槽内。

可选地，在另一个实施例中，所述两根L型钢丝的L拐角部分为圆弧型，所述L拐角部分具有光滑表面，这样当钢丝的水平部分在切割土壤时，由于水平部分与环刀的上、下截面的土壤直接接触，如果该L拐角部分为直角型，那么该直角很容易磨损从而使得钢丝断裂。因此，在本实施例中将L拐角部分做成圆弧型，从而使该拐角避免与切割的土壤或者其他部分直接接触，延长钢丝的使用寿命。

相应的，参照图1和图3所示的实施例中，该L型钢丝8的L型拐角部分8b为圆弧型，这样可以延长钢丝8的使用寿命。

当然，虽然在本实施例中仅仅限定了L拐角部分为圆弧型以及具有光滑的表面，但是在不同实施例中，根据实际需要可以将钢丝8在转动过程中容易接触其他部件或土壤的各个部分都做成圆弧型并具有光滑表面，从而进一步提高钢丝8的使用寿命。

另外，在一个实施例中，可以将环刀与钻头直接进行一体化设置，即参照上述实施例中所描述的通过设置两层凹槽来使环刀卡在钻头内。

当然，在另一个实施例中，为了能够随时更换环刀，也可以将环刀与钻头设置成非一体化设置，具体而言，可以在所述内壁和所述外壁的同一侧分别设置开口以及与所述开口配套的盖板，并且该开口的尺寸大于该环刀的尺寸。所述开口用于将所述环刀安设于所述内壁以及将所述环刀从所述内壁6取出；所述盖板用于将所述环刀固定于所述内壁。

具体而言，通过设置该开口，在需要从地下取土时，将环刀插入至钻头的内壁；那么为了在环刀在地下取土过程中在钻头内保持不动，因此，还需要设置与该开口尺寸配套的盖板，通过盖上该盖板能够使环刀在钻头内部保持不动，提高取土效率；同时，也为环刀在钻头内达到固定的效果提供进一步的保障。

此外，在本实施例中，参照图1和图3，根据本发明实施例的钻头为中空、圆形筒状结构，且所述钻头的所述下截面为开口结构，这样当转动手柄1将钻头钻到地下时，土壤才能通过钻头的下截面进入环刀7。

可选的，环刀7也为圆形筒状结构，这样可以使环刀7更容易贴合与钻头的内壁6；此外，本发明实施例对于钻头和环刀7的筒状结构的形状并不作具体限制，它们可以是圆形、也可以是多边形等其他形状，只要它们是下截面开口的中空结构即可。

可选的，在本实施例中，参照图1和图4，根据本发明实施例的连接杆2可以包括多个螺纹连接的子连接杆2a、2b、2c。其中，对于任意一个子连接杆，其一端的连接处具有外表面螺纹，另一端的连接处具有内表面螺纹，这样可以保证任意两个子连接杆配套连接。

而在实际取土过程中，随着深入钻土的深度不同可以连接不同数量的子连接杆来构成不同长度的连接杆；在取土过程中，如果发现当前连接杆的长度不够，可以直接在最上端的子连接杆处增加子连接杆来延长连接杆的长度，从而继续钻土，而无需将钻头从土壤中取出，提高了取土的便利性。

当采用图1所示的大埋深土壤取样装置从大深埋环境下取土完成，就可以对环刀7内的土壤进行膨胀系数的测量。

具体的，参照图6，示出了本发明一个实施例的大深埋土壤膨胀系数测量方法的步骤流程图，具体包括如下步骤：

步骤601，预先采用大深埋土壤取样装置对大深埋土壤进行取样，得到环刀内的大深埋土壤；

即，上述实施例中利用本发明实施例的大深埋土壤取样装置在对土壤取样的过程。这里可以在保持大埋深土壤原状条件下，取得指定体积的原状土，并用于膨胀系数的测量。

其中，该大深埋土壤取样装置的具体结构已经在上述实施例中做出详细阐述，具体参照上文，在此不再赘述。

步骤602，将所述环刀连同所述环刀内的大深埋土壤保存至玻璃容器；

也就是说，在取土完成后，需要立即将环刀7放入玻璃容器10内，该玻璃容器10为封闭盒体，所述玻璃容器(参照图5中的玻璃容器10)包括内层10a和外层10b，所述内层10a的内径与所述环刀7的外径相同，所述环刀7的外径与所述内层10a的内径相贴合，所述环刀7内的土壤在玻璃容器10内的大气压下发生膨胀从环刀7的上下截面渗透至所述玻璃容器10的所述内层10a和所述外层10b之间，即区域C和区域D；

其中，玻璃容器10的内层10a和外层10b之间具有空间C、D，且内层为镂空结构，可使环刀7内的土壤渗透至空间C、D，即区域C和D。

步骤603，在预定时间间隔内多次测量位于玻璃容器中的环刀内的大深埋土壤发生膨胀后的长度；

其中，可以每隔几个小时(例如6个小时)测量以下环刀7内的土壤发生膨胀后的长度；

步骤604，计算相邻两次测量的大深埋土壤的长度的变化系数；

在测量两次膨胀后的长度后，都计算相邻两次测量的大深埋土壤发生膨胀后的长度的变化系数，即计算相邻两次测量的大深埋土壤发生膨胀后的长度的差值，再计算该差值与该相邻两次测量的间隔时间(即上述的6小时)的比值，即变化系数。其中，由于玻璃容器10为透明的玻璃材质，因此可以直接从玻璃容器的外表面对土壤膨胀后的长度进行测量，能够保证长度测量的准确度。

步骤605，若所述变化系数小于预设阈值，则根据最后一次测量的土壤发生膨胀后的长度以及所述环刀的长度计算所述大深埋土壤的膨胀系数。

其中，如果该变化系数小于一个预设阈值(例如1％)，那么说明环刀内的土壤的应力已经释放完成，此时再测量该大深埋土壤发生膨胀后的长度，即最后一次测量的土壤发生膨胀后的长度。并根据该最后一次测量的土壤发生膨胀后的长度计算该环刀7内的大深埋土壤的膨胀系数。

借助于本发明实施例的测量方案，本发明实施例能够借助于容纳环刀的玻璃容器来对环刀内的大深埋土壤的膨胀长度进行准确测量，从而保证大深埋土壤的膨胀系数的准确度。

其中，在一个实施例中，在执行步骤605时，可以通过以下方式来实现：计算所述最后一次测量的土壤发生膨胀后的长度与所述环刀的长度的差值；计算所述差值与所述环刀的长度的比值，得到所述大深埋土壤的膨胀系数。

其中，在一个实施例中，所述环刀7为中空且上、下截面开口的圆形筒状结构，这样可以使环刀7内的大深埋土壤发生膨胀后渗透至区域C和D中。

其中，由于采用了上述大深埋土壤取样装置，因此，取土后的环刀7放置于所述玻璃容器时，所述环刀7内的大深埋土壤的压力与大深埋环境下取土时的压力相同。这样可以保证测量的膨胀系数是完全基于大深埋土壤的，保证了膨胀系数的测量准确度。

可选地，所述玻璃容器10的长度方向上可以具有刻度，这样可以无需借助于外部设备，直接依照该刻度来对大深埋土壤膨胀后的长度进行测量。

根据本发明的实施例，与上述大深埋土壤膨胀系数测量方法相对应，参照图7，还提供了一种大埋深土壤膨胀系数测量系统。该系统包括：

取样模块71，用于预先对大深埋土壤进行取样，得到环刀内的大深埋土壤；

其中，该取样模块71可以是上述各个实施例中所描述的任意一种大深埋土壤取样装置。

保存模块72，用于将所述环刀连同所述环刀内的大深埋土壤保存至玻璃容器，其中，所述玻璃容器包括内层和外层，所述内层的内径与所述环刀的外径相同，所述环刀的外径与所述内层的内径相贴合，所述环刀内的土壤在玻璃容器内的大气压下发生膨胀渗透至所述玻璃容器的所述内层和所述外层之间；

测量模块73，用于在预定时间间隔内多次测量位于玻璃容器中的环刀内的大深埋土壤发生膨胀后的长度，并计算相邻两次测量的大深埋土壤的长度的变化系数，若所述变化系数小于预设阈值，则根据最后一次测量的土壤发生膨胀后的长度以及所述环刀的长度计算所述大深埋土壤的膨胀系数。

可选地，所述测量模块73，还用于计算所述最后一次测量的土壤发生膨胀后的长度与所述环刀的长度的差值，以及计算所述差值与所述环刀的长度的比值，得到所述大深埋土壤的膨胀系数。

可选地，所述环刀为中空且上、下截面开口的圆形筒状结构。

优选地，取土后的环刀放置于所述玻璃容器时，所述环刀内的大深埋土壤的压力与大深埋环境下取土时的压力相同。

可选地，所述玻璃容器的长度方向上具有刻度。

需要注意的是，图2、图3和图4为图1中不同部分的放大示意图，同时图5中的环刀与图1和图3中的环刀7相同，因此，图2～图5与图1中相同的标号表示相同的意义，在本文中不再针对每个附图的标号作一一说明，互相参考即可。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…...”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种大埋深土壤膨胀系数测量系统及方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。