本发明涉及一种滤纸法测量掺砾粘土土-水特征曲线的装置及方法，属于岩土工程技术领域。
背景技术：
在心墙土石坝工程中，掺砾粘土已经广泛运用于心墙防渗体。施工填筑期的整个心墙以及运行期浸润线以上部分的心墙都处于非饱和状态，准确得到心墙料的土-水特征曲线，对于计算心墙渗透性和应力分布具有重要意义。
滤纸法是一种通过量测土中吸力进而得到土体土-水特征曲线的有效手段，在土壤学领域发展起来并得到广泛应用。将滤纸作为传感体放在土样表面，水分将由土移向滤纸，直到两者吸力平衡。量测滤纸的含水率，由事先率定的滤纸吸力与含水率关系曲线，可推得土的吸力。然后由测得的土体含水率，即可得到其土-水特征曲线。
现有的测量土-水特征曲线的方法，包括滤纸法在内，主要是针对细粒土或砂土的，而掺砾粘土中砾石的颗粒粒径往往较大，所以现有的土-水特征曲线测量方法并不能直接运用于掺砾粘土。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种针对掺砾粘土中颗粒粒径较大的问题，可以测量含有较大粒径颗粒土体的土-水特征曲线，而且成本较低，操作简便的滤纸法测量掺砾粘土土-水特征曲线的装置。
本发明还提供一种滤纸法测量掺砾粘土土-水特征曲线的方法，该法操作简便，同时还可以通过采用若干套装置同时进行并行实验，从而缩短量测时间，快速得到掺砾粘土土-水特征曲线。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种滤纸法测量掺砾粘土土-水特征曲线的装置，包括由两个对开模组成的试样筒，所述对开模分别固定在底座上，两所述底座的相对边与与其同侧的所述对开模相平齐，隔板或定量分析滤纸活动设置于两所述对开模之间，两所述对开模之间由连接件相连，所述试样筒顶端可拆卸式连有顶板。
所述连接件包括螺栓或销钉。
所述顶板与底座之间通过连接杆紧密连接。
两所述对开模的相对面的两侧均设置有凸出的连接耳，所述连接耳与隔板的对应位置均设置有用于穿过所述连接件的通孔。
所述底座和顶板上均设有若干透水孔，所述底座和顶板在所述试样筒的外围部分的相对位置设置有若干用于穿过所述连接杆的连接孔。
所述透水孔的直径为2～3mm；所述掺砾粘土中砾石的颗粒粒径不超过所述对开模内径的1/5。
所述底座包括方形。
所述定量分析滤纸为无灰尘的定量分析ⅱ型滤纸。
一种滤纸法测量掺砾粘土土-水特征曲线的方法，包括以下步骤：
s01，将隔板放置在试样筒的两个对开模之间，并用连接件连接；
s02，按照预设的试样干密度计算掺砾粘土的质量，取上述计算量的掺砾粘土，根据试样含水率配水并拌匀，闷样至少12小时，然后等分成6份；
s03，在试样筒的底部铺一层普通滤纸，将s02备好的掺砾粘土装入试样筒的两个对开模内，分3层击实，得到两个半圆柱土样；
s04，在制好的试样顶部铺一层普通滤纸，然后将顶板盖在试样上并用连接杆与底座紧密连接；
s05，将整个装置连同试样放入真空饱和缸进行抽气饱和，并在清水中浸泡至少12小时，之后拆除顶板和隔板，让其自然风干；
s06，不定时将装置连同试样一起称量，当试样质量下降至所需饱和度下的估算质量时，在两个半圆柱试样之间放置定量分析滤纸，用连接件紧密连接两个对开模，并密封在塑料袋内，然后放入保湿缸，放置至少7天，让试样和定量分析滤纸之间达到吸力平衡；
所需饱和度下的估算质量按式(1)计算：
式中：ρd为试样预设干密度，单位为g/cm3；v为试样体积，可由对开模尺寸计算得到，单位为cm3；gs为掺砾粘土颗粒平均比重，为定值，无量纲，可近似取2.6；sr为试样饱和度，取100％，90％，…，10％；
s07，拿出装置，拆封后称量，计算试样质量，记为m1；取出定量分析滤纸，轻轻拭去表面粘着的土体颗粒，用分析天平测量其含水率w1，并经事先率定的滤纸吸力与含水率关系函数计算得到吸力ψ1；
s08，继续风干试样，重复s06和s07，分别测得试样质量为m2、m3、…mn时的吸力ψ2、ψ3、…ψn；
s09，最后用烘干法测量试样含水率θn，并反推试样质量为m1、m2、…mn-1时的含水率θ1、θ2、…θn-1，点绘试样含水率θ1、θ2、…θn随吸力ψ1、ψ2、…ψn的变化曲线，得到掺砾粘土土-水特征曲线。
所述滤纸吸力与含水率关系函数为式(2)：
式中：ψ为吸力，单位为kpa；w为定量分析滤纸含水率，单位为％。
本发明的有益效果是可以测量含有较大粒径颗粒的土体的土-水特征曲线，而且成本较低，操作简便。同时还可以通过采用若干套装置同时进行并行实验的方法以缩短量测时间，快速得到掺砾粘土土-水特征曲线。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的剖面图；
图3为本发明中底座的结构示意图；
图4为本发明中顶板的结构示意图；
图5为本发明中隔板的结构示意图；
图中：1、试样筒；2、底座；3、隔板；4、顶板；5、连接孔；6、连接件；7、定量分析滤纸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1～图5所示，一种滤纸法测量掺砾粘土土-水特征曲线的装置，包括试样筒1、底座2、隔板3、顶板4、连接孔5、连接件6和定量分析滤纸7。所述试样筒1由两个相同的能严密对接的对开模组成，两个对开模分别固定设置在两个方形的底座2上，对开模的切面与底座2相应的侧边严密对齐；所述隔板3在制样时放置在试样筒1的两个对开模之间，通过连接件6紧密连接，并在测定吸力时拆除；所述顶板4在制样完成后放置在试样筒1顶部，通过连接杆穿过连接孔5后紧密连接；所述定量分析滤纸7在测定吸力时放置在试样筒1内的两个半圆柱土样之间，此时试样筒1的两个对开模由连接件6直接连接。
进一步的，两所述对开模的相对面的两侧均设置有凸出的连接耳，所述连接耳与隔板3的对应位置均设置有用于穿过所述连接件6的通孔。
进一步的，所述试样筒1、底座2、隔板3、顶板4、连接杆和连接件6均采用不锈钢材料制成。
进一步的，所述试样筒1的内径为100mm，高度为80mm，厚度为3mm，用于测定土-水特征曲线的掺砾粘土中砾石的颗粒粒径为2～20mm。
进一步的，所述底座2、隔板3和顶板4的厚度为3mm。
进一步的，所述试样筒1及隔板3的两侧相对应的位置设有直径5mm螺孔，供连接件6连接使用，连接件6可以是螺栓或销钉。
进一步的，如图3～图4所示，所述底座2和顶板4设有若干直径2～3mm的透水孔，优选为2mm；并在相对应的位置设有直径10mm的连接孔5，供连接杆连接使用。连接孔5设置于所述底座2和顶板4在所述试样筒1的外围部分的相对位置。
进一步的，所述定量分析滤纸7为无灰尘的定量分析ⅱ型滤纸。
本发明还提供了一种滤纸法测量掺砾粘土土-水特征曲线的方法，包括如下步骤：
1)将隔板3放置在试样筒1的两个对开模之间，并用螺栓连接；
2)按照需要的试样干密度计算掺砾粘土的质量，根据试样含水率配水并拌匀，闷样12小时，然后分成6份；
3)在试样筒1的底部铺一层普通滤纸，将备好的掺砾粘土装入试样筒1的两个对开模内，分3层击实，得到两个半圆柱土样；
4)在制好的试样顶部铺一层普通滤纸，然后将顶板4盖在试样上并用连接杆与底座2紧密连接；
5)将整个装置连同试样放入真空饱和缸进行抽气饱和，然后清水浸泡12小时，之后拆除顶板4和隔板3，让其自然风干；
6)不定时将装置连同试样一起称量，当试样下降一定质量时，在两个半圆柱试样之间放置定量分析滤纸7，用螺栓紧密连接两个对开模，并密封在塑料袋内，然后放入保湿缸，放置7天，让土样和定量分析滤纸7之间达到吸力平衡；
试样下降一定质量为试样质量下降至所需饱和度下的估算质量，
所需饱和度下的估算质量按式(1)计算：
式中：ρd为试样预设干密度，单位为g/cm3；v为试样体积，可由对开模尺寸计算得到，单位为cm3；gs为掺砾粘土颗粒平均比重，为定值，无量纲，取值2.6；sr为试样饱和度，取100％，90％，…，10％。
7)拿出装置，拆封后称量，计算试样质量，记为m1；取出定量分析滤纸7，轻轻拭去表面粘着的土体颗粒，用分析天平测量其含水率w1，并经事先率定的滤纸吸力与含水率关系函数计算得到吸力ψ1；
所述滤纸吸力与含水率关系函数为式(2)：
式中：ψ为吸力，单位为kpa；w为定量分析滤纸含水率，单位为％。
8)继续风干试样，重复步骤6)和7)，分别测得试样质量为m2、m3、…mn时的吸力ψ2、ψ3、…ψn；
9)最后用烘干法测量试样含水率θn，并反推试样质量为m1、m2、…mn-1时的含水率θ1、θ2、…θn-1，点绘试样含水率θ1、θ2、…θn随吸力ψ1、ψ2、…ψn的变化曲线，得到掺砾粘土土-水特征曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。