一种非饱和路基土室内电渗排水试验系统的制作方法

本发明涉及一种电渗排水试验系统，属于路基排水技术领域。

背景技术：

在20世纪30年代，德国学者casagrande首次将电渗排水法应用于软土地基的加固并取得了令人满意的效果，这促使后续的研究者对软土地基的电渗排水展开了广泛而深入的研究，与软土地基电渗排水相关的室内模型试验、现场足尺试验和工程应用实例从未间断且不停向前发展。至今，电渗排水法早已成为一种常用的软土地基加固方法。

然而，电渗排水法目前多局限于饱和软土地基的加固，鲜有用于非饱和土地基的加固，更未用于非饱和路基排水。当前季冻区路基在冻融循环结束后形成的水分富集层因具有含水量大、破坏效果显著和难以疏排的特点成为季冻区路基病害控制的一大难题。如果能将电渗排水法自饱和软土地基加固领域引入非饱和路基排水领域，通过电渗作用将非饱和路基中多余的水分排出，则可以有效地控制路基的湿度状况，显著提升路基的工作状态，进而大幅延长路基的使用寿命。

工程应用需以理论研究为基础。因此，开展非饱和土的电渗排水研究成为当务之急。在将电渗排水法应用于实际非饱和路基工程之前，需要先进行室内模型试验以充分掌握非饱和土发生电渗时的水分迁移规律和电学参数变化规律，明确电渗在非饱和土中的作用机理，验证将电渗排水应用于非饱和土的效果。

进行非饱和土室内电渗排水试验需要一套能满足其试验目的试验装置，保证电渗排水试验能够合理、准确地进行，以得出科学的结论。现有的室内电渗排水试验系统均基于含水率高、渗透系数低和电渗排水效果明显的饱和软土而设计。现有的室内电渗排水试验系统通常采用收集阴极排水的方式来确定土体在电渗过程中的排水量，通过测量孔压和监测沉降变形来确定固结度，同时监测电势变化来衡量电极的工作能力，目的在于研究电极材料、通电方式、土样性质对饱和电渗排水的影响，这是以高含水率、低渗透性的饱和土样作为试验对象的必然结果。

然而，现有的室内电渗排水试验系统却不适用于非饱和土，这是因为：当前对饱和软土电渗排水的研究通常以排水量为评价指标对试验土样整体进行电渗排水效果分析，或者通过对试验土样进行定期分层取样烘干的方式测定试验土样各层的含水率，以便进行水分迁移分析。前者忽略了水分空间分布差异性的问题，这一差异在非饱和土中尤其显著。后者则会破坏试验土样的完整性，无法做到连续测量。

技术实现要素：

本发明为解决现有室内电渗排水试验系统不适用于非饱和路基土的问题，提出了一种非饱和路基土室内电渗排水试验系统。

本发明所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统包括试验仓1、土样固定及排水单元、排水量测量单元、电压加载单元、土样体积含水率检测单元、土样电位采集单元和仓体温湿度控制单元；

土样固定及排水单元设置在试验仓1内，该单元包括土样套筒2、第一透水石3、第二透水石4、排水漏斗5、第一定位夹板6、第二定位夹板7、定位垫块8和定位夹板紧固机构；

土样套筒2为上、下两端均开放的圆筒形结构，第一透水石3、试验土样和第二透水石4依次自上而下地设置在土样套筒2内且均与土样套筒2的内筒壁紧密接触；

在第一定位夹板6的中部、自其顶面至底面开设有透气通孔，定位垫块8为圆环形结构，定位垫块8和第一定位夹板6依次自下而上地堆叠在第一透水石3上，定位垫块8与土样套筒2的内筒壁紧密接触且其上端超出土样套筒2的上端口；

排水漏斗5的大端口自土样套筒2的下端口伸入其中并与第二透水石4紧密接触，排水漏斗5的大端口处的外壁与土样套筒2的内筒壁紧密接触，排水漏斗5的小端口竖直贯穿第二定位夹板7；

第一定位夹板6与第二定位夹板7通过定位夹板紧固机构在土样套筒2的轴向上夹紧；

电压加载单元包括直流稳压电源9、第一电极20和第二电极21，第一电极20和第二电极21均为圆片形结构，在第二电极21上均匀设置有多个排水孔，第一电极20和第二电极21分别与直流稳压电源9的正极和负极电性连接，并分别设置在第一透水石3与试验土样、试验土样与第二透水石4之间；

排水量测量单元用于收集试验土样所排出的水并测量排出水的体积和质量；

土样体积含水率检测单元用于实时检测试验土样内预定的多个待测土层的体积含水率，并储存检测到的体积含水率数据；

土样电位采集单元用于实时采集试验土样内预定的多个待测土层的高电位和低电位，并根据检测到的每个待测土层的高电位数据和低电位数据确定该待测土层两端的电压；

仓体温湿度控制单元用于实时调节试验仓1内的空气湿度，使试验仓1内的空气湿度等于试验仓1外的空气湿度，还用于实时调节试验仓1内的气温，其向试验仓1内输送的调节气的温度等于试验仓1内的实时气温对应的露点温度。

作为优选的是，在试验仓1内水平固设有搁板10，搁板10的中间区域上下贯通设置，搁板10将试验仓1自上而下划分为土样固定及排水单元放置仓和排水量测量单元放置仓；

排水量测量单元包括量筒11和电子天平12，电子天平12放置在试验仓1的底板上，量筒11放置在电子天平12的载物台上；

第二定位夹板7搭载在搁板10上，排水漏斗5的小端口经搁板10的贯通区域进入排水量测量单元放置仓，并伸入量筒11内；

量筒11的上端口密封设置；

电子天平12用于根据直接测量到量筒11与水的总质量数据以及预设的量筒质量数据，实时计算并显示试验土样所排出水的质量。

作为优选的是，定位夹板紧固机构包括第一紧固螺栓13、第二紧固螺栓、第三紧固螺栓、第四紧固螺栓14以及第一紧固螺母～第四紧固螺母；

第一紧固螺栓13～第四紧固螺栓14的头部均与第二定位夹板7的底面紧密接触，第一紧固螺栓13～第四紧固螺栓14的螺纹端均依次贯穿第二定位夹板7和第一定位夹板6，并刚好超出第一定位夹板6；

第一紧固螺母～第四紧固螺母分别设置在第一紧固螺栓13～第四紧固螺栓14的螺纹端上。

作为优选的是，直流稳压电源9为可调直流稳压电源，能够显示当前输出电压和流经试验土样的电流的幅值。

作为优选的是，土样体积含水率检测单元包括多个含水率传感器15和湿度采集器16；

多个含水率传感器15分别用于实时检测所述多个待测土层的体积含水率；

湿度采集器16用于根据预设的采样频率同时采集多个含水率传感器15检测到的体积含水率数据。

作为优选的是，土样电位采集单元为电位采集仪17，电位采集仪17包括多对电位探针18，多对电位探针18分别与所述多个待测土层一一对应；

电位采集仪17根据预设的采样频率，通过每对电位探针18来采集相应待测土层的高电位数据和低电位数据。

作为优选的是，仓体温湿度控制单元为恒温恒湿养护箱19，恒温恒湿养护箱19与试验仓1的内部空间相连通。

作为优选的是，试验仓1和土样套筒2均采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成，第一定位夹板6和第二定位夹板7均采用绝缘塑料制成，第一电极20和第二电极21均为金属电极或非金属电极。

作为优选的是，第一透水石3和第二透水石4均为圆片形结构，试验土样为具有稳定压实结构的圆柱体；

第一透水石3的直径、第二透水石4的直径、试验土样的直径和定位垫块8的外径均与土样套筒2的内径相等；

第一定位夹板6上的透气通孔与定位垫块8同轴设置，所述透气通孔的孔径小于试验土样的直径。

作为优选的是，试验土样的制作方式为：先采用控制高度法对土样进行击实成型，再采用抽真空饱和的方式使土样接近饱和。

本发明所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统，通过排水量测量单元收集试验土样所排出的水并测量排出水的体积和质量，通过土样体积含水率检测单元实时检测试验土样内预定的多个待测土层的体积含水率，并储存检测到的体积含水率数据。与现有室内电渗排水试验系统相比，本发明所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统既能够以排水量为评价指标对试验土样整体进行电渗排水效果分析，又能够实时检测试验土样内预定的多个待测土层的体积含水率。因此，本发明所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统既考虑到了试验土样内的水分空间分布差异性又能够连续且无损地测量试验土样的含水率。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统进行更详细的描述，其中：

图1为实施例所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统的结构示意图；

图2为实施例提及的土样套筒的透视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统作进一步说明。

实施例：下面结合图1和图2详细地说明本实施例。

本实施例所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统包括试验仓1、土样固定及排水单元、排水量测量单元、电压加载单元、土样体积含水率检测单元、土样电位采集单元和仓体温湿度控制单元；

土样固定及排水单元设置在试验仓1内，该单元包括土样套筒2、第一透水石3、第二透水石4、排水漏斗5、第一定位夹板6、第二定位夹板7、定位垫块8和定位夹板紧固机构；

土样套筒2为上、下两端均开放的圆筒形结构，第一透水石3、试验土样和第二透水石4依次自上而下地设置在土样套筒2内且均与土样套筒2的内筒壁紧密接触；

在第一定位夹板6的中部、自其顶面至底面开设有透气通孔，定位垫块8为圆环形结构，定位垫块8和第一定位夹板6依次自下而上地堆叠在第一透水石3上，定位垫块8与土样套筒2的内筒壁紧密接触且其上端超出土样套筒2的上端口；

排水漏斗5的大端口自土样套筒2的下端口伸入其中并与第二透水石4紧密接触，排水漏斗5的大端口处的外壁与土样套筒2的内筒壁紧密接触，排水漏斗5的小端口竖直贯穿第二定位夹板7；

第一定位夹板6与第二定位夹板7通过定位夹板紧固机构在土样套筒2的轴向上夹紧；

电压加载单元包括直流稳压电源9、第一电极20和第二电极21，第一电极20和第二电极21均为圆片形结构，在第二电极21上均匀设置有多个排水孔，第一电极20和第二电极21分别与直流稳压电源9的正极和负极电性连接，并分别设置在第一透水石3与试验土样、试验土样与第二透水石4之间；

排水量测量单元用于收集试验土样所排出的水并测量排出水的体积和质量；

土样体积含水率检测单元用于实时检测试验土样内预定的多个待测土层的体积含水率，并储存检测到的体积含水率数据；

土样电位采集单元用于实时采集试验土样内预定的多个待测土层的高电位和低电位，并根据检测到的每个待测土层的高电位数据和低电位数据确定该待测土层两端的电压；

仓体温湿度控制单元用于实时调节试验仓1内的空气湿度，使试验仓1内的空气湿度等于试验仓1外的空气湿度，还用于实时调节试验仓1内的气温，其向试验仓1内输送的调节气的温度等于试验仓1内的实时气温对应的露点温度。

本实施例的试验仓1内水平固设有搁板10，搁板10的中间区域上下贯通设置，搁板10将试验仓1自上而下划分为土样固定及排水单元放置仓和排水量测量单元放置仓；

排水量测量单元包括量筒11和电子天平12，电子天平12放置在试验仓1的底板上，量筒11放置在电子天平12的载物台上；

第二定位夹板7搭载在搁板10上，排水漏斗5的小端口经搁板10的贯通区域进入排水量测量单元放置仓，并伸入量筒11内；

量筒11的上端口密封设置；

电子天平12用于根据直接测量到量筒11与水的总质量数据以及预设的量筒质量数据，实时计算并显示试验土样所排出水的质量。

本实施例的定位夹板紧固机构包括第一紧固螺栓13、第二紧固螺栓、第三紧固螺栓、第四紧固螺栓14以及第一紧固螺母～第四紧固螺母；

第一紧固螺栓13～第四紧固螺栓14的头部均与第二定位夹板7的底面紧密接触，第一紧固螺栓13～第四紧固螺栓14的螺纹端均依次贯穿第二定位夹板7和第一定位夹板6，并刚好超出第一定位夹板6；

第一紧固螺母～第四紧固螺母分别设置在第一紧固螺栓13～第四紧固螺栓14的螺纹端上。

本实施例的直流稳压电源9为可调直流稳压电源，能够显示当前输出电压和流经试验土样的电流的幅值。

本实施例的土样体积含水率检测单元包括多个含水率传感器15和湿度采集器16；

多个含水率传感器15分别用于实时检测所述多个待测土层的体积含水率；

湿度采集器16用于根据预设的采样频率同时采集多个含水率传感器15检测到的体积含水率数据。

本实施例的土样电位采集单元为电位采集仪17，电位采集仪17包括多对电位探针18，多对电位探针18分别与所述多个待测土层一一对应；

电位采集仪17根据预设的采样频率，通过每对电位探针18来采集相应待测土层的高电位数据和低电位数据。

本实施例的仓体温湿度控制单元为恒温恒湿养护箱19，恒温恒湿养护箱19与试验仓1的内部空间相连通。

本实施例的试验仓1和土样套筒2均采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成，第一定位夹板6和第二定位夹板7均采用绝缘塑料制成，第一电极20和第二电极21均为金属电极或非金属电极。

本实施例的第一透水石3和第二透水石4均为圆片形结构，试验土样为具有稳定压实结构的圆柱体；

第一透水石3的直径、第二透水石4的直径、试验土样的直径和定位垫块8的外径均与土样套筒2的内径相等；

第一定位夹板6上的透气通孔与定位垫块8同轴设置，所述透气通孔的孔径小于试验土样的直径。

本实施例的试验土样的制作方式为：先采用控制高度法对土样进行击实成型，再采用抽真空饱和的方式使土样接近饱和。

图1为本实施例所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统的结构示意图，土样套筒2因采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成而接近透明，图中的土样套筒2部分实际上是土样套筒2的透视图，中部灰色部分为试验土样。

本实施例的定位垫块8的内径比其外径小1cm，定位垫块8的高度大于第一透水石3的顶面与土样套筒2的上端口的间距，其在第一透水石3与第一定位夹板6之间起到传力作用，帮助固定试验土样。

本实施例的第一透水石3和第二透水石4为土工实验中常用的透水石，具有透水透气和反滤试验土样的作用。

本实施例的第二电极21上的排水孔，其孔径在保证水分可通过的基础之上应尽可能小，以避免土颗粒通过且保证第二电极21的完整性。

本实施例的含水率传感器15为湿度传感器，具体采用sma-100型号的土壤水分传感器实现。在土样套筒2的一侧筒壁上、沿其高度方向开设有多个与含水率传感器15外形相匹配的第一安装孔，第一安装孔的数量与含水率传感器15的数量相等。含水率传感器15的设置间距根据试验土样的高度和研究需要的数据量而定。在将含水率传感器15经第一安装孔插入试验土样时，应当使含水率传感器15对试样土样内水分迁移的影响尽可能的小。

在土样套筒2的另一侧筒壁上、沿其高度方向开设有多个与电位探针18外形相匹配的第二安装孔，第二安装孔的数量与电位探针18的数量相等。为了降低电位探针18对试验土样内电场分布的影响，电位探针18应尽可能小且插入深度应限制在不影响含水率传感器15工作的深度范围内。电位探针18的具体布置方式取决于研究所需要的数据量而定。

本实施例的排水漏斗5应选用内壁光滑程度高的漏斗。

本实施例的湿度采集器16采用watchdog系列的数据采集器来实现。

本实施例的恒温恒湿养护箱19实时调节试验仓1内的空气湿度，以使试验仓1内外的空气湿度达到平衡，进而避免试验土样内的水分因湿度差从试验仓1顶部向外迁移。恒温恒湿养护箱19的温度设置为试验仓1内的实时气温对应的露点温度，如此设置是由于在电渗排水试验中，第一电极20、试验土样和第二电极21均会放热，导致试验仓1内的气温高于试验仓1外的气温，此时会发生水分的气态迁移。而将恒温恒湿养护箱19的温度设置为试验仓1内的实时气温对应的露点温度，则可避免这一问题的发生。

本实施例所述的非饱和路基土室内电渗排水试验系统具有以下有益效果：

1、可对具有稳定压实结构的非饱和路基土进行一维电渗排水试验，研究不同电极材料、不同通电形式、不同土样结构对非饱和路基土电渗排水效果的影响，探寻能够用于非饱和路基排水的电渗方法。

2、通过采用含水率传感器对土样不同层位含水率进行实时连续的监测，可实现对电渗过程中土样含水率在时间和空间上的分布进行分析，揭示非饱和土电渗过程中水分的迁移规律。

3、通过恒温恒湿养护箱对试验仓外部环境的温度、湿度进行动态控制，能够最大程度阻止电渗过程中的气态水迁移，使得电极和土样发热导致的土样水分蒸发得到极大的抑制，使得试验结能够更为准确地揭示电渗主导的水分迁移效果。

虽然在本文中参照了特定的实施方法来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方法来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。