一种测定粗粒土动态含水率的装置

本发明涉及土木工程设计，具体涉及一种测定粗粒土动态含水率的装置。

背景技术：

1、粗粒土广泛应用于填筑铁路、公路等的土工基础结构，如基床、碎石道床等。已有研究表明，粗粒土的含水率对其力学行为影响显著，进而影响土工结构的服役性能。在遭受强降雨、山洪等突发自然灾害时，粗粒土中的含水率处于复杂的动态变化中，且受入渗水量、级配、埋深等诸多因素的影响。以往研究中将土中含水率视为静态常量分析其影响，特别对于粗粒土，其渗透性好，通常只分析最终稳定的含水率状态或饱和状态下的力学性能，过水引起的含水率动态变化并未得到充分重视，缺少测量粗粒土动态含水率的装置。

2、水的入渗对粗颗粒土的影响主要体现在颗粒表面的稳定附着水和流动水膜两方面。稳定附着水是指在入渗和排水过程结束后，恰好使得颗粒处于完全浸湿状态时颗粒表面附着的水，但是由于粗粒土的孔隙大，储水性差，因此颗粒表面的稳定附着水较少。流动水膜则是在进水强度较大的情况下，由于土颗粒表面附着水的能力小于水入渗的速度，流经颗粒的水在颗粒表面暂时形成的一层水膜，这层水膜会随着排水过程的结束逐渐流失。由于流动水膜与进水强度有着密切的关系，并且会在入渗过程结束后随着时间的推移而逐渐消失，因此土体的蓄水量也会随之不断变化。粗粒土动态蓄水能力与颗粒表面流动水膜的含水量直接相关，而流动水膜又通过影响颗粒之间的黏聚力，从而影响动力作用下粗粒土的颗粒接触行为，进而影响土体的抗剪强度和动力稳定性。以碎石道床为例，长期降雨导致的道床积水现象会降低道砟颗粒之间的摩擦阻力，从而减小道床阻力，影响道床的服役性能。因此，有必要细化研究水的入渗对粗粒土含水率变化的影响。

3、此外，对于大部分粗粒土而言，其内部的较小颗粒由于结构以及受力的细观机理存在不稳定性，细小颗粒可以在比水力学经典理论预测的更低的水力梯度下被侵蚀，因此需要对不同入渗水量条件下粗粒土中细小颗粒的流失程度进行量测，这对于堤坝和防洪堤粗粒土的内部稳定性分析具有参考价值。

4、需要说明的是，土力学中“粗粒土”的粒径通常不大于60mm，本项目中的粗粒土泛指铁道工程中广泛涉及的砂土、碎石、卵石等，其粒径上限可大于土力学中粗粒土的粒径范围。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种测定粗粒土动态含水率的装置。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种测定粗粒土动态含水率的装置，其特征在于，包括：

4、进水单元，用于模拟粗粒土层的进水情况；

5、粗粒土容器，用于装填粗粒土；

6、渗滤单元，用于滤出流经粗粒土而未能附着在其表面的水以及粗粒土中的细颗粒；

7、质量测量单元，用于测量滤出细颗粒质量、容器质量和装置总质量；

8、所述的进水单元设置在粗粒土容器的顶部；所述的渗滤单元设置在粗粒土容器的底部；所述的质量测量单元包括细颗粒质量检测秤、容器质量检测秤和装置总质量检测秤。

9、进一步地，所述的进水单元包括表层进水组件和/或深层进水组件；其中，表层进水组件与深层进水组件不同时安装在粗粒土容器顶部。

10、优选地，所述的表层为厚度小于等于100cm的粗粒土层。

11、进一步地，粗粒土的进水单元包括表层进水组件和/或深层进水组件。

12、更具体地，当采用本发明设计的装置用于测量特殊几何形态粗粒土层的动态含水率，需要根据粗粒土的土质、粒径级配、密度等因素综合划分表层土和深层土。若只划分出表层土，测量粗粒土层的动态含水率只需要表层进水组件。若同时划分出表层土和深层土，则需要将整体试验分为两步第一步试验先使用表层进水组件获取表层土的粗粒土的动态含水率；第二步试验，将表层进水组件替换为深层进水组件，基于第一步试验的数据调整进水情况，获取深层土的粗粒土动态含水率。

13、这是因为容器的高度会受到测量环境的限制，倘若不使用深层进水组件，当容器高度低于想要测量土体所处的深度时，便无法满足测量目标；同时，过高的容器高度也是不现实的，这会使得测量过程复杂化，降低测量效率，消耗大量成本。

14、进一步地，所述的表层进水组件包括用于控制进水强度的水泵和用于喷洒进水的进水器；所述的水泵与进水器相连通；所述的进水器的喷洒半径与粗粒土容器内径相等，以较好的模拟自然条件下的降雨过程。

15、具体来说，表层进水组件包括可调节进水量的水泵和进水器。可调节进水量的水泵用于控制进水强度的大小，依据不同进水强度下粗粒土动态含水率的不同，将进水强度分为一定数量的级别，每级的变化通过调节水泵实现。单位时间的进水量l由装置圆柱形粗粒土容器横截面的内径d与进水强度p共同计算得到，计算表达式为：

16、

17、其中，进水器的喷洒半径在各级进水强度下均与粗粒土容器内径d相同。

18、进一步地，所述的深层进水组件包括流量控制阀和缓流器；所述的缓流器顶部设有用于进水的进水管；所述的流量控制阀设置在进水管上。其中，深层进水组件中的流量控制阀在上述第二步实验中的流量控制是依据上述第一步实验中滤出水质量的动态变化确定的，缓流器接在流量控制阀下，以控制水流流速，模拟水流在深层道砟中流动的情况。

19、进一步地，所述的渗滤单元包括平行设置的：一级滤网，用于滤出流经粗粒土而未能附着在其表面的水并承载粗粒土容器内的粗粒土；二级滤网，用于滤出粗粒土中的细颗粒；所述的二级滤网设置在一级滤网远离粗粒土容器的一侧。其中，滤网筛孔的孔径由道砟的粒径级配决定。

20、进一步地，所述的一级滤网和二级滤网的表面材质的接触角大于90°。所述的一级滤网和二级滤网的材质为不沾水的纳米材料。

21、优先地，滤网表面材质的接触角>150°，即为超疏水性材料，此时液体难以在材料表面形成薄膜，润湿性较差。纳米材料包括纳米二氧化硅材料、硫化铋纳米材料以及聚合物纳米复合材料等。同时，也可以使用高分子聚合物防水涂料，例如聚硅氧烷涂料、聚氨酯防水涂料等。若所列出材料的接触角无法达到大于150°，则可以通过添加其他材料对现有材料进行改良或对现有材料进行加工处理，从而进一步提高其疏水性。

22、优选地，渗滤单元主要包括粗粒土容器底部的两层平行设置的滤网，一级滤网主要用于透水并承担上部容器中的被测对象，因此其筛孔孔径建议设置为被测对象的d3；二级滤网主要用于滤出细颗粒并防止细颗粒通过筛孔流失，因此其筛孔孔径建议设置为被测对象d50的1‰。由于粗粒土粒径的变化范围较大，二级滤网设置为可拆卸的形式以满足不同被测对象的级配需求。

23、进一步地，所述的装置还设有用于支撑粗粒土容器的支撑架和用于收集流出液的储水容器；所述的支撑架和储水容器设置在装置总质量检测秤上；所述的支撑架设置在容器质量检测秤上。

24、优选地，所述的细颗粒质量检测秤为悬臂梁称重秤；所述的悬臂梁称重秤与二级滤网相连。

25、进一步地，所述的装置还设有数据后处理平台；所述的数据后处理平台与细颗粒质量检测秤、容器质量检测秤和装置总质量检测秤的输出端相连。

26、具体来说，细颗粒质量检测秤、容器质量检测秤和装置总质量检测秤的实时测量数据通过数据传输线传入数据后处理平台储存。数据后处理平台是通过对质量测量单元得到的数据进行计算转化。根据质量测量单元测得的质量，通过如下公式进行计算：

27、

28、式中m容0表示容器质量测量系统清零后进水之前粗粒土容器的质量，即被测粗粒土的质量，m容表示测量过程中粗粒土容器的质量，ω细表示每次试验结束后通过烘干试验获得二级滤网上细颗粒的含水率，最终得出被测粗粒土的动态含水率ω；同样，根据

29、

30、和m储＝m总-m容-m细即可得到测量过程中的细颗粒流失率和储水容器中水的质量(滤出水质量)的动态变化规律，m储表示储水容器中水的质量，m总0表示被测粗粒土装填完成时所测得的装置总质量。

31、与现有技术相比，本发明结合粗粒土动态含水率与不同进水强度之间的关联，从可调节进水强度的角度出发，提出了一种测定粗粒土动态含水率的装置，具有以下有益效果：

32、(1)进水单元可以同时考虑表层进水和深层进水的情况，并且通过可调节进水量的水泵，可以考虑不同进水强度下由于流动水膜导致的粗粒土动态含水率的差异。

33、(2)渗滤单元运用二级滤网采集细颗粒，可以防止细颗粒流失影响测量结果；二级滤网采取可拆卸的形式，以满足不同粒径级配被测对象的需求。

34、(3)考虑不同进水强度和不同粒径级配对测定粗粒土动态含水率的装置的影响，能够满足不同土质和气候条件的地区的需求，有助于为强降雨、山洪等极端条件下粗粒土的宏细观力学行为分析提供更为精细的参数基础。