一种不同层位非饱和土总吸力原位测量装置及其制作方法

摘要

本发明公开了一种不同层位非饱和土总吸力原位测量装置及其制作方法，在钢管（1）上钻有多个小孔（2～10），钢管（1）的敞口端通过异径接头与钻杆连接，在其中至少一个小孔（2～6）处都焊接一个不锈钢测量瓶座（11），在钢管（1）外表面套有硅胶气囊（14），硅胶气囊（14）上设有与不锈钢测量瓶座（11）相通的小孔，在不锈钢测量瓶座（11）处通过螺纹装有一个不锈钢测量瓶（12），不锈钢测量瓶（12）中放置有测量用滤纸（13）。本发明利用不与土体接触的滤纸在试验前后的质量变化，来测量原位非饱和土孔隙气体的含水量，通过校准的特征曲线得出非饱和土的总吸力值，能最大限度保留土体的原样特征，提高测量准度，其制作方法可行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非饱和土总吸力原位测量装置，特别是涉及一种 非接触式滤纸原位测量非饱和土总吸力的装置，本发明还涉及该总吸 力原位测量装置的制作方法。

背景技术

非接触式滤纸测量非饱和土的总吸力是通过测量从非饱和土样 向初始干燥滤纸转移水的量，间接确定土样的总吸力值。该方法起初 主要应用于农业和土壤科学，其原理简单、造价低廉，在国外早有研 究和运用，如美国的Ning Lu和William J.Likos开发的有关柱状测 试系统，但都限制在实验室中测量。目前国内对于非饱和土体特性的 研究正蓬勃发展，各种室内非饱和土吸力测量装置也不断被研发出 来，但没有现场原位测试非饱和土体总吸力的装置，所以需要自行设 计和制作。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能现场原位测试 非饱和土体总吸力的不同层位非饱和土总吸力原位测量装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供该不同层位非饱和土 总吸力原位测量装置的制作方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的不同层位非饱和土 总吸力原位测量装置，在一端密封、一端敞口的钢管上钻有多个小孔， 所述的钢管的敞口端通过异径接头与钻杆连接，在其中至少一个小孔 处都焊接一个两端敞口、内壁有密封圆柱内螺纹的不锈钢测量瓶座， 在所述的钢管外表面套有硅胶气囊，所述的硅胶气囊上设有与所述的 不锈钢测量瓶座相通的小孔，在所述的不锈钢测量瓶座处通过螺纹装 有一个一端敞口、外壁有密封圆锥外螺纹的不锈钢测量瓶，所述的不 锈钢测量瓶中放置有测量用滤纸。

所述的设有不锈钢测量瓶座的小孔为5个，且一组为3个、另一 组为2个轴向设置在所述的钢管的相对的两侧。

为了解决第二个技术问题，本发明提供的非饱和土总吸力原位测 量装置的制作方法，开小孔-制作测量瓶座-焊接测量瓶座-制作测 量瓶—放置测量用滤纸—安装硅胶气囊—安装测量瓶，其特征是：

1)开小孔

将钢管固定，用划针和划线盘在钢管表面刻画与钢管轴线平行且 周向均匀分布的平行线以及平行线的垂线，以平行线与垂线的交点为 圆心画圆，采用氧炔焰气割成孔，并打磨开孔处去除毛刺；

2）制作测量瓶座

①、将不锈钢管放入钢管小孔处，用划针在不锈钢管表面画出相 贯线，取出不锈钢管，用等离子弧切割工艺沿相贯线轨迹切割不锈钢 管，并打磨切割处去除毛刺；

②、将经上步处理的不锈钢管加工一定长度的密封圆柱内螺纹， 得不锈钢测量瓶座；

③、采用上述①、②步方法同样制作小孔处的不锈钢测量瓶座；

3)焊接测量瓶座

采用不锈钢焊条、小电流手工焊的方法将上述制作的5个测量瓶 座分别在小孔处与钢管焊接，保证其焊接强度和密封性，焊接好后在 焊接缝处进行打磨和酸洗钝化处理；

4）制作测量瓶

①、在不锈钢圆板距其圆心11mm处用手电钻钻4个沿圆周向“十” 字形分布的小孔，在不锈钢圆板内壁上加工普通细牙内螺纹，在横放 的不锈钢管外壁上依次加工一小段普通细牙外螺纹、径向沟槽、与测 量瓶座内壁密封圆柱内螺纹相配合的密封圆锥外螺纹，并将未加工螺 纹或沟槽的不锈钢管外径车削至合适大小；

②、将不锈钢板焊接在不锈钢管远离沟槽的一端作为测量瓶瓶 底，用金属胶粘剂将不锈钢圆板粘接在不锈钢管的敞口端，在径向沟 槽处安装一个O型密封圈，不锈钢圆板通过普通细牙螺纹连接到不锈 钢管上，得不锈钢测量瓶；

5）放置测量用滤纸

①、将长细铁丝制作成两端为螺旋线、中间为直线且直线位于螺 旋线的轴线位置的形状，并在一端的螺旋线外侧绑扎一层细孔钢丝 网；

②、滤纸采用无灰级滤纸，将滤纸卷曲后放在长细铁丝的直线段， 并将绑扎有细孔钢丝网的一端朝上放进不锈钢测量瓶中；

6）安装硅胶气囊

将侧壁带有小孔的硅胶气囊套在钢管外表面，硅胶气囊上的小孔 分别与钢管上的不锈钢测量瓶座对中，并将硅胶气囊的上下两端扎紧 在钢管上，保证气囊上下两端的密封性；

7）安装测量瓶

①、在不锈钢圆板的一侧垂直焊接4个不锈钢棒，位置与小孔位 置一致，不锈钢棒外穿有内方外圆的橡胶保护套，在不锈钢圆盘的另 一侧焊接不锈钢棒，不锈钢棒表面进行滚花处理，得测量瓶旋进手柄；

②、利用测量瓶旋进手柄与不锈钢圆板配合将测量瓶旋进测量瓶 座中，并保证硅胶气囊在小孔处密封。

采用上述技术方案的不同层位非饱和土总吸力原位测量装置及 其制作方法，利用钻杆将测量装置垂直放入钻孔中，利用泥浆泵向钻 杆中泵入清水，清水从钢管上未安装不锈钢测量瓶座的小孔中溢出充 满整个硅胶气囊，使硅胶气囊膨胀而贴紧钻孔侧壁土体达到密封效 果，保证不锈钢测量瓶只能测量测量瓶瓶口处非饱和土孔隙气体的含 水量，稳定一段时间后，提取不锈钢测量瓶中的滤纸进行室内含水量 的测定。

综上所述，本发明是一种利用不与土体接触的滤纸在试验前后的 质量变化，来测量原位非饱和土孔隙气体的含水量，通过校准的特征 曲线得出非饱和土的总吸力值，能最大限度保留土体的原样特征，提 高测量准度，其制作方法可行。

附图说明

图1是钢管开小孔示意图。

图2是钢管偏转90度开小孔示意图。

图3是图1的截面图。

图4是图2的截面图。

图5是测量瓶座划线示意图。

图6是测量瓶座切割后成形示意图。

图7是测量瓶座焊接后成形示意图。

图8是粘接在测量瓶瓶口的不锈钢圆板示意图。

图9是测量瓶示意图。

图10是放置滤纸的长细铁丝及钢丝网主视示意图。

图11是放置滤纸的长细铁丝及钢丝网左视示意图。

图12是硅胶气囊示意图。

图13是瓶旋进手柄主视示意图。

图14是瓶旋进手柄左视示意图。

图15是测量瓶安装示意图。

图16是本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图16，在与钻孔孔径配套、一端密封、一端敞口的钢管1 上钻有直径为35mm第一小孔2、第二小孔3、第三小孔4、第四小孔 5、第五小孔6和直径为20mm的第六小孔7、第七小孔8、第八小孔9 和第九小孔10，钢管1的敞口端通过异径接头与钻杆111连接，第一 小孔2、第二小孔3、第三小孔4、第四小孔5、第五小孔6为为5个 设有不锈钢测量瓶座11的小孔，在第一小孔2、第二小孔3、第三小 孔4、第四小孔5、第五小孔6处都焊接一个两端敞口、内壁有密封 圆柱内螺纹的不锈钢测量瓶座11，第一小孔2、第三小孔4、第五小 孔6为一组、第二小孔3、第四小孔5为一组轴向设置在钢管1的相 对的两侧，第六小孔7、第七小孔8、第八小孔9和第九小孔10中二 个为一组，与第一小孔2、第二小孔3、第三小孔4、第四小孔5、第 五小孔6在钢管1上周向呈90度偏差设置，在钢管1外表面套上硅 胶气囊14，硅胶气囊14上设有与不锈钢测量瓶座11相通的小孔141， 在不锈钢测量瓶座11处放置一个一端敞口、外壁有密封圆锥外螺纹 的不锈钢测量瓶12，不锈钢测量瓶12通过螺纹旋进不锈钢测量瓶座 11中，不锈钢测量瓶12中放置测量用滤纸13。

本发明利用钻杆111将测量装置垂直放入钻孔中，利用泥浆泵向 钻杆中泵入清水，清水从第六小孔7、第七小孔8、第八小孔9和第 九小孔10中溢出充满整个硅胶气囊14，使硅胶气囊14膨胀而贴紧钻 孔侧壁土体达到密封效果，保证不锈钢测量瓶12只能测量测量瓶瓶 口处非饱和土孔隙气体的含水量，稳定一段时间后，提取不锈钢测量 瓶12中的滤纸13进行室内含水量的测定。本发明利用不与土体接触 的滤纸在试验前后的质量变化，来测量原位非饱和土孔隙气体的含水 量，通过校准的特征曲线得出非饱和土的总吸力值。

本发明提供的非饱和土总吸力原位测量装置的制作方法，具体步 骤如下：

1)开小孔

①划线

参见图1、图2、图3和图4，将钢管1固定，用划针和划线盘在 其表面刻画与钢管1轴线平行且周向均匀分布的第一线15、第二线 16、第三线17和第四线18，与第一线15垂直相交的第九线19、第 十线20和第十一线21，与第二线16垂直相交的第十二线22和第十 三线23,与第三线17垂直相交的第八线24和第七线25，与第四线18 垂直相交的第六线26和第五线27,其中第一线15与第三线17、第二 线16与第四线18关于钢管1的轴线对称，以第一线15与第九线19、 第十线20和第十一线21、第三线17与第八线24和第七线25的交点 为圆心用圆规刻画直径为35mm的圆，以第二线16与第十二线22和 第十三线23、第四线18与第六线26和第五线27的交点为圆心用圆 规刻画直径为20mm的圆；

②成孔

采用氧炔焰气割成直径为35mm的第一小孔2、第二小孔3、第三 小孔4、第四小孔5、第五小孔6、直径为20mm的第六小孔7、第七 小孔8、第八小孔9和第九小孔10，打磨开孔处去除毛刺；

2）制作测量瓶座

①切割不锈钢管

参见图5和图6，将外径35mm、内径30mm、长55mm的不锈钢管 放入钢管1第一小孔2处，且出露在钢管1外表面的最小距离为15mm， 用划针在不锈钢管表面画出不锈钢管与钢管1的第一小孔2的相贯线 28，取出不锈钢管，用等离子弧切割工艺沿相贯线轨迹切割不锈钢管， 并打磨切割处去除毛刺；

②加工螺纹

将经上步处理的不锈钢管自未切割的一端起加工长度为25mm的 牙型角55°、螺距2.309mm、大径33.249mm、小径30.291mm的密封 圆柱内螺纹即得不锈钢测量瓶座11；

③采用上述①、②步方法同样制作第二小孔3、第三小孔4、第 四小孔5、第五小孔6处的不锈钢测量瓶座11；

3)焊接不锈钢测量瓶座

参见图7，采用不锈钢焊条、小电流手工焊的方法将上述制作的 5个不锈钢测量瓶座11分别在第一小孔2、第二小孔3、第三小孔4、 第四小孔5、第五小孔6处与钢管1焊接，使测量瓶座不出露在钢管 1外表面，并保证其焊接强度和密封性，焊接好后在焊接缝29处进行 打磨和酸洗钝化处理；

4）制作测量瓶

①加工部分测量瓶零件

参见图8，在外径29mm、内径17mm、厚1mm的不锈钢圆板30距 其圆心11mm处用手电钻钻4个直径为3mm的第十小孔31，沿圆周向 “十”字形分布；

参见图9，在外径35mm、内径29mm、厚1.5mm的不锈钢圆板32 的内壁上加工螺距为0.75mm、大径为33mm、小径为29.211mm的普 通细牙内螺纹；

参见图9，将外径33.5mm、内径25mm、长55mm的不锈钢管33 横放，以不锈钢管33一端中心为坐标原点、该端指向另一端方向为X 轴正方向建立X坐标轴，在不锈钢管33的外壁X=0～1.5mm处加工与 不锈钢圆板32内壁普通细牙内螺纹相配合的普通细牙外螺纹，X=5mm 处起加工一个槽深1.3mm、槽宽2.4mm、槽口圆角r=0.1mm、槽底圆角 R=0.5mm的径向沟槽34，X=15mm处起加工与不锈钢测量瓶座11内壁 密封圆柱内螺纹等长并相配合的密封圆锥外螺纹，将未加工螺纹或沟 槽34的不锈钢管外径车削至29.5mm；

②组装各零件

参见图9，在不锈钢管33远离沟槽34的一端焊接外径29.5mm、 厚3mm的不锈钢板35作为测量瓶瓶底，保证焊接的强度和密封性；

将不锈钢圆板30与经上步处理的不锈钢管33敞口端对中，并用 金属胶粘剂将不锈钢圆板30粘接在不锈钢管33敞口端；

自不锈钢管33粘有不锈钢圆板30的一端向径向沟槽34处安装 一个内径26.5mm、线径1.8mm的O型密封圈36；

最后将不锈钢圆板32通过普通细牙螺纹连接到不锈钢管33上， 得不锈钢测量瓶12；

5）放置测量用滤纸

①制作放置装置

参见图10和图11，将长细铁丝37制作成两端为外径16mm螺距 等于细铁丝直径的螺旋线、中间为直线且直线位于螺旋线的轴线位置 的形状，其两端螺旋线水平长度均为2mm，直线段长度为47mm，并在 一端的螺旋线外侧绑扎一层细孔的钢丝网38；

②放置滤纸

参见图10和图11、图15，测量用滤纸13采用直径47mm的无灰 级滤纸，将测量用滤纸13卷曲后放在长细铁丝37的直线段，并将绑 扎有细孔钢丝网38的一端朝上放进不锈钢测量瓶12中；

6）安装硅胶气囊

参见图12、图15，将壁厚1mm、侧壁带有小孔141的硅胶气囊 14套在钢管1外表面，硅胶气囊14上的小孔141孔径为15mm，小孔 141分别与钢管1上的第一小孔2、第二小孔3、第三小孔4、第四小 孔5、第五小孔6对中，并将硅胶气囊14的上下两端扎紧在钢管1 上，保证气囊上下两端密封；

7）安装测量瓶

①制作测量瓶旋进手柄

参见图13和图14，在外径29mm、厚3mm的不锈钢圆板39的一 侧距其圆心11mm处垂直焊接4个直径2.5mm长10mm的不锈钢棒40， 位置与第十小孔31位置一致，不锈钢棒40外穿有内方外圆的橡胶保 护套，橡胶保护套内方形边长2mm、外圆直径为3mm，在不锈钢圆板 39另一侧中心焊接直径10mm长40mm的不锈钢棒41，不锈钢棒41表 面进行滚花处理，得测量瓶旋进手柄42；

②旋进测量瓶

参见图15，利用测量瓶旋进手柄42与粘接在不锈钢测量瓶12 瓶口处不锈钢圆板30配合将不锈钢测量瓶12旋进不锈钢测量瓶座11 中，并保证硅胶气囊14在第一小孔2、第二小孔3、第三小孔4、第 四小孔5、第五小孔6处密封。