一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器及方法

摘要

本发明公开了一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器及方法，包括由有机玻璃制成的底座，底座上设置有用于放置测试土样的土样容器，在底座和土样容器之间分别设置有体积含水量测试装置和基质吸力测试装置，体积含水量测试装置通过同轴电缆与电磁波发射器连接，基质吸力测试装置通过硬塑管与压力表连接，体积含水量测试装置和基质吸力测试装置分别用于对测试土样的体积含水量和基质吸力进行测量，将体积含水量和基质吸力的测试值关联获得测试土样的持水特征曲线。本发明装置结构简单，不破坏土样结构，测试体积含水量的装置标定过程简单、测试快速且测量精度高，尤其适用于结构性土的持水特征曲线的快速测试。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程测量仪器制造技术领域，具体涉及一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器及方法。

背景技术

土体孔隙中同时存在气体和液态水称为非饱和土。天然状态下，土体多处于非饱和状态，经过雨水入渗后引起含水量升高，同时基质吸力降低。反之，经过干燥蒸发后，土体的含水量降低，基质吸力升高。非饱和土的持水特征曲线定义了土体基质吸力和含水率的关系，它体现了土体的持水能力。持水特征曲线是非饱和土力学中基本的土体性质，它是预测非饱和土变形、渗流以及抗剪强度的重要参数。在实际工程应用中，如边坡雨水入渗、失稳滑坡的数值计算，持水特征曲线均是重要的输入参数。因此准确、快速的测试土体的持水特征曲线对运用非饱和土力学进行工程设计具有重要意义。

目前测试土体持水特征曲线的方法主要有稳态方法和瞬态方法。其中稳态方法主要包括：轴平移，渗透和湿度控制。稳态的方法虽然具有测试精确度高的优点，但同时也存在耗时的缺点，如测试一条干湿循环条件下持水特征曲线通常需要一个月以上。对于瞬态的方法，即在试样增湿或脱湿的过程中，同时利用基质吸力测试装置和体积含水量测试装置测试土体的吸力和体积含水量。把测得的基质吸力和体积含水量对应起来得到土体的持水特征曲线。通常，利用瞬态的方法测试一条干湿循环下的持水特征曲线只需要数天时间。然而，目前所使用的瞬态测试仪器多需要插入大量的土体传感器进行测量(如张力计和电磁波导探头)，对土体的结构性造成破坏，测试结果不能反应原状土样的持水特性。因此，现有的瞬态测试仪器对于具有强结构性的土体并不适用，如西北地区的黄土和东南沿海的结构性软土等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器及方法，用于对具有强结构性的土体进行测量。

本发明采用以下技术方案：

一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器及方法，包括由有机玻璃制成的底座，底座上设置有用于放置测试土样的土样容器，在底座和土样容器之间分别设置有体积含水量测试装置和基质吸力测试装置，体积含水量测试装置通过同轴电缆与电磁波发射器连接，基质吸力测试装置通过硬塑管与压力表连接，体积含水量测试装置和基质吸力测试装置分别用于对测试土样的体积含水量和基质吸力进行测量，将体积含水量和基质吸力的测试值关联获得测试土样的持水特征曲线。

具体的，体积含水量测试装置包括嵌入在底座中心的电路板，在电路板的表面附着有两组平行设置的电磁波导探头，两组电磁波导探头呈U型布置且开口方向相反。

进一步的，第一组电磁波导探头由两条相互平行的第一镀金铜线组成，第二组电磁波导探头由两条相互平行的第二镀金铜线组成，两条第一镀金铜线分别与第一同轴电缆的内外导体焊接连接，两条第二镀金铜线分别与第二同轴电缆的内外导体焊接连接。

进一步的，两条平行镀金铜线之间的间距为3～5mm，每条镀金铜线的直径为1～3mm。

进一步的，电路板的直径为65～75mm，电路板的厚度为5～10mm。

具体的，基质吸力测试装置包括贯穿设置在底座中心的陶土头，陶土头的上部伸出至底座的外部用于和土样容器内的测试土样接触，陶土头的下部经过硬塑管与压力表连接，硬塑管内设置有无气水，通过压力表读取基质吸力，在陶土头的四周和底部设置有密封胶。

进一步的，陶土头的上部伸出端设置在体积含水量测试装置的两组平行电磁波导探头之间，陶土头为直径4～6mm，长6～8mm的圆柱形陶瓷，其进气值为100kPa，陶土头的上部伸出端的长度为1～2mm。

具体的，土样容器通过螺钉与底座固定连接，土样容器的底部沿土样容器开有水平的排水孔，在土样容器与底座之间设置有橡胶圈。

进一步的，测试土样为直径65～75mm，高10～30mm的圆柱体。

本发明还公开了一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器的测量方法，测试基质吸力时，首先将陶土头利用无气水进行饱和，同时硬塑管内充满无气水；陶土头顶部通过与测试土样接触进行基质吸力平衡，该基质吸力通过硬塑管中无气水传至压力表进行读取；

测试持水特征曲线时，将测试土样放入土样容器中，通过对测试土样上方喷水来进行土样增湿；土样容器下部的排水孔用于促进水分在测试土样中的下渗和排水；测试土样的下表面接触电磁波导探头和陶土头分别进行体积含水量和基质吸力的测试；

测试土样体积含水量时，通过电磁波发射器发射一个电磁脉冲，该脉冲通过第一同轴电缆和第二同轴电缆及平行的第一双镀金铜线和平行的第二双镀金铜线传播，在遇到阻抗不连续的地方发生反射并由示波器记录反射信号，最终通过分析该反射信号获得土样的介电常数，然后利用Topp方程由土样介电常数计算测试土样的体积含水量θ_w为：

θ_w＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2ε_a,soil-5.5×10^-4ε_a,soil²+4.3×10^-6ε_a,soil³

其中，ε_a,soil为测试土样介电常数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供了一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器及方法，通过在有机玻璃底座上设置土样容器，并在底座和土样容器之间设置体积含水量测试装置和基质吸力测试装置，体积含水量测试装置与电磁波发射器连接，基质吸力测试装置与压力表连接，通过体积含水量测试装置和基质吸力测试装置分别对测试土样的体积含水量和基质吸力进行测量，可瞬态快速测试土样的持水特征曲线，且由于测试体积含水量和基质吸力装置均无需插入土样，对土样结构性无破坏，尤其适用于强结构性土样。

进一步的，电路板的表面附着有两组平行设置的电磁波导探头，每组电磁波导探头分别通过对应的同轴电缆与电磁波发射器连接，测试体积含水量的电磁波导探头具有标定过程简单、测试准确的优点，且设置两组电磁波导探头进行平行监测，对测试结果进行对比平均处理，可靠度高。

进一步的，两条镀金铜线平行设置可较好的模拟电磁波导，获得清晰的电磁波反射信号。镀金铜线的间距为3～5mm，每条镀金铜线的直径为1～3mm，上述镀金铜线直径和间距的设置可较好的避免电磁波导的“趋肤效应”，同时尽可能的扩大电磁波在土样中的传播扩散体积，提高体积含水量的测试精度。

进一步的，电路板的直径为65～75mm，厚度为5～10mm，上述电路板的尺寸设置可使电磁波在波导中传输时其影响体积范围是一个固定值，进而标定得到的电磁波测试参数与土样体积含水量关系是一个简单的线性关系，简化测试过程并提高测试体积含水量的精度。

进一步的，设置两组平行的电磁波导探头测试土样体积含水量，上述设置可对测试体积含水量结果进行求平均值作为土样的最终体积含水量。该设置可平行的比较两个电磁波导探头的测试结果差异，评估土样不同位置的含水量差异性，对土样的含水量均匀性进行判断，使测试结果更为可靠。

进一步的，基质吸力测试装置包括贯穿设置在底座中心的陶土头，陶土头的上部伸出至底座的外部用于和土样容器内的测试土样接触，陶土头的下部经过硬塑管与压力表连接，硬塑管内设置有无气水，通过压力传感器读取基质吸力，在陶土头的四周和底部通过密封胶密封处理，响应迅速、测试灵敏。

进一步的，陶土头的上部伸出端设置在体积含水量测试装置的两组平行电磁波导探头之间，上述设置使基质吸力测试装置测得土样中心位置的吸力，使其测试结果更具代表性。

进一步的，陶土头进气值为100kPa，陶土头的进气值越大，其测试响应的灵敏度越低。陶土头的进气值设置为100kPa，与硬塑管中无气水的汽化压力接近。该设置综合考虑了测试响应灵敏度和水汽化导致的测试系统失效，使测试效率达到最大化。另一方面，陶土头伸出长度满足与土样最小接触面积的要求，同时减小过多插入土样破坏结构性。

进一步的，土样容器的底部沿土样容器开有水平的排水孔，促进水分在测试土样中的下渗和排水，在土样容器与底座之间设置橡胶圈用于密封。本发明还公开了一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器的测量方法，测量过程中标定过程简单、测试快速且测量精度高，尤其适用于结构性土的持水特征曲线的快速测试。

综上所述，本发明装置结构简单，不破坏土样结构，尤其适用于结构性土的持水特征曲线的快速测试。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构剖视图；

图2为本发明结构截面图；

图3为标定电磁波导实测介电常数与土样介电常数关系图；

图4为利用介电常数计算体积含水量与传统烘干法测试结果对比示意图。

其中：1-1.第一镀金铜线；1-2.第二镀金铜线；2.电路板；3-1.第一同轴电缆；3-2.第二同轴电缆；4.陶土头；5.底座；6.橡胶圈；7.土样容器；8.排水孔；9.硬塑管；10.螺钉；11.密封胶。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1和图2，本发明一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器，包括体积含水量测试装置、基质吸力测试装置、土样容器7和底座5，体积含水量测试装置、基质吸力测试装置和土样容器7分别设置在底座5上，体积含水量测试装置与电磁波发射器连接，基质吸力测试装置与压力表连接，通过体积含水量测试装置和基质吸力测试装置分别对测试土样的体积含水量和基质吸力进行测量。

体积含水量测试装置包括两组电磁波导探头、电路板2、第一同轴电缆3-1和第二同轴电缆3-2，电路板2嵌入底座5中，两组电磁波导探头附着在电路板2的表面，两组电磁波导探头分别呈开口方向相反的U型布置且相互平行设置，第一组电磁波导探头包括两条平行的第一镀金铜线1-1，第二组电磁波导探头包括两条平行的第二镀金铜线1-2，请参阅图2，第一组电磁波导探头和第二组电磁波导探头相互平行设置在电路板2上，在第一组电磁波导探头和第二组电磁波导探头之间设置有用于和测试土样接触的陶土头4，第一组电磁波导探头的两条平行第一镀金铜线1-1呈U型且开口向右，第二组电磁波导探头的两条平行第二镀金铜线1-2呈U型且开口向左，两条第一镀金铜线1-1与对应的第一同轴电缆3-1的内外导体焊接，第二组电磁波导探头的两条第二镀金铜线1-2与对应的第二同轴电缆3-2的内外导体焊接，通过对应的同轴电缆与电磁波发射器连接。

电路板2的直径为65～75mm，电路板2的厚度为5～10mm，两条平行的第一镀金铜线1-1的间距为3～5mm，两条平行的第二镀金铜线1-2的间距为3～5mm，每条镀金铜线1的直径为1～3mm。

基质吸力测试装置包括陶土头4和硬塑管9，底座5的中心设置有通孔，陶土头4设置在通孔内，上部伸出至底座5的外部，陶土头4的下部经过硬塑管9与压力表连接，通过压力表进行基质吸力的读取。

通孔内陶土头4的四周和底部用密封胶11处理，陶土头4的上部伸出端的长度为1～2mm，用于和土样容器7内的测试土样接触，陶土头4为直径为4～6mm，长为6～8mm的圆柱形陶瓷，其进气值为100kPa。

土样容器7为圆柱形结构，由有机玻璃制成，通过螺钉10与底座5固定连接，土样容器7底部开有水平的排水孔8，进行排水；为进行密封处理，土样容器7与底座5之间设有橡胶圈6，测试土样为直径65～75mm，高10～30mm的圆柱体；

底座5由有机玻璃制成，并钻有孔洞用以插入陶土头4、同轴电缆以及用于安装螺钉10和刻槽用于嵌入橡胶圈6。

测试体积含水量和基质吸力的工作原理如下：

1)电磁波导测试土样体积含水量原理及标定：

首先利用电磁波导进行测试土样介电常数的标定，标定公式如下：

ε_a,soil＝aε_a,eff+b

其中，ε_a,soil为测试土样介电常数，ε_a,eff为电磁波导实测介电常数，a,b为标定参数，可以通过测量几组已知介电常数的土样来标定。

图3表示电磁波导探头实测介电常数ε_a,eff与土样介电常数的标定关系图。从图3中可以看出，标定曲线存在良好的线性关系，且相关系数高达0.97。

得到土体介电常数后，其中土样体积含水量由Topp公式计算：

θ_w＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2ε_a,soil-5.5×10^-4ε_a,soil²+4.3×10^-6ε_a,soil³

其中，θ_w为测试土样的体积含水量。

2)土样基质吸力原理：

测试基质吸力时，首先对陶土头进行无气水饱和处理，且硬塑管内充满无气水。由于对陶土头周围进行了密封胶处理，陶土头仅能通过头部与土样进行接触，与土样进行吸力平衡，该吸力通过硬塑管中的水传至一端压力表，进行读数。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种强结构性土体持水特征曲线瞬态快速测试仪器的测试方法具体如下：

测试基质吸力时，首先将陶土头4利用无气水进行饱和，同时硬塑管9内充满无气水；陶土头4顶部通过与测试土样接触进行基质吸力平衡，该基质吸力通过硬塑管9中无气水传至压力表进行读取。

测试持水特征曲线时，将测试土样放入土样容器7中，通过对测试土样上方喷水来进行土样增湿；土样容器7下部的排水孔8用于促进水分在测试土样中的下渗和排水；测试土样的下表面接触电磁波导探头和陶土头4分别进行体积含水量和基质吸力的测试。

测试土样体积含水量时，通过电磁波发射器发射一个电磁脉冲，该脉冲通过第一同轴电缆3-1和第二同轴电缆3-2及平行的第一双镀金铜线1-1和平行的第二双镀金铜线1-2传播，在遇到阻抗不连续的地方发生反射并由示波器记录反射信号，最终通过分析该反射信号获得土样的介电常数，然后利用Topp方程由土样介电常数计算体积含水量。

请参阅图4，本发明装置测试结果与传统烘干法测试结果基本在1：1线上，具有较高的一致性，进一步证明了本发明装置中体积含水量测试装置的有效性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。