一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置的製作方法

2023-08-08 20:37:21

本實用新型屬於土壤電阻率及土水特徵曲線測定技術領域，涉及一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置。

背景技術：

西北地區的黃土多為非飽和土，其中非飽和土的水敏性、滲透性、非飽和特性決定著黃土的強度和變形特性。黃土的強度、變形特性是黃土高填方工程、邊坡工程、隧洞工程、基坑工程等最為關注的力學特性。因此，深入了解黃土的上述物理特性是目前解決黃土力學及工程問題的核心所在，然而目前研究黃土的物理力學特性手段略顯單一，本實用新型試圖將黃土的電導率特性和土-水特徵等引入到一個測試系統中，來更深層次的揭示黃土的上述特性，並能夠從土壤電阻率的細觀角度來了解黃土的水分遷移規律和結構演化特徵，將電阻率演化規律與黃土的土-水特徵建立關係，從而實現通過直接測試土壤電阻率來獲取土的力學參數這一過程，為黃土的細觀行為開避一個新的方法。

黃土的導電性涉及兩個不同過程，通過孔隙水導電與顆粒表面導電。因而有兩個主要參數控制了土體導電性能的大小：(1)孔隙水的含鹽量與飽和度；(2)顆粒表面吸附特徵與顆粒之間的連結特性。土的電阻率(ρ)是土體導電能力大小的量度，土體三相組成中，孔隙水、顆粒、結構共同決定了土的電阻率。當孔隙水成分一定時，則取決於飽和度和土的結構。也有用土的電導率(σ)來衡量土導電性能的強弱，電導率定義為：σ＝1/ρ。

大量已有的研究成果表明，土壤電阻率與土壤水分含量、鹽分含量、環境溫度、土體內部的陰陽離子組分、孔隙比等有關，對於同種性質的黃土來說(這裡指顆粒組成不變、孔隙水化學成分不變或變化極小、外界溫度不變等)，其電阻率大小主要取決於含水率的變化，而吸力大小也取決於含水率大小。因而黃土的電阻率與其吸力之間必然存在一定的內在聯繫，若能通過室內試驗獲得黃土的吸力與其電阻率之間的函數關係，則可利用土的電阻率相關指標來預測吸力大小，從而可達到簡化非飽和土吸力測試的目的，進而推進黃土地區高填方工程、隧道工程、邊坡工程、地基基礎工程等的發展與實際應用，為後期原位監測儀器的研發提供一套新的機理性探索和一個新的途徑。

歸根結底，土壤電阻率與土體的初始飽和度有關，初始飽和度反映了土體內部初始含水率和孔隙比(幹密度)情況，當土體發生變形時，土體內部的水分、氣體、土顆粒之間的滑動、摩擦等過程都可以通過連續測試土體的體積含水率、電阻率、基質吸力的演化過程來獲取。大量研究結果表明，當土體的幹密度不變時，土體的含水率升高引起孔隙中水分增多，則土體的整體導電性增強，電阻率迅速降低，土體顆粒之間的吸力也迅速降低，反之亦然；當土體的幹密度增大時，土體中氣體含量減小，土體顆粒間距減小，土體顆粒接觸面增多，其導電性增大，電阻率降低，幹密度直接反映土的密實程度，土體越密實，土體中的孔隙越少，土顆粒之間結合越緊密，相應的基質吸力變大，但土體結構發生變化下，電阻率的變化相對較小。因此，電阻率綜合反映了土體內部水分、氣體和土顆粒之間的空間組合關係，而基質吸力也反映了上述三相或四相的空間組合關係，二者必然存在一定的關聯，因此，理論上建立二者的關係是極有可能的。

非飽和土分布十分廣泛，幾乎所有的巖土工程問題都會遇到非飽和土強度及變形問題。吸力是非飽和土力學理論體系的基礎和核心概念，同樣也是研究非飽和土工程性質的一項很重要的參數。凡是涉及到非飽和土的強度、變形問題，如天然土坡、路堤及土壩的穩定性問題，膨脹土、黃土、紅黏土等地基變形以及由此而引發的建築物基礎下沉、牆體開裂等破壞的問題，吸力這一參數都有著非常廣泛的應用前景。因此，正確預測吸力是用非飽和土力學解決生活及工程實際問題不可或缺的前提。吸力的獲取可以通過試驗量測和計算獲得。在室內試驗中，準確量測吸力對試驗人員的規範操作要求較高，並且試驗所需要的時間較長，此外，非飽和土的試驗設備昂貴，擁有此設備的單位又比較少；至於吸力的現場量測則尤為困難，然而在世界範圍內積累的實測資料也很少；吸力的計算需要涉及到現階段仍不太成熟的非飽和土的固結理論。由於吸力的量測與計算的困難限制了非飽和土理論的實際應用，所以這也是非飽和土力學長期以來發展遲緩的一個重要原因。

確定黃土的土-水特徵曲線通常用實驗和理論推導的黃土土-水特徵曲線測量方法很多。常見的土-水特徵曲線測試方法有：軸平移技術法(如Tempe儀、壓力板儀和改進的三軸儀)；張力計法；熱電偶溼度計法；濾紙法；冷鏡溼度計法；恆溼箱法等等。同時控制和測量含水量和吸力的方法主要採用上述的吸力測量技術與如下的含水量測量方法:液體流入和流出體積和質量的測量方法；時域反射方法(TDR探頭)；電介質溼度探頭法(ECHO探頭)。

一般來說，現行的實驗室吸力測量或控制方法十分複雜且耗時較長，所能測量的吸力範圍也受到限制。此外，大多數實驗方法最適合確定脫溼狀態的土-水特徵曲線，如Tempe儀、壓力板儀等。然後，吸溼狀態才能更好地描述降雨過後斜坡短期內入滲和徑流現象。由於很多土都存在滯後效應，含水量相同但乾濕歷史不同的土，其吸力差距顯著。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供了一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置，該裝置能實現黃土的電阻率和土水特徵曲線在同一個設備上同時獲得。

本實用新型所採用的技術方案是，一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置，包括底座，底座上設置有套筒，套筒內設置有拉杆，套筒從上到下分為若干層，套筒的每層上均接通有電阻率量測系統、吸力量測系統和水分量測系統，套筒的兩端均設置有多孔板，套筒一端的多孔板上設置有上蓋板，上蓋板上設置有壓杆。

本實用新型的特點還在於，

多孔板和上蓋板之間設置有上託板和上保溫板，螺栓依次穿過多孔板、上託板、上保溫板和上蓋板與螺母和平墊圈連接，上蓋板側面設置有上護環。

底座包括相互連接的下蓋板和下底板，下蓋板和下底板之間設置有下保溫板，下底板的底部設置有支腿。

上蓋板和下底板上均設置有L型快插接頭內螺紋和L型快插接頭外螺紋，L型快插接頭內螺紋和L型快插接頭外螺紋均設置兩個，L型快插接頭內螺紋均和L型快插接頭內螺紋附近的多孔板接通。

套筒為有機玻璃試筒，有機玻璃試筒從上到下依次分為八層，每層有機玻璃試筒上均勻設置四個通孔，四個通孔依次連接有一個電阻率量測系統、吸力量測系統、另一個電阻率量測系統和水分量測系統。

水分量測系統包括土壤水分傳感器，土壤水分傳感器插入有機玻璃試筒的通孔內，土壤水分傳感器與農業土壤水分採集儀連接。

電阻率量測系統包括一對長方形薄銅片的電極，電極粘貼在有機玻璃試筒的內壁上，電極與銅導線連接，銅導線穿過有機玻璃試筒上的通孔與電阻測量儀表連接。

吸力量測系統包括吸力傳感器，吸力傳感器包括接頭，接頭插入有機玻璃試筒上的通孔，接頭上依次連接有腔體和壓力變送器，接頭內設置有陶土板，接頭與腔體通過螺釘連接，腔體上設置有螺紋堵頭，腔體和壓力變送器的連接處設置有密封圈c，陶土板和腔體之間設置有密封圈b。

吸力量測系統還包括數位訊號採集儀以及用於信號分析和數據顯示的顯示器，數位訊號採集儀與顯示器均與壓力變送器連接。

本實用新型的有益效果是：一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置，不僅可實現直接量測土體內部的基質吸力、電阻率和體積含水率分布特徵、演化特徵，還可以利用土壤電阻率指標預測基質吸力，提出非飽和黃土的吸力與電阻率指標的函數關係，分析非飽和土的電阻率與體積含水率的關係，探討非飽和土的土-水特徵曲線變化規律；而且還可實現施加豎向荷載情況下以及模擬降雨入滲時黃土中水分遷移規律的研究。本裝置可實現頂部和底部加水入滲功能；排水、不排水功能；軸向變形測量功能、自動豎向加載和讀取、記錄數據功能；具有結構簡單，操作方便，控制穩定，數據可靠特點。

附圖說明

圖1是本實用新型一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置的結構示意圖；

圖2是本實用新型一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置的俯視圖；

圖3是本實用新型一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置中吸力傳感器的結構示意圖；

圖4是本實用新型一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置中土壤水分傳感器的結構示意圖；

圖5是本實用新型一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置中電極的結構示意圖。

圖中：1.土壤水分傳感器，2.上護環，3.密封圈a，4.L型快插接頭外螺紋，5.L型快插接頭內螺紋，6.壓杆，7.上保溫板，8.平墊圈，9.螺母，10.上蓋板，11.上託板，12.多孔板，13.吸力傳感器，14.拉杆，15.電極，16.有機玻璃試筒，17.下蓋板，18.下底板，19.支腿，20.十字槽沉頭，21.下保溫板，22.接頭，23.螺釘，24.陶土板，25.密封圈b，26.腔體，27.螺紋堵頭，28.密封圈c，29.壓力變送器，30.數位訊號採集儀，31.顯示器，32.農業土壤水分採集儀，33.電阻測量儀表。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

本實用新型提供了一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置，如圖1-5所示，包括底座，底座上設置有套筒，套筒內設置有拉杆14，套筒從上到下分為若干層，套筒的每層上均接通有電阻率量測系統、吸力量測系統和水分量測系統，套筒的兩端均設置有多孔板12，套筒一端的多孔板12上設置有上蓋板10，上蓋板10上設置有壓杆6；

多孔板12和上蓋板10之間設置有上託板11和上保溫板7，螺栓依次穿過多孔板12、上託板11、上保溫板7和上蓋板10與螺母9和平墊圈8連接，上蓋板10側面設置有上護環2；

底座包括相互連接的下蓋板17和下底板18，下蓋板17和下底板18之間設置有下保溫板21，下底板18的底部設置有支腿19；

上蓋板10和下底板18上均設置有L型快插接頭內螺紋5和L型快插接頭外螺紋4，L型快插接頭內螺紋5和L型快插接頭外螺紋4均設置兩個，L型快插接頭內螺紋5均和L型快插接頭內螺紋5附近的多孔板12接通；

套筒為有機玻璃試筒16，有機玻璃試筒16的外徑為320mm，有機玻璃試筒16的內徑為300mm，有機玻璃試筒16的高度為820mm；有機玻璃試筒16從上到下依次分為八層，有機玻璃試筒16第一層離其頂部距離為35.5mm，第八層離其底部的距離為35.5mm，有機玻璃試筒16其餘各層間距為107mm；

每層有機玻璃試筒16上均勻設置四個通孔，四個通孔依次連接有一個電阻率量測系統、吸力量測系統、另一個電阻率量測系統和水分量測系統；

水分量測系統包括土壤水分傳感器1，土壤水分傳感器1插入有機玻璃試筒16的通孔內，土壤水分傳感器1與農業土壤水分採集儀32連接；

電阻率量測系統包括一對長方形薄銅片的電極15，電極15的長度和寬度分別為30mm和10mm，電極15粘貼在有機玻璃試筒16的內壁上，可採用AB膠和環氧樹脂將電極15粘貼在有機玻璃試筒16的內壁上，電極15與銅導線連接，銅導線穿過有機玻璃試筒16上的通孔與電阻測量儀表33連接；

吸力量測系統包括吸力傳感器13，吸力傳感器13包括接頭22，接頭22插入有機玻璃試筒16上的通孔，接頭22上依次連接有腔體26和壓力變送器29，接頭22內設置有陶土板24，接頭22與腔體26通過螺釘23連接，腔體26上設置有螺紋堵頭27，腔體26和壓力變送器29的連接處設置有密封圈c28，陶土板24和腔體26之間設置有密封圈b25，吸力傳感器13的密封性一定要好；壓力變送器29的量程為-0.1MPa—0.5MPa；

吸力量測系統還包括數位訊號採集儀30以及用於信號分析和數據顯示的顯示器31，數位訊號採集儀與顯示器均與壓力變送器29連接。

本實用新型一種土水特徵和電阻率聯合測試裝置的工作原理是：

試驗前，先將下蓋板17，下底板18與底座相連，將有機玻璃試筒16裝在下蓋板17上，用平墊圈8和螺母9將四根拉杆14固定的下底板18和下蓋板17上，然後將上託板11穿過拉杆14蓋在有機玻璃試筒16上部，同樣再用平墊圈8和螺母9將上託板11和拉杆14固定；

試驗過程中，將配置好的黃土試樣按照試驗所需的壓實度分層壓實在有機玻璃試筒16內部，試樣制好以後放上多孔板12，再將壓杆6、上蓋板10蓋在試樣上部，然後在每層的通孔中插上土壤水分傳感器1和擰上吸力傳感器13，注意用生膠帶密封好，將電阻測量儀表33連接在徑向的一對電極15上構成電率量測系統，在吸力傳感器13上外接數位訊號採集儀30和顯示器31構成吸力量測系統；將農業土壤水分採集儀32連接在土壤水分傳感器1構成水分量測系統，這樣就構成了一個完整的測試系統，整套設備就組裝好了；

數據採集過程中，打開電阻測量儀表33直接可以測得任意時刻的土壤的電阻，將測得的土壤電阻可以轉化為土壤電阻率；體積含水率的量測需要利用農業土壤水分採集儀32來完成；農業土壤水分採集儀具有自動監測、方便快捷、自動存儲，可以把儲存的數據通過TF卡導出來，同時還可以多通道同時記錄任意時刻試樣中每層的體積含水率；吸力量測系統採用的是CDSP型數位訊號採集系統，此系統具有最高200kH的採樣頻率，最多可實現32個通道的連續海量存儲，可選擇是否監視採集狀態，採用多窗口顯示通道的時域波形，進行採集監視；此系統還可以進行靈活地觸發控制；可以手動控制數據採集的開始和結束，可進行指定通道的電壓信號觸發採集(含多次觸發採集)，可靈活設定採集時間；採樣頻率可在30～200000Hz之間靈活設置，採集通道可在1～32之間連續選擇，而本實用新型只需要用到其中的八個通道同時監測，在顯示器31上就可以顯示具體的數值。

通過以上的量測就可以得到每層的土壤電阻率、體積含水率、吸力值，從而可以反映三者之間的關係；體積含水率和吸力值就可以構成土水特徵曲線，通過體積含水率就可以得到黃土的吸力值，同樣的，也可以通過土壤電阻率來反映黃土吸力的變化，進而可以通過土壤電阻率來預測黃土中吸力值的大小。這樣就實現了在本實用新型上同時測得土壤電阻率和土水特徵曲線；

試驗結束之後，依次取下壓杆6、上蓋板10、多孔板12，分別擰開上託板11和下底板18上面的螺母9，取下螺母9和平墊圈8，卸下四根拉杆14，土壤水分傳感器1和吸力傳感器13等，將試驗的黃土土樣從有機玻璃試筒16內取出。

本實用新型實現了黃土電阻率量測、吸力量測和體積含水率量測，實現了黃土的電阻率和土水特徵曲線在同一個設備上同時獲得，實現了自動測量、自動記錄，使得數據採集方便且可靠，並且隨時記錄黃土的電阻率、體積含水率和吸力演化情況，可反映黃土中水分遷移的細觀演化規律，還可以實現加載-卸載及模擬水分入滲條件下重塑黃土的長期變形特性及土體內部水分遷移、孔隙狀態演化規律。