一種保持試驗土體的飽和度恆定的方法
2023-05-01 04:09:11 2
專利名稱：一種保持試驗土體的飽和度恆定的方法
技術領域：
本發明涉及土木工程土工試驗領域的一種非飽和土的試驗方法，特別是涉及一種保持非飽和土飽和度恆定的試驗方法。
背景技術：
天然土體是一種複雜的三相材料體系，其中土顆粒形成固體土骨架，土骨架空隙之間充滿了液體和氣體，當骨架之間的空隙全部為液體充滿,則形成飽和土 ；如果土體內部的孔隙部分被液體充滿，則為非飽和土。非飽和土是一種由土顆粒及不相混溶流體(如水——氣、水——油、水——汙染物等)組成的非均質多孔介質材料，它廣泛分布在土質邊坡、土石壩、路基填土、垃圾填埋場及乾旱——半乾旱地區之中。隨著國民經濟對交通需求不斷提高，公路、鐵路建設日益擴大，細粒土 (粉質土和粘質土)、膨脹土、黃土及溼陷性土等非飽和土作為路基材料也逐漸增多。近些年來，隨著我國經濟的快速發展以及人類社會改造活動的加劇，越來越多與非飽和土有關的工程問題有待解決。修築在非飽和土地區的路基工程、水利工程及市政工程等，由於受到諸如氣候等因素影響，淺層非飽和土工程性質產生變化，表現為構築工程中水、熱分布變化。這種變化對工程穩定性有重大影響，常導致路基工程出現沉陷、縱脹、水溝失陷等病害，水利工程出現凍脹、塌岸、砌體開裂等病害，市政工程出現凍脹、沉陷、網裂等病害。病害原因是土中含水量增大產生溼陷，強度降低，凍融使土自身體積變化，陰陽面上水、熱差異引起變形差異等，影響淺層非飽和土工程穩定性主要指標是含水量和溫度。為了準確掌握具有某種土體飽和度的非飽和土對路基工程、水利工程等工程穩定性的影響，人們需要以該非飽和土為實驗對象進行土體固結、粘彈性等水力參數的試驗。在進行土體的各項試驗過程當中，由於環境溫度的變化會導致土體中水分的流失，從而導致土體飽和度發生變化，影響試驗結果的準確性。因此，在實驗過程中保持土體飽和度恆定就
顯得非常重要。為了保持土體飽和度恆定，現有技術中一般採用直接向試驗土體中添加水以保持土體飽和度的做法。但是，這種做法具有較大的隨意性，土體飽和度不夠穩定，從而不利於獲得準確的實驗結果。
發明內容
本發明的目的在於提供一種保持非飽和土飽和度恆定的方法，以克服現有技術中保持土體飽和度的隨意性，提高試驗的準確程度。本發明人通過大量的實驗發現
I、土體水分蒸發的物理過程
土體水分蒸發持續進行的條件是經常有熱量到達土面，提供水分汽化所需的汽化熱；土面水汽壓高於大氣水汽壓；土面能持續得到土內水分。根據各種形態水分的運動情況，土體水分蒸發過程分三個階段①毛細管運行階段，當土體溼潤時，水充滿土體內部孔隙，水分通過毛細管作用，不斷快速地向地表運行，水分在地表汽化、擴散，土體水分蒸發強烈。②薄膜運行階段，當蒸發耗水使土體含水量降低，小於毛細管水斷裂含水量時，毛細管水斷開，毛細管傳導作用停止，土體水分則以薄膜水形式，由水膜厚的地方向水膜薄的地方運動。由於這種運動緩慢，水分蒸發明顯減弱。此時，蒸發不僅在地表進行，土體內部·水分也可汽化，並經土體孔隙向大氣擴散。③擴散運行階段，當土體含水量降低，接近凋萎係數時，土體水分由底層向土面的薄膜運動已基本停止，地表土體內只有氣態水進行擴散，蒸發率甚小。2、土體水分蒸發的影響因素
除影響水面蒸發的相同因素外，尚有土體含水量、地下水埋深、土體結構、土體色澤、土體表面特徵等。①當土體含水量接近飽和時，由於不規則的土體顆粒構成了較大的總的蒸發麵，蒸發機會比水平面積相同的自由水面的蒸發機會多。土體表層3 5釐米範圍內含水量對蒸發起決定性作用，往下影響較小。②如果地下水埋深小，潛水位經常保持在毛細管作用範圍內，則土體含水量能持久地得到補充，蒸發均勻；反之，如果地下水埋深大，則蒸發率減小的變化幅度大。③團粒結構的土體，蒸發量小；非團粒結構的土體，蒸發量大。④土體色澤改變土體表面反射率，從而影響蒸發，土體顏色愈深，蒸發量愈大。棕色土體的蒸發量比白色的大19%，黑色土體的蒸發量比白色的大32%。⑤土體表面特徵影響風的紊動作用，粗糙地面的蒸發量比平滑地面的大；地形高處風速大，高地蒸發量比盆地的大；地表坡向不同，影響吸收輻射，蒸發量也有所不同。可見，如圖I所示，隨著外界溫度的升高，土體上部的水分在蒸發作用下，不斷以水蒸氣形式進入空氣當中；由於土體上部水分減少，下部水分在毛細作用下，向土體上部運動，導致地下水位不斷下降。如圖2所示，由於在溫度升高的過程中，進入空氣中的水分越來越多，空氣的溼度隨之加大，土體中的水分流失嚴重，直接造成土體的飽和度下降。因此，可以考慮通過調整空氣的溼度來保持土體飽和度的恆定不變。據此，本發明所述的方法包括以下步驟將試驗土體置於一密閉空間；測試出土體上部的空氣的初始溫度和溼度，計算出初始的空氣含水量Vl ;當溫度上升到一定程度，測試得到當前空氣的相對溼度，查詢跟空氣溼度對應的露點溫度，計算出當前的空氣含水量V2 ;計算當前含水量V2和初始含水量V3的差值Λ V，即為土體中水分的蒸發量；將八V水量的水分補入土體，以保持土體的飽和度的恆定。根據本發明所述的方法，還包括以下步驟在密閉空間下部事先形成模擬地下水層。根據本發明所述的方法，優選通過人工噴淋的方式將Λ V水量的水分補入土體。根據本發明所述的方法，優選在土體中水分處於毛細管運行階段時進行補水，從而使得補入的水能快速均勻溶入土體。採用本發明所述的方法通過向土體精確補充水分，可以簡單、有效地保持土體飽和度恆定，從而使得實驗的測試結果更加客觀、真實、可靠。
圖I為高溫下土體水分遷移示意圖； 圖2為根據本發明所述方法補水后土體水分遷移示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明所述方法的具體實施詳述如下
1.在一長方體形的空間下部設置模擬地下水層；
2.在地下水層上部放置試驗土體，形成土體；
3.密閉所述長方體形空間；
4.測試出密閉空間上部的空氣的初始溫度和溼度，計算出土體上方的空氣含水量Vl；
5.溫度升高到一定程度後，測試得到當前空氣的溼度、溫度和露點溫度，計算出當前空氣的含水量V2 ；
6.計算出Vl和V2之間的差值ΛV，即為土體中水分的蒸發量；
7.在土體中的水分還處於毛細管運行階段期間，將ΛV的水量通過人工噴淋的方式均勻噴淋到土體表面，從而保持土體的飽和度的恆定。本發明可用其他的不違背本發明的精神或主要特徵的具體形式來概述。因此，無論從哪一點來看，本發明的上述實施方案都只能認為是對本發明的說明而不能限制本發明。權利要求書指出了本發明的範圍，而上述的說明並未指出本發明的範圍。因此，在與本發明的權利要求書相當的含義和範圍內的任何改變，都應認為是包括在權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種保持試驗土體的飽和度恆定的方法，其特徵在於包括以下步驟(1)將試驗土體置於一密閉空間，形成土體；(2)測試出所述土體上部的空氣的初始溫度和溼度，計算出初始的空氣含水量Vl；(3)當溫度上升到一定程度，測試出當前的空氣溼度、溫度和露點溫度，計算出當前的空氣含水量V2 ；(4)計算當前含水量V2和初始含水量Vl的差值ΛV，即為土體中水分的蒸發量；(5)將ΛV水量的水分補入土體，保持土體的飽和度的恆定。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於還包括以下步驟在步驟(I)之前，在所述密閉空間下部形成模擬地下水層。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於步驟(5)中，通過人工噴淋的方式將ΛV水量的水分補入所述土體。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於在所述土體中的水分處於毛細管運行階段時進行人工噴淋補水。
全文摘要
本發明提供了一種保持試驗土體的飽和度恆定的方法，以克服現有技術中保持土體飽和度的隨意性，提高試驗的準確程度。該方法包括以下步驟將試驗土體置於一密閉空間；測試出土體上部的空氣的初始溫度和溼度，計算出初始的空氣含水量V1；當溫度上升到一定程度，測試得到當前空氣的相對溼度，查詢跟空氣溼度對應的露點溫度，計算出當前的空氣含水量V2；計算當前含水量V2和初始含水量V3的差值△V，即為土體中水分的蒸發量；將△V水量的水分補入土體，以保持土體的飽和度的恆定。採用本發明所述的方法通過向土體精確補充水分，可以簡單、有效地保持土體飽和度恆定，從而使得實驗的測試結果更加客觀、真實、可靠。
文檔編號G01N1/28GK102937545SQ20121044778
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月12日 優先權日2012年11月12日
發明者王星華, 塗鵬 申請人:中南大學