[发明专利]一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非饱和土体水力特性各向异性测量装置及测量方法。

背景技术

土体的散粒体结构特性决定了土体各向异性的产生，尤其在分层压实土中。分层压实土中，土体的细观结构为层状，导致非饱和水力特性参数的各向异性极为严重。非饱和水力特性参数包括土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数。土体中垂直向和水平向的非饱和水力特性参数的差异，是非饱和土体渗流预测不准的主要原因之一。此问题普遍存在于农业、林业、土壤科学、土木工程类等学科。尤其在土木工程中，非饱和水力特性作为土体材料的重要材料特性，一直是人们研究的重点。土体的非饱和水力特性参数的各向异性势必增加了工程安全的不确定性，尤其在分析降雨作用下边坡稳定预测中。

现有研究对非饱和渗透系数测量较多，中国专利申请CN201210196089.4提出了一种测定非饱和土体渗透系数的装置，中国专利申请CN20130205267.X也提出了粗粒土体的水力特性参数测量，但此两种方法均不能测量非饱和土体的水力特性参数的各向异性。

中国专利申请201210530675.8提出一种层状粗粒土各向异性测量，但不能测量非饱和土体的土水特征曲线和渗透系数方程，更不能测量非饱和土体水力特性参数的各向异性。可见，现有的研究和设备只对土体的饱和渗透系数的各向异性进行测量，尚未对非饱和水力特性参数的各向异性进行研究。

根据现有技术中，如果需要测量土体的水力特性参数的各向异性，先通过对大型压实土样进行不同方向取样，然后采用常水头或者变水头方法测量不同方向的饱和渗透系数。此技术中，取样复杂，且易对取样土体产生扰动，影响测量精度，而且测量的渗透系数只为饱和状态，并不能测量非饱和土体的水土特征曲线和渗透系数。

目前并无涉及土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数的各向异性的研究，也没有直接测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数的各向异性的设备。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置，包括计重装置、土样容器、土壤水势测量仪，所述土样容器放置于计重装置之上，所述土样容器上开设有土壤水势测量仪安装孔，所述土壤水势测量仪安装于所述土壤水势测量仪安装孔中，所述土样容器设有顶部密封板及侧向密封板，所述顶部密封板及侧向密封板用于开启或封闭所述土样容器。

进一步的，所述土样容器采用刚性材料制成。

进一步的，所述土样容器采用PVC塑料制成。

进一步的，所述土样容器的外侧边长为60mm至300mm，壁厚为1mm至20mm。

进一步的，所述土样容器的外侧边长为100mm，壁厚为10mm。

进一步的，所述土样容器沿竖直方向设有至少两个土壤水势测量仪，所述土样容器沿水平方向设有至少两个土壤水势测量仪。

进一步的，所述沿竖直方向或水平方向的相邻土壤水势测量仪之间的间距为10mm至50mm。

进一步的，所述相邻土壤水势测量仪的间距为40mm。

一种非饱和土体水力特性的各向异性测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：将待测试的土体试样放置在所述土样容器中；

步骤二：在所述土样容器中饱和待测试的土体试样；

步骤三：安装土壤水势测量仪，并将所述土样容器、土壤水势测量仪和待测试的土体试样放在所述的计重装置上；

步骤四：打开顶部密封板，关闭侧向密封板，使顶部自由蒸发，记录土壤水势测量仪读数和计重装置读数，直到土壤水势测量仪读数超过量程，测量竖直方向的非饱和水力特性参数；

步骤五：在所述土样容器中再次饱和待测试的土体试样;

步骤六：打开侧向密封板，关闭顶部密封板，使侧面自由蒸发，记录土壤水势测量仪读数和计重装置读数，直到土壤水势测量仪读数超过量程，测量水平方向的非饱和水力特性参数。

进一步的，所述待测试土样为重塑土则按设计的干密度在土样容器中压实；所述待测土样为原状土则将土样切成合适形状放入土样容器中。

相较于现有技术，本发明的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置通过测量不同位置的吸力和蒸发面的流量，采用同一土样测量土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数；采用简易蒸发方法对非饱和水力特性参数进行测量，缩短了试验时间；通过改变蒸发面方向，可分别测量土体竖直和水平方向的非饱和水力特性参数。

附图说明

图1是本发明的非饱和土体水力特性的各向异性测量装置在顶部开启状态下的结构示意图。