[发明专利]轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法

说明书

本发明提供了一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法，其中的装置包括水力特性测量系统和体变测量系统，所述水力特性测量系统包括计重装置和水势测量仪，所述体变测量系统包括恒水头提供装置、外部容器、试样容器、柔性壁、硬质薄壁套环、位移传感器和体积测量装置；恒水头提供装置与外部容器、体积测量装置连接，所述试样容器设在外部容器中，待测土体试样设在所述试样容器内，待测土体试样的上部、下部分别埋设水势测量仪，位移传感器设在待测土体试样的上方，外部容器及恒水头提供装置均位于所述计重装置上。采用本发明的技术方案，实现了非饱和土体土水特征曲线、渗透系数及土体侧向和轴向变形的同时测量。

技术领域

本发明属于岩土工程测量技术领域，尤其涉及一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法。

背景技术

土体的非饱和水力特性在“海绵城市”建设、土质边坡稳定性分析、农业土壤中水分的储存、垃圾填埋场建设等领域都扮演着重要的角色。土体的非饱和水力特性包括土水特征曲线和非饱和渗透系数。其中，土水特征曲线可影响农业生产中农作物可从土中获取水量的大小。非饱和渗透系数可影响降雨过程中非饱和土坡抗滑力的大小，以及雨水在非饱和土坡内的下渗速率和下渗深度，从而评估降雨过程中非饱和土坡的稳定性。非饱和渗透系数还可以用于估计污染物在土壤内部的迁移速率和迁移深度，为垃圾填埋场的设计提供指导。因此，对土体的非饱和水力特性进行准确测量是十分有必要的。

目前，土体非饱和水力特性的测量方法可分为稳态法和瞬态法两种。稳态法测量土体水力特性的耗时很长，试验周期为3个月到1年不等。而瞬态法，如基于瞬态剖面单元法的简易蒸发法，可大大缩短水力特性的测量时间，并且能够同时测量出土体的土水特征曲线和非饱和渗透系数。授权专利CN201320301148.X基于简易蒸发法，设计出了一种非饱和粗颗粒土水力特性的测量装置，实现了脱湿阶段非饱和粗颗粒土的水力特性测量。类似地，专利申请CN201410024072.X设计出了一种非饱和土体水力特性各向异性测量装置，测量了非饱和土体在不同蒸发方向上的水力特性。但是，上述装置还不具备同时测量土体侧向和轴向变形的功能，降低水力特性测量结果的准确性。特别是当待测土体为粘性土时，土体内部水势的变化将产生较显著的土体体变，此时若无法测量土体的总体变，将导致土样饱和度、体积含水率的计算值与实际值出现偏差，使土水特征曲线测量结果与实际情况产生偏差。同时，若无法分别测量试样的侧向变形和轴向变形，就无法获知土样横截面和高度的变化情况，导致土样的蒸发速率和水力梯度的计算值与实际值出现偏差，最终将导致非饱和渗透系数函数测量值与实际值产生偏差。另外，专利申请CN 201110048938.7设计出了一种能同时测量非饱和土体土水特征曲线及轴向和侧向变形的装置。但是该装置存在两点不足：其一，该装置无法测得考虑土样变形的非饱和土渗透系数；其二，由于该装置使用激光测距仪测量土样某点的侧向位移，因此无法直接测量土体的侧向体变。同时，在其侧向变形的测量过程中，需要根据土样的实时变形情况人为地调节激光测距仪的高度，导致测量过程费力繁琐，测量结果准确性降低。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法，实现了非饱和土体水力特性及土体侧向和轴向变形的同时测量。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种轴/径向变形可测的非饱和水力特性测量装置，其包括水力特性测量系统和体变测量系统，所述水力特性测量系统包括计重装置和水势测量仪，所述体变测量系统包括恒水头提供装置、外部容器、试样容器、柔性壁、硬质薄壁套环、位移传感器和体积测量装置；所述恒水头提供装置与所述外部容器连通，所述体积测量装置与所述恒水头提供装置相连，所述外部容器内设有固体颗粒和体积测量液体，所述试样容器设在所述外部容器中，待测土体试样设在所述试样容器内，所述柔性壁包裹在所述待测土体试样的侧壁外；所述待测土体试样的上部、下部分别埋设所述水势测量仪，所述位移传感器设在所述待测土体试样的上方，所述硬质薄壁套环设在所述待测土体试样的顶部表面上；所述外部容器及恒水头提供装置均位于所述计重装置上。