[发明专利]一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法

说明书

本发明公开了一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法，包括丙烯酸环境室、混合室和第一天平，丙烯酸环境室内设置有用于放置试验土样的底座，丙烯酸环境室的内、外侧分别设置有第三和第四相对湿度温度传感器，试验土样包括自上而下均分的第一层、第二层、第三层和第四层土样结构，第一层土样的底部和第二层土样的顶部之间设置有第一相对湿度温度传感器，第三层土样的底部和第四层土样的顶部之间设置有第二相对湿度温度传感器；丙烯酸环境室和混合室之间设置有流量分离板以实现气流的流通，混合室设置有分别与内腔相连通的蒸汽输入管线和干燥空气输送管线。土样的无约束性质提供了三维吸水/排水边界条件，测量精度更高。

技术领域

本发明涉及一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法。

背景技术

土壤孔隙气体(如空气和孔隙水)之间的相互作用是理解非饱和土特性的基础，且与非饱和抗剪强度以及渗透系数有关。在给定吸力条件下，土壤基质孔隙空间中存在的水的体积可以被称为土-水持水曲线(Soil Water Retention Curve，SWRC)，SWRC表明：饱和土壤经历干燥过程后，基质吸力随着含水量的降低而增加。这对于理解低约束条件下土的特性，包括抗剪强度和渗透系数尤其重要。而近地表土壤(即静止土压力系数K₀小于20kPa且土壤的深度不超过1m)对于军事和民用战略研究工作至关重要，例如土堤坍塌、浅沟塌陷和救援行动等研究工作。

而现有测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线的相关技术中，存在下述问题：

第一、由于近表面或土壤剖面上方1米的土壤表现的更类似于无限制的性质，传统的低应力条件下非塑性土实验室研究依赖于有效应力原理来推断土的特性，然而，由于实验中需要施加围压来维持松散非塑性材料的稳定性，这样的测试并不能体现出原位环境中的低围压情况。

第二、研究表明在近海地表土壤中水是通过潮位升高流入土壤中，然而，在没有海岸线影响的情况下，地表土壤中水则主要通过降水渗入地表土壤中或通过吸收空气中的蒸汽，在低至0限制条件下，蒸汽吸收对土壤结构的影响仍不清楚。而现有的实验室研究中使用了径向约束，从而限制了蒸汽吸收的方向，产生内部湍流，并控制了土壤的结构行为，这样的测试也无法获得更贴近实际环境的数据。

第三、传统的岩土工程实验室测试设备，如不饱和三轴和现有的SWRC设备，需在一定限制条件下(如乳胶膜、钢模具和阀座负载)，以在测试前保持样品的稳定性和系统-土壤连通性。因此，在实验装置内不存在大气弹性自由表面边界，这会导致在自然表层土壤中施加不存在的压力。因此，得出的实验室数据不能代表实际的颗粒基质应力状态，尤其是通过无侧限自支撑土样测试证明的处于或接近大气(0表压)围压的土壤。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置及方法，专为低围压近地表环境设计，解决了近地表土壤蒸汽吸收对土壤结构的影响，且低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置在运行时没有受到外部边界条件限制，因此样本是无约束柱。土样的无约束性质提供了三维吸水/排水边界条件，测量精度更高。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种测试低应力环境下的近地表土壤持水曲线装置，包括自上而下顺次设置的丙烯酸环境室、混合室和第一天平，所述丙烯酸环境室内设置有用于放置试验土样的底座，所述底座的底部设置有可与试验土样相连通的液体流出管和液体流入管，所述液体流入管远离底座的一端延伸出丙烯酸环境室至第二天平的储水容器中且液体流出管远离底座的一端延伸出丙烯酸环境室至第三天平的储水容器中；

所述丙烯酸环境室的内、外侧分别设置有第三相对湿度温度传感器和第四相对湿度温度传感器，所述试验土样包括自上而下均分的第一层土样、第二层土样、第三层土样和第四层土样结构，所述第一层土样的底部和第二层土样的顶部之间设置有第一相对湿度温度传感器，所述第三层土样的底部和第四层土样的顶部之间设置有第二相对湿度温度传感器；