一种模拟土体在不同土层吸湿特性的试验装置及试验方法

1.本发明涉及岩土工程试验模拟装置技术领域，特别是涉及一种模拟土体在不同土层吸湿特性的试验装置及试验方法。


背景技术：

2.由于自然界中绝大多数土体处于非饱和状态，即土体饱和度小于1。当出现降雨气候时，非饱和土将经历吸湿(或湿润)的变化过程。建筑物基础、道路路基和边坡填方的回填材料通常是非饱和土，在地下水位上升或降雨作用下将不可避免的产生吸湿现象。土体吸湿会降低其基质吸力，从而导致其抗剪强度降低。随着含水率进一步的提高，可诱发工程事故，如基础不均匀沉降、路基塌陷和边坡失稳等，这些事故往往造成不可估量的人身伤亡与财产损失。如何通过科学研究来避免或减少土体吸湿特性带来的危害，一直以来受到岩土学术界及工程界的关注。
3.为了研究非饱和土的吸湿特性，即吸湿条件下土体中水分运移及土体变形的演化规律，目前室内试验有两个关键问题亟需解决。一是能够准确反映并测量真实吸湿路径下土体的土水特征曲线。土水特征曲线表征基质吸力与含水率的关系曲线，它是研究非饱和土吸湿特性的重要工具之一。众所周知，地面以下的土体通常呈水平层状分布，按土的颗粒级配和塑性指数分类，不同土层的土体可划分为砂土、粉土和黏土等不同类型。目前，非饱和土吸湿特性的室内研究主要集中在单一土层中，对两个土层甚至多个土层的研究很少，而真实的吸湿路径不仅存在于单一土层中，还将在不同土层中进行水分运移，故模拟土体所处的层状分布状态对于准确测量真实吸湿路径下的土水特征曲线具有重要的意义。
4.二是能够模拟地下水位上升或降雨作用对土体吸湿特性的影响，尤其是地下水位上升和降雨单独或共同作用下土体在不同类型土层中的吸湿特性。另外，土体在吸湿过程中往往伴随着体积变化，如膨胀或湿化变形。这些变形不仅影响土体的吸湿特性，还将影响上覆工程的稳定性与安全性。传统试验装置仅能够模拟单一情况下土层的土水特征变化，如申请号为“201720342094.x”，名称为“一种土壤水分特征曲线测量装置”的实用新型专利。
5.因此，有必要设计开发出一种可以模拟地下水位上升或降雨作用下土体在不同类型土层中吸湿特性的试验装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种模拟土体在不同土层吸湿特性的试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以模拟地下水位上升和降雨共同作用下，不同土层中的土水特性，还可以模拟地下水位上升或者降雨单独作用下土体吸湿路径，模拟过程更加真实，试验方式更加多样，有利于获得不同条件下土体的土水特性。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种模拟土体在不同土层吸湿特性的试验装置，包括用于容纳底层土壤的底层容纳腔和用于容纳一层土壤或多层不
同土壤的顶层容纳腔，所述底层容纳腔与所述顶层容纳腔相邻设置且上下连通；所述底层容纳腔的底部设置有进水口，侧壁顶部设置有第一排水口，所述顶层容纳腔的顶部端口处还设置有用于向其内部土层喷水的喷水部，且所述顶层容纳腔中还设置有用于检测其内部土层参数的土体基质吸力检测单元和土体含水率检测单元。
8.优选的，所述试验装置还包括数显百分表，所述数显百分表的测针与所述顶层容纳腔中表层土样的上表面接触。
9.优选的，所述顶层容纳腔的侧壁上沿轴向还设置有若干组沿径向延伸的第一通孔，每组至少具有两个等高的所述第一通孔，且每组中的若干所述第一通孔分别用于向所述筒形空腔的土层中插入土壤水势传感器及土壤水分传感器。
10.优选的，所述底层容纳腔中还设置有用于检测其内部土层基质吸力的土壤张力计。
11.优选的，所述底层容纳腔的侧壁中部还设置有第二排水口。
12.优选的，包括敞口的底层容器和筒形的顶层容器，所述底层容器内部具有所述底层容纳腔，所述顶层容器中具有所述顶层容纳腔，所述底层容器的敞口端可拆卸地设置有盖板，所述顶层容器固定在所述盖板上，且所述盖板上设置有用于所述底层容纳腔与所述顶层容纳腔连通的第二通孔。
13.优选的，所述顶层容器的底部具有伸入所述底层容纳腔内的延伸部，所述延伸部的端部与所述第一排水口的高度平齐。
14.优选的，所述顶层容器顶部还设置封盖，所述数显百分表及所述喷水部均固定在所述封盖上，所述第二通孔、所述顶层容器、所述封盖均对应设置有若干个。
15.本发明还提供一种模拟土体在不同土层吸湿特性的试验方法，包括以下步骤：
16.1)将一定初始含水率的某一类型的土样作为底层土置入底层容器的底层容纳腔内，按照设定的初始干密度分层压实，填满底层容器，并安装好盖板；
17.2)将不同于底层土的另一类或多类型土样作为上层土置入顶层容器的顶层容纳腔内，按照设定的初始干密度和初始含水率分层压实，并保证顶层土壤上表面低于顶层容器的顶端；
18.3)将封盖安装在顶层容器的顶部，并将喷水部、数显百分表安装在封盖上，将土壤张力计安装在盖板上，并插入底层容纳腔的土层中；
19.4)通过进水口向底层容纳腔中注水，当第二排水口有水稳定流出时，关闭第二排水口，同时降低注水速度，当第一排水口有水稳定流出时，关闭第一排水口与进水口；开启喷水部进行喷水；
20.5)实时观察并记录土壤张力计、数显百分表、土壤水势传感器及土壤水分传感器读数，并整理试验数据。
21.优选的，步骤1)中，底层容器中的土样中设置有两层细沙，两层细沙的高度分别与第一排水口与第二排水口对应；并且步骤4)中，仅通过进水口注水或仅通过喷水部喷水进行测试。
22.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
23.1、本发明中的试验装置能够同时模拟地下水位上升和降雨共同作用下，不同土层中的土水特性，还可以模拟地下水位上升或者降雨单独作用下土体的吸湿路径，模拟过程
更加真实，试验方式更加多样，有利于获得不同条件下土体的土水特性；
24.2、本发明中顶层容器可以设置多个，便于进行平行试验，提高试验结果的精度；
25.3、本发明中的试验装置结构简单，使用方便，投入成本较少，有利于进行大范围推广。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明中试验装置的结构示意图；
28.图2为底层容器的结构示意图；
29.图3为盖板的第一种结构示意图；
30.图4为盖板的第二种结构示意图；
31.图5为顶层容器的结构示意图；
32.图6为封盖的结构示意图；
33.图7为封盖的透视图；
34.图8为本发明中各土层的分布示意图；
35.图9为土壤水势传感器、土壤水分传感器在顶层容纳腔中的分布示意图；
36.其中，10、底层容器；11、底层容纳腔；12、进水口；13、第一排水口；14、第二排水口；20、顶层容器；21、顶层容纳腔；22、第一通孔；23、土壤水势传感器；24、土壤水分传感器；30、盖板；31、第二通孔；32、张力计通孔；33、土壤张力计；40、封盖；41、数显百分表；42、支架；43、雾化喷头。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明的目的是提供一种模拟土体在不同土层吸湿特性的试验装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以模拟地下水位上升和降雨共同作用下，不同土层中的土水特性，还可以模拟地下水位上升或者降雨单独作用下的土体吸湿路径，模拟过程更加真实，试验方式更加多样，有利于获得不同条件下土体的土水特性。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.实施例1：
41.如图1～图9所示，本实施例提供一种模拟土体在不同土层吸湿特性的试验装置，包括用于容纳单一底层土壤的底层容纳腔11和用于容纳一层单一土壤或多层不同土壤的筒形顶层容纳腔21，底层容纳腔11与顶层容纳腔21相邻设置且上下连通，并且在连通处，底
层容纳腔11的截面大小大于顶层容纳腔21的截面大小；底层容纳腔11的底部设置有进水口12，侧壁顶部设置有第一排水口13，顶层容纳腔21的顶部端口处还设置有用于向其内部土层喷水的喷水部，且顶层容纳腔21中还设置有用于检测其内部土层的土体基质吸力检测单元和土体含水率检测单元。
42.在试验时，先向底层容纳腔11与顶层容纳腔21的内壁上涂抹一层凡士林，然后将一定初始含水率的土样装入底层容纳腔11中，并按照设定的初始干密度分层压实，然后向顶层容纳腔21中装入与底层容纳腔11中不同的一种或多种土样，并在每层土样中设置基质吸力检测单元和土体含水率检测单元；再通过进水口12向底层容纳腔11中注水，当第一排水口13有水稳定流出后，关闭进水口12和第一排水口13，顶层容纳腔21中的土体自底部进行吸湿，同时开启喷水部，模拟降雨过程，顶层容纳腔21中的土体自顶部进行吸湿，然后利用土体基质吸力检测单元和土体含水率检测单元测量顶层容纳腔21中土体的基质吸力和对应的含水率变化，最后整理试验数据，可以得到地下水位上升和降雨共同作用下不同土层中土体的土水特性。
43.需要说明的是，喷水部的开启时刻本领域技术人员可以根据试验需要模拟的情况进行选择，可以在地下水上涨时开启喷水部，也可以在底层土壤的含水率达到饱和后再开启。
44.由此，本实施例中的试验装置能够同时模拟地下水位上升和降雨共同作用下，不同土层中的土水特性，还可以模拟地下水位上升或者单独降雨作用下的土体吸湿路径，模拟过程更加真实，试验方式更加多样，有利于获得不同条件下土体的土水特性；并且，本实施例中的试验装置结构简单，使用方便，投入成本较少，有利于进行大范围推广。
45.需要说明的是，本实施例中底层容纳腔11与顶层容纳腔21可以在高度方向上具有适当的重叠部分；并且为了能够使顶层容纳腔21中的土体自饱和水位线开始吸湿，本实施例中第一排水口13与顶层容纳腔21中底层土层的下表面平齐。
46.本实施例中的试验装置还包括数显百分表41，数显百分表41的测针与顶层容纳腔21中表层土样的上表面接触，数显百分表41的读数能反映出在水位上升或降雨作用下顶层容纳腔21中土体的变形情况。
47.本实施例中土体基质吸力检测单元和土体含水率检测单元分别用于测量土体的基质吸力和对应的含水率，以获得土体的土水特性，具体的，可以包括上、中、下层叠的三张滤纸，每两个分层土的交接处放置此三张叠好的滤纸，其中，上、下两张滤纸的大小等于顶层容纳腔21的截面大小，中间滤纸小于上、下两张滤纸的大小，使得上、下两张滤纸可以更好的保护中间滤纸，以免被土体污染从而影响基质吸力的测量精度；当试验一段时间，土体吸湿稳定后，取出顶层容纳腔21中的滤纸和土体，分别利用滤纸法和烘干法测量得到土体的基质吸力和对应的含水率；而具体的滤纸法和烘干法均为本领域技术人员所熟练掌握的测量土体基质吸力、含水率的方法，对其具体方法过程，本实施例不作赘述。
48.为保证试验数据的连续测量，减少人为误差，采用土壤水势传感器24和土壤水分传感器23分别代替滤纸法和烘干法测量土体基质吸力和对应的土体含水率，且试验数据采用对应的数据采集仪收集；相应的顶层容纳腔21的侧壁上沿轴向还设置有若干组沿径向延伸的第一通孔22，每组至少具有两个第一通孔22，且若干第一通孔22的水平高度相同，且每组中的若干第一通孔22分别用于向筒形空腔的土层中插入土壤水势传感器24及土壤水分
传感器23，安装完成后，使用密封胶对第一通孔22位置进行密封处理。
49.为了测量底层容纳腔11中土层的基质吸力大小，本实施例的底层容纳腔11中还设置有用于检测其内部土层基质吸力的土壤张力计33；具体的，安装土壤张力计33时，先利用取土钻在底层容纳腔11的张力计通孔32中取土，孔壁需垂直，孔深至少达到顶层容纳腔21土层与底层容纳腔11中土层的交界处；将取出的土样调成泥浆样，并注入张力计通孔32中，再将检查好的土壤张力计33插入张力计通孔32内，保持垂直；为了尽量填满土壤张力计33与对应张力计通孔32的周围空隙，可分几次注入泥浆，直至泥浆不在下沉为止，最后利用密封胶对张力计通孔32作密封处理，隔绝底层容纳腔11与外界的空气对流；土壤张力计33可以在不同的位置设置多个。
50.进一步的，本实施例中底层容纳腔11的侧壁中部还设置有第二排水口14；为了便于水从底层土中汇集排出，在底层容器中铺设两处薄细砂层，其顶层分别与第一排水口13和第二排水口14平齐；在注水初期，可以采用较快的流速进行注水，当第二排水口14形成稳定水流后，关闭第二排水口14，然后降低注水流速，当第一排水口13形成稳定水流后，关闭进水口12及第一排水口13，从而通过设置中部的第二排水口14，可以适当缩短注水时长；并且本实施例中进水口12、第一排水口13与第二排水口14处均设置有阀门，通过阀门控制三者的启闭。
51.本实施例中测试装置包括敞口的底层容器10和筒形的顶层容器20，底层容器10内部具有底层容纳腔11，顶层容器20中具有顶层容纳腔21，侧壁上设置有第二通孔31，底层容器10的敞口端设置有盖板30，顶层容器20固定在盖板30上，且盖板30上设置有用于底层容纳腔11与顶层容纳腔21连通的第二通孔31，还设置有用于设置土壤张力计33的张力计通孔32，盖板30与底层容器10之间、盖板30与顶层容器20之间均为可拆卸连接，具体的，可以采用法兰、螺栓进行连接，并且在连接位置均设置有密封结构。
52.为了保证顶层容纳腔21中的最底层土体下表面与第一排水口13平齐，本实施例中顶层容器21的底部具有伸入底层容纳腔11内的延伸部，延伸部的端部与第一排水口13的高度平齐。通过在顶层容器21的底部设置延伸部，能够保证顶层土壤在底层土壤达到饱和状态时进行吸水；如果不设置延伸部，第一排水口13直接设置在底层容器10的最顶端，则顶层土壤与底层土壤的接触位置距离盖板30非常近，而底层容器内的水来自外部压力水(如自来水或增压泵加压)，当底层容器中的水位上升时，顶层容器21与底层容器10重合的部位也将会受水压力的影响，上层土壤的吸湿作用就不仅仅是通过自身的毛细力(或基质吸力)进行吸湿，进而会影响试验精度。
53.进一步的，本实施例中顶层容器20顶部还设置有可拆卸的封盖40，数显百分表41及喷水部均固定在封盖40上，数显百分表41通过支架42进行辅助固定；并且为了保证试验数据的准确性，第二通孔31、顶层容器20、封盖40均对应设置有若干个，通过选取多组数据求平均值来提高数据的准确性。
54.实施例2：
55.本实施例提供一种模拟土体在不同土层吸湿特性的试验方法，包括以下步骤：
56.1)在顶层容器20、底层容器10的内表面涂抹一层凡士林，将一定初始含水率的某一类型的土样作为底层土置入底层容器10的底层容纳腔11内，按照设定的初始干密度分层压实，并填满底层容器10，并安装好盖板30；
57.2)将不同于底层土的另一类或多类型土样作为上层土置入顶层容器20的顶层容纳腔21内，按照设定的初始干密度和初始含水率分层压实，并保证顶层土壤上表面低于顶层容器20的顶端；
58.3)将封盖40安装在顶层容器20的顶部，并将喷水部、数显百分表41安装在封盖40上，将土壤张力计33安装在盖板30上，并插入底层容纳腔11的土层中；
59.4)通过进水口12向底层容纳腔11中注水，当第二排水口14有水稳定流出时，关闭第二排水口14，同时降低注水速度，当第一排水口13有水稳定流出时，关闭第一排水口13与进水口12；开启喷水部进行喷水；
60.5)实时观察并记录土壤张力计33、数显百分表41、土壤水势传感器24及土壤水分传感器23读数，并整理试验数据。
61.步骤1)中，底层容器10中的土样中设置有两层细沙，两层细沙的高度分别与第一排水口13与第二排水口14对应。
62.步骤4)中，仅通过进水口12注水或仅通过喷水部喷水进行测试；其中喷水部可以选择雾化喷头43，并且在仅利用雾化喷头43进行喷水时，要关闭进水口12、第二排水口14和第二排水口14，模拟降雨强度可以通过改变雾化喷头43的流量和喷水时长来改变。
63.根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
64.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。