本發(fā)明屬于非飽和土土水特性測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種聯(lián)合測定非飽和土土水特征曲線與滲透性曲線的試驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

地下水位以上的土體處于非飽和狀態(tài)，其土水特性直接影響其工程性質(zhì)。因而，對非飽和土的土水特征曲線和滲透性曲線進行快速、準確地測定，具有重要的工程意義。

目前用于聯(lián)合測定非飽和土土水特征曲線(Soil water characteristic curve,SWCC)和滲透性曲線的試驗方法為瞬態(tài)剖面土柱試驗法。該方法是將整段土柱嵌入玻璃筒內(nèi)，一端給以穩(wěn)定水頭，通過等間距地在土柱上插入一組水分計和吸力探頭，測定不同時刻含水率和基質(zhì)吸力沿土柱的分布曲線，根據(jù)獲得的兩組曲線可同時求得土體的土水特征曲線及非飽和滲透性曲線。

現(xiàn)有的瞬態(tài)剖面土柱試驗法存在以下缺點：試驗中采用的張力計是以大氣壓作為氣壓源，測量的基質(zhì)吸力范圍不超過100kPa，因而難以得到完整的土水特征曲線SWCC和滲透性曲線；探針插入過程對土樣有擾動，且探頭主體外置，干擾因素多，可靠性低，測定的數(shù)據(jù)離散性大；原狀大土柱一般直徑為30-40cm，取樣存在困難，且運輸不便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種聯(lián)合測定土水特征與滲透性曲線的試驗裝置及試驗方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)測定曲線不完整、數(shù)據(jù)離散性高以及試驗土樣獲取困難的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明所述一種聯(lián)合測定土水特征與滲透性曲線的試驗裝置，包括環(huán)刀架底座，所述環(huán)刀架底座上固定連接有第一環(huán)刀架，所述第一環(huán)刀架為半圓筒，所述第一環(huán)刀架內(nèi)側(cè)設(shè)置有若干大小相同且疊置的環(huán)刀，所述每兩個環(huán)刀之間設(shè)置有兩張普通濾紙，所述兩張普通濾紙之間設(shè)置有測量基質(zhì)吸力濾紙，最上層的環(huán)刀為內(nèi)嵌透水石環(huán)刀，所述內(nèi)嵌透水石環(huán)刀正上方設(shè)置有供水系統(tǒng)。

所述第一環(huán)刀架外側(cè)固定連接有第二環(huán)刀架，所述第二環(huán)刀架為半圓筒，所述第二環(huán)刀架用于暫時放置已經(jīng)稱量過的含土樣環(huán)刀。

所述第一環(huán)刀架和第二環(huán)刀架的外側(cè)面均設(shè)置有若干對用于固定橡皮筋的掛鉤，所述第一環(huán)刀架上的每個環(huán)刀對應(yīng)一對掛鉤，所述橡皮筋用于對豎向疊置的環(huán)刀形成的環(huán)刀柱進行固定。

所述供水系統(tǒng)包括mariotte瓶和供水量筒，所述供水量筒置于內(nèi)嵌透水石環(huán)刀正上方上，所述mariotte瓶外壁標(biāo)有刻度，懸置于供水量筒正上方，所述mariotte瓶用于在測量過程中提供穩(wěn)定水頭，供水量筒底部為已知滲透率的陶土板。

所述測量基質(zhì)吸力濾紙為Whatman No.42濾紙。

一種聯(lián)合測定土水特征與滲透性曲線的試驗方法，包括下列步驟：

步驟1，取環(huán)刀樣：用若干大小相同的環(huán)刀在同一取樣點取同一深度的原狀土樣形成含土樣環(huán)刀，然后在每個含土樣環(huán)刀的上、下兩個面分別覆蓋一片與環(huán)刀底面大小相同的普通濾紙，以免土樣污染測量基質(zhì)吸力濾紙，導(dǎo)致測量基質(zhì)吸力濾紙質(zhì)量不準；步驟2，烘干及稱量：將所有帶普通濾紙的含土樣環(huán)刀及已知標(biāo)定曲線的測量基質(zhì)吸力濾紙在105℃～110℃的烘箱中烘干，烘干時間針對不同類別的土有所不同，細粒土烘干時間為8h～10h，對砂類土烘干時間為6h～8h，將烘干后的含土樣環(huán)刀及測量基質(zhì)吸力濾紙放入干燥器內(nèi)冷卻0.5h～1h，然后稱量冷卻后的含土樣環(huán)刀及測量基質(zhì)吸力濾紙的質(zhì)量，每個含土樣環(huán)刀或測量基質(zhì)吸力濾紙的稱重時間控制在5s之內(nèi)；

步驟3，放置環(huán)刀及濾紙：將含土樣環(huán)刀逐層緊貼第一環(huán)刀架內(nèi)壁疊置，每兩個帶普通濾紙的含土樣環(huán)刀之間放置一片已知標(biāo)定曲線的測量基質(zhì)吸力濾紙，所有帶普通濾紙的含土樣環(huán)刀及測量基質(zhì)吸力濾紙疊置形成土柱，最上面一層含土樣環(huán)刀上方放置同樣大小的內(nèi)嵌透水石環(huán)刀，所述透水石提前飽和，以保證水從土樣表面均勻入滲，然后用橡皮筋固定土柱；

步驟4，向土柱滲水：土柱固定好后，放置供水系統(tǒng)，供水系統(tǒng)由標(biāo)有刻度的mariotte瓶與供水量筒組成，mariotte瓶提供穩(wěn)定水頭，供水量筒底部為已知滲透率的陶土板，試驗時，首先將供水量筒置于內(nèi)嵌透水石環(huán)刀上，再將mariotte瓶加定量的水，懸于供水量筒上方，調(diào)節(jié)mariotte瓶的高度，水頭穩(wěn)定后，開始向土柱供水；

步驟5，稱量：開始供水后，觀察mariotte瓶的水位變化，每入滲50ml時，mariotte瓶水位下降一定高度，此時暫停供水，將帶普通濾紙的含土樣環(huán)刀與測定基質(zhì)吸力濾紙從上至下快速取下并稱量質(zhì)量，每個帶普通濾紙的含土樣環(huán)刀或測定基質(zhì)吸力濾紙的稱量時間控制在5s以內(nèi)，稱量完畢后快速放回原位，繼續(xù)供水，直至濕潤峰到達土柱底部時，試驗停止；

步驟6，數(shù)據(jù)處理：由于每個環(huán)刀的質(zhì)量已知，根據(jù)所測得的帶普通濾紙的含土樣環(huán)刀或測定基質(zhì)吸力濾紙的質(zhì)量算出土樣含水率與濾紙含水率，根據(jù)土樣含水率繪出土柱在不同時刻的含水率分布曲線，根據(jù)濾紙含水率查得對應(yīng)的基質(zhì)吸力，繪出土柱在不同時刻的基質(zhì)吸力分布曲線，根據(jù)這兩個曲線得到土柱不同位置不同時刻的含水率及對應(yīng)的基質(zhì)吸力，從而繪出土水特征曲線；

通過瞬態(tài)剖面法確定土樣滲透性曲線，根據(jù)土樣的含水率及基質(zhì)吸力得到不同時刻的含水率剖面與水頭剖面，根據(jù)含水率剖面可以算出一定時間間隔的流量，從而得出某一時刻的流速，根據(jù)水頭剖面可以得到水力梯度，再根據(jù)達西定律，流速與水力梯度之比即為滲透系數(shù)，繪出不同時刻的基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)關(guān)系曲線或含水率與滲透系數(shù)關(guān)系曲線，即土樣的滲透性曲線。

步驟2中，用電子天平稱取每個帶普通濾紙的含土樣環(huán)刀質(zhì)量，精確至0.01g，用分析天平稱量每片測量基質(zhì)吸力濾紙的質(zhì)量，精確至0.0001g。

整個試驗過程在恒溫條件下進行，室內(nèi)溫度變化不超過2℃，試驗裝置置于恒溫箱內(nèi)進行操作，恒溫箱內(nèi)溫度變化不超過0.2℃。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益的技術(shù)效果，本發(fā)明提供的一種聯(lián)合測定土水特征與滲透性曲線的試驗裝置，利用本裝置可同時測定土樣的土水特征與滲透性曲線，本裝置包括環(huán)刀架和設(shè)置在土柱上方的供水系統(tǒng)，環(huán)刀架內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有若干豎向疊置的環(huán)刀，環(huán)刀之間設(shè)置有兩張普通濾紙，兩張普通濾紙之間設(shè)置有測量基質(zhì)吸力的濾紙，環(huán)刀法可準確測得土的含水率，濾紙法測定基質(zhì)吸力的范圍不受限制，使用本裝置進行試驗?zāi)軌虻玫酵暾耐了卣髑€SWCC和滲透性曲線，且本裝置采用疊置的環(huán)刀結(jié)構(gòu)，只需用環(huán)刀取較小的土樣即可，土樣的直徑為環(huán)刀的直徑，取樣簡單快捷，且便于保護運輸，利用本裝置進行試驗時不需要使用探針，避免了探針插入過程對土樣有擾動，以及探針探頭主體外置，干擾因素多，可靠性低，測定的數(shù)據(jù)離散性大的問題。

進一步的，第一環(huán)刀架外側(cè)固定連接有第二環(huán)刀架，第二環(huán)刀架為半圓筒，第二環(huán)刀架用于暫時放置已經(jīng)稱量過的含土樣環(huán)刀，操作方便，可有效防止在試驗過程中因含土樣的環(huán)刀隨便放置而導(dǎo)致土樣污染，進而導(dǎo)致測量結(jié)果不夠準確。

進一步的，第一環(huán)刀架和第二環(huán)刀架的外側(cè)面均設(shè)置有若干對用于固定橡皮筋的掛鉤，第一環(huán)刀架上的每個環(huán)刀對應(yīng)一對掛鉤，橡皮筋用于對豎向疊置的環(huán)刀形成的環(huán)刀柱進行固定，防止試驗過程中環(huán)刀柱倒塌。

進一步的，供水系統(tǒng)包括mariotte瓶和供水量筒，供水量筒置于內(nèi)嵌透水石環(huán)刀正上方上，mariotte瓶外壁標(biāo)有刻度，懸置于供水量筒正上方，mariotte瓶用于在測量過程中提供穩(wěn)定水頭，供水量筒底部為已知滲透率的陶土板，所述陶土板(3)用于控制水滲入土樣的速度，水頭流量方便控制，以免水流過快從土樣上方溢出，可以得到沿土柱較為連續(xù)的含水率或吸力變化曲線。

進一步的，測量基質(zhì)吸力濾紙為Whatman No.42濾紙，濾紙標(biāo)定準確，測試結(jié)果可靠。

一種聯(lián)合測定土水特征與滲透性曲線的試驗方法，利用mariotte瓶提供穩(wěn)定且水量合適的水頭，利用若干大小相同的環(huán)刀取土樣，并用兩片與標(biāo)準環(huán)刀底面相同大小的普通濾紙覆蓋含土樣環(huán)刀的上下兩個面，兩張普通濾紙之間夾有測量基質(zhì)吸力濾紙，采用濾紙法確定不同位置處土樣的基質(zhì)吸力，避免了現(xiàn)有方法中插入探頭引起的土樣擾動。

進一步的，步驟2中，用電子天平稱取每個含土樣環(huán)刀的質(zhì)量，精確至0.01g。由于濾紙質(zhì)量小，質(zhì)量變化也相對較小，因此精度要求高。為提高實驗結(jié)果的準確性，本試驗選擇用分析天平稱量每片濾紙質(zhì)量，精確至0.0001g。

進一步的，整個試驗過程應(yīng)在恒溫條件下進行，室內(nèi)溫度變化不超過2℃，試驗裝置置于恒溫箱內(nèi)進行操作，恒溫箱內(nèi)溫度變化不超過0.2℃，防止由于溫度變化引起的濾紙吸水量的變化，進而提高試驗結(jié)果證準確性。

附圖說明

圖1為試驗裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為試驗裝置俯視圖(不含供水系統(tǒng))；

圖3為含土樣環(huán)刀夾濾紙示意圖；

圖4a為本試驗裝置及方法測定的土水特征曲線SWCC；

圖4b為本試驗裝置及方法測定的非飽和滲透性曲線；

圖5a為傳統(tǒng)瞬態(tài)剖面土柱試驗法測定的土水特征曲線SWCC；

圖5b為傳統(tǒng)瞬態(tài)剖面土柱試驗法測定的非飽和滲透性曲線；

附圖中：Ⅰ、供水系統(tǒng)，Ⅱ、環(huán)刀柱，1、mariotte瓶，2、供水量筒，3、陶土板，4、內(nèi)嵌透水石環(huán)刀，5、含土樣環(huán)刀，7、環(huán)刀架底座，8、環(huán)刀架，81、第一環(huán)刀架，82、第二環(huán)刀架，9、掛鉤，10、環(huán)刀，11、土樣，12、普通濾紙，13、測量基質(zhì)吸力濾紙。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

參照圖1，一種聯(lián)合測定土水特征與滲透性曲線的試驗裝置，包括環(huán)刀架底座7，環(huán)刀架底座7上固定連接有環(huán)刀架8，底座與環(huán)刀架皆為有機玻璃制成，環(huán)刀架8包括背接而成的第一環(huán)刀架81和第二環(huán)刀架82，第一環(huán)刀架81和第二環(huán)刀架82等高且均為半圓筒狀，第一環(huán)刀架81內(nèi)側(cè)設(shè)置有若干大小相同且豎向疊置的環(huán)刀10，第一環(huán)刀架81和第二環(huán)刀架82的外徑與環(huán)刀10的外徑匹配，豎向疊置的含環(huán)刀10形成環(huán)刀柱Ⅱ，最上層的環(huán)刀為內(nèi)嵌透水石環(huán)刀4，用以保證水從土樣表面均勻入滲，環(huán)刀柱Ⅱ正上方設(shè)置有供水系統(tǒng)Ⅰ，環(huán)刀10之間緊密接觸，第二環(huán)刀架82用于放置已經(jīng)稱量過的含土樣環(huán)刀5。

供水系統(tǒng)Ⅰ用于在試驗過程中向土樣提供穩(wěn)定的水頭，供水系統(tǒng)Ⅰ包括標(biāo)有刻度的mariotte瓶1和供水量筒2，供水量筒2置于內(nèi)嵌透水石環(huán)刀4正上方，mariotte瓶1懸于供水量筒2正上方，mariotte瓶1在測量過程中提供穩(wěn)定水頭，供水量筒2底部為已知滲透率的陶土板3，用來控制水滲入土樣的速度，以免水流過快從土柱上方溢出。

參照圖2，從俯視圖看環(huán)刀架8為“x”形，第一環(huán)刀架81和第二環(huán)刀架82的外側(cè)面均設(shè)置有若干對用于固定橡皮筋的掛鉤9，第一環(huán)刀架81上的每個環(huán)刀10對應(yīng)一對掛鉤9，橡皮筋用于對整個環(huán)刀柱Ⅱ進行固定，防止實驗過程中土柱倒塌。

參照圖3，每兩個含土樣環(huán)刀5之間設(shè)置有兩張普通濾紙12，兩張普通濾紙12之間設(shè)置有測量基質(zhì)吸力的濾紙13，整個土柱最底部的環(huán)刀下方只設(shè)置一層普通濾紙12，以免土樣11與環(huán)刀架底座7接觸弄臟土樣11。

本試驗中環(huán)刀10可用現(xiàn)有普通環(huán)刀，直徑79.8mm，高度20mm。

一種聯(lián)合測定土水特征與滲透性曲線的試驗方法，包括以下步驟：

步驟1，取環(huán)刀樣：使用若干同樣大小的環(huán)刀10在同一取樣點取同一深度的原狀土樣若干，環(huán)刀10取土樣后，土樣11留在環(huán)刀10中，就形成了含土樣環(huán)刀5，然后在每個含土樣環(huán)刀5的上、下兩個面分別覆蓋與環(huán)刀10底面相同大小的普通濾紙12，以免土樣污染測量基質(zhì)吸力濾紙13，導(dǎo)致測量基質(zhì)吸力濾紙13質(zhì)量不準。

步驟2，烘干及稱量：將所有帶普通濾紙12的含土樣環(huán)刀5及已知標(biāo)定曲線的測量基質(zhì)吸力濾紙13在105～110℃的烘箱中烘干，烘干時間針對不同類別的土有所不同，細粒土烘干時間為8h～10h，砂類土烘干時間為6h～8h。將烘干后的含土樣環(huán)刀5及測量基質(zhì)吸力濾紙13放入干燥器內(nèi)冷卻0.5h～1h，冷卻后快速稱重，每個含土樣環(huán)刀5或測量基質(zhì)吸力濾紙13的稱重時間控制在5s之內(nèi)，用電子天平稱取每個帶普通濾紙12的含土樣環(huán)刀5的質(zhì)量，精確至0.01g，用分析天平稱量每片測量基質(zhì)吸力濾紙13的質(zhì)量，精確至0.0001g，本試驗中測量基質(zhì)吸力濾紙13選用美國生產(chǎn)的Whatman No.42濾紙，標(biāo)定準確，測試結(jié)果可靠，在國際上通用，其標(biāo)定曲線采用Leong(2011)的標(biāo)定結(jié)果。

步驟3，放置環(huán)刀及濾紙：將含土樣環(huán)刀5逐層緊貼第一環(huán)刀架81內(nèi)壁疊置，每兩個含土樣的環(huán)刀5之間放置一片已知標(biāo)定曲線的測量基質(zhì)吸力濾紙13，所有帶土樣的環(huán)刀5及測量基質(zhì)吸力濾紙13疊置形成土柱，最上面一層環(huán)刀上方放置同樣大小內(nèi)嵌透水石環(huán)刀4(透水石提前飽和，以保證水從土樣11表面均勻入滲)，然后用橡皮筋固定土柱。

步驟4，向土柱滲水：土柱固定好后，即可放置供水系統(tǒng)Ⅰ。供水系統(tǒng)由標(biāo)有刻度的mariotte瓶1與供水量筒2組成，mariotte瓶1提供穩(wěn)定水頭，供水量筒2底部為已知滲透率的陶土板3，用來控制水滲入土樣的速度，以免水流過快從土樣上方溢出，試驗時，首先將供水量筒2置于內(nèi)嵌透水石環(huán)刀4上，再將mariotte瓶1加定量的水，懸于量筒2上方，調(diào)節(jié)mariotte瓶1的高度，水頭穩(wěn)定后，開始向土柱供水。

步驟5，稱量：開始供水后，觀察mariotte瓶1的水位變化，每入滲50ml時，mariotte瓶1水位下降一定高度，此時暫停供水，將帶普通濾紙12的含土樣環(huán)刀5與測定基質(zhì)吸力濾紙13從上至下快速取下并稱量質(zhì)量，每個帶普通濾紙12的含土樣環(huán)刀5或測定基質(zhì)吸力濾紙13的稱量時間控制在5s以內(nèi)。稱量完畢后快速放回原位，繼續(xù)供水，直至濕潤峰到達土柱底部時，停止試驗。注意：整個試驗過程應(yīng)在恒溫條件下進行，室內(nèi)溫度變化不超過2℃；試驗裝置需置于恒溫箱內(nèi)操作，恒溫箱內(nèi)溫度變化不超過0.2℃。

步驟6，數(shù)據(jù)處理：由于每個環(huán)刀10的質(zhì)量已知，根據(jù)所測得的帶普通濾紙12的含土樣環(huán)刀5或測定基質(zhì)吸力濾紙13的質(zhì)量可以計算出土樣含水率與濾紙13含水率，根據(jù)土樣含水率繪出土柱在不同時刻的含水率分布曲線。根據(jù)濾紙含水率得到查得對應(yīng)的基質(zhì)吸力，同樣可繪出土柱在不同時刻的基質(zhì)吸力分布曲線。根據(jù)這兩個曲線得到土柱不同位置不同時刻的含水率及對應(yīng)的基質(zhì)吸力，從而繪出土水特征曲線；

通過瞬態(tài)剖面法可以確定土樣滲透性曲線，根據(jù)土樣的含水率及基質(zhì)吸力可以得到不同時刻的含水率剖面與水頭剖面。根據(jù)含水率剖面可以算出一定時間間隔的流量，從而得出某一時刻的流速，根據(jù)水頭剖面可以得到水力梯度，再根據(jù)達西定律，流速與水力梯度之比即為滲透系數(shù)。繪出不同時刻的基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)關(guān)系曲線或含水率與滲透系數(shù)關(guān)系曲線，即土樣的滲透性曲線。

圖4(a)和圖4(b)分別為本發(fā)明測定的內(nèi)蒙烏拉特中旗砂土的土水特征曲線與陜西涇陽黃土的非飽和滲透性曲線，由圖可見，本方法測定的基質(zhì)吸力范圍均為1～1×10⁵kPa，得到了較為完整的土水特征曲線SWCC與滲透系數(shù)曲線。圖5(a)和圖5(b)為王紅等(2014)采用傳統(tǒng)的瞬態(tài)剖面土柱試驗法測定的土水特征曲線與滲透系數(shù)曲線，可以看到，受張力計測量范圍的限制，其橫坐標(biāo)基質(zhì)吸力最大到100kPa，無法展現(xiàn)完整的土水特征曲線與滲透系數(shù)曲線。覃小華等(2017)采用傳統(tǒng)一維土柱入滲試驗法時也受到了該方法自身缺陷的制約，無法展現(xiàn)完整的土水特征與滲透系數(shù)曲線。