本實(shí)用新型屬于土壤電阻率及土水特征曲線測定技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置。

背景技術(shù)：

西北地區(qū)的黃土多為非飽和土，其中非飽和土的水敏性、滲透性、非飽和特性決定著黃土的強(qiáng)度和變形特性。黃土的強(qiáng)度、變形特性是黃土高填方工程、邊坡工程、隧洞工程、基坑工程等最為關(guān)注的力學(xué)特性。因此，深入了解黃土的上述物理特性是目前解決黃土力學(xué)及工程問題的核心所在，然而目前研究黃土的物理力學(xué)特性手段略顯單一，本實(shí)用新型試圖將黃土的電導(dǎo)率特性和土-水特征等引入到一個(gè)測試系統(tǒng)中，來更深層次的揭示黃土的上述特性，并能夠從土壤電阻率的細(xì)觀角度來了解黃土的水分遷移規(guī)律和結(jié)構(gòu)演化特征，將電阻率演化規(guī)律與黃土的土-水特征建立關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)通過直接測試土壤電阻率來獲取土的力學(xué)參數(shù)這一過程，為黃土的細(xì)觀行為開避一個(gè)新的方法。

黃土的導(dǎo)電性涉及兩個(gè)不同過程，通過孔隙水導(dǎo)電與顆粒表面導(dǎo)電。因而有兩個(gè)主要參數(shù)控制了土體導(dǎo)電性能的大小：(1)孔隙水的含鹽量與飽和度；(2)顆粒表面吸附特征與顆粒之間的連結(jié)特性。土的電阻率(ρ)是土體導(dǎo)電能力大小的量度，土體三相組成中，孔隙水、顆粒、結(jié)構(gòu)共同決定了土的電阻率。當(dāng)孔隙水成分一定時(shí)，則取決于飽和度和土的結(jié)構(gòu)。也有用土的電導(dǎo)率(σ)來衡量土導(dǎo)電性能的強(qiáng)弱，電導(dǎo)率定義為：σ＝1/ρ。

大量已有的研究成果表明，土壤電阻率與土壤水分含量、鹽分含量、環(huán)境溫度、土體內(nèi)部的陰陽離子組分、孔隙比等有關(guān)，對于同種性質(zhì)的黃土來說(這里指顆粒組成不變、孔隙水化學(xué)成分不變或變化極小、外界溫度不變等)，其電阻率大小主要取決于含水率的變化，而吸力大小也取決于含水率大小。因而黃土的電阻率與其吸力之間必然存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，若能通過室內(nèi)試驗(yàn)獲得黃土的吸力與其電阻率之間的函數(shù)關(guān)系，則可利用土的電阻率相關(guān)指標(biāo)來預(yù)測吸力大小，從而可達(dá)到簡化非飽和土吸力測試的目的，進(jìn)而推進(jìn)黃土地區(qū)高填方工程、隧道工程、邊坡工程、地基基礎(chǔ)工程等的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用，為后期原位監(jiān)測儀器的研發(fā)提供一套新的機(jī)理性探索和一個(gè)新的途徑。

歸根結(jié)底，土壤電阻率與土體的初始飽和度有關(guān)，初始飽和度反映了土體內(nèi)部初始含水率和孔隙比(干密度)情況，當(dāng)土體發(fā)生變形時(shí)，土體內(nèi)部的水分、氣體、土顆粒之間的滑動、摩擦等過程都可以通過連續(xù)測試土體的體積含水率、電阻率、基質(zhì)吸力的演化過程來獲取。大量研究結(jié)果表明，當(dāng)土體的干密度不變時(shí)，土體的含水率升高引起孔隙中水分增多，則土體的整體導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻率迅速降低，土體顆粒之間的吸力也迅速降低，反之亦然；當(dāng)土體的干密度增大時(shí)，土體中氣體含量減小，土體顆粒間距減小，土體顆粒接觸面增多，其導(dǎo)電性增大，電阻率降低，干密度直接反映土的密實(shí)程度，土體越密實(shí)，土體中的孔隙越少，土顆粒之間結(jié)合越緊密，相應(yīng)的基質(zhì)吸力變大，但土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化下，電阻率的變化相對較小。因此，電阻率綜合反映了土體內(nèi)部水分、氣體和土顆粒之間的空間組合關(guān)系，而基質(zhì)吸力也反映了上述三相或四相的空間組合關(guān)系，二者必然存在一定的關(guān)聯(lián)，因此，理論上建立二者的關(guān)系是極有可能的。

非飽和土分布十分廣泛，幾乎所有的巖土工程問題都會遇到非飽和土強(qiáng)度及變形問題。吸力是非飽和土力學(xué)理論體系的基礎(chǔ)和核心概念，同樣也是研究非飽和土工程性質(zhì)的一項(xiàng)很重要的參數(shù)。凡是涉及到非飽和土的強(qiáng)度、變形問題，如天然土坡、路堤及土壩的穩(wěn)定性問題，膨脹土、黃土、紅黏土等地基變形以及由此而引發(fā)的建筑物基礎(chǔ)下沉、墻體開裂等破壞的問題，吸力這一參數(shù)都有著非常廣泛的應(yīng)用前景。因此，正確預(yù)測吸力是用非飽和土力學(xué)解決生活及工程實(shí)際問題不可或缺的前提。吸力的獲取可以通過試驗(yàn)量測和計(jì)算獲得。在室內(nèi)試驗(yàn)中，準(zhǔn)確量測吸力對試驗(yàn)人員的規(guī)范操作要求較高，并且試驗(yàn)所需要的時(shí)間較長，此外，非飽和土的試驗(yàn)設(shè)備昂貴，擁有此設(shè)備的單位又比較少；至于吸力的現(xiàn)場量測則尤為困難，然而在世界范圍內(nèi)積累的實(shí)測資料也很少；吸力的計(jì)算需要涉及到現(xiàn)階段仍不太成熟的非飽和土的固結(jié)理論。由于吸力的量測與計(jì)算的困難限制了非飽和土理論的實(shí)際應(yīng)用，所以這也是非飽和土力學(xué)長期以來發(fā)展遲緩的一個(gè)重要原因。

確定黃土的土-水特征曲線通常用實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)的黃土土-水特征曲線測量方法很多。常見的土-水特征曲線測試方法有：軸平移技術(shù)法(如Tempe儀、壓力板儀和改進(jìn)的三軸儀)；張力計(jì)法；熱電偶濕度計(jì)法；濾紙法；冷鏡濕度計(jì)法；恒濕箱法等等。同時(shí)控制和測量含水量和吸力的方法主要采用上述的吸力測量技術(shù)與如下的含水量測量方法:液體流入和流出體積和質(zhì)量的測量方法；時(shí)域反射方法(TDR探頭)；電介質(zhì)濕度探頭法(ECHO探頭)。

一般來說，現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)室吸力測量或控制方法十分復(fù)雜且耗時(shí)較長，所能測量的吸力范圍也受到限制。此外，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)方法最適合確定脫濕狀態(tài)的土-水特征曲線，如Tempe儀、壓力板儀等。然后，吸濕狀態(tài)才能更好地描述降雨過后斜坡短期內(nèi)入滲和徑流現(xiàn)象。由于很多土都存在滯后效應(yīng)，含水量相同但干濕歷史不同的土，其吸力差距顯著。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供了一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置，該裝置能實(shí)現(xiàn)黃土的電阻率和土水特征曲線在同一個(gè)設(shè)備上同時(shí)獲得。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置，包括底座，底座上設(shè)置有套筒，套筒內(nèi)設(shè)置有拉桿，套筒從上到下分為若干層，套筒的每層上均接通有電阻率量測系統(tǒng)、吸力量測系統(tǒng)和水分量測系統(tǒng)，套筒的兩端均設(shè)置有多孔板，套筒一端的多孔板上設(shè)置有上蓋板，上蓋板上設(shè)置有壓桿。

本實(shí)用新型的特點(diǎn)還在于，

多孔板和上蓋板之間設(shè)置有上托板和上保溫板，螺栓依次穿過多孔板、上托板、上保溫板和上蓋板與螺母和平墊圈連接，上蓋板側(cè)面設(shè)置有上護(hù)環(huán)。

底座包括相互連接的下蓋板和下底板，下蓋板和下底板之間設(shè)置有下保溫板，下底板的底部設(shè)置有支腿。

上蓋板和下底板上均設(shè)置有L型快插接頭內(nèi)螺紋和L型快插接頭外螺紋，L型快插接頭內(nèi)螺紋和L型快插接頭外螺紋均設(shè)置兩個(gè)，L型快插接頭內(nèi)螺紋均和L型快插接頭內(nèi)螺紋附近的多孔板接通。

套筒為有機(jī)玻璃試筒，有機(jī)玻璃試筒從上到下依次分為八層，每層有機(jī)玻璃試筒上均勻設(shè)置四個(gè)通孔，四個(gè)通孔依次連接有一個(gè)電阻率量測系統(tǒng)、吸力量測系統(tǒng)、另一個(gè)電阻率量測系統(tǒng)和水分量測系統(tǒng)。

水分量測系統(tǒng)包括土壤水分傳感器，土壤水分傳感器插入有機(jī)玻璃試筒的通孔內(nèi)，土壤水分傳感器與農(nóng)業(yè)土壤水分采集儀連接。

電阻率量測系統(tǒng)包括一對長方形薄銅片的電極，電極粘貼在有機(jī)玻璃試筒的內(nèi)壁上，電極與銅導(dǎo)線連接，銅導(dǎo)線穿過有機(jī)玻璃試筒上的通孔與電阻測量儀表連接。

吸力量測系統(tǒng)包括吸力傳感器，吸力傳感器包括接頭，接頭插入有機(jī)玻璃試筒上的通孔，接頭上依次連接有腔體和壓力變送器，接頭內(nèi)設(shè)置有陶土板，接頭與腔體通過螺釘連接，腔體上設(shè)置有螺紋堵頭，腔體和壓力變送器的連接處設(shè)置有密封圈c，陶土板和腔體之間設(shè)置有密封圈b。

吸力量測系統(tǒng)還包括數(shù)字信號采集儀以及用于信號分析和數(shù)據(jù)顯示的顯示器，數(shù)字信號采集儀與顯示器均與壓力變送器連接。

本實(shí)用新型的有益效果是：一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置，不僅可實(shí)現(xiàn)直接量測土體內(nèi)部的基質(zhì)吸力、電阻率和體積含水率分布特征、演化特征，還可以利用土壤電阻率指標(biāo)預(yù)測基質(zhì)吸力，提出非飽和黃土的吸力與電阻率指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，分析非飽和土的電阻率與體積含水率的關(guān)系，探討非飽和土的土-水特征曲線變化規(guī)律；而且還可實(shí)現(xiàn)施加豎向荷載情況下以及模擬降雨入滲時(shí)黃土中水分遷移規(guī)律的研究。本裝置可實(shí)現(xiàn)頂部和底部加水入滲功能；排水、不排水功能；軸向變形測量功能、自動豎向加載和讀取、記錄數(shù)據(jù)功能；具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，控制穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置的俯視圖；

圖3是本實(shí)用新型一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置中吸力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置中土壤水分傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置中電極的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1.土壤水分傳感器，2.上護(hù)環(huán)，3.密封圈a，4.L型快插接頭外螺紋，5.L型快插接頭內(nèi)螺紋，6.壓桿，7.上保溫板，8.平墊圈，9.螺母，10.上蓋板，11.上托板，12.多孔板，13.吸力傳感器，14.拉桿，15.電極，16.有機(jī)玻璃試筒，17.下蓋板，18.下底板，19.支腿，20.十字槽沉頭，21.下保溫板，22.接頭，23.螺釘，24.陶土板，25.密封圈b，26.腔體，27.螺紋堵頭，28.密封圈c，29.壓力變送器，30.數(shù)字信號采集儀，31.顯示器，32.農(nóng)業(yè)土壤水分采集儀，33.電阻測量儀表。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

本實(shí)用新型提供了一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置，如圖1-5所示，包括底座，底座上設(shè)置有套筒，套筒內(nèi)設(shè)置有拉桿14，套筒從上到下分為若干層，套筒的每層上均接通有電阻率量測系統(tǒng)、吸力量測系統(tǒng)和水分量測系統(tǒng)，套筒的兩端均設(shè)置有多孔板12，套筒一端的多孔板12上設(shè)置有上蓋板10，上蓋板10上設(shè)置有壓桿6；

多孔板12和上蓋板10之間設(shè)置有上托板11和上保溫板7，螺栓依次穿過多孔板12、上托板11、上保溫板7和上蓋板10與螺母9和平墊圈8連接，上蓋板10側(cè)面設(shè)置有上護(hù)環(huán)2；

底座包括相互連接的下蓋板17和下底板18，下蓋板17和下底板18之間設(shè)置有下保溫板21，下底板18的底部設(shè)置有支腿19；

上蓋板10和下底板18上均設(shè)置有L型快插接頭內(nèi)螺紋5和L型快插接頭外螺紋4，L型快插接頭內(nèi)螺紋5和L型快插接頭外螺紋4均設(shè)置兩個(gè)，L型快插接頭內(nèi)螺紋5均和L型快插接頭內(nèi)螺紋5附近的多孔板12接通；

套筒為有機(jī)玻璃試筒16，有機(jī)玻璃試筒16的外徑為320mm，有機(jī)玻璃試筒16的內(nèi)徑為300mm，有機(jī)玻璃試筒16的高度為820mm；有機(jī)玻璃試筒16從上到下依次分為八層，有機(jī)玻璃試筒16第一層離其頂部距離為35.5mm，第八層離其底部的距離為35.5mm，有機(jī)玻璃試筒16其余各層間距為107mm；

每層有機(jī)玻璃試筒16上均勻設(shè)置四個(gè)通孔，四個(gè)通孔依次連接有一個(gè)電阻率量測系統(tǒng)、吸力量測系統(tǒng)、另一個(gè)電阻率量測系統(tǒng)和水分量測系統(tǒng)；

水分量測系統(tǒng)包括土壤水分傳感器1，土壤水分傳感器1插入有機(jī)玻璃試筒16的通孔內(nèi)，土壤水分傳感器1與農(nóng)業(yè)土壤水分采集儀32連接；

電阻率量測系統(tǒng)包括一對長方形薄銅片的電極15，電極15的長度和寬度分別為30mm和10mm，電極15粘貼在有機(jī)玻璃試筒16的內(nèi)壁上，可采用AB膠和環(huán)氧樹脂將電極15粘貼在有機(jī)玻璃試筒16的內(nèi)壁上，電極15與銅導(dǎo)線連接，銅導(dǎo)線穿過有機(jī)玻璃試筒16上的通孔與電阻測量儀表33連接；

吸力量測系統(tǒng)包括吸力傳感器13，吸力傳感器13包括接頭22，接頭22插入有機(jī)玻璃試筒16上的通孔，接頭22上依次連接有腔體26和壓力變送器29，接頭22內(nèi)設(shè)置有陶土板24，接頭22與腔體26通過螺釘23連接，腔體26上設(shè)置有螺紋堵頭27，腔體26和壓力變送器29的連接處設(shè)置有密封圈c28，陶土板24和腔體26之間設(shè)置有密封圈b25，吸力傳感器13的密封性一定要好；壓力變送器29的量程為-0.1MPa—0.5MPa；

吸力量測系統(tǒng)還包括數(shù)字信號采集儀30以及用于信號分析和數(shù)據(jù)顯示的顯示器31，數(shù)字信號采集儀與顯示器均與壓力變送器29連接。

本實(shí)用新型一種土水特征和電阻率聯(lián)合測試裝置的工作原理是：

試驗(yàn)前，先將下蓋板17，下底板18與底座相連，將有機(jī)玻璃試筒16裝在下蓋板17上，用平墊圈8和螺母9將四根拉桿14固定的下底板18和下蓋板17上，然后將上托板11穿過拉桿14蓋在有機(jī)玻璃試筒16上部，同樣再用平墊圈8和螺母9將上托板11和拉桿14固定；

試驗(yàn)過程中，將配置好的黃土試樣按照試驗(yàn)所需的壓實(shí)度分層壓實(shí)在有機(jī)玻璃試筒16內(nèi)部，試樣制好以后放上多孔板12，再將壓桿6、上蓋板10蓋在試樣上部，然后在每層的通孔中插上土壤水分傳感器1和擰上吸力傳感器13，注意用生膠帶密封好，將電阻測量儀表33連接在徑向的一對電極15上構(gòu)成電率量測系統(tǒng)，在吸力傳感器13上外接數(shù)字信號采集儀30和顯示器31構(gòu)成吸力量測系統(tǒng)；將農(nóng)業(yè)土壤水分采集儀32連接在土壤水分傳感器1構(gòu)成水分量測系統(tǒng)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的測試系統(tǒng)，整套設(shè)備就組裝好了；

數(shù)據(jù)采集過程中，打開電阻測量儀表33直接可以測得任意時(shí)刻的土壤的電阻，將測得的土壤電阻可以轉(zhuǎn)化為土壤電阻率；體積含水率的量測需要利用農(nóng)業(yè)土壤水分采集儀32來完成；農(nóng)業(yè)土壤水分采集儀具有自動監(jiān)測、方便快捷、自動存儲，可以把儲存的數(shù)據(jù)通過TF卡導(dǎo)出來，同時(shí)還可以多通道同時(shí)記錄任意時(shí)刻試樣中每層的體積含水率；吸力量測系統(tǒng)采用的是CDSP型數(shù)字信號采集系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有最高200kH的采樣頻率，最多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)通道的連續(xù)海量存儲，可選擇是否監(jiān)視采集狀態(tài)，采用多窗口顯示通道的時(shí)域波形，進(jìn)行采集監(jiān)視；此系統(tǒng)還可以進(jìn)行靈活地觸發(fā)控制；可以手動控制數(shù)據(jù)采集的開始和結(jié)束，可進(jìn)行指定通道的電壓信號觸發(fā)采集(含多次觸發(fā)采集)，可靈活設(shè)定采集時(shí)間；采樣頻率可在30～200000Hz之間靈活設(shè)置，采集通道可在1～32之間連續(xù)選擇，而本實(shí)用新型只需要用到其中的八個(gè)通道同時(shí)監(jiān)測，在顯示器31上就可以顯示具體的數(shù)值。

通過以上的量測就可以得到每層的土壤電阻率、體積含水率、吸力值，從而可以反映三者之間的關(guān)系；體積含水率和吸力值就可以構(gòu)成土水特征曲線，通過體積含水率就可以得到黃土的吸力值，同樣的，也可以通過土壤電阻率來反映黃土吸力的變化，進(jìn)而可以通過土壤電阻率來預(yù)測黃土中吸力值的大小。這樣就實(shí)現(xiàn)了在本實(shí)用新型上同時(shí)測得土壤電阻率和土水特征曲線；

試驗(yàn)結(jié)束之后，依次取下壓桿6、上蓋板10、多孔板12，分別擰開上托板11和下底板18上面的螺母9，取下螺母9和平墊圈8，卸下四根拉桿14，土壤水分傳感器1和吸力傳感器13等，將試驗(yàn)的黃土土樣從有機(jī)玻璃試筒16內(nèi)取出。

本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了黃土電阻率量測、吸力量測和體積含水率量測，實(shí)現(xiàn)了黃土的電阻率和土水特征曲線在同一個(gè)設(shè)備上同時(shí)獲得，實(shí)現(xiàn)了自動測量、自動記錄，使得數(shù)據(jù)采集方便且可靠，并且隨時(shí)記錄黃土的電阻率、體積含水率和吸力演化情況，可反映黃土中水分遷移的細(xì)觀演化規(guī)律，還可以實(shí)現(xiàn)加載-卸載及模擬水分入滲條件下重塑黃土的長期變形特性及土體內(nèi)部水分遷移、孔隙狀態(tài)演化規(guī)律。