本實(shí)用新型涉及巖土工程領(lǐng)域，具體地指一種測(cè)試非飽和土傳輸特性的試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

非飽和土傳輸特性主要是指土水特征曲線和水、氣相相對(duì)滲透率曲線，土水特征曲線即基質(zhì)吸力與飽和度(含水量)的關(guān)系曲線，相對(duì)滲透率曲線即相對(duì)滲透率(氣相和水相)與飽和度(含水量)間的關(guān)系曲線。其確定方法大致分為兩類：直接測(cè)量法和間接測(cè)量方法。土水特征曲線直接測(cè)量法主要是通過(guò)直接測(cè)量基質(zhì)吸力和含水量來(lái)確定的，基質(zhì)吸力測(cè)試方法有張力計(jì)法、砂性漏斗法、壓力儀法、離心機(jī)法等，含水量測(cè)試方法主要有稱重法、中子法、射線透射法、時(shí)域反射法等。相對(duì)滲透率曲線直接測(cè)量法根據(jù)水力梯度是否變化可分為穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法和非穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)方法。土水特征曲線和相對(duì)滲透率曲線間接測(cè)量方法都主要包括經(jīng)驗(yàn)公式法、物理-經(jīng)驗(yàn)方法、分形幾何方法、形態(tài)學(xué)方法和數(shù)值反演方法等。

確定土的非飽和傳輸特性的傳統(tǒng)方法存在如下問(wèn)題：①基質(zhì)吸力的精確控制問(wèn)題。由于吸力是分級(jí)施加的，等待試樣吸力平衡所需的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)為了稱量平衡時(shí)的含水量，有些儀器不能連續(xù)施加吸力，而且土壤吸水過(guò)程是短暫，直接測(cè)量基質(zhì)吸力難以捕捉。②未考慮氣相作用。氣相和液相在土壤中的非飽和滲流是一個(gè)相互耦合的過(guò)程，一些測(cè)試儀器或者理論研究沒(méi)有考慮水氣二相滲流的耦合關(guān)系。③不能同時(shí)得到土水特征曲線和相對(duì)滲透率曲線。雖然非飽和土的測(cè)試儀器已經(jīng)能夠獲得土水特征曲線或者相對(duì)滲透率曲線，但基質(zhì)吸力與飽和度，水、氣相相對(duì)滲透率和飽和度三條關(guān)系曲線是相關(guān)的，多數(shù)測(cè)試方法不能同時(shí)得到這三條曲線，不能正確反映土壤持水能力和滲透特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述不足，提供一種測(cè)試非飽和土傳輸特性的試驗(yàn)裝置，能夠同時(shí)量測(cè)非飽和土的土水特征曲線和水、氣相相對(duì)滲透率曲線。

本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案是：一種測(cè)試非飽和土傳輸特性的試驗(yàn)裝置，包括空氣壓縮機(jī)，所述空氣壓縮機(jī)輸出端與第一主管輸入端連接，所述第一主管輸出端并聯(lián)連接有第一支管和第二支管；

所述第一支管上依次設(shè)有儲(chǔ)氣瓶、第一電磁閥和第一壓力傳感器，所述第二支管上依次設(shè)有儲(chǔ)水瓶、第二電磁閥和第二壓力傳感器；

所述第一支管和第二支管交匯后與第二主管輸入端連接，所述第二主管輸出端與裝樣裝置頂部連接，所述裝樣裝置底部出口與細(xì)口集水瓶連接，所述細(xì)口集水瓶設(shè)于電子天平傳感器上；

所述裝樣裝置用于裝入土樣，其頂部設(shè)有上反濾層，其底部設(shè)有下反濾層，其側(cè)壁預(yù)留孔位置分別設(shè)有含水量傳感器和孔壓傳感器。

優(yōu)選地，所述第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、含水量傳感器、孔壓傳感器和電子天平傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與電腦連接，所述第一電磁閥和第二電磁閥通過(guò)繼電器模塊與電腦連接。

優(yōu)選地，所述第一支管和第二支管上還均設(shè)有止回閥。

優(yōu)選地，裝樣裝置為圓筒狀，其側(cè)壁上還設(shè)有阻滲環(huán)。

優(yōu)選地，直流電源分別與數(shù)據(jù)采集卡和繼電器模塊電連接。

本實(shí)用新型的有益效果：

1、本實(shí)用新型裝置對(duì)土樣進(jìn)行干濕循環(huán)室內(nèi)試驗(yàn)，實(shí)時(shí)采集土樣滲流量和沿程壓力、含水量數(shù)據(jù)，這樣可以通過(guò)編制數(shù)值反演計(jì)算軟件，計(jì)算土水特征曲線和相對(duì)滲透率曲線；

2、本實(shí)用新型試驗(yàn)過(guò)程反復(fù)對(duì)土樣加載干濕循環(huán)，土樣吸濕和脫濕過(guò)程能相互驗(yàn)證和修正，試驗(yàn)采集的整個(gè)過(guò)程的滲流量和沿程壓力、含水量數(shù)據(jù)在數(shù)值反演計(jì)算時(shí)也可以相互驗(yàn)證和修正；

3、考慮到土中非飽和傳輸過(guò)程是水相與氣相相互作用的過(guò)程，本實(shí)用新型是基于水氣二相滲流基本原理，更符合土中非飽和水氣運(yùn)動(dòng)特征；

4、本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)干濕循環(huán)加載自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化；

5、考慮到基質(zhì)吸力與飽和度、滲水滲氣系數(shù)和飽和度三條曲線是相關(guān)的，本實(shí)用新型裝置能夠同時(shí)測(cè)量同一個(gè)土樣的三條本構(gòu)曲線，保證了它們之間的相容性。

附圖說(shuō)明

圖1為一種測(cè)試非飽和土傳輸特性的試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接示意圖；

圖中，空氣壓縮機(jī)1、第一主管2、第一支管3、第二支管4、儲(chǔ)氣瓶5、第一電磁閥6、第一壓力傳感器7、儲(chǔ)水瓶8、第二電磁閥9、第二壓力傳感器10、第二主管11、裝樣裝置12、上反濾層12.1、下反濾層12.2、含水量傳感器12.3、孔壓傳感器12.4、細(xì)口集水瓶13、電子天平傳感器14、數(shù)據(jù)采集卡15、電腦16、繼電器模塊17、土樣18、止回閥19、直流電源20。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1和圖2所示，一種測(cè)試非飽和土傳輸特性的試驗(yàn)裝置，包括空氣壓縮機(jī)1，所述空氣壓縮機(jī)1輸出端與第一主管2輸入端連接，所述第一主管2輸出端并聯(lián)連接有第一支管3和第二支管4；

所述第一支管3上依次設(shè)有儲(chǔ)氣瓶5、第一電磁閥6和第一壓力傳感器7，所述第二支管4上依次設(shè)有儲(chǔ)水瓶8、第二電磁閥9和第二壓力傳感器10；

所述第一支管3和第二支管4交匯后與第二主管11輸入端連接，所述第二主管11輸出端與裝樣裝置12頂部連接，所述裝樣裝置12底部出口與細(xì)口集水瓶13連接，所述細(xì)口集水瓶13設(shè)于電子天平傳感器14上；

所述裝樣裝置12用于裝入土樣18，其頂部設(shè)有上反濾層12.1，其底部設(shè)有下反濾層12.2，其側(cè)壁預(yù)留孔位置分別設(shè)有含水量傳感器12.3和孔壓傳感器12.4。

優(yōu)選地，所述第一壓力傳感器7、第二壓力傳感器10、含水量傳感器12.3、孔壓傳感器12.4和電子天平傳感器14通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡15與電腦16連接，所述第一電磁閥6和第二電磁閥9通過(guò)繼電器模塊17與電腦16連接。

優(yōu)選地，所述第一支管3和第二支管4上還均設(shè)有止回閥19。

優(yōu)選地，裝樣裝置12為圓筒狀，其側(cè)壁上還設(shè)有阻滲環(huán)。

優(yōu)選地，直流電源20分別與數(shù)據(jù)采集卡15和繼電器模塊17電連接。

本實(shí)施例工作過(guò)程如下：

1)制樣與裝樣：在裝樣室表面涂抹膠凝材料，通過(guò)分層填筑控制土樣飽和度和密實(shí)度，試樣為圓柱形，高12.5cm，直徑6.15cm，用裝樣裝置12制好樣，使阻滲柵和膠凝材料嵌入土柱，阻止水相和氣相沿壁滲流。

2)裝置連接：裝好試樣，在裝樣裝置12的側(cè)壁預(yù)留孔上埋設(shè)含水量傳感器12.3和孔壓傳感器12.4，按照?qǐng)D1的結(jié)構(gòu)圖連接好管道以及其他部分。

3)吸濕過(guò)程模擬：關(guān)閉第一電磁閥6，打開(kāi)第二電磁閥9，通過(guò)空氣壓縮機(jī)1將儲(chǔ)水瓶8中水壓施加在土樣18上，并用電腦16實(shí)時(shí)采集含水量傳感器12.3、孔壓傳感器12.4和電子天平傳感器14的數(shù)據(jù)。根據(jù)含水量傳感器12.3的采集數(shù)據(jù)，判斷濕潤(rùn)鋒是否達(dá)到土樣18底部，通過(guò)電子天平傳感器14的數(shù)據(jù)，判斷吸濕過(guò)程是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4)脫濕過(guò)程模擬：若濕潤(rùn)鋒達(dá)到土樣18底部且滲流達(dá)到穩(wěn)定，打開(kāi)第一電磁閥6，關(guān)閉第二電磁閥9，通過(guò)空氣壓縮機(jī)1將儲(chǔ)氣瓶5中空氣壓施加在土樣18上，并用電腦16實(shí)時(shí)采集含水量傳感器12.3、孔壓傳感器12.4和電子天平傳感器14的數(shù)據(jù)。根據(jù)含水量傳感器12.3的采集數(shù)據(jù)，判斷土樣18水分分布情況，通過(guò)電子天平傳感器14的采集數(shù)據(jù)，判斷脫濕過(guò)程是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5)干濕循環(huán)模擬：待脫濕過(guò)程穩(wěn)定后，打開(kāi)第二電磁閥9，關(guān)閉第一電磁閥6，重復(fù)步驟3)和4)，實(shí)現(xiàn)干濕循環(huán)過(guò)程模擬。

6)數(shù)值反演計(jì)算：根據(jù)采集到的全過(guò)程壓力、含水量分布和滲流量變化，建立土樣數(shù)學(xué)物理模型，給定邊界條件和初始條件，利用編制的Fortran數(shù)值反演計(jì)算程序，計(jì)算并修正得到p_c-S_r、關(guān)系。

7)作土水特征曲線和相對(duì)滲透率曲線：以飽和度S_r為橫坐標(biāo)、以相應(yīng)飽和度S_r下的基質(zhì)吸力p_c、相對(duì)滲透系數(shù)(水相和氣相)為縱坐標(biāo)輸入專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，得到的曲線即為土樣18的非飽和傳輸特性曲線。

上述的實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選技術(shù)方案，而不應(yīng)視為對(duì)于本實(shí)用新型的限制，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征在不沖突的情況下，可以相互任意組合。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求記載的技術(shù)方案，包括權(quán)利要求記載的技術(shù)方案中技術(shù)特征的等同替換方案為保護(hù)范圍。即在此范圍內(nèi)的等同替換改進(jìn)，也在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。