一种路基土基质吸力的室内快速自动测试装置及方法

技术领域

本发明属于土壤测试技术领域，涉及一种路基土基质吸力的室内快速自动测试装置及方法。

背景技术

土体为固、液、气三相介质的混合物，三种介质的表面会产生相互作用力，称为基质吸力。这一力已经被表明会显著影响路基土的力学性能，也是20世纪以来，土力学发展的一个重要方向。基质吸力的大小受外界降雨、蒸发、植被吸收等因素影响，处于不确定状态，这对评价路基结构的安全性能不利，因此测试路基土基质吸力的技术至关重要。目前路基土基质吸力的测试场景分为室内试验和室外现场两大类。室外现场测试的手段有很多研究，并有较好的应用。

但对于室内试验而言，对基质吸力的测试设备提出了新的要求：

（1）探头要小。开展室内试验时，往往采用的模型很小、需要埋设的传感器很多，因此，没有大量的空间用来埋设基质吸力测试探头。

（2）测试要快。开展室内试验时，试验周期一般都很短，同时在测试某些工况时需要传感器能够快速获取数据，因此需要基质吸力测试装置能够更快获得试验数据。

目前在进行室内试验时，采用陶土探头进行基质吸力测试，由于陶土的透水性很差，造成土体和探头水气平衡的时间长，一般测试一个准确的基质吸力值的时间在24h左右，这不利于准确测试在降雨等条件作用下基质吸力剧烈变化时的值。也有采用金属探头插入土内通电后获取其介电常数，然后利用内置的介电常数与基质吸力的关系曲线进行换算获得，但介电常数与基质吸力的关系会随土体类型、应力状态等不同而存在差异，导致这一技术测试时每次都需要进行校正。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种路基土基质吸力的室内快速自动测试装置，测试时间快、探头小、自动化程度高，同时解决了气泡在系统内难以去除的问题，提高了测试准确性。

本发明的另一目的是，提供一种土壤基质吸力的快速自动测试方法。

本发明所采用的技术方案是，一种路基土基质吸力的室内快速自动测试装置，包括：

探头，所述探头为空心柱体，探头的侧壁从内至外分别为内透水石层、亲水膜、外透水石层，探头的一端通过底座密封；内透水石层、外透水石层的渗透系数均为亲水膜渗透系数的5~20倍；

水分交换管，所述水分交换管的两端分别与探头未设底座的一端以及储水管密封连接，储水管为密封结构，储水管上方设有注水口；水分交换管包括顺直管段和波纹管段；

排气系统，所述排气系统包括排气管，排气管的一端与探头的内腔连接，排气管的另一端贯穿水分交换管、储水管，与排气水箱连接，排气水箱的内部为负压状态，负压上限为亲水膜的进气值；其中，排气管贯穿储水管的位置为密封连接；

气压测试装置，用于测试储水管内的水分由于被土体的基质吸力吸出而产生的负压。

进一步的，所述波纹管段端口与探头的间距为10cm-30cm，波纹管段的长度为5cm-10cm。

进一步的，所述波纹管段采用异形锯齿状，每个锯齿的夹角为45°-135°，锯齿外凸高度为管道直径的1/2-1/3；所述顺直管段的截面为梅花型。

进一步的，所述排气水箱的顶部与真空泵连接，排气管与排气水箱连接处设有密封阀门。

进一步的，所述排气管采用透明材质制得，直径2-5mm。

进一步的，所述探头的外部设有防护网。

进一步的，所述储水管的底部设有排水口。

进一步的，所述气压测试装置包括数显气压表，数显气压表与储水管之间安装有控制阀。

进一步的，多个所述测试装置的储水管通过固定螺栓固定于固定架上。

一种路基土基质吸力的室内快速自动测试方法，包括以下步骤：

S1，将探头放入无气泡水内饱和0.5-1h；

S2，从注水口向储水管内注入足量的无气泡水，用于排出水分交换管和探头中的空气；

S3，开启排气系统，在排气水箱内负压作用下，水分交换管和探头内部的空气通过排气管排出至排气水箱内，使得储水管的无气泡水充满水分交换管和探头；密封排气管与排气水箱的连接端；

S4，根据试验需求，设置多个基质吸力测试装置，通过固定螺栓固定于同一固定架上，对土体的基质吸力进行测试。

本发明的有益效果是：

（1）本发明实施例采用了透水性好、难透气的亲水膜，透水效果比现有陶土探头好，使得测试时，测试系统达到水气平衡的时间缩短，最终整个测试时间变短；以采用聚醚砜制作的亲水膜为例，其达到水气平衡的时间在2h左右，比传统陶土材料的24h，节约时间90%。

（2）本发明实施例采用数显气压表，可以自动保存过程数据；同时采用排气系统进行自动冲刷气泡，使得操作更为简单，自动化程度高。

（3）本发明实施例通过排气系统进行自动冲刷气泡，同时在水分交换管设置波纹管段，波纹管段内形成特定水流，一方面促进水流出现紊动现场、起到微脉冲作用；另一方面锯齿状的管道刺破大气泡，使其难以大面积聚集，快速去除附着在管道内壁上的气泡，克服了气泡在系统内难以去除的问题。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2a是本发明实施例中探头的结构示意图。

图2b是本发明实施例中防护网的结构示意图。

图3a是本发明实施例中顺直管段和排气管的截面图。

图3b是本发明实施例中波纹管段的结构示意图。

图4是本发明实施例的安装示意图。

图中，1.固定架，2.注水口，3.储水管，3-1.水箱，4.隔绝塞，5.密封阀门，6.排水口，7.控制阀，8.数显气压表，9.水分交换管，10.排气管，11.探头，12.真空泵，13.底座，14.内透水石层，15.亲水膜，16.外透水石层，17.固定螺栓，18.土体，19.波纹管段，20.防护网，21.排气水箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

实施例1，

一种路基土基质吸力的室内快速自动测试装置，如图1所示，包括注水口2、储水管3、水分交换管9、探头11、气压测试装置和排气系统。

水分交换管9的两端分别与探头11和储水管3密封连接，储水管3为密封结构，储水管3的上方设有水箱3-1，水箱3-1顶部设有注水口2，通过注水口2往储水管3内加入无气泡水；储水管3用于储存测试过程中装置需水，基于分节思想，可以根据试验时长，选择多级储水管（包括一级储水管和二级储水管），试验时间短时采用一级储水管即可。

排气系统包括排气管10，排气管10的一端与探头11的内腔连接，排气管10的另一端贯穿水分交换管9、储水管3，与排气水箱21连接，排气水箱21的内部为负压状态，排气水箱21的顶部与真空泵12连接；其中，排气管10贯穿储水管3的位置为密封连接，排气管10与排气水箱21连接处设有密封阀门5。在装置准备阶段，拧开排气管10端口的密封阀门5，连接排气水箱21，抽吸几次无气泡在排气水箱21中出现即断开连接，关闭密封阀门5。

排气水箱21的内部为负压上限为亲水膜15的进气值，超出这一压力会导致系统外部的空气通过亲水膜15进行系统，导致系统内有源源不断的空气无法排尽。

排气管10采用透明尼龙管，直径2-5mm，过小，则要求更高的制作工艺同时不利于空气的快速排出；过大，则会减小水分交换管9的空间，影响其内部水分的快速流动。水分交换管9采用透明尼龙管制作，直径3-10mm，过小，则要求更高的制作工艺，同时不利于放置排气管10；过大，则会进一步加大探头11尺寸，同时需要排放的气体也更多。

水分交换管9包括顺直管段和波纹管段19，顺直管段的截面为梅花型，由四个半圆构成，该结构可以促进水流流动，如图3a所示；波纹管段19端口与探头11的间距为10cm-30cm，波纹管段19的长度为5cm-10cm。

如图3b所示，波纹管段19采用异形锯齿状，每个锯齿的夹角α为45°-135°，锯齿外凸高度h为管道直径的1/2-1/3。

波纹管段19作用是：在排除水分交换管9内空气时，有些气泡可能由于水、气界面作用力会附着在管壁上，设置波纹管段19后，在排气系统作用下，水分由储水管3内流向水分交换管9进入探头11，然后进入排气管10最后进入排气水箱21；水流在经过波纹管段19时，一方面，由于波纹的设置，水流条件会发生急剧变化，出现紊动现象，形成特定水流，对管内形成局部的强化脉冲作用，促使管内附着气泡及时排出。另一方面，锯齿结构刺破大气泡，使其无法大面积聚集，快速解决附着在管道内壁上的气泡。波纹管段19的锯齿外凸高度太大或者太小，均难以形成特定水流。波纹管段19的长度过短，无法形成特定水流；过长，会造成流体过于紊乱，在后续测试中会影响试验结果。波纹管段19端口与探头11的间距如果太远，则对探头11内气体的排出没有效果，太近则在更换探头11时可能会被裁剪掉。此外，装置埋入土体18后、受土体18应力作用对水分交换管9产生拉伸、挤压变形时，波纹管段19提供一定的柔性空间来抵消此变形。

气压测试装置，用于测试储水管3内的水分由于被土体18的基质吸力吸出而产生的负压。如图1所示，包括数显气压表8，数显气压表8用于监测装置内的气压（基质吸力）变化，安装在储水管3上。数显气压表8与储水管3之间安装有控制阀7；在排气阶段，关闭控制阀7，避免抽真空时，出现气压波动，影响数显气压表8表的寿命。为了提高结果的准确性，应该消除重力对基质吸力

式中：

如图2a-2b所示，探头11为空心柱体，探头11的侧壁从内至外分别为内透水石层14、亲水膜15、外透水石层16，亲水膜15固定于内透水石层14和外透水石层16之间，探头11的一端通过底座13密封；水分交换管9的一端与探头11未设底座13的一端密封连接。安装时，首先将亲水膜15放置在外透水石层16内，再将内透水石层14放入，将亲水膜15固定在两层透水石之间，然后连接水分交换管9和排气管10并密封；探头11的外部设有防护网20。内透水石层14、外透水石层16的渗透系数均为亲水膜15渗透系数的5~20倍，保证在一定气压作用下仅水分穿过亲水膜15，而且水分能快速通过；内透水石层14、外透水石层16的渗透系数过大，则会导致亲水膜15承受过多的水压，会影响膜的耐久性；反之，渗透系数过小，则无法满足亲水膜15做水分交换时的水量。

初始状态时，探头11是被水饱和的，通过水分交换管9与储水管3连接；当埋入土样内后，在土样中的基质吸力作用下，探头11中的水分被渗出进入土样内，水分交换管9就会从储水管3中不断吸取水分来补充探头11水分，直到储水管3内由于失水产生的真空压力与基质吸力一致时才停止水分交换；同理，当土样的基质吸力小于储水管中的真空压力，水分也会被探头11从土样中吸走，通过水分交换管9进入储水管3。

陶土为疏水性材料同时又十分致密，陶土的透水性很差，造成土体和探头水气平衡的时间长；本发明实施例采用的纤维膜为亲水性材料，可以在不透气的前提下快速透水使得水气平衡时间减短。利用亲水膜15（亲水纤维膜）在一定压力范围内只透水不透气的特性，用其将装置内的水和外界隔离开来，当探头11置于土体18内部时，土体18由于各项介质界面作用产生的基质吸力就会对纤维膜产生一个吸力，系统内的水分就会被吸出，由于系统是密封的，水分丢失就会造成对应的负压，这一负压与土样基质吸力相等，通过气压表即可读出；储水管3为竖直设置或倾斜设置，保证储水管3顶部因失水产生的负压区域不进入水分交换管9。

如图4所示，多个测试装置的储水管3通过对开的固定螺栓17固定于固定架1上，固定的位置可以根据安装的便利性进行选取即可，无特殊要求。便于保持所有测试装置位于统一工程，消除部分重力对测试结果的影响；同时便于管理。

实施例2，

一种路基土基质吸力的室内快速自动测试方法，包括以下步骤：

S1，按照如图1所示进行组装，将探头11放入无气泡蒸馏水内饱和0.5~1h。

S2，从注水口2向储水管3内注入足量的无气泡蒸馏水，用于排出水分交换管9和探头11中的空气；实施例中，无气泡蒸馏水的水量为储水管3体积的2/3。

S3，开启真空泵12，在排气水箱21内负压作用下，水分交换管9和探头11内部的空气通过排气管10排出至排气水箱21内，使得储水管3的无气泡蒸馏水充满水分交换管9和探头11；关闭密封阀门5，密封排气管10与排气水箱21的连接端；将真空泵12撤走，储水管3的底部设有排水口6，为了装置使用完毕后，迅速排出储水管内的水。

S4，如图3所示，根据试验需求，设置多个基质吸力测试装置，通过固定螺栓17固定于同一固定架1上，对土体18的基质吸力进行测试。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。