[发明专利]一种保持试验土体的饱和度恒定的装置

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程土工试验领域一种非饱和土的试验装置，特别是涉及一种保持非饱和土的饱和度恒定的试验装置。

背景技术

天然土体是一种复杂的三相材料体系，其中土颗粒形成固体土骨架，土骨架空隙之间充满了液体和气体，当骨架之间的空隙全部为液体充满，则形成饱和土；如果土体内部的孔隙部分被液体充满，则为非饱和土。非饱和土是一种由土颗粒及不相混溶流体(如水——气、水——油、水——污染物等)组成的非均质多孔介质材料，它广泛分布在土质边坡、土石坝、路基填土、垃圾填埋场及干旱——半干旱地区之中。随着国民经济对交通需求不断提高，公路、铁路建设日益扩大，细粒土（粉质土和粘质土）、膨胀土、黄土及湿陷性土等非饱和土作为路基材料也逐渐增多。近些年来，随着我国经济的快速发展以及人类社会改造活动的加剧，越来越多与非饱和土有关的工程问题有待解决。

修筑在非饱和土地区的路基工程、水利工程及市政工程等，由于受到诸如气候等因素影响，浅层非饱和土工程性质产生变化，表现为构筑工程中水、热分布变化。这种变化对工程稳定性有重大影响，常导致路基工程出现沉陷、纵胀、水沟失陷等病害，水利工程出现冻胀、塌岸、砌体开裂等病害，市政工程出现冻胀、沉陷、网裂等病害。病害原因是土中含水量增大产生湿陷，强度降低，冻融使土自身体积变化，阴阳面上水、热差异引起变形差异等，影响浅层非饱和土工程稳定性主要指标是含水量和温度。

为了准确掌握具有某种土体饱和度的非饱和土对路基工程、水利工程等工程稳定性的影响，人们需要以该非饱和土为实验对象进行土体固结、粘弹性等水力参数的试验。在进行土体的各项试验过程当中，由于环境温度的变化会导致土体中水分的流失，从而导致土体饱和度发生变化，影响试验结果的准确性。因此，在实验过程中保持土体饱和度恒定就显得非常重要。

为了保持土体饱和度恒定，现有技术中一般采用直接向试验土体中添加水以保持土体饱和度的做法。但是，这种做法具有较大的随意性，土体饱和度不够稳定，从而不利于获得准确的实验结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种保持试验土体的饱和度恒定的实验装置，以克服现有技术中保持土体饱和度的随意性，提高试验的准确程度。

本发明人通过大量的实验发现：

1、土体水分蒸发的物理过程

土体水分蒸发持续进行的条件是：经常有热量到达土面，提供水分汽化所需的汽化热；土面水汽压高于大气水汽压；土面能持续得到土内水分。根据各种形态水分的运动情况，土体水分蒸发过程分三个阶段： 

①毛细管运行阶段，当土体湿润时，水充满土体内部孔隙，水分通过毛细管作用，不断快速地向地表运行，水分在地表汽化、扩散，土体水分蒸发强烈。 

②薄膜运行阶段，当蒸发耗水使土体含水量降低，小于毛细管水断裂含水量时，毛细管水断开，毛细管传导作用停止，土体水分则以薄膜水形式，由水膜厚的地方向水膜薄的地方运动。由于这种运动缓慢，水分蒸发明显减弱。此时，蒸发不仅在地表进行，土体内部水分也可汽化，并经土体孔隙向大气扩散。 

③扩散运行阶段，当土体含水量降低，接近凋萎系数时，土体水分由底层向土面的薄膜运动已基本停止,地表土体内只有气态水进行扩散,蒸发率甚小。 

2、土体水分蒸发的影响因素

除影响水面蒸发的相同因素外，尚有土体含水量、地下水埋深、土体结构、土体色泽、土体表面特征等。 

①当土体含水量接近饱和时，由于不规则的土体颗粒构成了较大的总的蒸发面，蒸发机会比水平面积相同的自由水面的蒸发机会多。土体表层3～5厘米范围内含水量对蒸发起决定性作用，往下影响较小。 

②如果地下水埋深小，潜水位经常保持在毛细管作用范围内，则土体含水量能持久地得到补充，蒸发均匀；反之,如果地下水埋深大,则蒸发率减小的变化幅度大。 

③团粒结构的土体，蒸发量小；非团粒结构的土体，蒸发量大。 

④土体色泽改变土体表面反射率，从而影响蒸发，土体颜色愈深，蒸发量愈大。棕色土体的蒸发量比白色的大19%，黑色土体的蒸发量比白色的大32%。 

⑤土体表面特征影响风的紊动作用，粗糙地面的蒸发量比平滑地面的大；地形高处风速大,高地蒸发量比盆地的大；地表坡向不同，影响吸收辐射，蒸发量也有所不同。