[发明专利]一种非饱和土层总吸力实时测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于土层测量领域，特别涉及一种非饱和土层总吸力实时测量装置及其测量方法。

背景技术

在过去的半个多世纪里，饱和土力学理论飞速发展，并在岩土工程的各个领域里得到了广泛的应用,但人们对于非饱和土的理论与实践却缺乏足够的认识。土在饱和与非饱和状态工程性质具有很大的差别。在我们的实际工程中，人们面临的绝大部分是非饱和形式的土，比如基坑工程、路基工程、边坡工程和环境工程，都会涉及到非饱和土某一方面或多方面的特性。

与饱和土相比，非饱和土除了由固体颗粒、孔隙水、孔隙气等三相组成之外，它在液-气交界面上形成的收缩膜作为第四相考虑，并在交界面上产生了基质吸力，因此，有关非饱和土的研究也就紧密地依赖于基质吸力而展开。研究表明，土体总吸力由基质吸力与渗透吸力组成，而渗透吸力相比基质吸力在总吸力中所占比例较小，通常情况下可以将渗透吸力忽略不计，而此时土体的总吸力即约等于基质吸力。

湿度计法计算非饱和土总吸力已较为成熟，通过测量非饱和土样达到平衡时的相对湿度，采用开尔文公式可以计算相应的总吸力：

式中，ψ_t为土的总吸力(kPa)，R是通用气体常量(8.314J/(mol·K))，T热力学温度(K)，v_wn是水的比容(m³/kg)，ω_i是水蒸气的摩尔质量(18.016kg/mol)，u_v是孔隙水蒸气的分压(kPa)，u_vn是相同温度下自由水的饱和蒸气压(kPa)。因为相对湿度RH等于u_v/u_v0，所以上式可以改写如下：

目前，国内非饱和土力学的研究仍然停留在实验室阶段，缺乏吸力测量的原位测试装置，而直接使用实验室的方法于现场测量具有较大的弊端：测量效率低、测量范围有限、操作难度较大等，难以满足日益增长的工程需求。

发明内容

本发明提出了一种非饱和土层总吸力实时测量装置及其测量方法，其目的在于，克服现有技术中非饱和土层总吸力测量效率低，操作难度较大的问题。

一种非饱和土层总吸力实时测量装置，包括装置外管1、橡胶气囊2、内传输管3以及电子湿度记录仪4，所述内传输管3嵌套在装置外管1中；

所述装置外管1为上下对称设置，依次设有上内室6、中室8及下内室7，各室之间设置有密封隔板10，上内室和下内室与中室之间采用可拆卸连接；其中，上内室和下内室外侧设有橡胶气囊固定槽15，橡胶气囊安装于橡胶气囊固定槽上，且橡胶气囊与内传输管之间设有连通的进气管21，中室外壁上开设有通孔12；

上内室和下内室中各设有一个电子湿度记录仪4，电子湿度仪的湿度探头14穿过隔板10伸进中室8，电子湿度仪的数据线沿内传输管内部与外部仪器相连。

进一步地，所述装置外管和内传输管的上下两端均设有螺纹接口。

进一步地，所述橡胶气囊固定槽为圆环状凹槽。

进一步地，至少包括两套非饱和土层总吸力实时测量装置，相邻装置间通过螺纹接口连接；实现同时对多个地层的测量。

一种利用上述的装置进行非饱和土层总吸力的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：将两根mini-B数据线分别从内传输管上的数据线孔穿过，将T型接口端留在内传输管所处的装置外管的上内室和下内室中，mini-B数据线的USB端从内传输管的上端取出；

步骤二：调试记录仪；

通过USB端口将两根数据线分别与同一台电脑相连接，打开湿度记录仪，并插上T型接口，打开电脑上记录仪配套的软件，进行调试，当电脑已经开始记录数据后，分别拔掉数据线的接口，之后记录仪始终保持工作状态；

步骤三：安装橡胶气囊；

将内传输管插入装置外管中，将两个橡胶气囊安装在上内室和下内室外侧的橡胶气囊固定槽上，将进气管穿过橡胶气囊固定槽上的小孔，通过接头与内传输管上对应的进气管接口相连接；

步骤四：安装记录仪；

将两个电子湿度记录仪分别放入装置外管的上、下内室，把湿度探头从上下内室与中室之间隔板上预留的探头孔伸入外管中段，并用泡沫板和胶带固定；

步骤五：将内管盖通过螺纹接口装在内传输管下端，使内传输管下端保持密闭；

步骤六：放装置入钻孔，对内传输管输气；