[发明专利]一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置及其试验方法

说明书

本发明公开了一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置，包括叠式压力板仪、截水瓶、电导仪、数据采集板、压阻式传感器、气源和调压阀门，所述叠式压力板仪包括数个由陶土板底座分隔而成的压力室，所述截水瓶通过管路连接至排水口，并且所述截水瓶置于压阻式传感器上，所述电导仪的探头置于截水瓶内，所述调压阀门的输入端通过管路密封连接至气源，其试验方法包括以下步骤，装样、加压、测试、计算。通过叠式压力板仪结合压阻传感器、电导仪能够对非饱和土水特征曲线测试中，土样内部的盐分变化实现精确测量，可以建立岩土体非饱和状态下水盐运移规律的定量化方程，为解决非饱和盐渍土以及非饱和高含盐量土的强度分析提供指导。

技术领域：

本发明属于水盐迁移试验技术领域，尤其是涉及一种基于土水曲线研究非饱和盐分迁移规律的室内试验装置及其试验方法。

背景技术：

土体孔隙水是一种成分复杂的化学溶液，土中水盐运移过程中将发生一系列复杂的作用，如较高含水量的较大孔隙中的毛细凝聚作用，低含水量的表面水化、阳离子交换的水化、分子扩散、膨胀性粘土矿物的渗透层膨胀、水动力机械弥散作用以及结晶盐－盐溶液相变。土壤水盐运移过程和运移机理研究一直是岩土工程领域的研究热点问题之一，受到广大学者关注：牛玺荣、杨含建立了盐渍土的水热迁移方程、水盐迁移方程；张军艳提出渗流扩散混合迁移是盐分迁移的主要形式，温度变化是盐分迁移的主要因素；曹福贵通过室内外试验研究，得出路基水、热、盐、力四场之间是相互影响的，并修正了热流方程和水分迁移方程。然而盐渍土水-热-盐-力多场耦合分析中，吸力作为非饱和土的一个重要应力变量并没有予以充分考虑。

土体孔隙水溶质的化学成分(即盐分)种类及含量不同将显著影响微观尺度的土固体颗粒与孔隙水间的物理化学作用，进而宏观上影响土体的物理力学行为。其中，盐分是一个活跃而敏感的因素，在某种程度上，可以说盐是水运动的加速剂和指示剂。盐分在土体孔隙盐溶液中随着水分迁移而迁移，并在环境温度及相对湿度等因素影响下随土体含水量变化在岩土体内部及表面发生溶解、积聚，结晶膨胀等相态的改变，造成岩土体工程力学性质劣化，引起大量盐胀、盐风化及溶陷等工程病害。因而，以吸力作为一个应力变量，来考虑非饱和土中的盐分的运移规律十分必要，为研究非饱和盐渍土中水-热-盐-力多场耦合分析提供知识储备基础。

土壤孔隙水发生吸附和保留主要由两种机制作用：(1)短程物理化学机制,包括低含水量的表面水化、交换性阳离子的水化和膨胀性粘土矿物的渗透层膨胀；(2)在较高含水量的较大孔隙中的毛细凝聚。控制水合体系的吸附和保留的因素主要与矿物表面的性质有关,包括矿物学、比表面积(SS)、阳离子交换能力(CEC)和交换性阳离子类型。控制毛细管中的吸附和保留的因素主要与大尺度孔隙和颗粒织物的性能有关,包括孔径、孔径分布和孔隙连接性。而孔隙水溶液中盐分的加入势必极大地影响以上各种物理化学作用的机制。

土壤持水曲线(SWRC)是描述非饱和土中吸力与饱和度或体积含水率之间关系的曲线，是理解土壤水分含量及其相关的能量之间基本关系的关键,它能够反映非饱和土的众多性质如渗透性、强度、土体内水分迁移规律等。同时，作为解释非饱和土行为的一项基本结构关系，土-水特征曲线是将理论、试验及预测方法有机结合的重要关系之一，也是构筑非饱和土各种重要关系的基础。

土的持水性能是土体的重要特性之一，能够反映土体中孔隙水变化的难易程度。研究非饱和盐渍土的持水性能是研究非饱和土中的水-盐-气存在形态以及迁移规律的基础，也是研究非饱和土中各相之间的细观现象与土的客观特性的纽带。土的持水曲线(SWRC)作为评价土体持水性能的重要指标，更是一项可以解释非饱和盐渍土盐分运移规律的重要研究基础手段，故而成为本发明的核心技术思想之一。