[发明专利]非饱和土壤的吸应力测量装置

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种测量土壤的吸应力(suction stress)的装置，更具体地说，本发明涉及一种测量吸应力特征(suction stress characteristic)的非饱和土壤的吸应力测量装置，该吸应力特征用来评估土壤的应力状态并针对基于含水量的地基强度进行预测及评估。

而且，现有地基结构物设计仅以饱和土及干燥土为对象进行设计并且以支撑力小于非饱和状态时的状态设计而导致过度设计并浪费成本的问题，本发明为了解决现有技术的上述问题而提供非饱和土壤的吸应力测量装置，该装置能够准确轻易地测量非饱和土壤的吸应力以求得非饱和土壤的吸应力特征曲线(Suction Stress Characteristic Curve；SSCC)。

并且，现有的吸应力测量方法为了求得非饱和土壤的吸应力特征曲线(SSCC)而利用不同的个别测量装置与方法求得土壤的基质吸力(matric suction)与体积含水量(volumetric water content)并且利用各测量值进行演算后求得吸应力而使得其测量过程非常繁杂不便，本发明为了解决现有技术的上述问题而提供非饱和土壤的吸应力测量装置，该装置以能够利用单一装置同时测量非饱和土壤的基质吸力与体积含水量地构成而得以轻易地求得非饱和土壤的吸应力特征曲线(SSCC)。

【背景技术】

泥土通常可以根据地下水位位置、降雨渗透等因素而区分为饱和土、非饱和土及干燥土，从过去到现在为止，设计地基结构物时主要以饱和土及干燥土为对象进行了地基结构物的设计。

这是因为，把自然地基视为饱和状态时，不仅能够比较简单地进行稳定解析，而且饱和状态的地基由于应力比非饱和状态小而以支撑力较小的状态地进行安全设计，但是在这种情形下会导致过度设计而浪费成本。

更进一步，由于实际地基不是饱和土的情形较多，因此很难使用古典的饱和土概念与原理合理地解释及预测实际地基上发生的现象与举动，从而导致很多问题。

更具体地说，非饱和土是干燥土(dry soil)与饱和土(saturated soil)的中间领域，也称为局部饱和土(partially saturated soil)，该非饱和土所呈现出的举动特性无法由古典饱和土理论说明。

因此，为了理解非饱和地基的举动(behavior)，最重要的是准确地算出土水特征曲线(Soil Water Characteristic Curve,SWCC)、非饱和渗透系数、非饱和剪切强度之类的非饱和地基参数(Soil Parameter)。

在此，理解非饱和土的举动时最重要的因素是土水特征曲线(SWCC)，该土水特征曲线(SWCC)的定义可以由含水比或饱和度与基质吸力的关系或应力状态变量规定。

而且在土水特征曲线(SWCC)中，吸应力可定义为基质吸力与体积含水量的乘积，吸应力特征曲线(Suction Stress Characteristic Curve；SSCC)则表示该吸应力与基质吸力或体积含水量的相关关系，是一种评估非饱和土的应力状态的重要指标。

因此，为了求得该土壤的吸应力而需要知道基质吸力与体积含水量，为了求得体积含水量而测量土壤的水分含量，即测量土壤的含水率的方法主要分为直接法与间接法。

更具体地说，直接法是从土壤试剂干燥前后的重量差求得水分含量的方法，间接法是另行利用中子应用法、TDR(Time Domain Reflectometry)法、干湿球(Psychrometry)法等测量装置的方法。

在此，从中子水分测量仪的中子放射源(放射能源)出来的中子由于和土壤内各种原子碰撞散射而成为慢中子(Slow Neutron)时不会继续损失能量而会在土壤内扩散，其中，能让快速中子变成慢速中子的最有效元素是其原子核的尺寸与质量相似于中子的氢原子，中子法(Neutron Scattering)利用土壤内的土壤水分减少时氢原子的减少量最多的原理而以放射能探测器(Detector)检测慢速中子并加以数字化后测量体积水分含量。

前述中子法虽然能够简便迅速地以非破坏方式随时测量同一地点的各深度的水分含量，但中子水分测量仪(Neutron Moisture Meter)的价格高昂并且存在着放射线的危险。