[实用新型]一种土水特征和电阻率联合测试装置

说明书

技术领域

本实用新型属于土壤电阻率及土水特征曲线测定技术领域，涉及一种土水特征和电阻率联合测试装置。

背景技术

西北地区的黄土多为非饱和土，其中非饱和土的水敏性、渗透性、非饱和特性决定着黄土的强度和变形特性。黄土的强度、变形特性是黄土高填方工程、边坡工程、隧洞工程、基坑工程等最为关注的力学特性。因此，深入了解黄土的上述物理特性是目前解决黄土力学及工程问题的核心所在，然而目前研究黄土的物理力学特性手段略显单一，本实用新型试图将黄土的电导率特性和土-水特征等引入到一个测试系统中，来更深层次的揭示黄土的上述特性，并能够从土壤电阻率的细观角度来了解黄土的水分迁移规律和结构演化特征，将电阻率演化规律与黄土的土-水特征建立关系，从而实现通过直接测试土壤电阻率来获取土的力学参数这一过程，为黄土的细观行为开避一个新的方法。

黄土的导电性涉及两个不同过程，通过孔隙水导电与颗粒表面导电。因而有两个主要参数控制了土体导电性能的大小：(1)孔隙水的含盐量与饱和度；(2)颗粒表面吸附特征与颗粒之间的连结特性。土的电阻率(ρ)是土体导电能力大小的量度，土体三相组成中，孔隙水、颗粒、结构共同决定了土的电阻率。当孔隙水成分一定时，则取决于饱和度和土的结构。也有用土的电导率(σ)来衡量土导电性能的强弱，电导率定义为：σ＝1/ρ。

大量已有的研究成果表明，土壤电阻率与土壤水分含量、盐分含量、环境温度、土体内部的阴阳离子组分、孔隙比等有关，对于同种性质的黄土来说(这里指颗粒组成不变、孔隙水化学成分不变或变化极小、外界温度不变等)，其电阻率大小主要取决于含水率的变化，而吸力大小也取决于含水率大小。因而黄土的电阻率与其吸力之间必然存在一定的内在联系，若能通过室内试验获得黄土的吸力与其电阻率之间的函数关系，则可利用土的电阻率相关指标来预测吸力大小，从而可达到简化非饱和土吸力测试的目的，进而推进黄土地区高填方工程、隧道工程、边坡工程、地基基础工程等的发展与实际应用，为后期原位监测仪器的研发提供一套新的机理性探索和一个新的途径。

归根结底，土壤电阻率与土体的初始饱和度有关，初始饱和度反映了土体内部初始含水率和孔隙比(干密度)情况，当土体发生变形时，土体内部的水分、气体、土颗粒之间的滑动、摩擦等过程都可以通过连续测试土体的体积含水率、电阻率、基质吸力的演化过程来获取。大量研究结果表明，当土体的干密度不变时，土体的含水率升高引起孔隙中水分增多，则土体的整体导电性增强，电阻率迅速降低，土体颗粒之间的吸力也迅速降低，反之亦然；当土体的干密度增大时，土体中气体含量减小，土体颗粒间距减小，土体颗粒接触面增多，其导电性增大，电阻率降低，干密度直接反映土的密实程度，土体越密实，土体中的孔隙越少，土颗粒之间结合越紧密，相应的基质吸力变大，但土体结构发生变化下，电阻率的变化相对较小。因此，电阻率综合反映了土体内部水分、气体和土颗粒之间的空间组合关系，而基质吸力也反映了上述三相或四相的空间组合关系，二者必然存在一定的关联，因此，理论上建立二者的关系是极有可能的。

非饱和土分布十分广泛，几乎所有的岩土工程问题都会遇到非饱和土强度及变形问题。吸力是非饱和土力学理论体系的基础和核心概念，同样也是研究非饱和土工程性质的一项很重要的参数。凡是涉及到非饱和土的强度、变形问题，如天然土坡、路堤及土坝的稳定性问题，膨胀土、黄土、红黏土等地基变形以及由此而引发的建筑物基础下沉、墙体开裂等破坏的问题，吸力这一参数都有着非常广泛的应用前景。因此，正确预测吸力是用非饱和土力学解决生活及工程实际问题不可或缺的前提。吸力的获取可以通过试验量测和计算获得。在室内试验中，准确量测吸力对试验人员的规范操作要求较高，并且试验所需要的时间较长，此外，非饱和土的试验设备昂贵，拥有此设备的单位又比较少；至于吸力的现场量测则尤为困难，然而在世界范围内积累的实测资料也很少；吸力的计算需要涉及到现阶段仍不太成熟的非饱和土的固结理论。由于吸力的量测与计算的困难限制了非饱和土理论的实际应用，所以这也是非饱和土力学长期以来发展迟缓的一个重要原因。

确定黄土的土-水特征曲线通常用实验和理论推导的黄土土-水特征曲线测量方法很多。常见的土-水特征曲线测试方法有：轴平移技术法(如Tempe仪、压力板仪和改进的三轴仪)；张力计法；热电偶湿度计法；滤纸法；冷镜湿度计法；恒湿箱法等等。同时控制和测量含水量和吸力的方法主要采用上述的吸力测量技术与如下的含水量测量方法:液体流入和流出体积和质量的测量方法；时域反射方法(TDR探头)；电介质湿度探头法(ECHO探头)。