[发明专利]一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于非饱和土研究领域，具体涉及一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的装置及方法。

背景技术

滤纸法起源于土壤学，1937年Gardner将此方法应用于非饱和土中测量基质吸力。目前滤纸法测量非饱和土基质吸力的方法并没有其他测量方式(压力板仪、离心机、湿度计)操作成熟。此方法是基于热力学平衡理论，即含水率不同的土样和干燥的滤纸在密闭的环境中存在不同的自由能差，因此会进行水分迁移，当达到平衡后，土与滤纸中的自由能差为零，水分不再迁移，土-滤纸-蒸汽平衡过程必须在密闭恒温的环境下进行。将滤纸与土样直接接触，土体中水分和溶质均可以进入滤纸中，最终二者达到平衡，可测试基质吸力；当滤纸不与土体直接接触时，只有土中的水分进行蒸发进入滤纸，而溶质则无法进入滤纸，可测总吸力。土-水特征曲线(SWCC)是描述土中含水率与基质吸力的关系。目前在ASTM D5298-10中对于对此方法做出了简要的阐述，使用的装置是采用密封罐创造密封条件，称量滤纸是放在铝盒或者保鲜袋中，但经过多次试验证明，密封罐很难达到完全密封的效果且不便于操作，称量滤纸使用铝盒或保鲜袋会由于基数过大而造成测量不准。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的装置及方法，实验装置则是改善密封条件，为实验提供一种可以完全密封的环境，操作方法则是一种可降低称量误差的称量方式，进而更准确地完成对于吸力的测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的装置，包括用于装载待测土样的两个环刀，两个环刀对接且对接处设置有滤纸，两个环刀及土样被锡箔纸完全包裹，锡箔纸外部均匀涂覆有石蜡。

滤纸包括测量滤纸以及设置在测量滤纸上下两面的保护滤纸，两保护滤纸均完全覆盖测量滤纸。

两个环刀的接口处缠绕有用于固定环刀与滤纸的电工胶带。

一种滤纸法测量非饱和土基质吸力的方法，包括如下步骤：

1)将烘干后的环刀土样称重，计算干土质量，并两两一组，将其含水率控制至目标含水率后，用保鲜袋包裹后在保湿器中放置至环刀土样内水分均匀；

2)从干燥器中取出一张测量滤纸进行称重，并记录数据，再从干燥器中取两张保护滤纸，将已称重的滤纸放在两张保护滤纸中间，然后将保护滤纸和测量滤纸放在经步骤1)处理后的两个环刀土样之间，两个环刀的开口对接，然后用电工胶带在环刀的接口处缠绕紧固，将土样和滤纸固定在一起；

3)采用锡箔纸将步骤2)中的环刀土样完全包裹，并在锡箔纸外表均匀涂敷石蜡进行密封后，将封好的环刀土样贴好标签放在20±0.5℃温度的恒温箱中；

4)达到预估平衡时间后，用剪刀从侧壁拆除石蜡与锡箔纸，将上部土样抬起，取出测量滤纸进行称重，然后对平衡后土样的质量进行称量；

5)根据平衡后的土样质量计算含水率，根据测量滤纸的含水率计算吸力。

步骤1)中的控制含水率采用减湿时，先将环刀放入真空饱和仪中将土样在-0.1MPa真空条件下进行饱和后再自然风干至目标含水率；控制含水率采用增湿时，采用滴水法配水至目标含水率。

步骤1)中放置时间为3天以上。

步骤2)中采用分析天平直接对测量滤纸进行称重；且称重时间控制在5s以内。

步骤4)中使用镊子夹取测量滤纸，并使用分析天平进行称重，且称重时间控制在5s以内；平衡后土样的称重为将土样竖起来放在天平上称量。

步骤4)的平衡时间为4～12天，土样的目标含水率越低平衡时间越长。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，采用了锡箔纸和石蜡代替密封罐，联合创造实验密封环境，锡箔纸是为防止取出滤纸时对土样造成损坏，达到了更为精准的效果，相比于ASTM的铝盒称量或者保鲜袋称量均操作便捷，且称量误差小，尤其是在滤纸高含水率(即低吸力)的情况下大大提高的试验测试的精度。

进一步的，从侧壁有环刀保护的部位用剪刀开始拆起，能够有效的防止拆封时对土样有损伤，切勿从土样的顶部或者底部开拆；土样在高含水率下如果采用锡纸包裹可能剐蹭少量土屑，应对每次损失的土样进行称量，精确确定土样含水率。

进一步的，在同一土样含水率的情况下，随着时间的推移，滤纸含水率先增长最后趋于平稳，在含水率为10％的土样中，ASTM D5298-10的7天平衡时间不能使得滤纸含水率平衡，因此本发明设定了含水率与平衡时间的范围，使测试更加准确。