本發(fā)明屬于非飽和土研究領(lǐng)域，具體涉及一種濾紙法測(cè)量非飽和土基質(zhì)吸力的裝置及方法。

背景技術(shù)：

濾紙法起源于土壤學(xué)，1937年Gardner將此方法應(yīng)用于非飽和土中測(cè)量基質(zhì)吸力。目前濾紙法測(cè)量非飽和土基質(zhì)吸力的方法并沒(méi)有其他測(cè)量方式(壓力板儀、離心機(jī)、濕度計(jì))操作成熟。此方法是基于熱力學(xué)平衡理論，即含水率不同的土樣和干燥的濾紙?jiān)诿荛]的環(huán)境中存在不同的自由能差，因此會(huì)進(jìn)行水分遷移，當(dāng)達(dá)到平衡后，土與濾紙中的自由能差為零，水分不再遷移，土-濾紙-蒸汽平衡過(guò)程必須在密閉恒溫的環(huán)境下進(jìn)行。將濾紙與土樣直接接觸，土體中水分和溶質(zhì)均可以進(jìn)入濾紙中，最終二者達(dá)到平衡，可測(cè)試基質(zhì)吸力；當(dāng)濾紙不與土體直接接觸時(shí)，只有土中的水分進(jìn)行蒸發(fā)進(jìn)入濾紙，而溶質(zhì)則無(wú)法進(jìn)入濾紙，可測(cè)總吸力。土-水特征曲線(SWCC)是描述土中含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系。目前在ASTM D5298-10中對(duì)于對(duì)此方法做出了簡(jiǎn)要的闡述，使用的裝置是采用密封罐創(chuàng)造密封條件，稱(chēng)量濾紙是放在鋁盒或者保鮮袋中，但經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)證明，密封罐很難達(dá)到完全密封的效果且不便于操作，稱(chēng)量濾紙使用鋁盒或保鮮袋會(huì)由于基數(shù)過(guò)大而造成測(cè)量不準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種濾紙法測(cè)量非飽和土基質(zhì)吸力的裝置及方法，實(shí)驗(yàn)裝置則是改善密封條件，為實(shí)驗(yàn)提供一種可以完全密封的環(huán)境，操作方法則是一種可降低稱(chēng)量誤差的稱(chēng)量方式，進(jìn)而更準(zhǔn)確地完成對(duì)于吸力的測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種濾紙法測(cè)量非飽和土基質(zhì)吸力的裝置，包括用于裝載待測(cè)土樣的兩個(gè)環(huán)刀，兩個(gè)環(huán)刀對(duì)接且對(duì)接處設(shè)置有濾紙，兩個(gè)環(huán)刀及土樣被錫箔紙完全包裹，錫箔紙外部均勻涂覆有石蠟。

濾紙包括測(cè)量濾紙以及設(shè)置在測(cè)量濾紙上下兩面的保護(hù)濾紙，兩保護(hù)濾紙均完全覆蓋測(cè)量濾紙。

兩個(gè)環(huán)刀的接口處纏繞有用于固定環(huán)刀與濾紙的電工膠帶。

一種濾紙法測(cè)量非飽和土基質(zhì)吸力的方法，包括如下步驟：

1)將烘干后的環(huán)刀土樣稱(chēng)重，計(jì)算干土質(zhì)量，并兩兩一組，將其含水率控制至目標(biāo)含水率后，用保鮮袋包裹后在保濕器中放置至環(huán)刀土樣內(nèi)水分均勻；

2)從干燥器中取出一張測(cè)量濾紙進(jìn)行稱(chēng)重，并記錄數(shù)據(jù)，再?gòu)母稍锲髦腥蓮埍Ｗo(hù)濾紙，將已稱(chēng)重的濾紙放在兩張保護(hù)濾紙中間，然后將保護(hù)濾紙和測(cè)量濾紙放在經(jīng)步驟1)處理后的兩個(gè)環(huán)刀土樣之間，兩個(gè)環(huán)刀的開(kāi)口對(duì)接，然后用電工膠帶在環(huán)刀的接口處纏繞緊固，將土樣和濾紙固定在一起；

3)采用錫箔紙將步驟2)中的環(huán)刀土樣完全包裹，并在錫箔紙外表均勻涂敷石蠟進(jìn)行密封后，將封好的環(huán)刀土樣貼好標(biāo)簽放在20±0.5℃溫度的恒溫箱中；

4)達(dá)到預(yù)估平衡時(shí)間后，用剪刀從側(cè)壁拆除石蠟與錫箔紙，將上部土樣抬起，取出測(cè)量濾紙進(jìn)行稱(chēng)重，然后對(duì)平衡后土樣的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量；

5)根據(jù)平衡后的土樣質(zhì)量計(jì)算含水率，根據(jù)測(cè)量濾紙的含水率計(jì)算吸力。

步驟1)中的控制含水率采用減濕時(shí)，先將環(huán)刀放入真空飽和儀中將土樣在-0.1MPa真空條件下進(jìn)行飽和后再自然風(fēng)干至目標(biāo)含水率；控制含水率采用增濕時(shí)，采用滴水法配水至目標(biāo)含水率。

步驟1)中放置時(shí)間為3天以上。

步驟2)中采用分析天平直接對(duì)測(cè)量濾紙進(jìn)行稱(chēng)重；且稱(chēng)重時(shí)間控制在5s以?xún)?nèi)。

步驟4)中使用鑷子夾取測(cè)量濾紙，并使用分析天平進(jìn)行稱(chēng)重，且稱(chēng)重時(shí)間控制在5s以?xún)?nèi)；平衡后土樣的稱(chēng)重為將土樣豎起來(lái)放在天平上稱(chēng)量。

步驟4)的平衡時(shí)間為4～12天，土樣的目標(biāo)含水率越低平衡時(shí)間越長(zhǎng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果，采用了錫箔紙和石蠟代替密封罐，聯(lián)合創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)密封環(huán)境，錫箔紙是為防止取出濾紙時(shí)對(duì)土樣造成損壞，達(dá)到了更為精準(zhǔn)的效果，相比于ASTM的鋁盒稱(chēng)量或者保鮮袋稱(chēng)量均操作便捷，且稱(chēng)量誤差小，尤其是在濾紙高含水率(即低吸力)的情況下大大提高的試驗(yàn)測(cè)試的精度。

進(jìn)一步的，從側(cè)壁有環(huán)刀保護(hù)的部位用剪刀開(kāi)始拆起，能夠有效的防止拆封時(shí)對(duì)土樣有損傷，切勿從土樣的頂部或者底部開(kāi)拆；土樣在高含水率下如果采用錫紙包裹可能剮蹭少量土屑，應(yīng)對(duì)每次損失的土樣進(jìn)行稱(chēng)量，精確確定土樣含水率。

進(jìn)一步的，在同一土樣含水率的情況下，隨著時(shí)間的推移，濾紙含水率先增長(zhǎng)最后趨于平穩(wěn)，在含水率為10％的土樣中，ASTM D5298-10的7天平衡時(shí)間不能使得濾紙含水率平衡，因此本發(fā)明設(shè)定了含水率與平衡時(shí)間的范圍，使測(cè)試更加準(zhǔn)確。

現(xiàn)有技術(shù)中稱(chēng)量濾紙時(shí)使用的容器基數(shù)較大，稱(chēng)量不準(zhǔn)確，因此采用ASTM規(guī)范試驗(yàn)精度并不是很高，影響非飽和土強(qiáng)度、滲透等性質(zhì)的計(jì)算和工程上的使用；本發(fā)明在稱(chēng)量濾紙時(shí)直接放置在分析天平上，不需要任何容器，極大程度的提高了稱(chēng)量的精確性，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明土樣變化過(guò)程示意圖，其中圖2a為土樣與濾紙呈夾心狀疊放后，采用電工膠帶固定的土樣狀態(tài)，圖2b為錫箔紙包裹后的土樣狀態(tài)，圖2c為蠟封后的土樣狀態(tài)。

圖3為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示。

附圖中：1、測(cè)試濾紙，2、保護(hù)濾紙，3、土樣，4、錫箔紙，5、工業(yè)石蠟，6、電工膠帶。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明包括用于裝載待測(cè)土樣3的兩個(gè)環(huán)刀，兩個(gè)環(huán)刀的開(kāi)口對(duì)接且對(duì)接處設(shè)置有濾紙，濾紙包括測(cè)量濾紙1以及設(shè)置在測(cè)量濾紙1上下兩面的保護(hù)濾紙2，兩保護(hù)濾紙均完全覆蓋測(cè)量濾紙，兩個(gè)環(huán)刀的接口處纏繞有用于固定環(huán)刀與濾紙的電工膠帶6，兩個(gè)環(huán)刀被錫箔紙4完全包裹，錫箔紙4外部均勻涂覆有石蠟5。

本發(fā)明還提供了一種濾紙法測(cè)量非飽和土基質(zhì)吸力的方法，包括如下步驟：

1)將烘干后的環(huán)刀土樣稱(chēng)重，計(jì)算干土質(zhì)量，并兩兩一組，將其含水率控制至目標(biāo)含水率后，用保鮮袋包裹后在保濕器中放置至環(huán)刀土樣內(nèi)水分均勻，放置時(shí)間為3天以上；當(dāng)控制含水率采用減濕時(shí)，先將環(huán)刀放入真空飽和儀中將土樣在-0.1MPa真空條件下進(jìn)行飽和后再自然風(fēng)干至目標(biāo)含水率；控制含水率采用增濕時(shí)，采用滴水法配水至目標(biāo)含水率；當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行減濕路徑時(shí)，應(yīng)采用真空泵將環(huán)刀土樣進(jìn)行飽和，抽真空次數(shù)不少于3次，且每次不低于20分鐘。

2)從干燥器中取出一張測(cè)量濾紙進(jìn)行稱(chēng)重，采用分析天平直接對(duì)測(cè)量濾紙進(jìn)行稱(chēng)重；且稱(chēng)重時(shí)間控制在5s以?xún)?nèi)，并記錄數(shù)據(jù)，再?gòu)母稍锲髦腥蓮埍Ｗo(hù)濾紙，將已稱(chēng)重的濾紙放在兩張保護(hù)濾紙中間，然后將保護(hù)濾紙和測(cè)量濾紙放在經(jīng)步驟1)處理后的兩個(gè)環(huán)刀土樣之間，兩個(gè)環(huán)刀的開(kāi)口對(duì)接，然后用電工膠帶在環(huán)刀的接口處纏繞緊固，將土樣和濾紙固定在一起；

3)采用錫箔紙將步驟2)中的環(huán)刀土樣完全包裹，并在錫箔紙外表均勻涂敷已經(jīng)融化的石蠟進(jìn)行密封后，將封好的環(huán)刀土樣貼好標(biāo)簽放在20±0.5℃溫度的恒溫箱中；

4)達(dá)到預(yù)估平衡時(shí)間后，用剪刀從側(cè)壁拆除石蠟與錫箔紙，將上部土樣抬起，取出測(cè)量濾紙進(jìn)行稱(chēng)重，濾紙稱(chēng)量必須直接放入事先已經(jīng)調(diào)平的分析天平中，不可使用間接承載物如鋁盒、保鮮袋等，記錄濕濾紙含量，然后對(duì)平衡后土樣的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量；此步驟必須在室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)者必須戴上無(wú)菌醫(yī)用手套，使用鑷子夾取測(cè)量濾紙，并使用分析天平進(jìn)行稱(chēng)重，且稱(chēng)重時(shí)間控制在5s以?xún)?nèi)；平衡后土樣的稱(chēng)重為將土樣豎起來(lái)放在天平上稱(chēng)量；本步驟中，土樣的平衡與土樣的含水率有關(guān)，與干密度關(guān)系不大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)平衡時(shí)間可根據(jù)含水率不同分為3個(gè)區(qū)間，含水率小于5％時(shí)，平衡時(shí)間為12天以上，當(dāng)土樣含水率介于5％～10％之間時(shí)，建議平衡時(shí)間為10天以上，當(dāng)土樣含水率大于20％時(shí)，建議平衡時(shí)間為5天以上。

5)根據(jù)平衡后的土樣質(zhì)量計(jì)算含水率，根據(jù)測(cè)量濾紙的含水率計(jì)算吸力。

以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例：

試驗(yàn)準(zhǔn)備：

濾紙：用蒸餾水將干燥器和鋁盒洗凈后，干燥器自然風(fēng)干，鋁盒放在干燥箱中干燥。試驗(yàn)員戴上無(wú)菌醫(yī)用手套，取Whatman No.42型濾紙放入鋁盒，放置在105℃的鼓風(fēng)干燥箱箱中8h以上，如若采用烘箱，則溫度應(yīng)控制在30—40℃，放入準(zhǔn)備好的干燥器中冷卻干燥，干燥器應(yīng)保持潔凈，并提前放入干燥劑。

土樣：將帶環(huán)刀(直徑6.18cm)的土樣置于烘箱中，設(shè)置105℃烘8小時(shí)以上，放入干燥器中備用。

其他工具：分析天平(精度0.0001g，稱(chēng)量濾紙)、電子天平(精度0.01g，稱(chēng)量土樣)、鑷子、電工膠帶、錫箔紙、蠟、刷子、無(wú)菌手套、剪刀。

試驗(yàn)過(guò)程中最少應(yīng)配備二名試驗(yàn)員。

具體步驟：

1.將烘干后的兩個(gè)環(huán)刀土樣稱(chēng)重，計(jì)算干土質(zhì)量后，如是減濕則先將環(huán)刀放入真空飽和儀中將土樣在-0.1MPa真空條件下進(jìn)行飽和，抽真空時(shí)應(yīng)不少于3次，每次不少于20分鐘，如是增濕，則采用滴水法配水至預(yù)估含水率；再用保鮮袋包裹后在保濕器中放置3天以上，使土樣內(nèi)水分均勻，稱(chēng)量飽和土樣質(zhì)量；

2.試驗(yàn)員一調(diào)平分析天平，試驗(yàn)員二戴上無(wú)菌醫(yī)用手套，從干燥器中快速取一張測(cè)量基質(zhì)吸力的濾紙放入分析天平中，并迅速關(guān)閉防風(fēng)罩，待天平讀數(shù)穩(wěn)定后由試驗(yàn)員一記錄數(shù)據(jù)，這個(gè)稱(chēng)量過(guò)程盡量在5秒內(nèi)完成；試驗(yàn)員二再?gòu)母稍锲髦腥蓮埍Ｗo(hù)濾紙，將已測(cè)質(zhì)量的濾紙放在兩張保護(hù)濾紙中間，并放在已經(jīng)稱(chēng)重后的兩個(gè)環(huán)刀土樣之間，保護(hù)濾紙直徑應(yīng)略大于中間濾紙直徑，保證中間濾紙不接觸土樣。由試驗(yàn)員一用電工膠帶在土樣接觸處纏繞幾圈，將土樣和濾紙固定在一起，見(jiàn)圖2(a)；

3.將準(zhǔn)備好的土樣采用錫箔紙完全包裹，不能有破損且保證平滑，見(jiàn)圖2(b)。用刷子在錫箔紙上涂一層蠟進(jìn)行密封，見(jiàn)圖2(c)。樣與濾紙的關(guān)系如圖2(d)所示。將封好的土樣貼好標(biāo)簽放在調(diào)好溫度的恒溫箱中；

4.達(dá)到預(yù)估平衡時(shí)間后，拆封土樣，試驗(yàn)員一將上部土樣抬起，試驗(yàn)員二戴無(wú)菌手套，用鑷子迅速將中間濾紙放入分析天平中，稱(chēng)量濕濾紙重量，整個(gè)稱(chēng)量過(guò)程必須在5s內(nèi)完成。稱(chēng)量平衡后土樣的質(zhì)量；

5.烘干上一步的中間濾紙，放入干燥器中冷卻，稱(chēng)量冷卻后濾紙質(zhì)量。

6.將以上的2個(gè)環(huán)刀土樣放在室內(nèi)進(jìn)行自然失水至預(yù)計(jì)的含水率，重復(fù)2-5步；

7.操作注意事項(xiàng)

1)土樣減濕是在室內(nèi)讓水分自然蒸發(fā)，會(huì)存在表面比較干而內(nèi)部比較濕的情況，應(yīng)將土樣包裹保鮮袋后放在盛有蒸餾水的保濕器中至少3天；

2)飽和土樣稱(chēng)量時(shí)應(yīng)及時(shí)處理環(huán)刀外壁的水分，并且將其豎起來(lái)放在天平上，為保證土樣不損失，稱(chēng)量后應(yīng)及時(shí)將飽和時(shí)所使用的濾紙放在土樣的上下面再放入保鮮袋；

3)試驗(yàn)過(guò)程中所有與濾紙接觸的試驗(yàn)員都應(yīng)戴上無(wú)菌手套操作，且此試驗(yàn)員不能接觸除濾紙外的任何東西，防止污染；整個(gè)試驗(yàn)操作過(guò)程中必須減少對(duì)土樣的擾動(dòng)，保護(hù)濾紙與中間濾紙的接觸面確保沒(méi)有污染；

4)為避免拆封時(shí)對(duì)土樣有損傷，應(yīng)從側(cè)壁有環(huán)刀保護(hù)的部位用剪刀開(kāi)始拆起，禁止從土樣的頂部或者底部開(kāi)拆；土樣在高含水率下如果采用錫紙包裹可能剮蹭少量土屑，應(yīng)對(duì)每次損失的土樣進(jìn)行稱(chēng)量，精確確定土樣含水率；

5)如果進(jìn)行土樣的增濕試驗(yàn)，可將環(huán)刀土體先進(jìn)行烘干，采用滴水法對(duì)目標(biāo)含水率進(jìn)行控制。

本發(fā)明實(shí)施例的試驗(yàn)結(jié)果展示，圖3是采用此方法對(duì)典型非飽和黃土的測(cè)試結(jié)果，其中實(shí)曲線與虛曲線分別為理論脫濕曲線和理論增濕曲線，方形試驗(yàn)點(diǎn)為脫濕試驗(yàn)點(diǎn)，圓形試驗(yàn)點(diǎn)為增濕試驗(yàn)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)相關(guān)性分析，其中脫濕部分的曲線與試驗(yàn)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)為99.03％，增濕部分的曲線與試驗(yàn)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)為98.50％，相關(guān)性好，試驗(yàn)結(jié)果較為理想，因此采用更為簡(jiǎn)便操作的錫箔紙加蠟封代替密封罐以及直接在天平上稱(chēng)量的方案具有可實(shí)施性。