一种可动态测试土壤脱湿/冻结水分变化特征的试验系统

技术领域

本发明涉及一种试验测试系统，具体是指一种可动态测试土壤脱湿/冻结水分变化特征的试验系统。

背景技术

土壤水分特征在农业生产中的农田土壤水分平衡、与包气带有关的水资源开发利用和生态环境保护问题、预测渗流带污染物的迁移和工程实践中非饱和土的固结与沉降等的研究中具有重要的作用和意义。刘苏峡等人在2013年《植物生态学报》第37 卷第1期发表的“中国根层与表层土壤水分关系分析”一文中指出“土壤水分因其作为连接地球表面土壤-植被-大气的纽带的特殊地位而日益受到各相关学科的关注。气候变化、地球表面过程、天气预报、洪涝灾害、农业和水资源管理在很大程度上依赖于对土壤水分的正确认识”。为描述土壤中的水分特征，我们用土壤中的基质吸力（或水头）和表征土壤中含水量状况的物理量（如液态水质量、液态水体积和饱和度等）作为变量来进行土壤水分研究工作，并把这两种变量之间的关系称之为土壤水分特征曲线。通过土壤水分特征曲线，可以推导计算非饱和土渗透特性、非饱和土的抗剪强度、非饱和土带水分分布及污染物迁移等所提及的一系列问题。这就要求我们能对表征土壤水分特征的基质吸力、含水量等物理量进行准确而有效的测量，从而绘制出各种土质条件和不同外部环境下的土壤水分特征曲线。鉴于现场试验观测周期长、费用高、不确定性因素大等缺点，室内脱湿试验在土壤水分特征的研究工作中有着具足轻重的作用。

近年来，土壤水分特征曲线的概念从非冻土逐渐向冻土领域扩展，因为土的冻结过程与脱湿过程具有很多相似性，具体表现在冻结过程中随着液态水分的减少，土中孔隙逐渐被相变而来的固态冰所填充，而在脱湿过程中随着液态水的逐渐耗散，土中孔隙则被随之进入的空气所填充。虽然两个过程中土孔隙中的填充物有所差异，但必然存在某种内在的联系。Spaans, E.J.A. 等人在1996年在《Soil Science Society of AmericaJournal》第60卷第1期发表的“The Soil Freezing Characteristic: Its Measurementand Similarity to the Soil Moisture Characteristic”一文中就指出土壤的冻结和脱湿过程具有一定的相似性，并从理论上研究了两者之间具有的关联性，但是由于试验条件有限，并未得到充分的试验验证。因此，在同一装置中分别开展脱湿和冻结试验及其两者之间的相关性试验研究是非常必要。

目前，获得土壤水分特征曲线的试验技术和仪器主要有张力计、接触式和非接触式滤纸法、基于轴平移技术的压力板（膜）仪法等。张力计法测量吸力可适用于室内试验和现场测试，但是其可测量的吸力范围十分有限，这也限制了这种方法的实际应用范围，而在某些条件下土壤水在张力计与土壤之间的传递效率, 不可能快到足以允许进行正确测定出土壤水势变化的程度。滤纸技术因其原理简单、造价低廉，在农业和土壤科学中得到了业内人士的极为广泛的应用，但是当土壤吸力过大或过小时，该技术的适用性就会大打折扣，已有结论表明即使是同一类型的滤纸，由于研究者不同或滤纸批次不同，校准曲线都可能产生较大差异（卢宁等. 非饱和土力学[M]（韦昌富等译），北京：高等教育出版社，2012）。压力膜仪法在测试过程中需要外加压力使土壤在特定含水量下达到平衡，平衡后外加压力值也就等于土壤吸力，该方法测试范围大，相对准确，但也存在一定的问题与不足，比如，只能获取平衡后的含水量和吸力值，无法监测到土壤在平衡过程中的吸力及含水量的动态变化过程，并受人为操作误差的影响较大；另外，传统的压力膜仪无法控制土壤样品的温度，这使得在环境温度变化较大的情况下，蒸发汽化情况比较突出，从而导致根据排水量得到的液态水含量计算值产生较大偏差（杨钢，杨庆. 土-水特征曲线测定过程中潜在影响因素与异常现象研究[J]. 岩土力学，2014, 35（2）: 397-406），这些都会在很大程度上影响土壤水分特征曲线的绘制精度。更为重要的是随着冻土研究的深入和发展，冻结过程中土壤水分特征研究也逐渐深入，它是探究土在冻结和融化过程中物理和力学性质变化规律的一个基础本构关系，也是冻土中水、热、质迁移的理论研究和数值模拟的重要依据。冻结过程中土壤水分特征的理论和机制研究为寒区工程设计、施工及维护提供理论支持，而分析地面冻融过程和现象同时也是研究水文特征、其他地表特征及气候模型的重要基础。鉴于土壤脱湿和冻结过程在机理上具有一定的相似性，因此找出两者之间的某种特定关系不仅可以借助已有的脱湿理论推动土壤冻结过程水分特征的研究工作，也会为脱湿过程的研究提供有益的帮助。因为当土壤处于低含水量状态时，常温下的脱湿过程将会变得相对困难，达到平衡的时间比较长，而冻结过程则相对容易很多。因此，当土体在含水量较低的情况下获取水分特征曲线时，选择冻结的方法极有可能是一种简单快捷的方式。这就迫切需要一种试验方法和装置，使其能够对脱湿和冻结两种过程进行对比分析，从而为研究两种过程水分特征变化的内在联系提供基础。

如何在保证土壤脱湿过程中的测量范围的前提下，消除测试过程中由于温度变化、水分蒸发、人为操作等潜在因素造成的误差影响，完成对土壤水分特征参数的有效测试势在必行；同时，如何实现对相同土壤样品分别进行脱湿和冻结试验，进而对比研究两种条件下水分特征变化的内在关系，为理论研究提供必要的试验论证是土壤科学发展的趋势；另外，如何能在测试过程中实时监测各变量的动态变化，并使得数据采集和存储实现自动化，是提高土壤特征测试效率的有效途径。因此发明一种集控温和加压为一体，可分别测试土壤在脱湿和冻结过程水分变化特征的试验系统，对深入研究不同温度条件下土壤的水热变化特征都具有非常重要的意义。

发明内容

为解决现有土壤脱湿装置和方法存在的缺陷和不足，以及实现土壤脱湿和冻结两种条件下土壤水分特征曲线的对比试验研究，本发明的目的旨在提供一种可动态测试土壤脱湿/冻结水分特征的试验系统。该系统既能够实现土壤样品在不同温度条件下的脱湿干燥过程，也能够实现土壤样品在不同空气压力条件下的冻结过程。同时土样中的传感器可以对温度、液态水体积含量、和基质吸力等变量实现实时动态监测，并通过连接数据采集仪、计算机实现数据的自动化采集与存储。

本发明所采用的技术方案是：

一种可动态测试土壤脱湿/冻结水分变化特征的试验系统，包括加压脱湿系统、温度控制系统和自动化数据采集系统三部分，所述加压脱湿系统包括承压土样箱、土样箱顶盖、紧固螺栓、土样箱密封圈、中空螺栓、螺栓密封圈、间隔底座、带排水嘴的透水石、土样约束环、不透水膜、集水瓶、称重模块、土样箱底座、温度水分传感器、基质吸力传感器、加压装置和压力表；所述温度控制系统包括恒温控制箱、箱体顶盖、顶盖转轴、制冷压缩机、压缩机散热片、循环风扇、电加热丝、温度控制仪、温度控制面板和温度传感器；所述自动化数据采集系统包括传感器引线、数据采集仪和计算机。

上述恒温控制箱通过顶盖转轴与箱体顶盖连接；恒温控制箱内设有承压土样箱、间隔底座、称重模块、土样箱底座、制冷压缩机、对流风扇、电加热器、温度控制仪；恒温控制箱侧壁设有压缩机散热片；压缩机散热片与制冷压缩机连接；恒温控制箱外还设有加压装置、温度控制面板、数据采集仪和计算机；温度控制面板分别与对流风扇、电加热丝、温度控制仪连接。

承压土样箱1通过紧固螺栓3与土样箱顶盖2连接，其内腔为一个能承受一定压力的封闭空间；承压土样箱1内设有间隔底座7、带排水嘴的透水石8、土样约束环9、不透水膜10；承压土样箱1底部放置间隔底座7；间隔底座7上放置不透水膜10；不透水膜10上放置土样约束环9；土样约束环9内放置土样。

土样箱顶盖2上设有中空螺栓5；中孔螺栓5底部设有螺栓密封圈6。

压力表17连接加压装置16；加压装置16通过导管与承压土样箱1内腔连通。

在土样内布置水分传感器14和基质吸力传感器15。

水分传感器14、基质吸力传感器15通过传感器引线与数据采集仪28连接；数据采集仪28与计算机29连接。

在脱湿试验中，土样约束环9与不透水膜10之间设有带排水嘴的透水石8。

所述的带排水嘴的透水石8通过导管与集水瓶11连接；集水瓶11放置于称重模块12上。

所述的制冷压缩机21、对流风扇23、电加热器24、温度控制仪25和温度传感器27实现对恒温控制箱18内的温度的调节及保持恒温功能。

所述的螺栓密封圈6数量为6~10个，螺栓密封圈6用于保证承压土样箱1的气密性。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、本发明可测试土壤试样在冻结和脱湿两种不同条件下的水分特征要素（如温度、液态水体积含量、基质吸力等），并通过内置传感器与数据采集仪、计算机的连接，实现对土壤试样在脱湿/冻结过程中水分特征要素动态变化过程的自动化监测和采集，实现了在试验装置内同时进行加压和控温功能，在同一试验装置内分别进行土壤脱湿和冻结过程。

2、本发明采取了中空螺栓加密封圈的方式实现了将具有实时采集数据功能的传感器引入到压力容器内部，使得脱湿装置不仅能测试平衡状态时的水分和基质吸力，还能采集到土样在未达到平衡过程中的水分和吸力变化规律，大大拓展了传统脱湿装置的使用功能，同时使用体积液态水含量传感器解决了水分蒸发和土壤体积变化对试验结果的影响，使得含水量测量精度进一步提高。

3、本发明可实现土壤样品在不同恒压条件下土壤的冻结水分特征试验。

4、本发明将各类传感器通过数据采集仪与计算机的连接，实现了整个试验过程的自动化，提高了试验效率。

5、本发明还具有原理明确、测试全面、易于操作等优点。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明测试土样在脱湿过程中的土壤水分特征曲线。

图3是本发明测试土样在冻结过程中的土壤水分特征曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明再做进一步的说明：

如图1所示，一种可动态测试土壤脱湿/冻结水分变化特征的试验系统，包括加压脱湿系统、温度控制系统和自动化数据采集系统三部分，加压脱湿系统包括承压土样箱1、土样箱顶盖2、紧固螺栓3、土样箱密封圈4、中空螺栓5、螺栓密封圈6、间隔底座7、带排水嘴的透水石8、土样约束环9、不透水膜10、集水瓶11、称重模块12、土样箱底座13、温度水分传感器14、基质吸力传感器15、加压装置16和压力表17；温度控制系统包括恒温控制箱18、箱体顶盖19、顶盖转轴20、制冷压缩机21、压缩机散热片22、循环风扇23、电加热丝24、温度控制仪25、温度控制面板26和温度传感器27；自动化数据采集系统包括传感器引线、数据采集仪28和计算机29。

恒温控制箱18通过顶盖转轴20与箱体顶盖19连接；恒温控制箱18内设有承压土样箱1、间隔底座7、称重模块12、土样箱底座13、制冷压缩机21、对流风扇23、电加热器24、温度控制仪25；恒温控制箱18侧壁设有压缩机散热片22；压缩机散热片22与制冷压缩机21连接；恒温控制箱18外还设有加压装置16、温度控制面板26、数据采集仪28和计算机29；温度控制面板26分别与对流风扇23、电加热丝24、温度控制仪25连接。

承压土样箱1通过紧固螺栓3与土样箱顶盖2连接，其内腔为一个能承受一定压力的封闭空间；承压土样箱1内设有间隔底座7、带排水嘴的透水石8、土样约束环9、不透水膜10；承压土样箱1底部放置间隔底座7；间隔底座7上放置不透水膜10；不透水膜10上放置土样约束环9；土样约束环9内放置土样。

土样箱顶盖2上设有中空螺栓5；中孔螺栓5底部设有螺栓密封圈6。

压力表17连接加压装置16；加压装置16通过导管与承压土样箱1内腔连通。

在土样内布置水分传感器14和基质吸力传感器15。

水分传感器14、基质吸力传感器15通过传感器引线与数据采集仪28连接；数据采集仪28与计算机29连接。

在脱湿试验中，土样约束环9与不透水膜10之间设有带排水嘴的透水石8。

所述的带排水嘴的透水石8通过导管与集水瓶11连接；集水瓶11放置于称重模块12上。

所述的制冷压缩机21、对流风扇23、电加热器24、温度控制仪25和温度传感器27实现对恒温控制箱18内的温度的调节及保持恒温功能。

所述的螺栓密封圈6数量为6~10个，螺栓密封圈6用于保证承压土样箱1的气密性。

实施例

实施过程中，对于脱湿试验，首先将带排水嘴的透水石8进行饱和后和不透水膜10一起放置在可承压土样箱1内的间隔底座5上，而对于冻结试验，则不需要带排水嘴的透水石8，只需不透水膜（10）即可。

用土样约束环9取土，同时将温度水分传感器14和基质吸力传感器15安置到土样中指定位置，之后将土样约束环9连同土样及土样中的温度水分传感器14和基质吸力传感器15放置到饱和后的透水石6上，调整位置使得整个土样底部与带排水嘴的透水石8紧密接触。压力平衡后土中水分能进入放置在称重模块12上的集水瓶11中。

对于冻结试验，只需关闭排水通道，确保压力稳定即可；温度水分传感器14和基质吸力传感器15连接引线通过土样箱顶盖2上设置的中空螺栓5引出可承压土样箱1，接下来调整好土样箱密封圈4位置，将土样箱顶盖2盖上后用紧固螺栓3紧固，形成封闭的整体，将紧固完成的可承压土样箱1放入恒温控制箱18的土样箱底座13上面，因为恒温控制箱18由箱体顶盖19与顶盖转轴20组成了可开合的箱体结构，因此在一切准备完毕后将恒温控制箱18加盖，通过制冷压缩机21和电加热器24实现箱内土壤样品的降温、升温过程，并通过对流风扇23使得恒温控制箱18内的空气呈流动状态，保证恒温效果，制冷压缩机21通过压缩机散热片22达到良好的散热性，恒温控制箱18内温度可通过外接有温度控制面板26的温度控制仪25设置，并通过箱内的温度传感器27实时监测。

箱体外部的加压装置16对土样施加指定压力，并通过压力表17读取和控制所加压力的数值。

为保证高压情况下的气密性，中空螺栓5底部设置6~10个厚2mm的螺栓密封圈6，当中空螺栓5紧固后通过螺栓密封圈6挤压传感器引线的方式便可保证承压土样箱（1）不漏气。

测试实例

为保证脱湿和冻结两种试验过程可对比性，选择相同类别和质量的土壤样品，并按照相同的制备方法和仪器进行样品制备。

首先利用本发明对粒径d≤2>

图2 给出了测试土样在恒温脱湿过程中的土壤水分特征曲线。

图中包含土样在每个平衡状态时由压力表和称重模块测试换算的数值和由传感器实时测试得到的土壤水分特征曲线（液态水体积含量和基质吸力变化关系曲线），从图中可以看出变化趋势趋于一致，吻合度很好。该试验系统不仅能够简单、准确地测试土样在脱湿过程中平衡状态下的压力值和液态水含量，还能测试土样在脱湿过程中实时的动态液态水量和基质吸力变化，测试效率高。然后利用与上述参数相同的土样进行了冻结试验，此次冻结试验选取常压状态下进行，通过温度水分传感器、基质吸力传感器获取了冻结过程中液态水体积含量和基质吸力的动态变化过程。

图3给出了测试土样在常压冻结过程中的土壤水分特征曲线。

与图2相比可以发现，同一种土体在冻结和脱湿过程中的土壤水分特征曲线具有很强的相似性，这与以往研究者的结论是一致的。

通过对比试验还可以发现，同样条件下土体的冻结要比脱湿过程容易很多，因为相同体积液态水含量条件下冻结过程的基质吸力要小于脱湿过程。