一种非饱和土层总吸力实时测量装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种非饱和土层总吸力实时测量装置及其测量方法，包括装置外管、橡胶气囊、内传输管及电子湿度记录仪，通过橡胶气囊密封钻孔内测量土层段的空气，用湿度计法测量土层平衡后的相对湿度，通过数据线实时传输到地表进行处理，利用开尔文公式计算土层的总吸力。该装置实现了对非饱和土层总吸力的实时监测，并提供了可拓展式的接口，可以同时对多个不同层位进行测量。在不破坏土层原样特征的情况下，加快了测量速度，提高了测量精度。利用该发明专利技术装置对改进非饱和土地区工程勘察工艺与提高非饱和土层吸力测量效率具有较大的推广价值。

A real-time measuring device for the total suction of unsaturated soil layer and its measurement method

The invention discloses a non saturated soil total suction real-time measuring device and measuring method, including device outer tube, rubber air bag and the inner transmission tube and electronic humidity recorder, through the rubber air bag sealing borehole measurement section of soil air, relative humidity measurement of soil balance with the humidity, processed by real-time data transmission line to the surface, the total suction calculation of soil by using the Kelvin formula. The device realizes the real-time monitoring of the total suction of the unsaturated soil layer, and provides an extended interface to measure multiple different layers at the same time. In the case of not destroying the original characteristics of the soil layer, the measurement speed is accelerated and the measurement accuracy is improved. The invention is of great value for improving the engineering investigation process of unsaturated soil area and improving the efficiency of unsaturated soil suction measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种非饱和土层总吸力实时测量装置及其测量方法
本专利技术属于土层测量领域，特别涉及一种非饱和土层总吸力实时测量装置及其测量方法。
技术介绍
在过去的半个多世纪里，饱和土力学理论飞速发展，并在岩土工程的各个领域里得到了广泛的应用,但人们对于非饱和土的理论与实践却缺乏足够的认识。土在饱和与非饱和状态工程性质具有很大的差别。在我们的实际工程中，人们面临的绝大部分是非饱和形式的土，比如基坑工程、路基工程、边坡工程和环境工程，都会涉及到非饱和土某一方面或多方面的特性。与饱和土相比，非饱和土除了由固体颗粒、孔隙水、孔隙气等三相组成之外，它在液-气交界面上形成的收缩膜作为第四相考虑，并在交界面上产生了基质吸力，因此，有关非饱和土的研究也就紧密地依赖于基质吸力而展开。研究表明，土体总吸力由基质吸力与渗透吸力组成，而渗透吸力相比基质吸力在总吸力中所占比例较小，通常情况下可以将渗透吸力忽略不计，而此时土体的总吸力即约等于基质吸力。湿度计法计算非饱和土总吸力已较为成熟，通过测量非饱和土样达到平衡时的相对湿度，采用开尔文公式可以计算相应的总吸力：式中，ψt为土的总吸力(kPa)，R是通用气体常量(8.314J/(mol·K))，T热力学温度(K)，vwn是水的比容(m3/kg)，ωi是水蒸气的摩尔质量(18.016kg/mol)，uv是孔隙水蒸气的分压(kPa)，uvn是相同温度下自由水的饱和蒸气压(kPa)。因为相对湿度RH等于uv/uv0，所以上式可以改写如下：目前，国内非饱和土力学的研究仍然停留在实验室阶段，缺乏吸力测量的原位测试装置，而直接使用实验室的方法于现场测量具有较大的弊端：测量效率低、测量范围有限、操作难度较大等，难以满足日益增长的工程需求。
技术实现思路
本专利技术提出了一种非饱和土层总吸力实时测量装置及其测量方法，其目的在于，克服现有技术中非饱和土层总吸力测量效率低，操作难度较大的问题。一种非饱和土层总吸力实时测量装置，包括装置外管1、橡胶气囊2、内传输管3以及电子湿度记录仪4，所述内传输管3嵌套在装置外管1中；所述装置外管1为上下对称设置，依次设有上内室6、中室8及下内室7，各室之间设置有密封隔板10，上内室和下内室与中室之间采用可拆卸连接；其中，上内室和下内室外侧设有橡胶气囊固定槽15，橡胶气囊安装于橡胶气囊固定槽上，且橡胶气囊与内传输管之间设有连通的进气管21，中室外壁上开设有通孔12；上内室和下内室中各设有一个电子湿度记录仪4，电子湿度仪的湿度探头14穿过隔板10伸进中室8，电子湿度仪的数据线沿内传输管内部与外部仪器相连。进一步地，所述装置外管和内传输管的上下两端均设有螺纹接口。进一步地，所述橡胶气囊固定槽为圆环状凹槽。进一步地，至少包括两套非饱和土层总吸力实时测量装置，相邻装置间通过螺纹接口连接；实现同时对多个地层的测量。一种利用上述的装置进行非饱和土层总吸力的测量方法，包括以下步骤：步骤一：将两根mini-B数据线分别从内传输管上的数据线孔穿过，将T型接口端留在内传输管所处的装置外管的上内室和下内室中，mini-B数据线的USB端从内传输管的上端取出；步骤二：调试记录仪；通过USB端口将两根数据线分别与同一台电脑相连接，打开湿度记录仪，并插上T型接口，打开电脑上记录仪配套的软件，进行调试，当电脑已经开始记录数据后，分别拔掉数据线的接口，之后记录仪始终保持工作状态；步骤三：安装橡胶气囊；将内传输管插入装置外管中，将两个橡胶气囊安装在上内室和下内室外侧的橡胶气囊固定槽上，将进气管穿过橡胶气囊固定槽上的小孔，通过接头与内传输管上对应的进气管接口相连接；步骤四：安装记录仪；将两个电子湿度记录仪分别放入装置外管的上、下内室，把湿度探头从上下内室与中室之间隔板上预留的探头孔伸入外管中段，并用泡沫板和胶带固定；步骤五：将内管盖通过螺纹接口装在内传输管下端，使内传输管下端保持密闭；步骤六：放装置入钻孔，对内传输管输气；利用钻机将上述的装置整体夹持住放入已经钻好的钻孔中，使装置外管中间段处于所需要测量的土层处，用气压泵对内管增长管最上端进行泵气，使橡胶气囊进气膨胀，当泵上的气压计显示充满后，关掉气压泵，对内传输管上端出口处进行密封；步骤七：连接电脑，实时记录数据；将连接电子湿度记录仪数据线的USB端连接地表的电脑，对孔下测量的数据进行实时监测与记录。完成测量后对内管增长管上端的密封进行拆除，使橡胶气囊放气收缩，通过钻机将该装置提升上来，进行拆卸，整理回收，以备下一次的使用。进一步地，当目前的测量装置无法达到所需测量的土层深度时，通过安装外管增长管和内管增长管延长测量装置；将内传输管上端的数据线加长，长度为所需测量的土层深度再加上10米，将数据线放入内管增长管，外管增长管套在内管增长管外，通过外管上端和内传输管上端的螺纹接口，以及增长管的螺纹接口，不断加长增长管至土层深度，将内管盖通过螺纹接口装在内传输管下端，使内管下端保持密闭。进一步地，当需测量两个或两个以上的不同层位的土层时，利用多套测量装置组装进行测量，每一套装置的中室处于所需要测量的土层处。有益效果本专利技术提供了一种非饱和土层总吸力实时测量装置及其测量方法，包括装置外管、橡胶气囊、内传输管及电子湿度记录仪，通过橡胶气囊密封钻孔内测量土层段的空气，用湿度计法测量土层平衡后的相对湿度，通过数据线实时传输到地表进行处理，利用开尔文公式计算土层的总吸力。该装置实现了对非饱和土层总吸力的实时监测，并提供了可拓展式的接口，可以同时对多个不同层位进行测量。该装置克服了目前研究人员直接将实验室测吸力的方法运用于工程现场的众多弊端：测量效率低、测量范围有限以及操作难度较大；该测量方法提供了一种原位测量装置，能够快速测量土层总吸力，实时传递至地表，并且能够同时测量不同层位的土体情况。在不破坏土层原样特征的情况下，加快了测量速度，提高了测量精度。利用该专利技术装置对改进非饱和土地区工程勘察工艺与提高非饱和土层吸力测量效率具有较大的推广价值。附图说明图1是测量装置结构示意图；图2是上、下内室安装截面图；图3是橡胶气囊结构示意图；图4是装置外管结构示意图；图5是上、下内室结构示意图；图6是中室结构示意图；图7是内传输管结构示意图；图8是外管增长管结构示意图；图9是内管增长管结构示意图；图10是内管盖结构示意图；图11是上、下内室与中室间的隔板结构图；图12是多套测量装置同时工作示意图；图中：1-装置外管，2-橡胶气囊，3-内传输管，4-电子湿度记录仪，5-数据线，6-上内室，7-下内室，8-中室，9-螺纹接口，10-隔板，11-内管孔，12-通孔，13-探头孔，14-湿度探头，15-橡胶气囊固定槽，16-固定槽小孔，17-数据线孔，18-内管增长管，19-外管增长管，20-内管盖，21-进气管，22-进气管接口，23-电脑。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图10和图11，一种非饱和土层总吸力实时测量装置，包括：装置外管1、橡胶气囊2、内传输管3以及电子湿度记录仪4。如图1、图4、图5，图6和图11，装置外管1包括上下端的螺纹接口9、上内室6、下内室7、中室8，各室之间有隔板10，隔板中间均有一个口径与内传输管3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非饱和土层总吸力实时测量装置，其特征在于，包括装置外管(1)、橡胶气囊(2)、内传输管(3)以及电子湿度记录仪(4)，所述内传输管(3)嵌套在装置外管(1)中；所述装置外管(1)为上下对称设置，依次设有上内室(6)、中室(8)及下内室(7)，各室之间设置有密封隔板(10)，上内室和下内室与中室之间采用可拆卸连接；其中，上内室和下内室外侧设有橡胶气囊固定槽(15)，橡胶气囊安装于橡胶气囊固定槽上，且橡胶气囊与内传输管之间设有连通的进气管(21)，中室外壁上开设有通孔(12)；上内室和下内室中各设有一个电子湿度记录仪(4)，电子湿度仪的湿度探头(14)穿过隔板(10)伸进中室(8)，电子湿度仪的数据线沿内传输管内部与外部仪器相连。

【技术特征摘要】
1.一种非饱和土层总吸力实时测量装置，其特征在于，包括装置外管(1)、橡胶气囊(2)、内传输管(3)以及电子湿度记录仪(4)，所述内传输管(3)嵌套在装置外管(1)中；所述装置外管(1)为上下对称设置，依次设有上内室(6)、中室(8)及下内室(7)，各室之间设置有密封隔板(10)，上内室和下内室与中室之间采用可拆卸连接；其中，上内室和下内室外侧设有橡胶气囊固定槽(15)，橡胶气囊安装于橡胶气囊固定槽上，且橡胶气囊与内传输管之间设有连通的进气管(21)，中室外壁上开设有通孔(12)；上内室和下内室中各设有一个电子湿度记录仪(4)，电子湿度仪的湿度探头(14)穿过隔板(10)伸进中室(8)，电子湿度仪的数据线沿内传输管内部与外部仪器相连。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置外管和内传输管的上下两端均设有螺纹接口。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述橡胶气囊固定槽为圆环状凹槽。4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，至少包括两套非饱和土层总吸力实时测量装置，相邻装置间通过螺纹接口直接连接。5.一种利用权1所述的装置进行非饱和土层总吸力的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将两根mini-B数据线分别从内传输管上的数据线孔穿过，将T型接口端留在内传输管所处的装置外管的上内室和下内室中，mini-B数据线的USB端从内传输管的上端取出；步骤二：调试记录仪；通过USB端口将两根数据线分别与同一台电脑相连接，打开湿度记录仪，并插上T型接口，打开电脑上记录仪配套的软件，进行调试，当电脑已经开始记录数据后，分别拔掉数据线的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建中，吴迪，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43