本實(shí)用新型涉及一種試驗(yàn)測(cè)試裝置，具體是指一種土壤脫濕及凍結(jié)特征綜合測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

土壤水分特征在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)田土壤水分平衡、與包氣帶有關(guān)的水資源開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題、預(yù)測(cè)滲流帶污染物的遷移和工程實(shí)踐中非飽和土的固結(jié)與沉降等的研究中具有重要的作用和意義。劉蘇峽等人在2013年《植物生態(tài)學(xué)報(bào)》第37 卷第1期發(fā)表的“中國(guó)根層與表層土壤水分關(guān)系分析”一文中指出“土壤水分因其作為連接地球表面土壤-植被-大氣的紐帶的特殊地位而日益受到各相關(guān)學(xué)科的關(guān)注。氣候變化、地球表面過(guò)程、天氣預(yù)報(bào)、洪澇災(zāi)害、農(nóng)業(yè)和水資源管理在很大程度上依賴于對(duì)土壤水分的正確認(rèn)識(shí)”。為描述土壤中的水分特征，我們用土壤中的基質(zhì)吸力（或水頭）和表征土壤中含水量狀況的物理量（如液態(tài)水質(zhì)量、液態(tài)水體積和飽和度等）作為變量來(lái)進(jìn)行土壤水分研究工作，并把這兩種變量之間的關(guān)系稱之為土壤水分特征曲線。通過(guò)土壤水分特征曲線，可以推導(dǎo)計(jì)算非飽和土滲透特性、非飽和土的抗剪強(qiáng)度、非飽和土帶水分分布及污染物遷移等所提及的一系列問(wèn)題。這就要求我們能對(duì)表征土壤水分特征的基質(zhì)吸力、含水量等物理量進(jìn)行準(zhǔn)確而有效的測(cè)量，從而繪制出各種土質(zhì)條件和不同外部環(huán)境下的土壤水分特征曲線。鑒于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、不確定性因素大等缺點(diǎn)，室內(nèi)脫濕試驗(yàn)在土壤水分特征的研究工作中有著具足輕重的作用。

近年來(lái)，土壤水分特征曲線的概念從非凍土逐漸向凍土領(lǐng)域擴(kuò)展，因?yàn)橥恋膬鼋Y(jié)過(guò)程與脫濕過(guò)程具有很多相似性，具體表現(xiàn)在凍結(jié)過(guò)程中隨著液態(tài)水分的減少，土中孔隙逐漸被相變而來(lái)的固態(tài)冰所填充，而在脫濕過(guò)程中隨著液態(tài)水的逐漸耗散，土中孔隙則被隨之進(jìn)入的空氣所填充。雖然兩個(gè)過(guò)程中土孔隙中的填充物有所差異，但必然存在某種內(nèi)在的聯(lián)系。Spaans, E.J.A. 等人在1996年在《Soil Science Society of America Journal》第60卷第1期發(fā)表的“The Soil Freezing Characteristic: Its Measurement and Similarity to the Soil Moisture Characteristic”一文中就指出土壤的凍結(jié)和脫濕過(guò)程具有一定的相似性，并從理論上研究了兩者之間具有的關(guān)聯(lián)性，但是由于試驗(yàn)條件有限，并未得到充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，在同一裝置中分別開(kāi)展脫濕和凍結(jié)試驗(yàn)及其兩者之間的相關(guān)性試驗(yàn)研究是非常必要。

目前，獲得土壤水分特征曲線的試驗(yàn)技術(shù)和儀器主要有張力計(jì)、接觸式和非接觸式濾紙法、基于軸平移技術(shù)的壓力板（膜）儀法等。張力計(jì)法測(cè)量吸力可適用于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但是其可測(cè)量的吸力范圍十分有限，這也限制了這種方法的實(shí)際應(yīng)用范圍，而在某些條件下土壤水在張力計(jì)與土壤之間的傳遞效率, 不可能快到足以允許進(jìn)行正確測(cè)定出土壤水勢(shì)變化的程度。濾紙技術(shù)因其原理簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，在農(nóng)業(yè)和土壤科學(xué)中得到了業(yè)內(nèi)人士的極為廣泛的應(yīng)用，但是當(dāng)土壤吸力過(guò)大或過(guò)小時(shí)，該技術(shù)的適用性就會(huì)大打折扣，已有結(jié)論表明即使是同一類型的濾紙，由于研究者不同或?yàn)V紙批次不同，校準(zhǔn)曲線都可能產(chǎn)生較大差異（盧寧等. 非飽和土力學(xué)[M]（韋昌富等譯），北京：高等教育出版社，2012）。壓力膜儀法在測(cè)試過(guò)程中需要外加壓力使土壤在特定含水量下達(dá)到平衡，平衡后外加壓力值也就等于土壤吸力，該方法測(cè)試范圍大，相對(duì)準(zhǔn)確，但也存在一定的問(wèn)題與不足，比如，只能獲取平衡后的含水量和吸力值，無(wú)法監(jiān)測(cè)到土壤在平衡過(guò)程中的吸力及含水量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并受人為操作誤差的影響較大；另外，傳統(tǒng)的壓力膜儀無(wú)法控制土壤樣品的溫度，這使得在環(huán)境溫度變化較大的情況下，蒸發(fā)汽化情況比較突出，從而導(dǎo)致根據(jù)排水量得到的液態(tài)水含量計(jì)算值產(chǎn)生較大偏差（楊鋼，楊慶. 土-水特征曲線測(cè)定過(guò)程中潛在影響因素與異?，F(xiàn)象研究[J]. 巖土力學(xué)，2014, 35（2）: 397-406），這些都會(huì)在很大程度上影響土壤水分特征曲線的繪制精度。更為重要的是隨著凍土研究的深入和發(fā)展，凍結(jié)過(guò)程中土壤水分特征研究也逐漸深入，它是探究土在凍結(jié)和融化過(guò)程中物理和力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的一個(gè)基礎(chǔ)本構(gòu)關(guān)系，也是凍土中水、熱、質(zhì)遷移的理論研究和數(shù)值模擬的重要依據(jù)。凍結(jié)過(guò)程中土壤水分特征的理論和機(jī)制研究為寒區(qū)工程設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)提供理論支持，而分析地面凍融過(guò)程和現(xiàn)象同時(shí)也是研究水文特征、其他地表特征及氣候模型的重要基礎(chǔ)。鑒于土壤脫濕和凍結(jié)過(guò)程在機(jī)理上具有一定的相似性，因此找出兩者之間的某種特定關(guān)系不僅可以借助已有的脫濕理論推動(dòng)土壤凍結(jié)過(guò)程水分特征的研究工作，也會(huì)為脫濕過(guò)程的研究提供有益的幫助。因?yàn)楫?dāng)土壤處于低含水量狀態(tài)時(shí)，常溫下的脫濕過(guò)程將會(huì)變得相對(duì)困難，達(dá)到平衡的時(shí)間比較長(zhǎng)，而凍結(jié)過(guò)程則相對(duì)容易很多。因此，當(dāng)土體在含水量較低的情況下獲取水分特征曲線時(shí)，選擇凍結(jié)的方法極有可能是一種簡(jiǎn)單快捷的方式。這就迫切需要一種試驗(yàn)方法和裝置，使其能夠?qū)γ摑窈蛢鼋Y(jié)兩種過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，從而為研究?jī)煞N過(guò)程水分特征變化的內(nèi)在聯(lián)系提供基礎(chǔ)。

如何在保證土壤脫濕過(guò)程中的測(cè)量范圍的前提下，消除測(cè)試過(guò)程中由于溫度變化、水分蒸發(fā)、人為操作等潛在因素造成的誤差影響，完成對(duì)土壤水分特征參數(shù)的有效測(cè)試勢(shì)在必行；同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)相同土壤樣品分別進(jìn)行脫濕和凍結(jié)試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)比研究?jī)煞N條件下水分特征變化的內(nèi)在關(guān)系，為理論研究提供必要的試驗(yàn)論證是土壤科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)；另外，如何能在測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各變量的動(dòng)態(tài)變化，并使得數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是提高土壤特征測(cè)試效率的有效途徑。因此實(shí)用新型一種集控溫和加壓為一體，可分別測(cè)試土壤在脫濕和凍結(jié)過(guò)程水分變化特征的試驗(yàn)裝置，對(duì)深入研究不同溫度條件下土壤的水熱變化特征都具有非常重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有土壤脫濕裝置和方法存在的缺陷和不足，以及實(shí)現(xiàn)土壤脫濕和凍結(jié)兩種條件下土壤水分特征曲線的對(duì)比試驗(yàn)研究，本實(shí)用新型的目的旨在提供一種土壤脫濕及凍結(jié)特征綜合測(cè)試裝置。該裝置既能夠?qū)崿F(xiàn)土壤樣品在不同溫度條件下的脫濕干燥過(guò)程，也能夠?qū)崿F(xiàn)土壤樣品在不同空氣壓力條件下的凍結(jié)過(guò)程。同時(shí)土樣中的傳感器可以對(duì)溫度、液態(tài)水體積含量、和基質(zhì)吸力等變量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)連接數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集與存儲(chǔ)。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：

一種土壤脫濕及凍結(jié)特征綜合測(cè)試裝置，包括加壓脫濕裝置、溫度控制裝置和自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置三部分，所述加壓脫濕裝置包括承壓土樣箱、土樣箱頂蓋、緊固螺栓、土樣箱密封圈、中空螺栓、螺栓密封圈、間隔底座、帶排水嘴的透水石、土樣約束環(huán)、不透水膜、集水瓶、稱重模塊、土樣箱底座、溫度水分傳感器、基質(zhì)吸力傳感器、加壓裝置和壓力表；所述溫度控制裝置包括恒溫控制箱、箱體頂蓋、頂蓋轉(zhuǎn)軸、制冷壓縮機(jī)、壓縮機(jī)散熱片、循環(huán)風(fēng)扇、電加熱器、溫度控制儀、溫度控制面板和溫度傳感器；所述自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置包括傳感器引線、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)。

上述恒溫控制箱通過(guò)頂蓋轉(zhuǎn)軸與箱體頂蓋連接；恒溫控制箱內(nèi)設(shè)有承壓土樣箱、間隔底座、稱重模塊、土樣箱底座、制冷壓縮機(jī)、對(duì)流風(fēng)扇、電加熱器、溫度控制儀；恒溫控制箱側(cè)壁設(shè)有壓縮機(jī)散熱片；壓縮機(jī)散熱片與制冷壓縮機(jī)連接；恒溫控制箱外還設(shè)有加壓裝置、溫度控制面板、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)；溫度控制面板分別與對(duì)流風(fēng)扇、電加熱器、溫度控制儀連接。

承壓土樣箱1通過(guò)緊固螺栓3與土樣箱頂蓋2連接，其內(nèi)腔為一個(gè)能承受一定壓力的封閉空間；承壓土樣箱1內(nèi)設(shè)有間隔底座7、帶排水嘴的透水石8、土樣約束環(huán)9、不透水膜10；承壓土樣箱1底部放置間隔底座7；間隔底座7上放置不透水膜10；不透水膜10上放置土樣約束環(huán)9；土樣約束環(huán)9內(nèi)放置土樣。

土樣箱頂蓋2上設(shè)有中空螺栓5；中孔螺栓5底部設(shè)有螺栓密封圈6。

壓力表17連接加壓裝置16；加壓裝置16通過(guò)導(dǎo)管與承壓土樣箱1內(nèi)腔連通。

在土樣內(nèi)布置水分傳感器14和基質(zhì)吸力傳感器15。

水分傳感器14、基質(zhì)吸力傳感器15通過(guò)傳感器引線與數(shù)據(jù)采集儀28連接；數(shù)據(jù)采集儀28與計(jì)算機(jī)29連接。

在脫濕試驗(yàn)中，土樣約束環(huán)9與不透水膜10之間設(shè)有帶排水嘴的透水石8。

所述的帶排水嘴的透水石8通過(guò)導(dǎo)管與集水瓶11連接；集水瓶11放置于稱重模塊12上。

所述的制冷壓縮機(jī)21、對(duì)流風(fēng)扇23、電加熱器24、溫度控制儀25和溫度傳感器27實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫控制箱18內(nèi)的溫度的調(diào)節(jié)及保持恒溫功能。

所述的螺栓密封圈6數(shù)量為6~10個(gè)，螺栓密封圈6用于保證承壓土樣箱1的氣密性。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是：

1、本實(shí)用新型可測(cè)試土壤試樣在凍結(jié)和脫濕兩種不同條件下的水分特征要素（如溫度、液態(tài)水體積含量、基質(zhì)吸力等），并通過(guò)內(nèi)置傳感器與數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤試樣在脫濕/凍結(jié)過(guò)程中水分特征要素動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和采集，實(shí)現(xiàn)了在試驗(yàn)裝置內(nèi)同時(shí)進(jìn)行加壓和控溫功能，在同一試驗(yàn)裝置內(nèi)分別進(jìn)行土壤脫濕和凍結(jié)過(guò)程。

2、本實(shí)用新型采取了中空螺栓加密封圈的方式實(shí)現(xiàn)了將具有實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)功能的傳感器引入到壓力容器內(nèi)部，使得脫濕裝置不僅能測(cè)試平衡狀態(tài)時(shí)的水分和基質(zhì)吸力，還能采集到土樣在未達(dá)到平衡過(guò)程中的水分和吸力變化規(guī)律，大大拓展了傳統(tǒng)脫濕裝置的使用功能，同時(shí)使用體積液態(tài)水含量傳感器解決了水分蒸發(fā)和土壤體積變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，使得含水量測(cè)量精度進(jìn)一步提高。

3、本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)土壤樣品在不同恒壓條件下土壤的凍結(jié)水分特征試驗(yàn)。

4、本實(shí)用新型將各類傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)化，提高了試驗(yàn)效率。

5、本實(shí)用新型還具有原理明確、測(cè)試全面、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型再做進(jìn)一步的說(shuō)明：

如圖1所示，一種土壤脫濕及凍結(jié)特征綜合測(cè)試裝置，包括加壓脫濕裝置、溫度控制裝置和自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置三部分，加壓脫濕裝置包括承壓土樣箱1、土樣箱頂蓋2、緊固螺栓3、土樣箱密封圈4、中空螺栓5、螺栓密封圈6、間隔底座7、帶排水嘴的透水石8、土樣約束環(huán)9、不透水膜10、集水瓶11、稱重模塊12、土樣箱底座13、溫度水分傳感器14、基質(zhì)吸力傳感器15、加壓裝置16和壓力表17；溫度控制裝置包括恒溫控制箱18、箱體頂蓋19、頂蓋轉(zhuǎn)軸20、制冷壓縮機(jī)21、壓縮機(jī)散熱片22、循環(huán)風(fēng)扇23、電加熱器24、溫度控制儀25、溫度控制面板26和溫度傳感器27；自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置包括傳感器引線、數(shù)據(jù)采集儀28和計(jì)算機(jī)29。

恒溫控制箱18通過(guò)頂蓋轉(zhuǎn)軸20與箱體頂蓋19連接；恒溫控制箱18內(nèi)設(shè)有承壓土樣箱1、間隔底座7、稱重模塊12、土樣箱底座13、制冷壓縮機(jī)21、對(duì)流風(fēng)扇23、電加熱器24、溫度控制儀25；恒溫控制箱18側(cè)壁設(shè)有壓縮機(jī)散熱片22；壓縮機(jī)散熱片22與制冷壓縮機(jī)21連接；恒溫控制箱18外還設(shè)有加壓裝置16、溫度控制面板26、數(shù)據(jù)采集儀28和計(jì)算機(jī)29；溫度控制面板26分別與對(duì)流風(fēng)扇23、電加熱器24、溫度控制儀25連接。

承壓土樣箱1通過(guò)緊固螺栓3與土樣箱頂蓋2連接，其內(nèi)腔為一個(gè)能承受一定壓力的封閉空間；承壓土樣箱1內(nèi)設(shè)有間隔底座7、帶排水嘴的透水石8、土樣約束環(huán)9、不透水膜10；承壓土樣箱1底部放置間隔底座7；間隔底座7上放置不透水膜10；不透水膜10上放置土樣約束環(huán)9；土樣約束環(huán)9內(nèi)放置土樣。

土樣箱頂蓋2上設(shè)有中空螺栓5；中孔螺栓5底部設(shè)有螺栓密封圈6。

壓力表17連接加壓裝置16；加壓裝置16通過(guò)導(dǎo)管與承壓土樣箱1內(nèi)腔連通。

在土樣內(nèi)布置水分傳感器14和基質(zhì)吸力傳感器15。

水分傳感器14、基質(zhì)吸力傳感器15通過(guò)傳感器引線與數(shù)據(jù)采集儀28連接；數(shù)據(jù)采集儀28與計(jì)算機(jī)29連接。

在脫濕試驗(yàn)中，土樣約束環(huán)9與不透水膜10之間設(shè)有帶排水嘴的透水石8。

所述的帶排水嘴的透水石8通過(guò)導(dǎo)管與集水瓶11連接；集水瓶11放置于稱重模塊12上。

所述的制冷壓縮機(jī)21、對(duì)流風(fēng)扇23、電加熱器24、溫度控制儀25和溫度傳感器27實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫控制箱18內(nèi)的溫度的調(diào)節(jié)及保持恒溫功能。

所述的螺栓密封圈6數(shù)量為6~10個(gè)，螺栓密封圈6用于保證承壓土樣箱1的氣密性。

實(shí)施例

實(shí)施過(guò)程中，對(duì)于脫濕試驗(yàn)，首先將帶排水嘴的透水石8進(jìn)行飽和后和不透水膜10一起放置在可承壓土樣箱1內(nèi)的間隔底座5上，而對(duì)于凍結(jié)試驗(yàn)，則不需要帶排水嘴的透水石8，只需不透水膜（10）即可。

用土樣約束環(huán)9取土，同時(shí)將溫度水分傳感器14和基質(zhì)吸力傳感器15安置到土樣中指定位置，之后將土樣約束環(huán)9連同土樣及土樣中的溫度水分傳感器14和基質(zhì)吸力傳感器15放置到飽和后的透水石6上，調(diào)整位置使得整個(gè)土樣底部與帶排水嘴的透水石8緊密接觸。壓力平衡后土中水分能進(jìn)入放置在稱重模塊12上的集水瓶11中。

對(duì)于凍結(jié)試驗(yàn)，只需關(guān)閉排水通道，確保壓力穩(wěn)定即可；溫度水分傳感器14和基質(zhì)吸力傳感器15連接引線通過(guò)土樣箱頂蓋2上設(shè)置的中空螺栓5引出可承壓土樣箱1，接下來(lái)調(diào)整好土樣箱密封圈4位置，將土樣箱頂蓋2蓋上后用緊固螺栓3緊固，形成封閉的整體，將緊固完成的可承壓土樣箱1放入恒溫控制箱18的土樣箱底座13上面，因?yàn)楹銣乜刂葡?8由箱體頂蓋19與頂蓋轉(zhuǎn)軸20組成了可開(kāi)合的箱體結(jié)構(gòu)，因此在一切準(zhǔn)備完畢后將恒溫控制箱18加蓋，通過(guò)制冷壓縮機(jī)21和電加熱器24實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)土壤樣品的降溫、升溫過(guò)程，并通過(guò)對(duì)流風(fēng)扇23使得恒溫控制箱18內(nèi)的空氣呈流動(dòng)狀態(tài)，保證恒溫效果，制冷壓縮機(jī)21通過(guò)壓縮機(jī)散熱片22達(dá)到良好的散熱性，恒溫控制箱18內(nèi)溫度可通過(guò)外接有溫度控制面板26的溫度控制儀25設(shè)置，并通過(guò)箱內(nèi)的溫度傳感器27實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

箱體外部的加壓裝置16對(duì)土樣施加指定壓力，并通過(guò)壓力表17讀取和控制所加壓力的數(shù)值。

為保證高壓情況下的氣密性，中空螺栓5底部設(shè)置6~10個(gè)厚2mm的螺栓密封圈6，當(dāng)中空螺栓5緊固后通過(guò)螺栓密封圈6擠壓傳感器引線的方式便可保證承壓土樣箱（1）不漏氣。