土体物理性质指标测量方法及其测量装置

摘要

本发明涉及一种土体物理性质指标测量方法及其测量装置，先通过测得土体中所含的土颗粒、水、气体三者对应的质量和体积6个基本参数，再利用数据存储及处理设备运行相关程序计算出9个常用的土体物理性质指标并一次性显示，从而快捷、全面的测量土体常用物理性质指标。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土体物理性质指标的测量方法以及实施该测量方 法的相关测量装置，属于土体物理性质指标测量方法及其测量仪器领 域。

背景技术

土的一些物理性质主要决定于组成土的固体颗粒、孔隙中的水和 气体这三相所占的体积和质(重)量的比例关系，反映这种关系的指 标称之为土的物理性质指标。土的物理性质指标不仅可以描述土的物 理性质和它所处的状态，而且，在一定程度上反映土的力学性质。所 以，在众多工程实施过程中，了解土的物理性质指标十分重要。

土体物理性质指标可分为两类：一类是必须通过试验测定的，如 密度、土粒比重和含水率，称为直接指标；另一类是根据直接指标换 算的，如孔隙比、饱和度、干密度等，称为间接指标。常用的土体物 理性质指标共有九个，分别是土的天然密度ρ、土粒比重Gs、含水率 ω、孔隙比e、孔隙率n、饱和度Sr、干密度ρ_d、饱和密度ρ_sat、浮密 度ρ′。

目前，不同的土体物理性质指标是通过设计实施不同的试验分别 测量，不同的测量试验所依据的试验原理不同，且一般用肉眼观测记 录数据。例如，在测量土粒比重时，根据等体积代换原理常采用比重 瓶法测定。事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量。然后把烘干土 若干克装入该空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加土加水的质量，按 照下式计算土粒比重：

$G_s=\frac{m_s}{m_1+m_s-m_2}$

式中：m₁——瓶加水的质量；

m₂——瓶加水加土的质量；

m_s——烘干土的质量。

再例如，测定含水率根据含水率定义常采用的方法是烘干法，先 称出天然湿土的质量，然后放在烘箱中，在100℃--105℃常温下烘 干，称得干土质量，然后按照含水率定义式计算含水率。

$\omega =\frac{m_w}{m_s}\times 100\%$

这些试验方法显然存在以下不足：(1)由于测量土体物理性质指 标的试验原理都不尽相同，所以每测一个土体物理性质指标，就需要 设计一个对应的测量试验，操作步骤繁琐，工作量大，工作效率低； (2)大多数试验数据采用人工记录，自动化程度低，精度不够。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种一次性测得常用的9个土 体物理性质指标的试验方法。根据土的物理性质主要决定于组成土的 固体颗粒、孔隙中的水和气体这三相所占的体积和质(重)量的比例 关系，本试验方法通过测量装置分别通过测量和程序计算得到组成土 的固体颗粒、孔隙中水和气体所对应的质量和体积这6个基本参数， 测量结果通过数据传输线路传送给数据存储及处理装置通过预先设 定的程序进行相关处理及运算，一次性显示土体9个常用的土体物理 性质指标。

根据以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：一种测量 土体物理性质指标的测量方法，包括以下几个步骤，

一种测量土体物理性质指标的测量方法，包括以下几个步骤，

步骤1：采集土样——用容积已知为的土样采集容器采集土样；

步骤2：称重与烘干——先将土样置于称重加热底座上称重，得 到土样质量m₁，通过数据传输线路输送给数据存储及处理设备，再 通过所述称重加热底座对土样进行加热烘干，稳定后得到土体颗粒的 质量记为m₂，通过数据传输线路输出送给数据存储及处理设备，m₁与m₂之差为土体颗粒孔隙中所含水的质量m_w，土体颗粒孔隙中所含 气体的质量很小，视为零处理，即m_a＝0；

步骤3：取出并压碎土样——将烘干后的土体颗粒从土样采集容 器中取出并进行碾压处理；

步骤4：测量土样体积——打开体积测量设备，记录对应水体容 纳容器中水的初始体积的电流值I₁，再将碾碎后的土体颗粒均匀倒入 水体容纳容器，记录稳定后电路的电流值I₂，通过体积测量设备运行 相关程序由电流值换算出所述土颗粒的体积V_s，计算公式为 $\mathrm{Vs}=\frac{(\frac{U}{I_2}-R_0)l_{1}A}{(\frac{U}{I_1}-R_0)}-l_{1}A,$其中：

U为电路两端电压，单位伏特；R₀为电路中固定电阻，单位为欧 姆；l₁为最初接入电路的滑动变阻器的长度，单位为米；A为水体容 纳器的底面积，单位为平方米；

由于土样中所含水的质量m_w已知，通过计算公式可以算 出土体所含水的体积V_w，由于土样采集容器容积已知为V₀，通过做差 可以得到土样中所含气体的体积V_a

V_a＝V₀-V_s-V_w；

步骤5：数据处理——根据已经得到的土体中所含的土颗粒、水、 气体三者的质量、体积6个基本参数，得到9个土体常用的物理性质 指标。

九个参数分别通过以下定义式得到：$\rho =\frac{m_s+m_w+m_a}{V_s+V_w+V_a},$$\omega =\frac{m_w}{m_s}\times 100\%,$$e=\frac{V_w+V_a}{V_s},$$n=\frac{V_w+V_a}{V_s+V_w+V_a},$$\mathrm{Sr}=\frac{V_w}{V_a+V_w},$${\rho }_d=\frac{m_d}{\mathrm{Va}+\mathrm{Vw}+\mathrm{Vs}},$${\rho }_{\mathrm{sat}}=\frac{m_s+(\mathrm{Va}+\mathrm{Vw})\times {\rho }_w}{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vw}+\mathrm{Va}},$${\rho }^{`}=\frac{m_s-\mathrm{Vs}\times {\rho }_w}{\mathrm{Vw}+\mathrm{Vs}+\mathrm{Va}},$其中，

天然密度ρ、土粒比重Gs、含水率ω、孔隙比e、孔隙率n、饱 和度Sr、干密度ρ_d、饱和密度ρ_sat、浮密度ρ′。

以上所述过程中涉及到的计算全部由数据存储与处理设备处理；

本发明的另一个发明目的是提供一种可以实施上述试验方法的 试验装置，包括：土样采集容器、称重加热底座、称重电子测量设备、 浮块、滑动变阻器、导线、体积测量设备、水体容纳容器、金属外壳、 数据传输线路、数据存储及处理设备，所述浮块漂浮放置在所述盛有 水的水体容纳容器内，所述浮块与所述滑动变阻器的滑动端联动连 接，所述滑动变阻器滑动端通过导线与所述体积测量设备的一个输入 端连接，所述称重电子测量设备连接所述称重加热底座，在所述称重 加热底座上放置所述土样采集容器，所述称重电子测量设备的信号输 出端通过数据传输线路与数据存储及处理设备的信号输入端连接，所 述体积测量设备的信号输出端通过数据传输线路与数据存储及处理 设备的另一信号输入端连接。

所述数据存储及处理设备采用单片机制成。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

1、测量不同的土体物理性质指标时，采用相同的原理，即通过 测量加计算的方法得到了土体中土颗粒、水、气体三者的质量和体积， 然后根据这6个基本参数依据土体物理性质指标的定义式通过相关 程序计算得到9个土体物理性质指标并一次性显示。测量方法方便、 快捷，测量参数全面，工作效率高。

2、测量过程中数据完全为自动采集，不仅较大程度地节约人力 成本，而且保证了数据的记录准确性，从数据源头上避免了错误的产 生，提高了数据获得的精度。

3、该装置通过相关程序对搜集到的数据进行运算和处理，自动 化程度高，一方面节约了人力资源，另一方面避免了人工分析与计算 过程中的错误。

一种可以实施上述试验方法的试验装置，包括土样采集容器、称 重加热底座、称重电子测量设备、浮块、滑动变阻器、导线、体积测 量设备、水体容纳容器、金属外壳、数据传输线路、数据存储及处理 设备组成，浮块通过导线与滑动变阻器连接，称重电子测量设备的信 号输出端通过数据传输线路与数据存储及处理设备的信号输入端连 接，浮块与滑动变阻器以及体积测量设备通过导线相连接，体积测量 设备的信号输出端通过数据传输线路与数据存储及处理设备的另一 信号输入端连接。

与现有技术相比，本装置的有益效果是：

1、本装置采用电子电路技术，从数据采集到数据处理都由预设 装置及程序完成，自动化程度高，不仅节约了人力资源和试验成本， 还避免了人工操作引起的误差，从源头上确保了数据的准确性。

2、本装置可以一次性测得常用的9个土体物理性质指标，相较 现有技术中每测一个土体物理性质指标就要设计一个试验的现状，该 装置工作效率高，测量参数全面，有效提高了测量效率，降低测量成 本。

3、该装置结构简单，易于生产，成本不高，市场前景广阔。

附图说明

图1是该试验装置的操作流程图。

图2是该试验装置的结构示意图。

其中：

1.土样采集容器；2.称重加热底座；3.称重电子测量设备； 5.浮块；6.滑动变阻器；7.导线；8.体积测量设备；9.水体 容纳器；10.金属外壳；11.数据传输线路；12.数据存储及处 理设备。

具体实施方式

以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明所述的测量土体物理性质指标的试验方法， 其主要步骤包括：(1)采集土样——用容积已知的土样采集容器采 集土样；(2)称重与烘干——将第一步采集的土样置于称重加热底 座上称重，称重电子测量设备显示质量为m₁，通过数据传输线路输送 给数据存储及处理设备，再通过该底座对土样进行加热烘干，稳定后 的数据由称重电子测量设备显示，记为m₂，通过数据传输线路出送给 数据存储及处理设备，则m₂为土体颗粒的质量m_s，m₁与m₂之差为孔隙 中所含水的质量m_w，孔隙中所含气体的质量很小，视为零处理，该过 程中涉及的计算全部由数据存储及处理设备通过运行相关程序进行 计算得到；(3)取出并压碎土样——将烘干后的土样从土样采集容 器中取出并进行碾压处理；(4)测量土样体积——打开体积测量设 备，记录对应水体容纳容器中水的初始体积的电流值I₁，再将碾碎后 的土样均匀倒入水体容纳容器，记录稳定后电路的电流值I₂，通过体 积测量设备运行相关程序由电流值换算出土颗粒的体积V_s，计算公式 为(其中U为电路两端电压，单位伏特；R0为电 路中固定电阻，单位为欧姆；11为最初接入电路的滑动变阻器的长 度，单位为米；A为水体容纳器的底面积，单位为平方米。)并通过 数据传输线路传送给数据存储及处理设备。由于土样中所含水的质量 m_W已知，根据计算式通过计算程序可以算出土体所含水的体 积V_w，由于土样采集容器容积已知并已经作为已知参数输入数据存 储及处理设备，根据公式V_a＝V₀-V_s-V_w可以计算得到土样中所含气体 的体积V_a(V₀为土样采集容器的体积)；(5)处理数据——根据已 经得到的土体中所含的土颗粒、水、气体三者的质量、体积6个基本 参数，得到9个土体常用的物理性质指标。

九个参数分别通过以下定义式得到：$\rho =\frac{m_s+m_w+m_a}{V_s+V_w+V_a},$$\omega =\frac{m_w}{m_s}\times 100\%,$$e=\frac{V_w+V_a}{V_s},$$n=\frac{V_w+V_a}{V_s+V_w+V_a},$$\mathrm{Sr}=\frac{V_w}{V_a+V_w},$${\rho }_d=\frac{m_s}{\mathrm{Va}+\mathrm{Vw}+\mathrm{Vs}},$${\rho }_{\mathrm{sat}}=\frac{m_s+(\mathrm{Va}+\mathrm{Vw})\times {\rho }_w}{\mathrm{Vs}+\mathrm{Vw}+\mathrm{Va}},$${\rho }^{`}=\frac{m_s-\mathrm{Vs}\times {\rho }_w}{\mathrm{Vw}+\mathrm{Vs}+\mathrm{Va}},$其中，

天然密度ρ、土粒比重Gs、含水率ω、孔隙比e、孔隙率n、饱 和度Sr、干密度ρ_d、饱和密度ρ_sat、浮密度ρ′。

以上所述过程中涉及到的计算全部由数据存储与处理设备处理；

如图2所示，本发明所述的试验装置，包括土样采集容器1、称 重加热底座2、称重电子测量设备3、按钮4、浮块5、滑动变阻器6、 导线7、体积测量设备8、水体容纳容器9、金属外壳10、数据传输 线路11、数据存储及处理设备12组成，浮块5通过导线7与滑动变 阻器6连接，称重电子测量设备3的信号输出端通过数据传输线路 11与数据存储及处理设备12的信号输入端连接，体积测量设备8的 信号输出端通过数据传输线路11与数据存储及处理设备12的另一信 号输入端连接。

本装置各部分构件的技术指标如下：土样采集容器1为直径为 6cm，高度为2cm的铜质容器；称重加热底座2的量程为0--200g， 精度为0.01g；滑动变阻器6由一个5欧姆的电阻和一个灵敏电阻构 成，灵敏变阻器阻值为0.1欧姆；体积测量设备8的量程为0--80cm³， 精度为0.01cm³，内设单片机和相关程序，将电流值通过相关公式换 算为土颗粒的体积；水体容纳容器9的容积为150cm³；数据存储及处 理设备12主体由单片机和相关程序组成，主要负责相关的数据处理 和运算。

使用时，由土样采集容器1采集土样，放置称重加热底座2上称 重，由称重电子测量设备3显示质量m₁，通过称重加热底座2烘干土 样后再次称重，由称重电子测量设备3显示质量m₂，在确定烘干后图 样的质量时，称重电子测量设备3的显示数据稳定时的数据视为土样 烘干后的质量m₂，最后通过数据传输线路11传送给数据存储及处理 设备12；将土样取出并进行碾压；打开体积测量设备8，由体积测量 设备8记录下初始电流值，将碾碎的土样倒入水体容纳容器9中，由 体积测量设备8记录下稳定后的电流值并通过运行相关程序计算出 土颗粒的体积V_s，最后通过数据传输线路11传送给数据存储及处理 设备12；由数据存储及处理设备12运行相关程序计算出9个常用的 土体物理性质指标并一次性显示。