目录 _Toc345598421 第1章绪论.............................................................................................................. - 1 - 1.1目的..................................................................................................................... - 1 - 1.2 课题背景与意义.................................................................................................. - 1 - 1.3监测原理 ............................................................................................................. - 1 - 1.4实验装置简介 ...................................................................................................... - 3 - 第2章被测参数及仪表选用.......................................................................................... - 5 - 2.1本设计需要检测和控制的主要参数 ..................................................................... - 5 - 2.2实验管流体进、出口温度测量............................................................................. - 5 - 2.2.1检测方法设计以及依据 ............................................................................. - 5 - 2.2.2仪表种类选用以及设计依据...................................................................... - 7 - 2.2.3测量注意事项............................................................................................ - 7 - 2.2.3误差分析 ................................................................................................... - 7 - 2.3实验管壁温测量 .................................................................................................. - 7 - 2.3.1检测方法设计以及依据 ............................................................................. - 8 - 2.3.2仪表种类选用以及设计依据...................................................................... - 8 - 2.3.3测量注意事项............................................................................................ - 9 - 2.3.4误差分析 ................................................................................................... - 9 - 2.4水浴温度测量 ...................................................................................................... - 9 - 2.4.1检测方法设计以及依据 ............................................................................. - 9 - 2.4.2仪表种类选用以及设计依据....................................................................- 10 - 2.4.3测量注意事项..........................................................................................- 11 - 2.5水位测量 ...........................................................................................................- 11 - 2.5.1检测方法设计以及依据 ...........................................................................- 11 - 2.5.2仪表种类选用以及设计依据....................................................................- 12 - 2.5.3测量注意事项..........................................................................................- 14 - 2.5.4误差分析 .................................................................................................- 14 - 2.6流量测量 ...........................................................................................................- 14 - 2.6.1检测方法设计以及依据 ...........................................................................- 14 - 2.6.2仪表种类选用以及设计依据....................................................................- 14 - 2.6.3测量注意事项以及误差分析....................................................................- 15 - 2.7差压测量 ...........................................................................................................- 15 - 2.7.1检测方法设计以及依据 ...........................................................................- 15 - 2.7.2仪表种类选用以及设计依据....................................................................- 16 - 2.7.3测量注意事项..........................................................................................- 17 - 2.8 心得体会...........................................................................................................- 17 - 参考文献.........................................................................................................................- 18 -
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920618031.1 (22)申请日 2019.04.30 (73)专利权人 山西农业大学 地址 030801 山西省晋中市太谷县山西农 业大学 (72)发明人 栗丽 李廷亮 张晋丰 谢钧宇 李丽娜 黄晓磊 (74)专利代理机构 太原华弈知识产权代理事务 所 14108 代理人 梁丽丽 (51)Int.Cl. G01N 33/24(2006.01) G01N 15/08(2006.01) (54)实用新型名称 一种综合应用的室内模拟土柱实验装置 (57)摘要 本实用新型涉及一种综合应用的室内模拟 土柱实验装置，由供水装置、填土装置和滤液收 集装置组成；所述供水装置由供水箱、蠕动泵和 降雨筛组成，所述蠕动泵连接在供水箱的出水 口，所述降雨筛通过管道与蠕动泵连接，所述填 土装置由若干段螺纹连接的中空填土管构成，所 述填土装置的外侧壁上间隔设有若干采样口，填 土装置的两端和两段中空填土管的连接处均设 有渗漏板，所述滤液收集装置为一中空的漏斗 体，其喇叭口朝上，下端开口方便收集滤液，上端 口与填土装置的下端口螺纹连接，上端口设有一 可拆卸的挡板。本实用新型的综合应用的室内模 拟土柱实验装置，不仅可以根据污染物不同而选 择土柱长度，还可以根据实验要求选择所需土柱 的入水方式。权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 209878758 U 2019.12.31 C N 209878758 U
权 利 要 求 书1/1页CN 209878758 U 1.一种综合应用的室内模拟土柱实验装置，其特征在于由供水装置、填土装置和滤液收集装置组成； 所述供水装置由供水箱、蠕动泵和降雨筛组成，所述蠕动泵连接在供水箱的出水口，所述降雨筛通过管道与蠕动泵连接； 所述填土装置由若干段螺纹连接的中空填土管构成，所述填土装置的外侧壁上间隔设有若干采样口，所述采样口与填土装置内部连通，填土装置的两端和两段中空填土管的连接处均设有渗漏板，所述渗漏板上均匀设有小孔，填土装置近上端口的外侧壁上设有与填土装置连通的径流口，所述径流口上设有径流口塞，填土装置近下端口的外侧壁上设有与填土装置连通的注水口，所述注水口上设有注水口塞，所述填土装置的上端口设置在降雨筛的下方，填土装置的直径与降雨筛的直径相同； 所述滤液收集装置为一中空的漏斗体，其喇叭口朝上，下端开口方便收集滤液，上端口与填土装置的下端口螺纹连接，上端口设有一可拆卸的挡板。 2.根据权利要求1所述的综合应用的室内模拟土柱实验装置，其特征在于所述供水箱设有刻度。 3.根据权利要求1所述的综合应用的室内模拟土柱实验装置，其特征在于所述降雨筛设有若干，降雨筛上的筛孔分别设有不同的孔径。 4.根据权利要求1所述的综合应用的室内模拟土柱实验装置，其特征在于所述中空填土管为透明的圆管。 5.根据权利要求1所述的综合应用的室内模拟土柱实验装置，其特征在于所述填土装置上端口设置的渗漏板的小孔的孔径为2mm，设置在填土装置内部距离上端口10cm的位置。 6.根据权利要求1所述的综合应用的室内模拟土柱实验装置，其特征在于所述注水口的直径为2mm，设置在距离填土装置底部5cm处的填土装置外侧壁上。 2
自选实验土柱给水度实验 均质（或层状土）理论给水度的求取方法 一、实验目的 1．根据给水度的定义与影响因素，自行设计方案求取均质土理论给水度。 2．进一步理解影响给水度测试的主要因素，掌握求取土层给水度的实验方法。 二、实验内容 1．选择一种砂样，求取均质或层状土层理论给水度。 2．研究均质土层包气带负压与含水量的关系。 三、实验仪器与用品 1．实验一所用的给水度仪、试验样品和相关用品。 2．土柱给水度仪（图1-3）。 3．不同粒径的砂样。 四、土柱给水度仪简介 本仪器主体结构包括有机玻璃试样柱、可升降的供水/排水装置以及测压板。试样柱上设有多个多孔陶土头测压点及一般的测压点，测压点与测压板相连，可以连续测定土层从饱水的正压到非饱和负压水头，从而了解土层负压变化及其对给水度的影响。 通过升降装置调节供水/排水装置（溢水箱）水位，控制试样柱中的水位；通过溢水箱水位变化的快慢控制试样柱水位下降速度，从而求取不同埋深或不同水位下降速度下的土层给水度。 图1-3 土柱给水度仪装置图 五、基本要求（参考实验演示步骤） 1．自行设计实验方案，包括设计土层结构、初始水位埋深、退水速度等，实验前写出详细实验方案。 2．根据实验方案设计实验记录表格，表格设计要求直观、内容齐全、有利于计算分析。
3．根据设计方案自己动手装样与实验，详细记录实验步骤、数据和现象。 4．实验报告：实验目的、内容与步骤、主要现象与结果分析。 六、思考题 1．试样给水度仪和土柱给水度仪的测试结果有何差异？为什么？ 2．根据实验结果总结土层给水度的影响因素有哪些？ 附实验测试结果表： 表1：土柱给水度仪测定细砂土层在（潜水）水位分步下降时的释水量。 表2：土柱给水度仪测定粗砂土层在（潜水）水位分步下降时的释水量。
模拟实验土柱和装置 1.土柱的概述 实验土柱通常分为两种：非扰动的原状土柱和填装的土柱。原状土柱较好地代表了研究对象的原土壤结构及理化性质。填装土柱可以是经过筛分的一种土壤，也可以是按一定比例混合的几种土壤。填装土柱不能保持原土壤结构，但是，适用于一定目的的专门研究。例如，通过改变各种参数（土壤粒径、比表面和矿物组分，土壤水的PH值，或土壤的不同混合比例等），来研究土壤对特定污染物的吸附性能。 2.土柱的尺寸 土柱的尺寸没有硬性的规定，一般认为圆形土柱的长度大于其直径的 2.5倍即可。不过对于要求精确的模拟土柱，其尺寸还要考虑以下几个方面：（1）污染物通常含有多种物质，在设计实验的过程中应当以迁移能力最强的污染物为标准来设计土柱，一般来说迁移能力上，有机污染物<阳离子污染物<阴离子污染物。 （2）由于在土柱内建立稳定的非饱和流场的方法不同，当土柱下段含水率偏高，不能满足实验要求时必须增长土柱的长度。 （3）对于不同的实验目的，必须根据测量方法和测量数据来确定土柱长度与直径的比值。 3.入水方式 入水方式通常有从上往下渗水和从下往上饱水两种。通常前者用于，地表污染物往土壤中的下渗，可以比较正确地反应该条件下污染物在土壤中的迁移情况，但是无法用于研究土壤对其的吸附作用。而从下往上饱水，可以让土壤与污染物充分接触，是研究土壤对污染物吸附机理和模型的最佳方式。 一般情况下，土柱模型都采用定流量水，在要求并不是很高的实验中，通常使用双马氏瓶来固定入水水头，但是在精度很高或者要求很大，很小或很稳定的水流量时，必须使用蠕动泵入水。 4.土柱的注意事项 （1）砾石层不管入水方式如何，必须在入水口的土壤前铺设1-2cm厚的砾石层，防治水流对土壤层的冲刷，从上往下渗水尤其必须注意。而在出水口土壤后也必须铺设1-2cm的砾石层，防治土壤堵塞。 （2）尼龙丝网，任何不同材料的层位之间，都应该放置尼龙丝网，且必须根据流向和材料来选择尼龙丝网的目数，当顺流向且材料由细变粗时，尼龙网需要目数足够大以阻挡细材料往粗材料中的渗透。 （3）反应渗透墙，根据实验的目的和所研究的污染物种类，可以适当的在土柱中添加反应渗透墙。反应渗透墙的材料组成厚度都必须经过详细的计算以选取合适的数值。 （4）柱身出水处首先为了防止土壤对柱身处水口的堵塞，必须在出水口前布置合适的尼龙丝网；其次在不同的实验中，此出水口有不同的功能，例如水头
一维垂直非饱和土壤水分运动实验系统 操作说明 西安理工大学水资源研究所 西安碧水环境新技术有限公司
1 试验原理 做一个直径为10cm 的垂直土柱，长度为100cm 左右，使密度均一，且有均匀的初始含水率。在土柱进水端维持一个接近饱和的稳定边界含水率，并使水分在土柱中作垂直吸渗运动，作为一维垂直流动其微分方程和定解条件为 ()()()()()() i 0K =D t z z z t 0 z 0000i t z t z θθθθθθθθθθ??????-???????? ==≥===→∞ １ ２ ３ ４ 基本方程（1）可改写为以(),z t θ为未知函数的方程 ()()()() (),,5z t dK z t D t d θθθθθθθ ?????- =- ??????? 式中，Z 坐标向下为正。 垂直入渗的解(),z t θ取为级数形式，即 (),z t θ=()()()()12342222 234t t t t ηθηθηθηθ++++ １ =()2 1i i i t ηθ∞ =∑ （6） 根据边界条件（3）可知，()00i ηθ= i=1，2，3， （7） 由初始条件（2）可以得到()1i ηθ=∞ （8） 当式（5）中的各项系数()i ηθ确定后，则可求得任一时刻T 不同含水率θ在土壤剖面上的位置Z ，亦即得到垂直入渗的解。()i ηθ可由待定系数法求得，为此，可以将方程（5）的右端按分式求导展开，整理得， 22 220z dK z z z dD z D d t d θθθθθθ?????????+--= ? ?????????? （9） 式中，D ，K 及z 分别为D （θ），K （θ）及(),z t θ的简写。对式（6）取 2 22z z z z t θθθ?????? ??????? ，分别如下：
目录 目录............................................................ - 0 -第1章绪论...................................................... - 1 - 1.1目的......................................................... - 1 - 1.2 课题背景与意义............................................... - 1 - 1.3监测原理..................................................... - 2 - 1.4实验装置简介 ................................................. - 4 -第2章被测参数及仪表选用........................................... - 5 - 2.1本设计需要检测和控制的主要参数 ............................... - 5 - 2.2实验管流体进、出口温度测量 ................................... - 5 - 2.2.1检测方法设计以及依据.................................. - 6 - 2.2.2仪表种类选用以及设计依据 ............................... - 7 - 2.2.3测量注意事项 ........................................... - 8 - 2.2.3误差分析 ............................................... - 8 - 2.3实验管壁温测量 ............................................... - 8 - 2.3.1检测方法设计以及依据.................................. - 8 - 2.3.2仪表种类选用以及设计依据.............................. - 9 - ............................. - 9 - 2.3.3测量注意事项 ......................................... - 9 - 2.3.4误差分析 ............................................ - 10 - 2.4水浴温度测量 ................................................ - 10 - 2.4.1检测方法设计以及依据................................. - 10 - 2.4.2仪表种类选用以及设计依据............................. - 10 - 2.4.3测量注意事项 ........................................ - 11 - 2.5水位测量.................................................... - 12 - 2.5.1检测方法设计以及依据................................. - 12 -
非饱和压实黄土抗剪强度的研究 非饱和黄土分布广泛,建筑物回填地基以及黄土路基、坝基等,这些工程用到的土都为非饱和压实黄土。土水特征曲线是研究非饱和土强度特性的重要内容。 对于压实土,压实功和压实含水率对土的物理力学特性影响很大。相对于压实功,压实含水率的影响更为显著。 不同起始含水率压实的土样尽管矿物成分相同,但常被看作不同的土。为了探究非饱和压实黄土抗剪强度特性,本文以黑方台黄土为研究对象,采用标准击 实法获得击实曲线,确定最优含水率(17.0%),选取低于最优(8.0%)、最优(17.0%)和高于最优(19.0%)三种含水率,采用压实法制备重塑样,压实样干密度与击实曲线上各含水率对应的干密度相同,分别为1.57g/cm~3(D157)、1.71g/cm~3(O171)、1.67g/cm~3(W167),另外以低于最优含水率(8%)制备一组与原状黄土干密度 (1.35 g/cm~3)相同的压实样(D135)。 通过滤纸法测定了四种压实黄土增湿过程的土水特征曲线,并用 Fredlund&Xing的方程对实测数据点进行拟合。结果表明:相同击实含水率的土样,即D135和D157,其土水特征曲线差异不大;而不同击实含水率的土样,即 D157,O171和W167,其土水特征曲线在过渡区(基质吸力10-3000kPa)差异较大。 具体表现为D157土样的土水特征曲线较陡,W167次之,O171最缓,这一现象同土样的微观孔隙分布密切相关。在残余区(基质吸力大于3000kPa),基质吸力 主要与颗粒矿物成分有关。 通过常规直剪试验讨论四种土的应力应变特性。击实含水率8%土样,即D135、D157,均为集粒结构,微观结构相似,土体的初始孔隙比显著影响其应力应变特性,较大孔隙比的土样D135剪切过程中易发生剪缩,表现为理想塑性或应变硬化特
土的三个基本物性指标试验 第一节土粒比重试验（比重瓶法） 一、试验目的 测定土粒比重，为计算土的孔隙比、饱和度以及为土的其他物理力学试验（如颗粒分析的密度计法试验、压缩试验等）提供必要的数据。 二、基本原理 土粒比重是指土在温度100～105oC下烘至恒重时的质量与同体积纯水在4oC时质量的比值。土粒的质量可用精密天秤测得。土粒的体积一般应用排出与土粒同体积之液体的体积方法测得，通常用比重瓶法。此法适用于粒径小于5mm或者含有少量5mm颗粒的土。粒径大于5mm的土，则用虹吸筒法。对于砂土，可用大型的李氏比重瓶法，其原理均与比重瓶法相似。 在用比重瓶法测定土粒体积时，必须注意，所排开的液体体积必须能代表固体颗粒的真实体积。土中含有气体，试验时必须把它排尽，否则影响测试精度。可用煮沸法或抽气法排除土内气体。所用的液体一般为纯水。若土中含有大量的可溶盐类、有机质、胶粒时，则可用中性液体，如煤油、汽油、甲苯和二甲苯，此时必须用抽气法排气。 三、仪器设备 1、比重瓶：容量为100cm3或50cm3, 有短颈式与长颈式两种(图2-1)； 2、分析天秤：称量200g，最小分度值0.001g； 3、恒温水槽；准确度应为±1oC； 4、砂浴：能调节温度； 5、真空抽气设备(图2-2)； 6、温度计：测定范围为0～50oC，精确至0.5oC； 7、其它：烘箱、纯水、中性液体、小漏斗、干毛巾、小洗瓶、磁钵及研棒、孔径为2mm 筛等。 图2-1 比重瓶a-短颈式b-长颈式 图2-2 抽气装置示意图 1-压力表2-真空缸3-比重瓶 接真空泵
四、操作步骤 1、土样的制备 取有代表性的风干土样约100g, 充分研散，并全部过2mm 的筛。将过筛风干土及洗净的比重瓶在100～105oC 下烘干；取出后置于干燥器内，冷却至室温称量后备用。 2、测定干土的质量 称烘干土15g , 通过漏斗装入已知质量的烘干比重瓶中，然后在分析天平上称得瓶加土的质量(精确至0.001g )，减去瓶的质量即得土粒质量m s 。 3、煮沸(或抽气)排气 (1) 煮沸排气：注纯水于盛有土样的比重瓶中至半满；轻摇比重瓶，使土粒分散；将瓶置于沙浴上煮沸，煮沸时间自悬液沸腾起，砂土不应少于30min ，粘土、粉土不得少于1h ，以排除气体。 (2) 抽气排气：将盛有土样及半满纯水的比重瓶放在真空抽气缸内，如图2-2所示；接上真空泵，真空度应接近一个大气压，直至摇动时无气泡逸出为止，时间一般不少于1h 。 4、测定瓶加水加土的质量 若用煮沸排气法时，煮沸完毕后，取出比重瓶冷却至室温，注纯水于比重瓶中。当用长径比重瓶，应加纯水于刻度处；当用短颈比重瓶时，应注纯水至瓶口，塞上瓶塞，使多余的水自毛细管中溢出；瓶塞塞好后，瓶内不应留有空气，如有，应再加水重新塞好。然后将比重瓶置于恒温水槽内。待温度稳定和瓶内上部悬液澄清后，取出比重瓶。将瓶外水分擦干后称量，得瓶、水和土之质量m bws 。 5、测定瓶加水的质量 倒掉瓶中悬液，洗净比重瓶，灌满纯水加盖，恒温约15min ，使瓶内纯水温度与悬液的温度一致。检查瓶内有无气泡，若有，需排除；然后，擦干瓶外水分称量，得瓶加水的质量m bw 。 五、成果整理 1、计算 按下式计算土粒的比重，准确至0.01 g/cm 3。 wt bws s bw s s G m m m m G ?-+= (2-1) 式中，m s 为土粒的质量，g ；m bws 为瓶加水加土的质量，g ；m bw 为瓶加水的质量，g ；G wt 为t oC 时纯水的比重，可由表2-1查得。 本试验须进行两次平行测定，其平行测定差值不得大于0.02g/cm 3，取两个测值的平均值。 表2-1 不同温度时水的比重
黄土状压实填土压缩和强度特性研究 摘要：基于非饱和土力学理论，并考虑黄土结构性的影响，本文通过三轴剪切试验取得了原状黄土的压缩性随含水量的增加而增加的结论，确定了土体割线模量与含水量之间的定量关系。 关键词：非饱和土湿陷性黄土三轴剪切试验 建筑结构基础设计过程中，由于工程地质条件的多样性，地基土抗剪强度的不同，常常需要对地基持力层或主要受力层进行处理，常用的方法有换填垫层法；另外，在山区地基或者丘陵地带，由于地形地貌的原因，建设场地起伏较大，这时，也需要对地基进行处理，常用的方法有压实填土法。对于这两种方法，在填料选择和施工技术等方面类似，工程人员在设计时对一些参数的选取存在混淆，本文着重从适用范围、质量控制、填土厚度、承载力修正等四个方面分析了两者的区别。 1、影响路基压实的因素 1.1含水量对压实的影响 由土的三相分析中可知，土中含水量的变化，较大程度上影响土的性质的改变，对所能达到的密实度起着非常重要的作用，随着含水量的增加，土所处的状态发生变化，即可由半固态→硬塑态→较塑态→液态的过程转变，不同状态的土对外力的抵抗能力是不同的，处在半固体状态的土，含水量小，可塑性很小，压实困难，遇水则强度急剧下降，作为路基填土硬塑状态的土基容易通过压实获得最佳密实度和较好的水稳定性；处于较塑状态的土，由于含水量偏高，土基难以压密，在碾压过程中可能会产生弹簧现象，变形较大。当含水量达到最佳含水量时，可以达到最大干密度。 1.2土质对压实的影响 就填筑路堤而言，最适宜的是砂砾土、砂土及砂性土，这些土容易压实，有足够的稳定性和水稳定性，最难压实的土是黏土，黏土的特点是液限大，最佳含水量比其他土类大，而最大干密度较小，但经压实的黏土仍具有良好的不透水性。
一、粘性土 粘性土分为粉质粘土和粘土 一、粉质粘土定义： 塑性指数大于10且小于或等于17的土应定名为粉质粘土，肉眼观察，细土中 有砂粒，干时不坚硬，用锤可打成细土粒，湿时有塑性有粘结力，能搓成 φ0.5-2mm的土条，长度较小，用手搓、捻感觉有少量细颗粒，稍有粘滞感觉。 二、粘土定义： 塑性指数大于17的土定为粘土，肉眼观察较细腻，一般无砂粒，干时很坚硬，用锤可打成碎块，湿时塑性粘性大，土团压成饼时，边部不裂，能搓成 φ=0.5mm的土条，长度不少于手掌，用手搓捻有滑润感觉，当水分较大时，极 为粘手，感觉不到有颗粒存在。 三、描述内容：颜色、状态、包含物、光泽反应、摇震反应、结构及层理特征 1、颜色：主色在后，次色在前。 2、状态：①坚硬：干而坚硬，很难掰成块。 ②硬塑：用力捏先裂成块后显柔性，手捏感觉干，不易变形，手按无指印。 ③可塑：手捏似橡皮有柔性，手按有指印。④软塑：手捏很软，易变形， 土块掰时似橡皮，用力不大就能按成坑。⑤流塑：土柱不能直立，自行变形。 3、包含物：贝壳、铁锰结核、高岭土姜结石等。 4、光泽反应：用取土力切开 土块，视其光滑程度分为①切面粗造为无光泽。②切面略粗造（稍光滑） 为稍有光泽。③切面光滑为有光泽。5、摇震反应：试验对应将软塑~流动的 小土块或土球，放在手掌中反复摇晃，并以另一手掌振击此手掌，土中自由水 将渗出，球面呈现光泽。用手指捏土球，放松后水又被吸入，光泽消失，根据 土球渗水和吸水反应快慢可区分为：①立即渗水及吸水者为反应迅速。 ②渗水及吸水中等者为反应中等。③渗水和吸水慢及不渗，不吸者为反应 慢或无反应。4、韧性试验：将含水率略在于塑性的土块在手中揉捏均匀，然后在手掌中搓成直径3mm的土条，再揉成土团，根据再次搓条的可能性，可分为：①能揉成土团，再搓成条，捏而不碎者为韧性高②可再揉成团，捏而不碎者为 韧性中等③勉强或不能再揉成团，稍捏或不捏即碎者为韧性差5、干强度：试 验时将一小块土捏成小土团，风干后用手指捏碎，根据用力大小区分为①很难 或用力才能捏碎或掰断者为干强度高②稍用力即可捏碎或掰断者为干强度中等 ③易于捏碎和捻成粉未者为干强度低6、结构及层理特征：对同一土层中相间 呈韵律沉积，当薄层与厚层的厚度比大于1/3时，宜定为“互层”；厚度比为 1/10~1/3时，宜定为“夹层”；厚度比小于1/10的土层，且多次出现时，宜 定为“夹薄层”。7、对具有互层、夹层、夹薄层特征的土，尚应描述各层的厚度和层理特征。 粉土 一、定义： 粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数等于或小于10 的土应定名为粉土。肉眼观察绝大部分是粉粒，砂粒少，干时土块结合不够坚
黄土的物理力学性质 §2-1 黄土的物理性质 试验用黄土采用甘肃兰（州）海（石湾）高速公路工程现场扰动土，其物理性质主要由它的物理性质指标来体现，其物理性质指标主要有：孔隙率、天然含水量、容重和液塑限等。 由于黄土的生成与存在条件比较特殊，它的孔隙率比普通土的孔隙率要大。一般黄土中存在肉眼易见的孔隙，这些孔隙多为铅直圆孔，这类孔隙通称为大孔隙。大孔隙比例的多少在一定程度上决定了黄土湿陷性的大小，大孔隙多的黄土湿陷程度大；反之则小。 试验所用黄土的天然含水量很低，一般在10％以下。含水量在剖面上的变化与黄土层的厚度和埋藏深度没有直接关系。黄土的容重、比重取决于黄土的矿物成分、结构和含水量，而黄土的颗粒分散度、矿物成分、形状和弹性在一定程度上决定了黄土的液塑性。 黄土的物理性质随成岩时代、成岩地区的不同而表现出一定的差异。为了得到该黄土的物理性质，我们根据《公路土工试验规程》（JTJ 051-93）的要求，分别采用联合液塑限仪、烘箱和重型击实等方法进行了有关指标的测定，测定结果如表2-1所示。 一．主要成分分析 组成黄土的矿物约有60种，其中轻矿物（d﹤0.005mm）含量占粗矿物（d ﹥0.005mm）总量的90%以上。黄土中粘土矿物（d﹤0.005mm）以不同的方式同水和孔隙中的水溶液相互作用，显示出不同的亲水性，故粘土矿物的成分和比例，在某种程度上体现了黄土的湿陷性。 水溶盐的种类和含量与黄土的湿化、收缩和透水性关系密切，直接影响着黄土的工程性质。
水溶盐包括易溶盐、中溶盐和难溶盐三种。易溶盐（氧化物，硫酸镁和碳酸钠）极易溶于水或与水发生作用。它的含量直接影响到黄土的湿陷性。 中溶盐（石膏为主）的存在状态决定其与水的作用情况。以固体结晶形态存在时，溶解性小，但当以次生结晶细粒分布于孔隙中时，易溶解，在这种情况下，会对黄土的湿陷性有一定的影响。 难溶盐（碳酸钙为主）在黄土中既起骨架作用，又起胶结作用，这取决于其赋存的状态。当碳酸钙遇到CO2和H2CO3时溶解，溶解后的阴离子与颗粒表面的阳离子发生交换。当碳酸钙呈现固体结晶状时，是土体骨架的一部分。当它以薄膜状分布或与粘土一起构成次生团粒时，起胶结作用。一般来说，碳酸钙的含量大时，土的强度高。 黄土中的有机质表面能大，持水性强，它以聚集于大孔孔壁或分散于粘粒中形态存在，当其呈分散分布时，构成土的胶结成分，受水浸湿时，会吸收大量水分，而使土崩解。 二．颗粒组成 一般黄土的颗粒组成有两个特点，即小于0.25mm颗粒占绝大多数，且以粉粒（0.005~0.05）为主。用乙种比重计法对本文试验所用的土质进行颗粒分析，其颗粒分析结果见表2-2。 三．压实黄土的微观结构特性 原状黄土是自然历史的产物，它是在一定历史时期内经过了各种复杂作用后形成的，而压实黄土是利用人为的方法，将原状黄土经过粉碎，过筛，加水重塑，击实而成，因此，击实后的黄土改变了土的原始结构，具有独特的结构特征。 公路工程中的路基一般为压实土，为了进一步了解路基土体的结构，下面我们就介绍压实黄土的微结构特性。
《土柱实验》教学指导书 一、实验目的 1、加强对黄土特性的学习，掌握土壤弥散系数的概念和方法； 2、观察污染物在土壤中的迁移情况； 3、深入了解土壤对污染物的吸附和解析模型； 4、熟悉模拟实验数据的记录和处理，是将来进行污染物运移数学模拟的基础。 二、实验内容 1、测定土壤的弥散系数 2、观察污染物在土壤中的迁移 3、建立土壤对污染物的等温吸附模型和吸附动力学模型； 4、建立土壤对污染物的等温解析模型和解析动力学模型； 三、仪器相片 活性碳夹层柱身出水口出水或入水孔 四、模拟实验土柱和装置 1、土柱的概述 实验土柱通常分为两种：非扰动的原状土柱和填装的土柱。原状土柱较好的代表了研究对象的原土壤结构及理化性质。填装土柱可以是经过筛
分的一种土壤,也可以是按一定比例混合的几种土壤。填装土柱不能保持原土壤结构,但是,适用于一定目的的专门研究。例如,通过改变各种参数(土壤粒径、比表面和矿物组分,土壤水的pH值,或土壤的不同混合比例等)，来研究土壤对特定污染物的吸附性能。 2、土柱的尺寸 土柱的尺寸没有硬性的规定，一般认为圆形土柱的长度大于其直径的2.5倍即可。不过对于要求精确的模拟土柱，其尺寸还要考虑以下几个方面 (1) 污染物通常含有多种物质，在设计实验的过程中应当以迁移能力最强的污染物为标准来设计土柱，一般来说迁移能力上，有机污染物<阳离子污染物<阴离子污染物。 (2) 由于在土柱内建立稳定的非饱和流场的方法不同,当土柱下段含 水率偏高，不能满足实验要求时，必须要增长土柱的长度。 (3) 对于不同的实验目的，必须根据测量方法和测量数据来确定土柱长度与直径的比值。 3、入水方式 入水方式通常有从上往下渗水和从下往上饱水两种。通常前者用于，地表污染物往土壤中的下渗，可以比较正确的反应该条件下污染物在土壤中的迁移情况，但是无法用于研究土壤对其的吸附作用。而从下往上饱水，可以让土壤与污染物充分接触，是研究土壤对污染物吸附机理和模型的最佳方式。 一般情况下，土柱模型都采用定流量水，在要求并不是很高的实验中，通常使用双马氏瓶来固定入水水头，但是在精度很高或者对要求很大，很小或很稳定的水流量时，必须使用蠕动泵入水。 4、土柱的注意事项 (1) 砾石层不管入水方式如何，必须在入水口的土壤前铺设1-2cm厚的砾石层，防治水流对土壤层的冲刷，从上往下渗水时尤其必须注意。而在出水口土壤后也必须铺设1-2cm的砾石层，防治土壤堵塞。 (2) 尼龙丝网任何不同材料的层位之间，都应该放置尼龙丝网，且必须根据流向和材料来选择尼龙丝网的目数，当顺流向且材料由细变粗时，尼龙网需要目数足够大以阻挡细材料往粗材料中的渗透。 (3) 反应渗透墙根据实验的目的和所研究的污染物种类，可以适当的在土柱中添加反应渗透墙。反应渗透墙的材料组成厚度都必须经过详细的计算以选取合适的数值。 (4) 柱身出水处首先为了防止土壤对柱身处水口的堵塞，必须在出水口前布置合适的尼龙丝网；其次在不同的实验中，此出水口有不同的功能，例如水头的测量和水质电导率的测量。 (5) 土柱内侧必须粗糙，以防止水沿内测管壁的优先流。 5、附属设备
试验题目：水平土柱吸渗法测定非饱和土壤水扩散率 1 试验目的和测定原理 1.1 试验目的 掌握利用水平土柱法测定土壤水扩散率D(θ)的方法。该法是利用一个半无限长水平土柱的吸渗试验资料，结合解析法求得的计算公式，最后计算求出D(θ)值。 1.2 实验原理 做一个厚度较小（小于10cm ）的水平土柱，长度为100cm 左右，使密度均一，且有均匀的初始含水率。在土柱进水端维持一个接近饱和的稳定边界含水率，并使水分在土柱中作水平吸渗运动，忽略重力作用，作为一维水平流动其微分方程和定解条件为 a ()t b D x x θ θθθθθθ ???????? ?????? ?? ????? ＝＝＝ 式（b ）中为初始条件，即土柱有均匀的初始含水率a θ。式（c ）为进水端的边界条件，即土柱始端边界含水率始终保持在b θ（接近饱和导水率）。方程（a ）在上述定解条件下，求出其解析解，即可以得出()D θ的计算公式。该方程为非线性偏微分方程，求解比较困难。采用Boltzmann 变换，将其转化成偏微分方程求解。 Boltzmann 变换如下：方程a 可改写为以距离坐标x(θ，t)为因变量的基本方程即： ?? ? ???????=??- θχθθχ/)(D t (1) 假定此方程的解是变量分离的，即)()(t s θηχ= 将其代入以х为因变量的基本方程中，整理后结果为： χ>0 t=0 χ=0 t>0 (a) (b) (c)
????? ? -=θθηθθ θηd d D d d dt t ds t s )(/)()(1)() ( (2) 上式左端只随t 变化，右端只随θ变化。该式对任意的t 与θ都成立，则等式的两端必为同一常数，假定为A,故 ????? ? -θθηθθ θηd d D d d )(/)()(1＝A (3) =dt t ds t s ) () ( A (4) 对式（4）积分的结果为 []21 1)(2)(c t A t s +=（1c 为积分常数）将此式代回（2）得， []21 1)(2)(c t A +=θηχ 引入参数λ，令)()2(21 θηλA = 于是21 1)(c t +=λχ （5） 由b ，c 的条件得： 0)(0=θλ ，11/)(c χθλ= 由此可知1c 必须为0，即1c ＝0 将此代入（5）中，则得到2 1)(),(t t θλθχ=即为Boltzmann 变换 将分别对t 和θ求导，其结果代入方程（1）整理后得到求解土壤水分运动的常微分方程 ????? ?-=))((2 )(θλθθθ θλd d D d d 假设λ与 θ的关系是连续光滑的曲线，则必然有i θθ=，0=λ θ d d 时， 对上式积分，得 ) () (2)(θλθ θθθλθ θ d d D d i -=?即是含水量θ随时间和坐标x 得变化关系 解出()D θ值计算公式为： a ()d 1 d 2d D θθθθθ?＝－λ（） λ （d ）
芯吸效应与非饱和土柱试验! 沈珍瑶!，"，杨志峰!，韩新生"，倪世伟"，姚兰根"，李伟娟"，蔡 匀" （!#北京师范大学环境科学研究所，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京 !$$%&’；"#中国辐射防护研究院，核工业核辐射环境模拟技术重点实验室，山西太原$($$$)）摘要：介绍了非饱和土柱试验构造技术，重点介绍了芯吸技术的应用，结合研究实际，给出了 此方面的初步研究成果，研究显示芯吸技术是一种构造非饱和土柱试验的较好技术，但仍需进 一步开展工作。 关键词：非饱和土；芯吸效应；土柱试验 中图分类号：*)+!,!(! 文献标识码：-文章编号：!$$!.)&/!（"$$"）$!.$$&+.$+污染物在非饱和介质中的运移是近年来土壤科学研究热点之一，因地表的污染物先通过非饱和带再进入含水层，若不清楚污染物在非饱和带的运移情况，则是不可能正确预测其在含水层中的运移。 但相对含水层的研究，非饱和带技术较为滞后，这一方面是由于非饱和带技术研究的复杂性，另一方面是由于传统的水文地质及污染物运移的研究都集中在含水层，即与供水直接相关的地下介质场部分。 随着"$世纪%$年代末国外出现日益增多的非饱和带污染事件（特别是由于加油站油料泄漏引起的土壤污染），公众呼吁加强对非饱和带的研究，于是在国家与企业主的资助下，开展了一系列针对非饱和带污染的研究工作，但当时主要研究非饱和水的取样技术，目的是在现场 判断污染的范围及预测今后可能的变化趋势［!0&］。 在此期间，一种新的非饱和带取样技术得到了发展，这就是利用芯吸效应直接在非饱和带 获取非饱和污染水样的技术［!0&］。 ! 芯吸效应与非饱和土柱试验!"!利用芯吸效应的非饱和水取样技术 传统的非饱和取样技术［!，(］包括土芯法（123452671）、土壤吸力杯取样法（1234185932:.58; 1<=;4761） 、泛型土壤溶液取样法（;<:.9>;712341248932:1<=;4761）及瓦线法（934743:71）等，它们各有特点和缺点。 第!(卷第!期 "$$"年!月水科学进展-?@-ABCD EA F-GCH DBECABC @24,!(，A2,! I<:,， "$$"!收稿日期："$$$.!!.!’；修订日期："$$!.$"."’ 作者简介：沈珍瑶（!/)&J ），男，浙江鄞县人，北京师范大学副研究员，主要从事水环境、水资源、 核环境及三废治理等研究。 万方数据