土壤有效孔徑及其分布參數(shù)的測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種土壤有效孔徑及其分布參數(shù)的測(cè)試方法，適用于量化土壤孔隙及 其分布。
【背景技術(shù)】
[0002] 土壤孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土體的滲流過程、變形及其破壞行為都有著至關(guān)重要的影響，經(jīng) 常被用來探討土體的力學(xué)機(jī)制，并用來解釋、預(yù)測(cè)土體的宏觀行為，如，土壤大孔隙是引起 優(yōu)先流、溶質(zhì)迀移、地下水污染、養(yǎng)分流失和灌溉水浪費(fèi)的關(guān)鍵因素，現(xiàn)有研究結(jié)果表明：大 孔隙的存在使土壤的飽和導(dǎo)水率增加了幾倍，且對(duì)總?cè)霛B量貢獻(xiàn)率可達(dá)到85%，特別是直 徑大于1.0 mm的孔隙是影響傳導(dǎo)水流的重要因素。
[0003] 多孔介質(zhì)的流體力學(xué)性質(zhì)與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，表征多孔介質(zhì)流體力學(xué)性質(zhì)的 細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征稱為滲流結(jié)構(gòu)。在一般情況下，多孔介質(zhì)的滲流結(jié)構(gòu)可用有效孔隙半徑和迂 曲度兩項(xiàng)參數(shù)來表示。土壤是一種典型的多孔介質(zhì)，目前，測(cè)量土壤滲流結(jié)構(gòu)的方法主要分 為兩種，一種是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方法，一種是實(shí)驗(yàn)法。
[0004] 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方法，首先將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，然后選取閾值將圖像轉(zhuǎn)化為二 值圖像，閾值以上即為孔隙，最后計(jì)算二值圖像中孔隙面積與總面積的比值即為孔隙度，根 據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算孔隙半徑和迂曲度。該方法基于土壤切片計(jì)算滲流參數(shù)，由于切 片中難免存在死端孔隙，因此將測(cè)試結(jié)果運(yùn)用工程實(shí)踐計(jì)算時(shí)存在一定的誤差。
[0005] 實(shí)驗(yàn)法以傳統(tǒng)的烘干法為代表，實(shí)驗(yàn)步驟為：首先用環(huán)刀取所需土樣并稱重，然后 放入烘箱中于105°c下烘干24小時(shí)，取出后稱重，運(yùn)用相關(guān)公式計(jì)算孔隙度。烘干法具有操 作簡(jiǎn)單和測(cè)試成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是難以掌握土壤內(nèi)部的細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)，為此研究人員提出 壓汞法、半滲透隔板法、離心機(jī)法、動(dòng)力驅(qū)替法、氣體吸附法、懸浮液過濾法等。
[0006] 土壤的孔道形狀復(fù)雜，影響測(cè)量結(jié)果的因素也很多，既有數(shù)學(xué)模型層面上的因素， 也有測(cè)試方法、儀器設(shè)備、測(cè)試步驟和土壤試樣尺寸大小等方面的因素，每種測(cè)試方法具有 自身的優(yōu)點(diǎn)和不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種土壤有效孔徑及其分布參數(shù)的測(cè)試方法。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0009] 第1步：測(cè)試土壤試樣的孔隙比和滲透系數(shù)
[0010] 用常規(guī)手段（現(xiàn)有技術(shù)）測(cè)試試驗(yàn)區(qū)域土體的滲透系數(shù)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試土壤 試樣的密度和含水量，采用關(guān)系式1計(jì)算土壤試樣的孔隙比e ;
[0011] 關(guān)系式1
[0012]
[0013] 關(guān)系式1中e為土壤試樣孔隙比，ds為土壤試樣顆粒相對(duì)密度，P w為水的密度，w 為土壤試樣的含水量，P為土壤試樣密度；
[0014] 第2步：測(cè)試土壤試樣的孔隙迂曲度
[0015] 利用常規(guī)手段（現(xiàn)有技術(shù)）測(cè)定水的表面張力、土壤試樣的固液界面接觸角和毛 管壓力曲線，采用關(guān)系式2計(jì)算土壤試樣的孔隙迂曲度λ為；
[0016] 關(guān)系式2
[0017]
[0018] 關(guān)系式2中λ為土壤試樣的孔隙迂曲度，e為土壤試樣孔隙比，k為土壤試樣的滲 透系數(shù)，σ為水的表面張力，Θ固液界面接觸角，S為土壤試樣飽和度，P。(S)為毛管壓力 曲線；
[0019] 第3步：測(cè)試土壤試樣的穿透曲線
[0020] 采用取土鉆現(xiàn)場(chǎng)取樣，將取樣制作成土壤試樣，土壤試樣的直徑為5-lOcm，長(zhǎng)度 為10-20cm ;制作上部有溢流管的乳膠膜，先將土壤試樣裝入乳膠膜中，土壤試樣上端面與 乳膠膜溢流管的距離為3-5cm ;在試驗(yàn)桶（如圖1所示）底部自上而下放置濾紙和透水石， 再將土壤試樣裝入試驗(yàn)桶中，使乳膠膜的溢流管與試驗(yàn)桶的溢流孔平齊，從試驗(yàn)桶溢流孔 中抽出乳膠膜的溢流管，將乳膠膜套在試驗(yàn)桶中，試驗(yàn)桶身內(nèi)壁直徑比土壤試樣的直徑大 l-2mm ;在乳膠膜中的土壤試樣上部裝入厚度為0. 5-1. Ocm的細(xì)砂后注入水，自水從土壤試 樣底部流出至積液容器開始，每隔3-5分鐘記錄一次積液容器中水的出滲量Q。，連續(xù)記錄至 滲流穩(wěn)定，當(dāng)水在土壤試樣中的流速達(dá)到其最大流速的0. 99-1. 0倍時(shí)判定滲流初始穩(wěn)定， 水初始出滲時(shí)為h時(shí)刻，滲流達(dá)到初始穩(wěn)定時(shí)為12時(shí)刻；
[0021] 第4步：計(jì)算土壤試樣孔隙的最大有效半徑和最小有效半徑
[0022] 采用關(guān)系式3計(jì)算土壤試樣的最大有效半徑Rniax，采用關(guān)系式4計(jì)算土壤試樣的最 小有效半徑R_;
[0023] 關(guān)系式3 :
[0024]
[0025] 關(guān)系式3中Rniax為土壤試樣最大有效半徑，u為水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，λ為土壤試樣 的孔隙迂曲度，h為土壤試樣長(zhǎng)度，^為溶液開始出滲時(shí)間，γ為水的重度；
[0026] 關(guān)系式4 :
[0027]
[0028] 關(guān)系式4中R_為土壤試樣最小有效半徑，u為水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，λ為土壤試樣 的孔隙迂曲度，h為土壤試樣長(zhǎng)度，t 2為滲流達(dá)到初始穩(wěn)定時(shí)間，γ為水的重度；
[0029] 第5步：計(jì)算土壤試樣的平均有效孔徑
[0030] 采用關(guān)系式5計(jì)算土壤試樣的平均有效孔徑Ra，
[0031] 關(guān)系式5
[0032]
[0033] 關(guān)系式5中RaS土壤試樣的平均有效孔徑，δ為土壤試樣孔徑的修正系數(shù)，R_ 為土壤試樣的最大有效半徑，R_為土壤試樣的最小有效半徑，R為土壤孔隙半徑，σ和μ 為孔徑分布參數(shù)；采用關(guān)系式6計(jì)算土壤試樣孔徑的修正系數(shù)δ，
[0034] 關(guān)系式6
[0035]
[0036] 關(guān)系式6中δ為土壤試樣孔徑的修正系數(shù)，Rniax為土壤試樣的最大有效半徑，R _ 為土壤試樣的最小有效半徑，R為土壤試樣孔隙半徑，σ和μ為孔徑分布參數(shù)；
[0037] 第6步：計(jì)算土壤試樣孔徑分布參數(shù)
[0038] 建立溶液在土壤中的穿透曲線方程，運(yùn)用穿透曲線方程計(jì)算流量Qj，流量Q j的計(jì) 算公式見關(guān)系式7,比較計(jì)算流量Q,和實(shí)測(cè)流量Q。，采用最小二乘法擬合確定有效孔徑分布 參數(shù)σ和μ ;
[0039] 關(guān)系式7
[0040]
[0041] 關(guān)系式7中1?_和R _分別為土壤試樣的最大有效孔徑和最小有效孔徑，δ為土 壤試樣孔徑的修正系數(shù)，e為土壤試樣孔隙比，s為土壤試樣半徑，h為土壤試樣長(zhǎng)度，u為 水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，λ為土壤試樣的孔隙迂曲度，σ和μ為孔徑分布參數(shù)，R a為平均孔隙 半徑，R為土壤試樣孔隙半徑。
[0042] 所述的試驗(yàn)桶包括試驗(yàn)桶身，在試驗(yàn)桶身的底部自下而上設(shè)置有透水石、濾紙，桶 底上連通有積液管，積液管下放置積液容器；在試驗(yàn)桶身的上部設(shè)置有試驗(yàn)桶溢流孔，試驗(yàn) 桶溢流孔下放置有溢流液容器；在試驗(yàn)桶身的頂部設(shè)置有注液容器；在試驗(yàn)桶身的桶內(nèi)布 置有上部有溢流管的乳膠膜，乳膠膜上的溢流管從試驗(yàn)桶溢流孔穿出。
[0043] 本發(fā)明測(cè)試土壤試樣有效孔徑及其分布，操作簡(jiǎn)單、測(cè)試成本低；本發(fā)明是基于水 在土壤試樣的穿透曲線分析土壤孔徑及其分布，能夠避免死端孔隙對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；相 對(duì)于壓汞法等，土壤試樣體積較大，測(cè)試結(jié)果能夠有效反映土壤的宏觀參數(shù)。
【附圖說明】
[0044] 圖1為本發(fā)明第3步中所使用試驗(yàn)桶的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045] 圖中：1、注液容器，2、細(xì)砂，3 土壤試樣，4、試驗(yàn)桶身，5、濾紙，6透水石，7積液管，8 積液容器，9、溢流液容器，10、溢流管，11試驗(yàn)桶溢流孔。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 采用本發(fā)明，測(cè)試江西贛南某離子型稀土礦土壤試樣的有效孔徑及其分布參數(shù)。
[0047] 第1步：測(cè)試土壤試樣的孔隙比和滲透系數(shù)
[0048] 在江西贛南某離子型稀土礦，采用雙環(huán)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試土體滲透系數(shù)為I. 36X 10 6m/ s，用環(huán)刀在現(xiàn)場(chǎng)共取8個(gè)樣，測(cè)試土壤試樣的密度和含水量，測(cè)試得到土壤試樣的平均密 度為1530kg/m 3和含水量為15. 3%，測(cè)試得到土壤試樣顆粒密度為2680kg/m3,采用關(guān)系式 1計(jì)算土壤試樣的孔隙比為0. 96。
[0049] 關(guān)系式1
[0050]
[0051] 關(guān)系式1中e為土壤試樣孔隙比，ds為土壤試樣顆粒相對(duì)密度，P w為水的密度，w 為土壤試樣的含水量，P為土壤試樣密度。
[0052] 第2步：測(cè)試土壤試樣的孔隙迂曲度
[0053] 利用現(xiàn)有技術(shù)測(cè)定水的表面張力、土壤試樣的固液界面接觸角和毛管壓力曲線， 采用關(guān)系式2計(jì)算土壤試樣的迂曲度λ為1.98。
[0054] 關(guān)系式2
[0055]