毛细管水上升高度仪的研制

毛细管水上升高度仪的研制

杨申富刘正银赵杰

山东省交通规划设计院杨申富刘正银赵杰

摘要：毛细管水上升高度试验可以求出土内毛细管水上升高度及其上升速度，用于估测地下水位升高时，某些地区是否会变成沼泽或盐碱地，建筑物、路基有无被浸湿的可能性和浸湿的程度等问题，并用来推算降低地下水的必要深度。本文以毛细管水上升试验为基础，研制浮漂式五联毛细管水上升高度仪。其特点是用特制浮漂保证水箱水位始终保持不变，升高盛水箱能加大水头作用，缩短观测时间；可同时做五组试样，更好的满足工期的需求。

关键词：毛细管；水上升；高度仪；研制引言土的毛细管水上升高度是水在土空隙中因毛细管作用而上升的最大高度。是由于土粒与水分子之间的相互吸引力以及水的表面张力而产生的。毛细管水上升高度试验可以求出土内毛细管水上升高度及其上升速度，用于估测地下水位升高时，某些地区是否会变成沼泽或盐碱地，建筑物、路基有无被浸湿的可能性和浸湿的程度等问题，并用来推算降低地下水的必要深度[1-2]。

目前国内尚无正式厂家生产销售毛细管水上升高度仪，各单位的试验方法及试验仪器，规格参数个不相同，且不太适合公路土工试验规程。为此本文研制出浮漂式五联毛细管水上升高度仪。其特点是用特制浮漂保证水箱水位始终保持不变，升高盛水箱能加大水头作用，缩短观测时间；最大的优势在于可同时做五组试样，更好的满足工期的需求。

1测定毛细管上升高度的方法目前测定毛细管水上升高度方法可以综合为两类：正水头作用的和负水头作用的。试验原理都是根据毛细管水的弯液面（水的表面张力）所能支持的水柱重力而计算出毛细管水的上升高度[3-5]。

1.1正水头作用试验法正水头作用的试验法是使土中毛细管水的弯液面支持上升的水柱。这类方法中有直接观测法（适用于砂土），另一为郝赛法（适用于粘质土）。用直接观测法进行毛细管水上升高度试验可以求出毛细管水上升高度和速度的关系。试验过程中可以随时绘制高度与时间的关系曲线。当曲线已成平缓或趋于平缓时，可依延长线的趋势估计毛细管水的上升高度。

1.2负水头作用试验法负水头作用试验法是使土中毛细管水弯液面支持下降的水柱。这类方法中有土样管法，适用于原状土或扰动的细砂、粉土及粘质土，不适用于粘性大的粘土。目前国标上用正、负水头作用的方法测得的毛细管水上升高度，实际上是毛细管水头，对路基影响不大，而对路基产生危害作用的是强烈毛细管水上升高度。要测定毛细管水上升高度，只能用直接观测法，按土的塑限值从上升高度与含水率的关系曲线上查出强烈毛细管水上升高度。以塑限作为强烈毛细管水上升高度的上限是因为含水率小于塑限时，对路基不发生危害。

2毛细管水上升高度仪的研制2.1材料选择经多方考察对比确定采用不锈钢方管和有机玻璃作为制作原材料，并通过焊接和化学粘合剂进行连接，以达到稳固、耐用、美观的效果。

2.2具体结构设计毛细管水上升高度大于2米，重点考虑稳固和试样安装方便，并兼顾美观、耐用，总体结构包含试验架底座、上支架板、盛水箱、有机玻璃柱、橡胶软管，橡胶垫圈钢丝网，铝制通气顶盖，漏斗等。

将上述结构进行组装，把加工好的底座安装在试验架的下端，将上支架板安装在试验架的上端，并使其牢固，上下相对应的圆孔应垂直。盛水箱安放在试验架下方，调节螺栓应固定在盛水箱下面的支架上。用橡胶软管连接盛水箱和自来水龙头，同时将盛水箱底部的五个出水口与试验底座下的五个进水口相连接，按照以上步骤完成装配过程。

2.3性能试验2.3.1试验步骤1、准备：安装好毛细管试验仪，把底座的垫圈和钢丝网点好，同时将试验管上排气孔和小孔全部宁上盖，备好接口螺栓，以便随时拼接。

2、制样：取自备好的风干土3kg，用漏斗分五次装入试验管中，每次装入试验管中的土样重量和振捣的次数应尽量相同，使其密度均匀（其密实度应接近实际密实度），直至装满为止。

若需继续拼接，可按上述方法进行制样，然后用胶带将两管接口包好，接上外用接口，拧紧固定螺栓，顶端盖上铝盖。

3、安装土样管：将自备好的试验管安放在试验架上，固定牢管身，并使其垂直。将盛水箱接入自来水，打开水龙头，调整箱体高度，用水平尺控制水面比有机玻璃管零点高出0.5～1.0cm。

4、试验：接通橡胶管和有机玻璃管底部的接口，然后开启排气小孔，使空气排出，直到孔内有水流出时，拧紧螺帽。从小孔有水排出时起，经30分钟、60分钟，以后每隔数小时，根据管中土的颜色，测计该时间的毛细管水上升高度，直至上升稳定为止。为观测强烈毛细管水上升高度，将筒壁小洞盖打开，每隔10cm高度，用小勺取样测其含水率。

2.3.2试验结果在半对数纸上，以毛细管水上升高度h为纵坐标，以时间t为横坐标，绘制毛细管水上升高度h与时间t的关系曲线。同时绘制毛细管水上升高度h与含水率w的关系曲，与标准曲线进行对比。

3小结本文研制出浮漂式五联毛细管水上升高度仪。其特点是用特制浮漂保证水箱水位始终保持不变，升高盛水箱能加大水头作用，缩短观测时间；装土样的管子采用有机玻璃管，经久耐用，装土捣实时不致破坏，其侧面开有间距10cm、孔径1cm的小孔，便于取土测定含水率；能观测毛细管水上升速度。最大的优在于可同时做五组试样，更好的满足工期的需求。

毛细管水上升高度仪的制成和使用，填补了国内在该方面的研究空白，为工程地质勘探的发展和进步起到了积极的作用。

但还需在今后的实验中边使用、边改进不断总结经验，使其得到进一步完善。

参考文献：[1]吴波.工程地质勘察中水文地质测试与研究[J].中国新技术新产品.2009（21）[2]梁德玉，盛廷福.工程地质勘察中水文地质测试与研究[J].科技资讯.2010（22）[3]姚华，张喜发，张冬青.影响粗粒土毛细水上升高度的因素研究[J].勘察科学技术.2007（01）[4]董斌，张喜发，李欣，张冬青.毛细水上升高度综合试验研究[J].岩土工程学报.2008（10）[5]李瑞峰.竖管法和负水头法毛细水上升高度的比较研究[J].山西建筑.2008（25）