CN103823040A - 一种模拟土体受极端气候作用的装置及运用该装置测试的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟土体受极端气候作用的方法与装置。适用于室内人工控制模拟研究土体受干旱、降雨（酸雨）及其耦合的极端气候过程作用下的物理力学性质变化，是一种能模拟极端气候环境对土体性质影响的人工模拟方法与装置。模拟地温范围为0~75℃、空气湿度范围为0~95%RH、降雨强度为0-250mm/h，可根据需要任意调节，产生多种降雨（暴雨、酸雨）类型。通过启动不同的工作模块可用来研究土在干旱、降雨（酸雨）及其耦合等多种气候环境效应影响下的力学响应；各系统相互独立，结构简单，便于安装和拆卸，灵活度高、适用性强。

Description

一种模拟土体受极端气候作用的装置及运用该装置测试的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程研究中的一种方法及装置，特别涉及一种模拟土体受干旱、降雨（酸雨）极端气候作用的方法与装置。

背景技术

土是由固、液、气三相构成，其中固体颗粒是由多种粘土矿物组成，使土体具有很大的多样性和易变性。土体物理、化学性质的变化不仅来自于机械作用，更重要的是来自环境因素的影响，其中气候环境是主要外动力地质因素。近年来，工业污染、全球变暖导致我国干旱、降雨（酸雨）及其耦合等极端气候事件越来越频繁的发生。在这些极端气候环境下，土的物理、化学性质将发生变化，进而影响土体的力学性质, 至使土体原有的平衡状态被破坏，可能会造成滑坡、泥石流等灾害，给国民经济建设和人民生命财产安全造成重大灾难与损失。因此，在极端气候条件下，岩土体力学特性的变化是一个比较值得探索的方向，这个方向旨在探索极端气候环境与岩土体相互作用。目前这一领域研究还处于初级阶段，没有相对成熟的理论。

为了研究干旱、降雨（酸雨）及其耦合的极端气候环境变异对岩土体的影响，需要在室内模拟极端气候环境，进而研究岩土体力学特性的变化。因此，探索一种模拟土体受干旱、降雨（酸雨）极端气候作用的方法与装置极其重要和必要。

发明内容

本发明的目的是要提供能在实验室的一定容器内通过人工控制模拟干旱、酸雨等极端气候环境，使土样与环境充分作用，模拟土体受干旱、降雨（酸雨）极端气候作用的方法与装置，能严格控制实验条件，可以随时模拟所需的酸雨、干旱及极端干旱后降雨等极端气候环境，土样与环境反应后，可以在室内测定土体参数，研究土体参数的变化规律。

本发明的技术方案是：一种模拟土体受极端气候作用的装置包括饱和缸、温湿度传感器、超声波加湿机、玻璃纤维加热带、控制器、真空泵、钢制容器、人工降雨器；

人工降雨器为圆形均布滴式降雨孔的有机玻璃，有机玻璃装在饱和缸上部、并在饱和缸上部形成一个独立空间A；

饱和缸设置于钢制容器内，饱和缸外壁与钢制容器内壁之间填充保温填充材料、玻璃纤维加热带；所述温湿度传感器置于饱和缸内，超声波加湿机与空间A连通，风扇与真空泵连接，风扇安装在空间A内， A/D转换器与温湿度传感器电性连接，A/D转换器、玻璃纤维加热带、超声波加湿机、真空泵分别与控制器电性连接，A/D转换器接收温湿度传感器数据、并把数据转化成电信号输入控制器，控制器能控制玻璃纤维加热带、超声波加湿机、真空泵的开启或关闭。

进一步讲，饱和缸的内壁为不锈钢。

进一步讲，A内设有放置试样的钢丝网片。

进一步讲，饱和缸底部中心处设有放水孔，放水孔连通饱和缸外部空间与内部空间。

还可以，一种模拟土体受极端气候作用的装置还包括进水管，所述进水管将供水箱内的水引入有机玻璃表面，进水管上设有流量计、电压变频器，电压变频器与控制器电性连接。

运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法，方法包括泥土制备、模拟环境、数据采取、数据处理；

1）实验试样制备，按要求将过筛的土配置成饱和的泥浆并搅拌均匀；

2）模拟环境，将1）中制备的泥浆放入模拟土体受极端气候作用的装置中，利用模拟土体受极端气候作用的装置模拟温度、不同的干湿循环幅度，所述模拟温度包括将泥浆放入模拟土体受极端气候作用的装置中通过玻璃纤维加热带加热设定不同的温度环境，所述不同的干湿循环幅度包括将泥浆放入模拟土体受极端气候作用的装置中，在温湿度一定的条件下把泥浆烘干成土样，再对土样直接降雨，降雨后将试样密封保存预定时间），使水充分润湿，然后再在相同条件下进行第二次烘干，如此循环，将首次烘干视为初始条件，降雨再次烘干后的状态为第一次循环，根据实验要求设置每组样的循环次数；

3）数据采取，每一次烘干过程均采用相机做记录、并将同一次烘干过程照片编成同一组；

4）数据处理，通过分析3）中的照片得到实验结果。

还可以，数据采取过程中，每隔1秒或半秒采用相机拍照一次。

本发明的优点在于，在实验前将玻璃纤维加热带安装紧贴于饱和缸壁，并将保温填充材料充填在玻璃纤维加热带与钢制容器间，达到保温隔热的目的。玻璃纤维加热带，温度范围为0~75℃，升温速率：从30℃升到40℃，时间不大于1小时，用来创造环境温度，模拟高温等极端气候。超声波加湿机调节湿度范围：0~95%RH，并与风扇连接以确保饱和缸内湿度均匀。风扇调节风速，模拟风力环境，其与真空泵相连，通过控制器调节饱和缸内的气流循环。进水管将供水箱内的水引入有机玻璃表面，进水管上设有流量计、电压变频器，电压变频器与控制器电性连接，通过控制器相能根据需要任意调节进水管的流量，实现均匀型、递降型，峰值型和递增型等降雨类型，能过在配制供水箱的水质实现不同数值的酸雨类型。

本模拟器可以在室内模拟干旱、降雨（酸雨）及其耦合的极端气候环境与土体的相互作用，进而研究岩土参数的变化，也可以将这些成果应用于数值模拟中，使计算机模拟能反映出真实环境对土体特性的影响，数值模拟结果更准确。

与现有技术相比，本发明的优势是：1. 和现有饱和器一样能对土样进行饱和，开展各种重塑土的饱和试验；2.对岩土试样进行恒温恒湿试验，保证试验环境的可控制性；3. 模拟干旱、降雨（酸雨）及其耦合的各种工况下，研究岩土力学性质变化；4. 研究非饱和土在环境效应影响下的力学响应，比如干湿循环、化学作用、风化作用等自然力作用下非饱和土的力学性质变化、本构模型研究等；5.模拟器结构简单，各系统相互独立，便于安装和拆卸，成本低，适用性强，灵活度高，便于操作。

附图说明：

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。

图1 是本发明工作原理图。

图2是本发明内部结构示意图。

图3是本发明的人工降雨器示意图。

图4是运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法实施例中试验土样基本物理参数表。

图5是运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法实施例中粒径大小分配曲线。

图6是运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法实施例中试验土样的颗粒级配试验结果。

图7是运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法实施例中30℃时土样表明裂缝的典型形态。

图8是运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法实施例中40℃时土样表明裂缝的典型形态。

图9是运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法实施例中50℃时土样表明裂缝的典型形态。

图10是运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法实施例中降雨10分钟的干湿循环土样表明裂缝的典型形态。

图11是运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法实施例中降雨20分钟的干湿循环土样表明裂缝的典型形态。

图12是运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法实施例中降雨30分钟的干湿循环土样表明裂缝的典型形态。

1、饱和缸，2、温湿度传感器，3、超声波加湿机，4、玻璃纤维加热带，5、A/D转换器，6、控制器，7、真空泵，8、风扇，9、电压变频器，10、流量计，11、供水箱，12、人工降雨器13、饱和缸内壁，14、保温填充材料，15、钢制容器，16、底板，17、放水孔，18、降雨进水管，19、上盖板，20、滴式降雨孔。

具体实施方式

如图1、2、3所示，一种模拟土体受极端气候作用的装置包括饱和缸1、温湿度传感器2、超声波加湿机3、玻璃纤维加热带4、控制器6、真空泵7、钢制容器15、人工降雨器12、进水管18，饱和缸1为圆柱形，在模拟降雨过程中没有死角，能保证降雨的均匀性；

所述的人工降雨器12为圆形均布φ1cm滴式降雨孔20的有机玻璃，有机玻璃装在饱和缸1上部、并在饱和缸1上部形成一个独立空间A；

所述饱和缸1设置于钢制容器15内，饱和缸1外壁与钢制容器15具内壁之间填充保温填充材料14、玻璃纤维加热带4；所述温湿度传感器2置于饱和缸1内，超声波加湿机3与空间A连通，风扇8与真空泵7连接，风扇8安装在空间A内， A/D转换器5与温湿度传感器2电性连接，A/D转换器5、玻璃纤维加热带4、超声波加湿机3、真空泵7分别与控制器6电性连接，A/D转换器5接收温湿度传感器2数据、并把数据转化成电信号输入控制器6，控制器6能控制玻璃纤维加热带4、超声波加湿机3、真空泵7的开启或关闭；

进水管18将供水箱11内的水引入有机玻璃表面，进水管18上设有流量计10、电压变频器9，电压变频器9与控制器6电性连接；

饱和缸1的内壁13为不锈钢，饱和缸1内设有放置试样的钢丝网片，饱和缸1底部中心处设有φ22cm/ 的放水孔17，放水孔17连通饱和缸1外部空间与内部空间。

工作原理：将试样放置于饱和缸内1的钢丝网片上，超声波加湿机3、玻璃纤维加热带4与控制器6相连，流量计10和电压变频器9调节供水箱11到滴式降雨孔20的水流量，温湿度传感器2及时采集饱和缸1内的温湿度数据，经过A/D转换器5输入到控制器6的CPU，通过CPU极端分析，控制器6自动调接超声波加湿机3、玻璃纤维加热带4、直空泵7或电压变频器9，实验者能根据实际要求控制降雨时间、设置需要的温湿度，显示器能及时反馈监控环境的温湿度变化。降雨模拟组件可根据需要任意调节，产生需要的降雨（酸雨）类型。整个模拟环境密闭隔离好，受外界干扰小。

运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的方法，以模拟极端干旱后降暴雨对土的影响，完成不同温度蒸发作用下和不同的干湿循环幅度下，粘土在雨水入渗、蒸发的气候条件下裂隙的演化过程为例，实验步骤如下：

实验土样为粉土砂质（SM）（按SL237-1999分类），土样基本性质如图4、图5、图6。

（1）实验试样制备

按要求将烘干过5mm筛的土配置成饱和的泥浆并搅拌均匀。

（2）模拟环境

a)        不同的温度：将泥浆放入饱和缸内1的钢丝网片上，温度设置为30℃、40℃、50℃，环境湿度保持90%RH；

b)        不同的干湿循环幅度下：将泥浆放入A内的钢丝网片上，在温度为40°，湿度为90%RH的条件下烘干，烘干后对土样直接降雨，降雨后将试样密封保存24小时，使水充分润湿，然后再在相同条件下进行第二次烘干，如此循环。将首次烘干视为初始条件，降雨再次烘干后的状态为第一次循环，每组样的循环次数为三次。为了解不同的循环幅度对土体裂缝的影响，将降雨时间控制为10分钟、20分钟、30分钟三个幅度进行本次实验。

（3）数据采集，每一次烘干都用高速（1024*768像素）相机照每间隔一秒钟照像记录一次，并将同一次烘干过程的照片编成同一组。

（4）数据分析，对不同组的照片进行对比分析。

a）温度对裂缝的影响

下列图分别显示了30℃、40℃、50℃下土样表面裂缝的典型形态如图7、图8、图9，

由以上图片可以看出，随着环境温度的增加，试验土样裂缝形态越来越简单，裂隙越来越宽。

b）干湿循环幅度对裂缝的影响

下图分别显示了在降雨10分钟、20分钟、30分钟的循环幅度下土样三次干湿循环后表面裂缝的典型形态如图10、图11、图12，由以上这些图可以看出，此设备完成了干湿循环作用下土体裂缝演化过程实验研究，实验结果表明，随着环境温度的增加，试验土样裂缝形态越来越简单，裂隙越来越宽。试验土样裂缝经过干湿循环后变得曲折粗糙而成锯齿状，随着循环幅度的增加裂缝的微裂隙增多，裂缝的连通性变差，块区的形状也越来越不规则。

运用模拟土体受极端气候作用的装置测试的的结果，与常规试验（土体的干湿循环实验：试样在恒温烘箱中进行干循环，用单向浸水进行湿循环）得的结果基本相同，其据有较高的可靠性，可以广泛的运用。

Claims (7)

1.一种模拟土体受极端气候作用的装置，其特征在于：所述装置包括饱和缸（1）、温湿度传感器（2）、超声波加湿机（3）、玻璃纤维加热带（4）、控制器（6）、真空泵（7）、钢制容器(15)、人工降雨器（12）；

所述的人工降雨器（12）为圆形均布滴式降雨孔(20)的有机玻璃，有机玻璃装在饱和缸（1）上部、并在饱和缸（1）上部形成一个独立空间A；

所述饱和缸(1)设置于钢制容器(15)内，饱和缸(1)外壁与钢制容器(15)内壁之间填充保温填充材料(14)、玻璃纤维加热带(4)；所述温湿度传感器(2)置于饱和缸(1)内，超声波加湿机（3）与空间A连通，风扇(8)与真空泵(7)连接，风扇（8）安装在空间A内， A/D转换器(5)与温湿度传感器(2)电性连接，A/D转换器(5)、玻璃纤维加热带（4）、超声波加湿机（3）、真空泵（7）分别与控制器（6）电性连接，A/D转换器(5)接收温湿度传感器（2）数据、并把数据转化成电信号输入控制器（6），控制器（6）能控制玻璃纤维加热带（4）、超声波加湿机（3）、真空泵（7）的开启或关闭。

2.根据权利要求1所述的一种模拟土体受极端气候作用的装置，其特征在于：所述饱和缸(1)的内壁(13)为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的一种模拟土体受极端气候作用的装置，其特征在于：所述饱和缸(1)内设有放置试样的钢丝网片。

4.根据权利要求1所述的一种模拟土体受极端气候作用的装置，其特征在于：所述饱和缸(1)底部中心处设有放水孔（17），放水孔（17）连通饱和缸(1)外部空间与内部空间。

5.根据权利要求1所述的一种模拟土体受极端气候作用的装置，其特征在于：所述装置还包括进水管(18)，所述进水管(18)将供水箱（11）内的水引入有机玻璃表面，进水管(18)上设有流量计(10)、电压变频器(9)，电压变频器（9）与控制器（6）电性连接。

6.运用根据权利要求1-5之一所述一种模拟土体受极端气候作用的装置测试方法，其特征在于：所述方法包括泥土制备、模拟环境、数据采取、数据处理；

1）实验试样制备，按要求将过筛的土配置成饱和的泥浆并搅拌均匀；

2）模拟环境，将1）中制备的泥浆放入模拟土体受极端气候作用的装置中，利用模拟土体受极端气候作用的装置模拟温度、不同的干湿循环幅度，所述模拟温度包括将泥浆放入模拟土体受极端气候作用的装置中通过玻璃纤维加热带（4）加热设定不同的温度环境，所述不同的干湿循环幅度包括将泥浆放入模拟土体受极端气候作用的装置中，在温湿度一定的条件下把泥浆烘干成土样，再对土样直接降雨，降雨后将试样密封保存预定时间），使水充分润湿，然后再在相同条件下进行第二次烘干，如此循环，将首次烘干视为初始条件，降雨再次烘干后的状态为第一次循环，根据实验要求设置每组样的循环次数；

3）数据采取，每一次烘干过程均采用相机拍照片记录、并将同一次烘干过程的照片编成同一组；

4）数据处理，通过分析3）中的照片得到实验结果。

7.根据权利要求6所述的一种运用模拟土体受极端气候作用的装置测试方法，其特征在于：所述数据采取过程中，每隔1秒或半秒采用相机照相一次。

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