CN109342229A - 电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置及方法 - Google Patents

电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置及方法，应用于电解处理黏性土并测试其力学性质，通过在剪切盒上下两端设置电极对土体进行电解，实现土体内部阳离子置换，从而实现对土体吸水性的改良，改变结合水与自由水的比重，为研究土体吸水能力对干湿循环下土体力学性质的变化规律提供依据；通过在剪切盒内部设计蒸汽加湿管进行湿度控制，实现对土样进行干湿循环的模拟，土体内部内置含水率探头，可测试土体在干湿循环时含水率的变化。通过环形剪切盒的设计，可实现循环剪切，避免了循环减中漏土的问题，从而实现对干湿循环条件下土体抗剪强度，动力特性的测试与变化规律的研究，该装置结构设计巧妙，实施方便，具有较高的实用价值及推广价值。

Description

电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置及 方法
技术领域
本发明涉及土工试验技术领域，具体涉及一种电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置及方法，通过电化学试验对土体物理性质进行改良并测试土体在干湿循环条件下的力学特性。
背景技术
干湿循环会对一些非饱和粘性土的物理力学特性产生显著影响，如膨胀土、黄土等。在工程实践中，经常需要研究这类土在干湿循环下的土体力学特性和结构特性变化规律，其研究结果对分析和改良粘性土工程特性显得尤为重要。
但是，现有技术中：
(1)针对土体物理力学特性的改良方式主要有土体加土工合成材料，土体加固化剂，其中后者主要原理为固化剂中阳离子可以将黏土矿物层中原有亲水性阳离子置换成疏水性阳离子，以降低土体中结合水的比重，从而使土体更有效的固结，干湿循环后土体稳定性得以提高。但直接加阳离子固化剂不能有效置换土体中原有阳离子；
(2)针对土体的抗剪强度试验中，主要方法有直剪试验与三轴剪切试验，这两种试验方法均无法直接测试土体在干湿循环作用下的抗剪强度，无法针对干湿循环这一特定的环境去模拟和研究土体内部力学特性和结构特性的改变；
(3)针对土体进行模拟干湿循环的试验装置，采用常水头浸湿法对试样进行补水，不能定量控制土体湿度，致使模拟状态单一且不准确，不符合自然状态下干湿循环的实际变化规律。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有土体物理力学特性改良方式以及土体干湿循环试验中存在的缺陷，提出一种电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置及方法，为研究电化学对非饱和粘性土的改良及其在干湿循环的影响下，土体本身抗剪强度参数变化或土工合成材料与土体界面剪切特性研究提供一种新的试验方案。
本发明是采用以下的技术方案实现的：
一种电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，包括剪切系统、电解系统、干湿度控制系统、应力施加系统以及应力应变监测系统，具体的：
所述剪切系统包括底座和设置在底座上的钢制框架，钢制框架的顶部设置有一轴压加载板，轴压加载板通过轴压螺栓与钢制框架相连；底座上设置有一圆柱形剪切盒，剪切盒的顶部设置有端盖，剪切盒内设置有土样，所述剪切盒包括上段剪切盒、中段剪切盒和下段剪切盒，该三段剪切盒独立结构设计，各段剪切盒之间相接触；上段剪切盒和下段剪切盒分别对应的通过第一刚性触手和第二刚性触手与钢制框架固定连接，中段剪切盒与一变频电机相连，实现往返剪切运动；
所述电解系统包括变压电源、电解液循环端、设置在土样上部的阳极电极以及设置在土样下部的阴极电极，阳极电极与变压电源正极相连，阴极电极与变压电源的负极相连，可根据需要设定不同的电压，通电时阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应；阳极电极和阴极电极均采用石墨材质，且阳极电极和阴极电极均为双层结构，阳极电极的中间夹层内设置有阳极离子交换管，阴极电极的中间夹层内设置有阴极离子交换管，阳极离子交换管和阴极离子交换管均与电解液循环端相连，且阳极离子交换管和阴极离子交换管通过阳离子浓度测试管相连，阳离子浓度测试管为U型管，U型管内设置有半透膜(只允许水分子通过，不允许溶质通过)，电解过程中，半透膜偏向浓度较低的一端，以判断电解的程度；
所述干湿度控制温控系统包括蒸汽加湿管、涡轮加压装置、热空气发生装置、超声波蒸汽发生装置以及加热线圈和线圈温度数显控制装置，所述蒸汽加湿管设置在剪切盒的轴心处，且在蒸汽加湿管的侧壁上设置有多个加湿孔，蒸汽加湿管通过蒸汽导管与涡轮加压装置相连，涡轮加压装置与热空气发生装置和超声波蒸汽发生装置相连；涡轮加压装置根据设定的湿度将水蒸气通过蒸汽导管输入到蒸汽加湿管中，以实现对试样湿度的调控；所述加热线圈设置在剪切盒的底面上，加热线圈与线圈温度数显控制装置相连，通过设定干湿度控制系统的目标湿度与时间来实现对试样的干湿循环模拟；
所述应力施加系统包括轴压加载板、轴压螺栓和弹簧组件；所述弹簧组件设置在轴压加载板与剪切盒之间，通过调节轴压螺栓，实现弹簧组件提供法向恒刚度加载；
所述应力应变系统包括压力数显装置、第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器，第一压力传感器、第二压力传感器以及第三压力传感器均与压力数显装置相连，所述第一压力传感器设置在弹簧组件与剪切盒之间，第二压力传感器设置在第一刚性触手与钢制框架之间，第三压力传感器设置在第二刚性触手与钢制框架之间，在剪切过程中，中段剪切盒产生转动位移，会带动上段剪切盒和下段剪切盒一同转动，而上段剪切盒的第一刚性触手与钢制框架固定连接，限制了上段剪切盒的位移变形，下段剪切盒的第二刚性触手与钢制框架固定连接，限制了下段剪切盒的位移变形，第一压力传感器检测的轴向压力以及第二压力传感器和第三压力传感器检测采集的数据实时传递给压力数显装置进行数据的观测与记录。
进一步的，所述变频电机与一电机数控显示系统电连接，变频电机的输出轴与一齿轮相连，沿中段剪切盒侧壁的圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，通过变频电机带动中段剪切盒进行不同速率的往返剪切运动。
进一步的，为防止剪切时土样随动，所述剪切盒的内壁上还设置有竖直挡板，以防止土体与剪切盒产生相对位移，可以确保在剪切盒产生位移时，土体可以与剪切盒位移情况相一致，避免因为剪切盒采用了圆形的设计而使土体与剪切盒产生相对位移，产生误差。
进一步的，所述阳极离子交换管和阴极离子交换管采用内外双层结构设计，内层为纤维增强两性离子交换膜，仅允许离子进出，避免试验过程中水分的迁移，外层为多孔铂金管，多孔铂金管可以有效防止管线被压扁，而且侧壁上小孔的设计可以有效保证离子交换，铂金稳定性高，能够有效避免电腐蚀。
进一步的，所述中段剪切盒的侧壁上设置有亚克力材质的透明窗口，透明窗口的外侧设置有电镜，电镜设置在中段剪切盒的外面，可进行上下移动实现对剪切面的拍摄，记录剪切时剪切面的变化，通过后续数据处理分析剪切面宏细观变化情况。
进一步的，所述阳极离子交换管和阴极离子交换管采用螺旋形结构设计，以增大与土体离子交换的接触面积。
进一步的，所述竖直挡板为十字形挡板，与剪切盒的内壁固定连接，且在竖直挡板内置含水率探头，通过测量土体的共振频率来确定土壤含水率。
进一步的，所述电解液循环端包括循环盐溶液端和循环去离子水端，循环盐溶液端与阳极离子交换管相连，循环去离子水端与阴极离子交换管相连。
进一步的，所述轴压加载板的下表面上还设置有位移传感器，所述位移传感器采用激光位移传感器，以实时检测轴向位移。
本发明另外还提出一种基于电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)、将按照设计含水量配置的土体分层置于剪切盒内，逐层压实；并通过干密度来控制压实度(制样干密度与最大干密度之比即为压实度)，各层土体之间刮毛，以避免出现土体分层；
(2)、通过旋紧轴压螺栓，观察第一压力传感器读数，直至第一压力传感器读数达到设定轴向压力时停止，确保整个干湿循环过程以及剪切过程均在常法向刚度下完成；
(3)、根据前期对土体矿物成分的测定，确定要置换的阳离子，选定盐溶液并确定盐溶液浓度；在阳极离子交换管中通入确定浓度的盐溶液，在阴极离子交换管中通入去离子水；
(4)设定变压电源的电压，开始电解，观察阳离子浓度测试管，待半透膜从阴极离子交换管侧偏移至阳极离子交换管侧时，说明阳离子经过电解后已迁移至阴极，证明土体内部阳离子已经完成置换，以进行下一步试验；
(5)剪切盒轴心处内置的蒸汽加湿管与涡轮加压装置相连，涡轮加压装置根据设定的湿度将水蒸气通过蒸汽导管输入到蒸汽加湿管中，以实现对土样湿度的调控，干燥时，通过线圈温度数显控制系统控制加热线圈发热实现对土样的干燥；
(6)土样在加湿或干燥过程中，土样内部会发生水分迁移，进而通过竖直挡板中内置的含水率探头与含水率数显装置的配合，通过测量土体的共振频率来确定土壤含水率：
其中，F为含水率，L为振荡器的电感，C为土壤电容，Cb为与仪器有关的电容；
(7)土样完成设定好的干湿循环次数后，通过设定变频电机的转动频率、转动方向、转动幅度和转动周期来对土样施加剪切力，上、下剪切面受到的剪切力的大小分别对应的由第二压力传感器和第三压力传感器测得，则可得土样受到的剪应力τ＝T÷πr2，其中，T为剪切面处的剪切力；
(8)土样在剪切过程中轴向力变化由第一压力传感器实时测得，轴向位移(应变)变化由位移传感器实时测得，结合剪切过程剪切位移(应变)、剪应力绘制土样的剪切位移曲线，测得土样的粘聚力与阻尼比，进而得到试样在循环剪切下的滞回曲线，计算试样的动模量与阻尼比；
(9)土样在剪切过程中，通过亚克窗口观察剪切面宏观变化情况，通过将电镜安装于亚克力窗口外侧，对剪切面进行拍摄，对所得图像进行处理，通过拍摄获取目标物变形过程中的连续散斑图像，在灰度匹配算法的基础上，采用相关性指标来衡量参考子区和目标子区的相似程度，从而求得被测目标的位移和变形。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案所述的测试装置及方法，可将电化学改良非饱和粘性土在干湿循环影响下的物理力学性质的变化规律进行室内试验研究，通过在土体两端设置不同的电极和循环不同的电解液，可实现对土体原有阳离子的化学置换，土体阴极与阳极周围阳离子浓度的变化情况可以从阳离子浓度测试管中进行直观比较；
通过干湿度控制系统设计，采用在试样内部压力注入水蒸气的方式实现，改变了以往直接注水进行加湿引起土体内部结构的破坏的缺陷，为试验中土样提供了除了饱和以外更多含水率的状态；可以实现干湿循环与剪切耦合试验，避免试样的反复拆装，影响土体结构；
采用竖向弹簧提供法向恒刚度加载，可实现常刚度下循环剪切试验，而且干湿循环时可以施加应力，改善了传统试验设备在无应力条件下的干湿循环不符合工程实际情况的问题；在剪切盒内设置有挡板，可避免土体与剪切盒产生相对位移，确保试验效果，刚性挡板中内置含水率探头，通过测量土体的共振频率来精确测得土壤水率，为研究干湿循环作用下土壤内部含水率的定量控制提供技术支持；；
采用圆形剪切盒设计，可以实现对试样的循环剪切，通过设定剪切频率与幅值，可得到与之对应的动剪切模量与阻尼比，极大地方便了对土体动剪切特性的研究，且采用圆形剪切盒的设计，成功解决了传统剪切设备在剪切过程中漏土的问题，在剪切面设计有观测窗，可以记录剪切时剪切面的变化，通过后续数据处理分析剪切面宏细观变化情况。
附图说明
图1为本发明实施例1所述测试装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1所述下段剪切盒的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例1所述蒸汽加湿管的结构示意图；
图4为本发明实施例1所述阴极离子交换管的布设示意图；
图5为本发明实施例1所述阴极电机的结构示意图；
其中，1—位移传感器；2—弹簧组件；3—钢制框架；4—蒸汽加湿管；5—竖直挡板；6—剪切盒；7—亚克力窗口；8—阳离子浓度测试管；9—阴极阳离子交换管；10—阴极电极；11—第二刚性触手；12—电解液循环端；13—变压电源；14—线圈温度数显控制装置；15—阳极电极；16—阳极离子交换管；17—轴压螺栓；18—第一压力传感器；19—蒸汽导管；20—第一刚性触手；21—第二压力传感器；22—电镜；23—压力数显装置；24—变频电机；25—含水率数显装置；26—涡轮加压装置；27—热空气发生装置；28—超声波蒸汽发生装置；29—含水率探头；30—电机数显控制系统；31—加热线圈；32—底座；33—轴压加载板。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1，一种电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，包括剪切系统、电解系统、干湿度控制系统、应力施加系统以及应力应变监测系统，如图1所示，具体的：
所述剪切系统包括底座32和设置在底座32上的钢制框架3，钢制框架3的顶部设置有一轴压加载板33，轴压加载板33通过轴压螺栓17与钢制框架3相连；底座32上设置有一圆柱形剪切盒6，剪切盒6的顶部设置有端盖，剪切盒6内设置有土样，所述剪切盒6包括上段剪切盒、中段剪切盒和下段剪切盒，该三段剪切盒独立结构设计，各段剪切盒之间相接触；上段剪切盒和下段剪切盒分别对应的通过第一刚性触手20和第二刚性触手11与钢制框架3固定连接，中段剪切盒与一变频电机24相连，所述变频电机24与一电机数控显示系统30电连接，变频电机24的输出轴与一齿轮相连，沿中段剪切盒侧壁的圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，实现往返剪切运动；在剪切过程中，上段剪切盒和下段剪切盒固定，变频电机24带动剪切盒6进行不同速率的往返剪切运动(速率范围为0.15mm/min～15mm/min)；
所述电解系统包括变压电源13、电解液循环端12、设置在土样上部的阳极电极15以及设置在土样下部的阴极电极10，阳极电极15与变压电源13正极相连，阴极电极10与变压电源13的负极相连，可根据需要设定不同的电压，通电时阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应；如图5所示，阳极电极15和阴极电极10均采用石墨材质，且阳极电极15和阴极电极10均为双层结构，阳极电极15的中间夹层内设置有阳极离子交换管16，阴极电极10的中间夹层内设置有阴极离子交换管9，如图4所示，所述阳极离子交换管16和阴极离子交换管9采用螺旋形结构设计，以增大与土体离子交换的接触面积。电解液循环端12包括循环盐溶液端和循环去离子水端，循环盐溶液端与阳极离子交换管16相连，循环去离子水端与阴极离子交换管9相连，且阳极离子交换管16和阴极离子交换管9通过阳离子浓度测试管8相连，阳离子浓度测试管8为U型管，U型管内设置有半透膜(只允许水分子通过，不允许溶质通过)，电解过程中，半透膜偏向浓度较低的一端，以判断电解的程度；
所述干湿度控制温控系统包括蒸汽加湿管4、涡轮加压装置26、热空气发生装置27、超声波蒸汽发生装置28以及加热线圈31和线圈温度数显控制装置14，所述蒸汽加湿管4设置在剪切盒的轴心处，如图3所示，在蒸汽加湿管4的侧壁上设置有多个加湿孔，蒸汽加湿管4通过蒸汽导管19与涡轮加压装置26相连，涡轮加压装置26与热空气发生装置27和超声波蒸汽发生装置28相连；涡轮加压装置26根据设定的湿度将水蒸气通过蒸汽导管19输入到蒸汽加湿管4中，以实现对试样湿度的调控；所述加热线圈31采用螺旋形结构设计，设置在剪切盒6的底面上，以增大加热面积；加热线圈31与线圈温度数显控制装置14相连，通过设定干湿度控制系统的目标湿度与时间来实现对试样的干湿循环模拟；
所述应力施加系统包括轴压加载板33、轴压螺栓17和弹簧组件2；所述弹簧组件2设置在轴压加载板33与剪切盒6之间，通过调节轴压螺栓17，实现弹簧组件2提供法向恒刚度加载，劲度系数k＝50kPa/mm，轴压加载板33的下表面上还设置有位移传感器1，所述位移传感器1采用激光位移传感器，以实时检测轴向位移；
所述应力应变系统包括压力数显装置23、第一压力传感器18、第二压力传感器21以及第三压力传感器，第一压力传感器18、第二压力传感器21以及第三压力传感器均与压力数显装置23相连，所述第一压力传感器18设置在弹簧组件2与剪切盒6之间，第二压力传感器设置在第一刚性触手20与钢制框架3之间，第三压力传感器设置在第二刚性触手11与钢制框架3之间，在剪切过程中，中段剪切盒产生转动位移，会带动上段剪切盒和下段剪切盒一同转动，而上段剪切盒的第一刚性触手20与钢制框架3固定连接，限制了上段剪切盒的位移变形，下段剪切盒的第二刚性触手11与钢制框架3固定连接，限制了下段剪切盒的位移变形，第一压力传感器18检测的轴向压力以及第二压力传感器21和第三压力传感器检测采集的数据实时传递给压力数显装置23进行数据的观测与记录。
为防止剪切时土样随动，所述剪切盒6的内壁上还设置有竖直挡板5，以防止土体与剪切盒6产生相对位移，可以确保在剪切盒产生位移时，土体可以与剪切盒位移情况相一致，避免因为剪切盒采用了圆形的设计而使土体与剪切盒产生相对位移，产生误差，如图2所示，所述竖直挡板5为十字形挡板，与剪切盒6的内壁固定连接，且在竖直挡板5内置含水率探头29，含水率探头29与含水率数显装置相连，通过测量土体的共振频率来确定土壤含水率。
本实施例中，所述阳极离子交换管16和阴极离子交换管9采用内外双层结构设计，内层为纤维增强两性离子交换膜，仅允许离子进出，避免试验过程中水分的迁移，外层为多孔铂金管，多孔铂金管可以有效防止管线被压扁，而且侧壁上小孔的设计可以有效保证离子交换，铂金稳定性高，能够有效避免电腐蚀。
另外，在所述中段剪切盒的侧壁上设置有亚克力材质的透明窗口7，透明窗口7的外侧设置有电镜21，电镜21设置在中段剪切盒的外面，可进行上下移动实现对剪切面的拍摄，记录剪切时剪切面的变化，通过后续数据处理分析剪切面宏细观变化情况。
本实施例所述的方案通过在剪切盒上下两端设置电极对土体进行电解，实现土体内部阳离子置换，从而实现对土体吸水性的改良，改变结合水与自由水的比重，为研究土体吸水性与干湿循环下土体力学性质的变化规律提供依据；土体内部内置含水率探头，可实现对水分迁移进行研究。通过环形剪切盒的设计，可实现循环剪切，避免了循环减中漏土的问题，从而实现对干湿循环条件下土体抗剪强度，动力特性的测试与变化规律的研究，该装置结构设计巧妙，实施方便，具有较高的实用价值及推广价值。
实施例2，基于实施例1所述的测试装置，本实施例公开一种基于电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)、将按照设计含水量配置的土体分层置于剪切盒6内，逐层压实；并通过干密度来控制压实度(制样干密度与最大干密度之比即为压实度)，各层土体之间刮毛，以避免出现土体分层；
(2)、通过旋紧轴压螺栓17，观察第一压力传感器读数18，直至第一压力传感器读数达到设定轴向压力时停止，确保整个干湿循环过程以及剪切过程均在常法向刚度下完成；
(3)、根据前期对土体矿物成分的测定，确定要置换的阳离子，选定盐溶液并确定盐溶液浓度；在阳极离子交换管16中通入确定浓度的盐溶液，在阴极离子交换管9中通入去离子水；
(4)设定变压电源13的电压，开始电解，观察阳离子浓度测试管8，待半透膜从阴极离子交换管侧偏移至阳极离子交换管侧时，说明阳离子经过电解后已迁移至阴极，证明土体内部阳离子已经完成置换，以进行下一步试验；
(5)剪切盒6轴心处内置的蒸汽加湿管4与涡轮加压装置26相连，涡轮加压装置26根据设定的湿度将水蒸气通过蒸汽导管19输入到蒸汽加湿管4中，以实现对土样湿度的调控，干燥时，通过线圈温度数显控制系统14控制加热线圈31发热实现对土样的干燥；
(6)土样在加湿或干燥过程中，土样内部会发生水分迁移，进而通过竖直挡板5中内置的含水率探头29与含水率数显装置25配合，通过测量土体的共振频率来确定土壤含水率：
其中，F为含水率，L为振荡器的电感，C为土壤电容，Cb为与仪器有关的电容；
(7)土样完成设定好的干湿循环次数后，通过设定变频电机24的转动频率、转动方向、转动幅度和转动周期来对土样施加剪切力，土样上、下剪切面受到的剪切力的大小分别对应的由第二压力传感器21和第三压力传感器测得，则可得土样受到的剪应力τ＝T÷πr2，其中，T为剪切面处的剪切力；
(8)土样在剪切过程中轴向力变化由第一压力传感器18实时测得，轴向位移(应变)变化由位移传感器1实时测得，结合剪切过程中剪切位移(应变)、剪应力绘制土样的剪切位移曲线，测得土样的粘聚力与阻尼比，进而得到试样在循环剪切下的滞回曲线，计算试样的动模量与阻尼比；
(9)土样在剪切过程中，通过亚克窗口7观察剪切面宏观变化情况，通过将电镜22安装于亚克力窗口7外侧，对剪切面进行拍摄，对所得图像进行处理，通过拍摄获取目标物变形过程中的连续散斑图像，在灰度匹配算法的基础上，采用相关性指标来衡量参考子区和目标子区的相似程度，从而求得被测目标的位移和变形。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，其特征在于，包括剪切系统、电解系统、干湿度控制系统、应力施加系统以及应力应变监测系统；
所述剪切系统包括底座(32)和设置在底座(32)上的钢制框架(3)，钢制框架(3)的顶部设置有一轴压加载板(33)，轴压加载板(33)通过轴压螺栓(17)与钢制框架(3)相连；底座(32)上设置有一圆柱形剪切盒(6)，剪切盒(6)的顶部设置有端盖，剪切盒(6)内设置有土样，所述剪切盒(6)包括上段剪切盒、中段剪切盒和下段剪切盒；上段剪切盒和下段剪切盒分别对应的通过第一刚性触手(20)和第二刚性触手(11)与钢制框架(3)固定连接，中段剪切盒与一变频电机(24)相连，实现往返剪切运动；
所述电解系统包括变压电源(13)、电解液循环端(12)、设置在土样上部的阳极电极(15)以及设置在土样下部的阴极电极(10)，阳极电极(15)与变压电源(13)正极相连，阴极电极(10)与变压电源(13)的负极相连；阳极电极(15)和阴极电极(10)均采用石墨材质，且阳极电极(15)和阴极电极(10)均为双层结构，阳极电极(15)的中间夹层内设置有阳极离子交换管(16)，阴极电极(10)的中间夹层内设置有阴极离子交换管(9)，阳极离子交换管(16)和阴极离子交换管(9)均与电解液循环端(12)相连，且阳极离子交换管(16)和阴极离子交换管(9)通过阳离子浓度测试管(8)相连，阳离子浓度测试管(8)为U型管，U型管内设置有半透膜，以判断电解的程度；
所述干湿度控制系统包括蒸汽加湿管(4)、涡轮加压装置(26)、热空气发生装置(27)、超声波蒸汽发生装置(28)以及加热线圈(31)和线圈温度数显控制装置(14)，所述蒸汽加湿管(4)设置在剪切盒(6)的轴心处，且在蒸汽加湿管(4)的侧壁上设置有多个加湿孔，蒸汽加湿管(4)通过蒸汽导管(19)与涡轮加压装置(26)相连，涡轮加压装置(26)与热空气发生装置(27)和超声波蒸汽发生装置(28)相连；所述加热线圈(31)设置在剪切盒(6)的底面上，加热线圈(31)与线圈温度数显控制装置(14)相连；
所述应力施加系统包括轴压加载板(33)、轴压螺栓(17)和弹簧组件(2)；所述弹簧组件(2)设置在轴压加载板(33)与剪切盒(6)之间，通过调节轴压螺栓(17)，实现弹簧组件(2)提供法向恒刚度加载；
所述应力应变系统包括压力数显装置(23)、第一压力传感器(18)、第二压力传感器以及第三压力传感器，第一压力传感器(18)、第二压力传感器以及第三压力传感器均与压力数显装置(23)相连，所述第一压力传感器(18)设置在弹簧组件(2)与剪切盒(6)之间，第二压力传感器设置在第一刚性触手(20)与钢制框架(3)之间，第三压力传感器设置在第二刚性触手(11)与钢制框架(3)之间。
2.根据权利要求1所述的电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，其特征在于：所述变频电机(24)与一电机数控显示系统(30)电连接，变频电机(24)的输出轴与一齿轮相连，沿中段剪切盒侧壁的圆周方向设置有齿纹圈，所述齿纹圈与齿轮啮合，通过变频电机(24)带动中段剪切盒进行不同速率的往返剪切运动。
3.根据权利要求1所述的电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，其特征在于：所述剪切盒(6)的内壁上还设置有竖直挡板(5)，以防止剪切运动时土样与剪切盒(6)产生相对位移。
4.根据权利要求1所述的电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，其特征在于：所述阳极离子交换管(15)和阴极离子交换管(9)采用内外双层结构设计，内层为纤维增强两性离子交换膜。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，其特征在于：所述中段剪切盒的侧壁上设置有亚克力材质的透明窗口(7)，透明窗口(7)的外侧设置有电镜(22)。
6.根据权利要求5所述的电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，其特征在于：所述阳极离子交换管(15)和阴极离子交换管(9)采用螺旋形结构设计。
7.根据权利要求6所述的电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，其特征在于：所述竖直挡板(5)为十字形挡板，与剪切盒(6)的内壁固定连接，且在竖直挡板(5)内置含水率探头(29)，所述含水率探头(29)与一含水率数显装置(25)相连。
8.根据权利要求7所述的电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，其特征在于：所述电解液循环端(12)包括循环盐溶液端和循环去离子水端，循环盐溶液端与阳极离子交换管(16)相连，循环去离子水端与阴极离子交换管(9)相连。
9.根据权利要求8所述的电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置，其特征在于：所述轴压加载板(28)的下表面上还设置有位移传感器(1)，所述位移传感器采用激光位移传感器。
10.基于电化学改良土体在干湿循环作用下的力学特性测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将按照设计含水量配置的土体分层置于剪切盒(6)内，逐层压实；并通过干密度来控制压实度，各层土体之间刮毛，以避免出现土体分层；
(2)、通过旋紧轴压螺栓(17)，观察第一压力传感器(18)读数，直至第一压力传感器(18)读数达到设定轴向压力时停止，确保整个干湿循环过程以及剪切过程均在常法向刚度下完成；
(3)、根据前期对土体矿物成分的测定，确定要置换的阳离子，选定盐溶液并确定盐溶液浓度；在阳极离子交换管(16)中通入确定浓度的盐溶液，在阴极离子交换管(9)中通入去离子水；
(4)设定变压电源(13)的电压，开始电解，观察阳离子浓度测试管(8)，待半透膜从阴极离子交换管侧偏移至阳极离子交换管侧时，说明阳离子经过电解后已迁移至阴极，证明土体内部阳离子已经完成置换，以进行下一步试验；
(5)剪切盒(6)轴心内置的蒸汽加湿管(4)与涡轮加压装置(26)相连，涡轮加压装置(26)根据设定的湿度将水蒸气通过蒸汽导管(19)输入到蒸汽加湿管(4)中，以实现对土样湿度的调控，干燥时，通过线圈温度数显控制系统(14)控制加热线圈(31)发热实现对土样的干燥；
(6)土样在加湿或干燥过程中，土样内部会发生水分迁移，进而通过竖直挡板(5)中内置的含水率探头(29)，通过测量土体的共振频率来确定土壤含水率：
其中，F为含水率，L为振荡器的电感，C为土壤电容，Cb为与仪器有关的电容；
(7)土样完成设定好的干湿循环次数后，通过设定变频电机(24)的转动频率、转动方向、转动幅度和转动周期来对土样施加剪切力，土样上、下剪切面受到的剪切力的大小分别对应的由第二压力传感器(21)和第三压力传感器测得，则可得土样受到的剪应力τ＝T÷πr2，其中，T为剪切面处的剪切力；
(8)土样在剪切过程中轴向力变化由第一压力传感器(18)实时测得，轴向位移变化由位移传感器(1)实时测得，结合剪切过程中剪切位移、剪应力绘制土样的剪切位移曲线，测得土样的粘聚力与阻尼比，进而得到试样在循环剪切下的滞回曲线，计算试样的动模量与阻尼比；
(9)土样在剪切过程中，通过亚克窗口(7)观察剪切面宏观变化情况，通过将电镜(22)安装于亚克力窗口(7)外侧，通过拍摄获取目标物变形过程中的连续散斑图像，在灰度匹配算法的基础上，采用相关性指标来衡量参考子区和目标子区的相似程度，从而求得被测目标的位移和变形。
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