CN110132965B - 水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置及使用方法，该装置包括模型箱、高强度玻璃板、膨胀土试样、供水系统、温度控制系统、加载系统及数据采集系统；所述高强度玻璃板设置在所述模型箱内，所述膨胀土试样放置在所述高强度玻璃板上；所述膨胀土试样四周设置有塑料环刀；所述塑料环刀和所述高强度玻璃板均为透明结构；所述膨胀土试样包括膨胀土测试试样和平行测试试样；该使用方法操作简单、调节简便、易于控制；本发明实现了真正的水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙的测试，同时避免测试过程中土样结构遭到破坏，提高测试结果的准确性，实现无损伤测试，为膨胀土的水热力耦合研究提供基础。

Description

水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置及使用方法

技术领域

本发明涉及岩土工程土工测试技术领域，具体地说是一种水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置及使用方法。

背景技术

膨胀土在国内分布范围很广，是岩土工程活动的主要对象之一。由于受到气候和其自重或其它附加荷载的影响，膨胀土中的应力场、水分场和温度场是不断变化的，而且相互影响，即所谓的水热力耦合作用。在环境温度及土中含水量发生变化的情况下，膨胀土很容易发生膨胀收缩，产生裂隙，从而导致其强度剧烈降低，成为影响膨胀土工程领域安全问题的主要因素。因此，研究在水热力耦合作用下膨胀土裂隙的发展机理对于相关工程安全显得极其重要。

但是，目前用于研究水热力耦合作用下土体性质的试验装置无法满足水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试的试验需求。主要问题在于：(1)水热力耦合是一种假耦合，通常做法是先将土样经过干湿循环、冻融循环的作用，然后再进行加载；该方法中水和热虽然是耦合的，但是这个过程中土样没有力的作用，是等土样养护好之后，然后再安装到试验装置中进行加载的，所以水热和力是分开施加的，并不是真正的耦合；(2)目前主要通过在土样安装含水率传感器和温度传感器，获得土样的含水率和温度的动态变化；该方法会破坏土样结构，影响对土样裂隙的观测。

因此，如何提供一种水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置及使用方法，以实现真正的水热力耦合作用，并避免测试过程中土样结构遭到破坏，提高测试结果的准确性，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置及使用方法，以实现真正的水热力耦合作用，并避免测试过程中土样结构遭到破坏，提高测试结果的准确性。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。

一种水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置，包括模型箱、高强度玻璃板、膨胀土试样、供水系统、温度控制系统、加载系统及数据采集系统；

所述高强度玻璃板设置在所述模型箱内，所述膨胀土试样放置在所述高强度玻璃板上。

优选地，所述膨胀土试样四周设置有塑料环刀；所述塑料环刀和所述高强度玻璃板均为透明结构；所述膨胀土试样包括膨胀土测试试样和平行测试试样。

优选地，所述供水系统包括水阀、排水管及水箱；

所述排水管与所述水箱连接，所述排水管穿过所述模型箱；

所述水箱设置在所述模型箱外侧，且所述水箱的位置略高于所述膨胀土试样。

优选地，所述水阀包括进水阀和排水阀，所述进水阀设置在与所述水箱相邻的排水管上，所述排水阀设置在靠近所述模型箱底部的排水管上。

优选地，所述水箱设置在所述模型箱外侧，且所述水箱的位置略高于所述膨胀土试样，所述排水管穿过位于所述高强度玻璃板下方的所述模型箱的侧壁，且所述排水管一端固定在所述高强度玻璃板上设置的与排水管孔径相适配的圆孔上；所述水阀位于所述模型箱外侧的排水管上。

优选地，所述加载系统包括加载控制系统、传力杆及压力板；

所述压力板位于所述膨胀土试样顶端；所述加载控制系统与所述压力板之间通过所述传力杆连接；

所述加载控制系统设置在所述模型箱外侧，所述传力杆穿过所述模型箱顶端。

优选地，所述温度控制系统包括冷气传输软管、制热板及制冷装置；

所述制热板设置在所述模型箱的内侧壁上，且位于所述高强度玻璃板上方；

所述制冷装置与所述模型箱之间通过冷气传输软管连接。

优选地，所述冷气传输软管包括进气传输软管和出气传输软管；

所述进气传输软管和出气传输软管分别固定在所述模型箱顶端设置的与其相适配的圆孔上。

优选地，所述数据采集系统包括摄像头、含水率传感器、含水率信息采集单元、温度信息采集单元及温度传感器；

所述含水率传感器与含水率信息采集单元连接；所述温度传感器与温度信息采集单元连接；

所述含水率传感器和温度传感器均设置在所述膨胀土试样内部；

所述含水率信息采集单元和温度信息采集单元均设置在所述模型箱内，且位于所述高强度玻璃板下方。

优选地，所述摄像头包括第一摄像头和第二摄像头，所述第一摄像头设置在所述膨胀土试样的左侧，所述第二摄像头设置在所述膨胀土试样的正下方。

一种水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置的使用方法，包括以下步骤：

101、先通过加载系统，即加载控制系统、传力杆及压力板对膨胀土试样施加压力，至膨胀土试样固结完成，达到稳定状态，保持压力不变；

102、步骤101后，通过温度控制系统对膨胀土试样进行制冷、制热处理，即通过制冷装置对膨胀土试样进行制冷，或通过制热板对膨胀土试样进行制热，实现冻融循环；

103、步骤102后，通过供水系统向模型箱内供水、排水，即先通过打开进水阀，关闭排水阀，通过排水管向模型箱里供水，浸泡膨胀土试样，达到“湿”的状态；再关闭进水阀，打开排水阀，将模型箱里的水排出，模拟膨胀土试样自然干燥状态；

104、通过含水率传感器信息采集单元和温度信息采集单元进行数据采集，全程记录试验过程中膨胀土试样的水分和温度变化；通过摄像头观测膨胀土试样表面裂隙发展情况。

本发明所获得的有益技术效果：

1)本发明解决了现有装置对试样分开施加水热和力的缺陷，本发明实现了真正的水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙的测试，同时避免测试过程中土样结构遭到破坏，提高测试结果的准确性，实现无损伤测试，为膨胀土的水热力耦合研究提供基础；

2)本发明通过设置加载系统、温度控制系统及供水系统，实现水热力的真正耦合，同时各系统调节简便、易于控制，可满足不同程度的水热力耦合要求；

3)本发明通过设置平行测试试样，用于安装温度传感器和含水率传感器，避免了测试土样结构被破坏，提高土样裂隙观测的准确性；

4)本发明通过在膨胀土试样的不同位置分别放置摄像头，便于观测不同角度膨胀土试样表面裂隙的发展变化情况。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明膨胀土表面裂隙测试装置的结构示意图；

图2是本发明中膨胀土试样平面布置的结构示意图；

图3是本发明中制热板平面布置的结构示意图。

在以上附图中：1、加载控制系统；2、传力杆；3、冷气传输软管；4、模型箱；5、制热板；6、压力板；7、塑料环刀；801、第一摄像头；802、第二摄像头；9、高强度玻璃板；10、膨胀土试样；101、膨胀土测试试样；102、平行测试试样；11、含水率传感器；12、含水率信息采集单元；13、温度信息采集单元；14、温度传感器；151、排水阀；152、进水阀；16、排水管；17、水箱；18、制冷装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

实施例1

如附图1所示，一种水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置，包括模型箱4、高强度玻璃板9、膨胀土试样10、供水系统、温度控制系统、加载系统及数据采集系统；所述供水系统用于对膨胀土试样10进行含水率控制；所述温度控制系统用于控制膨胀土试样10的温度；所述加载系统用于对膨胀土试样10施加轴向力；所述数据采集系统用于膨胀土试样10的含水率和温度采集及其表面裂隙观测。

所述高强度玻璃板9设置在所述模型箱4内，所述高强度玻璃板9四周与模型箱4四周内壁固定连接，高强度玻璃板9将模型箱4分隔成上、下两层空间。

优选地，所述高强度玻璃板9四周与模型箱4四周内壁的连接处设置有密封件，使模型箱4上层形成密闭空间，降低测试过程中的能耗浪费，提高测试效率。

所述膨胀土试样10放置在所述高强度玻璃板9上，所述膨胀土试样10四周设置有塑料环刀7，如附图2所示，所述膨胀土试样10位于塑料环刀7内，防止膨胀土试样10向四周移动，用于限制膨胀土试样10的固定位置；所述塑料环刀7和所述高强度玻璃板9均为透明结构，便于观测膨胀土试样10测试过程中的变化情况。

所述膨胀土试样10包括膨胀土测试试样101和平行测试试样102，所述膨胀土测试试样101用于观测试样表面裂隙变化情况，所述平行测试试样102用于采集土样中的含水率和温度数据。

所述供水系统包括水阀、排水管16及水箱17；所述排水管16与水箱17连接，所述排水管16穿过模型箱4，所述水箱17设置在所述模型箱4外侧，且所述水箱17的位置略高于所述膨胀土试样10，便于向模型箱4内供水。

优选地，所述排水管16穿过位于所述高强度玻璃板9下方的所述模型箱4的侧壁，且所述排水管16一端固定在所述高强度玻璃板9上设置的与排水管16孔径相适配的圆孔上，所述排水管16与高强度玻璃板9接触处设有密封圈，防止水溢出至高强度玻璃板9下方的模型箱4内。

所述水阀位于所述模型箱4外侧的排水管16上；所述水阀包括进水阀152和排水阀151，所述进水阀152设置在与所述水箱17相邻的排水管16上，用于将水箱17中的水导入模型箱4内；所述排水阀151设置在靠近所述模型箱4底部的排水管16上，用于将模型箱4内的水导出。

所述加载系统包括加载控制系统1、传力杆2及压力板6；所述加载控制系统1实现对膨胀土试样10压力及位移的控制处理。

所述压力板6位于所述膨胀土试样10顶端；所述加载控制系统1与所述压力板6之间通过所述传力杆2连接；所述加载控制系统1设置在所述模型箱4外侧，所述传力杆2穿过所述模型箱4顶端，所述传力杆2下端设置有两个分支，两个分支分别与膨胀土测试试样101和平行测试试样102上端的压力板6连接。

所述温度控制系统包括冷气传输软管3、制热板5及制冷装置18；如附图3所示，所述制热板5设置在所述模型箱4四周的内侧壁上，且位于所述高强度玻璃板9上方。

所述制冷装置18与所述模型箱4之间通过冷气传输软管3连接，所述冷气传输软管3包括进气传输软管和出气传输软管；所述进气传输软管和出气传输软管分别固定在所述模型箱4顶端设置的与其相适配的圆孔上，且进气传输软管和出气传输软管与模型箱4顶端搭接处设置有密封结构。

所述数据采集系统包括摄像头、含水率传感器11、含水率信息采集单元12、温度信息采集单元13及温度传感器14；所述含水率传感器11与含水率信息采集单元12连接；所述温度传感器14与温度信息采集单元13连接。

所述含水率传感器11和温度传感器14均设置在所述膨胀土试样10内部；所述含水率信息采集单元12和温度信息采集单元13均设置在所述模型箱4内，且位于所述高强度玻璃板9下方。高强度玻璃板9上有两个孔径分别与温度传感器14连接线和含水率传感器11连接线相适配的圆孔，连接线通过圆孔与温度信息采集单元13、含水率信息采集单元12连接。

所述摄像头为高清摄像头，所述摄像头包括第一摄像头801和第二摄像头802，所述第一摄像头801设置在所述膨胀土测试试样101的左侧，且位于所述高强度玻璃板9上；所述第二摄像头802设置在所述膨胀土测试试样101的正下方，且位于所述模型箱4内。

优选地，所述模型箱4顶端设置有顶盖，便于对装置进行维修、保养。

实施例2

基于上述实施例1，一种水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置的使用方法，包括以下步骤：

101、先通过加载系统，即加载控制系统1、传力杆2及压力板6对膨胀土试样10施加压力，至膨胀土试样10固结完成，达到稳定状态，保持压力不变；

102、步骤101后，通过温度控制系统对膨胀土试样10进行制冷、制热处理，即通过制冷装置18对膨胀土试样10进行制冷，或通过制热板5对膨胀土试样10进行制热，实现冻融循环；

103、步骤102后，通过供水系统向模型箱4内供水、排水，即先通过打开进水阀152，关闭排水阀151，通过排水管16向模型箱4里供水，浸泡膨胀土试样10，达到“湿”的状态；再关闭进水阀152，打开排水阀151，将模型箱4里的水排出，模拟膨胀土试样10自然干燥状态；

104、通过含水率传感器11信息采集单元和温度信息采集单元13进行数据采集，全程记录试验过程中膨胀土试样10的水分和温度变化；通过摄像头观测膨胀土试样10表面裂隙发展情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置，其特征在于，包括模型箱(4)、高强度玻璃板(9)、膨胀土试样(10)、供水系统、温度控制系统、加载系统及数据采集系统；

所述高强度玻璃板(9)设置在所述模型箱(4)内，所述膨胀土试样(10)放置在所述高强度玻璃板(9)上；

所述供水系统外接于模型箱(4)外侧；所述温度控制系统包括制热板(5)与制冷装置(18)，所述制热板(5)设置在所述模型箱(4)的内侧壁；所述制冷装置(18)外接于模型箱(4)顶部；

所述加载系统位于模型箱(4)上部，对膨胀土试样进行控制处理；所述数据采集系统位于模型箱(4)中，围绕膨胀土测试试样(101)进行数据采集；

所述膨胀土试样(10)四周设置有塑料环刀(7)；所述塑料环刀(7)和所述高强度玻璃板(9)均为透明结构；所述膨胀土试样(10)包括膨胀土测试试样(101)和平行测试试样(102)；

所述加载系统包括加载控制系统(1)、传力杆(2)及压力板(6)；

所述压力板(6)位于所述膨胀土试样(10)顶端；所述加载控制系统(1)与所述压力板(6)之间通过所述传力杆(2)连接；

所述加载控制系统(1)设置在所述模型箱(4)外侧，所述传力杆(2)穿过所述模型箱(4)顶端；

所述数据采集系统包括摄像头、含水率传感器(11)、含水率信息采集单元(12)、温度信息采集单元(13)及温度传感器(14)；

所述含水率传感器(11)与含水率信息采集单元(12)连接；所述温度传感器(14)与温度信息采集单元(13)连接。

2.根据权利要求1所述的水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置，其特征在于，所述供水系统包括水阀、排水管(16)及水箱(17)；

所述排水管(16)与所述水箱(17)连接，所述排水管(16)穿过所述模型箱(4)。

3.根据权利要求2所述的水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置，其特征在于，所述水阀包括进水阀(152)和排水阀(151)，所述进水阀(152)设置在与所述水箱(17)相邻的排水管(16)上，所述排水阀(151)设置在靠近所述模型箱(4)底部的排水管(16)上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置，其特征在于，所述温度控制系统包括冷气传输软管(3)、制热板(5)及制冷装置(18)；

所述制热板(5)设置在所述模型箱(4)的内侧壁上，且位于所述高强度玻璃板(9)上方；

所述制冷装置(18)与所述模型箱(4)之间通过冷气传输软管(3)连接。

5.根据权利要求4所述的水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置，其特征在于，所述冷气传输软管(3)包括进气传输软管和出气传输软管；

所述进气传输软管和出气传输软管分别固定在所述模型箱(4)顶端设置的与其相适配的圆孔上。

6.根据权利要求1所述的水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置，其特征在于，所述摄像头包括第一摄像头(801)和第二摄像头(802)，所述第一摄像头(801)设置在所述膨胀土试样(10)的左侧，所述第二摄像头(802)设置在所述膨胀土试样(10)的正下方。

7.根据权利要求1-6任一项所述水热力耦合作用下膨胀土表面裂隙测试装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、先通过加载系统，即加载控制系统(1)、传力杆(2)及压力板(6)对膨胀土试样(10)施加压力，至膨胀土试样(10)固结完成，达到稳定状态，保持压力不变；

102、步骤101后，通过温度控制系统对膨胀土试样(10)进行制冷、制热处理，即通过制冷装置(18)对膨胀土试样(10)进行制冷，或通过制热板(5)对膨胀土试样(10)进行制热，实现冻融循环；

103、步骤102后，通过供水系统向模型箱(4)内供水、排水，即先通过打开进水阀(152)，关闭排水阀(151)，通过排水管(16)向模型箱(4)里供水，浸泡膨胀土试样(10)，达到“湿”的状态；再关闭进水阀(152)，打开排水阀(151)，将模型箱(4)里的水排出，模拟膨胀土试样(10)自然干燥状态；

104、通过含水率传感器(11)信息采集单元和温度信息采集单元(13)进行数据采集，全程记录试验过程中膨胀土试样(10)的水分和温度变化；通过摄像头观测膨胀土试样(10)表面裂隙发展情况。

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