CN110398453A - 土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，包括：有机玻璃罩，所述有机玻璃罩顶部开设有一相机镜头预留孔，所述有机玻璃罩侧壁相对地开设有第一通气孔和第二通气孔；不锈钢试样基座，所述不锈钢试样基座为一圆柱体结构，所述不锈钢试样基座内部设置有第一溶液通道和第二溶液通道，所述不锈钢试样基座的顶面中心设置有一圆形的土样槽，所述土样槽中心设置有一圆形的透水石槽，所述透水石槽中心同轴设置有多个环形凸台，所述环形凸台间的凹陷结构为溶液循环槽；本发明实现了土体湿化、干燥收缩、干湿循环、裂缝开展及演化全过程的监测，考虑了多因素耦合作用下、复杂环境工况下土体变形及开裂特征，提高了试验精度。
Description
技术领域
本发明涉及地质工程及土木工程岩土技术领域，特别涉及一种土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统。
背景技术
近年来，越来越多的研究关注于土体干湿变形及其裂缝发展演化规律，特别是针对含蒙脱石矿物较多的黏土类，如膨胀土(膨润土)、红粘土、高岭土及其它黏土类。多雨潮湿季节，土体吸水发生膨胀，含水量增加，孔隙比增大，干密度变小，可能产生胀裂，导致力学性能减弱；少雨干旱季节，土体蒸发失水，含水量减小，引起土中吸力增大，在土体内部逐渐形成张拉应力场，当张拉应力超过土体抗拉强度时，便会产生裂缝。裂缝的产生会极大地改变土体工程特性，导致承载力降低，压缩性增大，渗透性增强，不仅对建筑工程质量产生严重影响，也必将危害人类生命财产安全。土体裂缝引起的重大工程问题主要包括：土质边坡失稳，滑坡灾害频发；水土流失严重，生态环境破坏。此外，对固体废弃物地质处置场等重大基础设施而言，粘土类工程屏障是其最为关键的组成部位，对阻止地下水入渗、控制污染物运移具有重要作用，在复杂的热、水和力耦合条件下极有可能产生土体裂缝，从而严重削弱工程屏障的阻滞功能，对周围土壤和水体环境构成严重威胁。
目前，针对土体开裂的研究聚焦于单一环境条件，观察温度或湿度控制条件下土层厚度、干湿循环次数因素对土体裂缝形成规律的影响，并通过数字图像处理技术揭示这些因素的致裂机理，但现有的针对土体开裂的传统研究方法不能揭示复杂条件下土体的开裂机理，阻碍了相应工程处治方法的提出。
发明内容
本发明提供了一种土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，其目的是为了观测温度、湿度和化学因素耦合作用下的变形开裂情况，实现高试验精度的同时，能更好的获取研究开裂力学模型所需的相关参数。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，包括：
有机玻璃罩，所述有机玻璃罩顶部开设有一相机镜头预留孔，所述有机玻璃罩侧壁相对地开设有第一通气孔和第二通气孔；
不锈钢试样基座，所述不锈钢试样基座为一圆柱体结构，所述不锈钢试样基座内部设置有第一溶液通道和第二溶液通道，所述不锈钢试样基座的顶面中心设置有一圆形的土样槽，所述土样槽中心设置有一圆形的透水石槽，所述透水石槽中心同轴设置有多个环形凸台，所述环形凸台间的凹陷结构为溶液循环槽；所述第一溶液通道和所述第二溶液通道连通所述溶液循环槽和所述不锈钢试样基座侧壁；
溶液循环系统，所述溶液循环系统包括溶液容器和蠕动泵、第一蠕动管和第二蠕动管；所述第一蠕动管穿设在所述蠕动泵中；所述第一蠕动管的一端通入所述溶液容器的溶液内，另一端用于连通所述第一溶液通道；所述第二蠕动管的一端设置在所述溶液容器的溶液上方，另一端用于连通所述第二溶液通道；
吸力控制系统，所述吸力控制系统包括气动泵、吸力瓶、气体过滤瓶、第一气体管道和第二气体管道，所述吸力瓶中设置有饱和盐溶液，所述吸力瓶与所述气体过滤瓶之间通过管道连通，所述气动泵通过管道连通至所述吸力瓶内的饱和盐溶液中；所述第一气体管道的一端连通所述气动泵，另一端用于连通所述第二通气孔；所述第二气体管道的一端连通所述气体过滤瓶，另一端用于连通所述第一溶液通道。
其中，还包括：水浴加热系统，所述水浴加热系统包括水浴槽和投入式恒温器；所述水浴槽内装有水浴用的水，所述投入式恒温器设置在所述水浴槽中，所述投入式恒温器的加热端放置在所述水浴槽的水面下。
其中，所述气动泵为一功率可调节的气动泵。
其中，所述不锈钢试样基座顶面还设置有O型圈。
其中，所述溶液循环槽每一圈开口反向设置，且所述第一溶液通道的端口开设在所述溶液循环槽中心，所述第二溶液通道的端口开设在所述溶液循环槽的最外圈，所述第一溶液通道和所述第二溶液通道相对的连通所述不锈钢试样基座的外壁。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明通过对环境温度、环境湿度(吸力)的控制，使得土体变形和开裂力学模型参数的获取更为简便；通过可调节功率的气动泵实现试验环境风速的控制，这使得试验环境更符合对实际工况环境的模拟；与以往研究试验相比，新的试验系统考虑了化学因素影响问题，对化学污染土体，垃圾填埋场衬垫材料及核废料深地质处置库中缓冲/回填材料开裂行为研究具有重要意义；本发明实现了土体湿化、干燥收缩、干湿循环、裂缝开展及演化全过程的监测，考虑了多因素耦合作用下、复杂环境工况下土体变形及开裂特征，提高了试验精度。
附图说明
图1为本发明的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统的主体结构示意图；
图2为本发明的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统的不锈钢试样基座结构示意图；
图3为本发明的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统的溶液循环系统示意图；
图4为本发明的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统的吸力控制系统示意图；
图5为本发明的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统的水浴加热系统示意图。
【附图标记说明】
1-有机玻璃罩；2-相机镜头预留孔；3-第一通气孔；4-第二通气孔；5-不锈钢试样基座；6-第一溶液通道；7-第二溶液通道；8-土样槽；9-透水石槽；10-溶液循环槽；11-溶液容器；12-蠕动泵；13-第一蠕动管；14-第二蠕动管；15-气动泵；16-吸力瓶；17-气体过滤瓶；18-第一气体管道；19-第二气体管道；20-透水石；21-土样；22-水浴槽；23-投入式恒温器；24-O型圈。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的无法观测温度、湿度和化学因素耦合作用下的变形开裂情况，试验精度不可靠，无法获取研究开裂力学模型所需的相关参数问题，提供了一种土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统。
如图1至图4所示，本发明的实施例提供了一种土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，包括：有机玻璃罩1，所述有机玻璃罩1顶部开设有一相机镜头预留孔2，所述有机玻璃罩1侧壁相对地开设有第一通气孔3和第二通气孔4；不锈钢试样基座5，所述不锈钢试样基座5为一圆柱体结构，所述不锈钢试样基座5内部设置有第一溶液通道6和第二溶液通道7，所述不锈钢试样基座5的顶面中心设置有一圆形的土样槽8，所述土样槽8中心设置有一圆形的透水石槽9，所述透水石槽9中心同轴设置有多个环形凸台，所述环形凸台间的凹陷结构为溶液循环槽10；所述第一溶液通道6和所述第二溶液通道7连通所述溶液循环槽10和所述不锈钢试样基座5侧壁；溶液循环系统，所述溶液循环系统包括溶液容器11和蠕动泵12、第一蠕动管13和第二蠕动管14；所述第一蠕动管13穿设在所述蠕动泵12中；所述第一蠕动管13的一端通入所述溶液容器11的溶液内，另一端用于连通所述第一溶液通道6；所述第二蠕动管14的一端设置在所述溶液容器11的溶液上方，另一端用于连通所述第二溶液通道7；吸力控制系统，所述吸力控制系统包括气动泵15、吸力瓶16、气体过滤瓶17、第一气体管道18和第二气体管道19，所述吸力瓶中设置有饱和盐溶液，所述吸力瓶16与所述气体过滤瓶17之间通过管道连通，所述气动泵15通过管道连通至所述吸力瓶16内的饱和盐溶液中；所述第一气体管道18的一端连通所述气动泵15，另一端用于连通所述第二通气孔4；所述第二气体管道19的一端连通所述气体过滤瓶17，另一端用于连通所述第一溶液通道6。
本发明上述实施例所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，所述有机玻璃罩1与所述不锈钢试样基座5密封地组合在一起构成试验环境装置主体部分，将所述透水石槽9和所述土样槽8用透水石20、滤纸和压制好的土样21填入，所述第一蠕动管13连通所述第一溶液通道6，所述第二蠕动管14连通所述第二溶液通道7，所述蠕动泵12泵动所述溶液容器11内的溶液从所述第一蠕动管13流入所述第一溶液通道6，渗入所述土样21之中，从所述第二溶液通道7流回所述第二蠕动管14，所述溶液容器11内的溶液可以设置为蒸馏水、1.0mol/L的NaCl溶液、pH为11的NaOH溶液或500mg/L的COD/BOD溶液，此时开启相机放置在所述相机镜头预留孔2，开始观测化学溶液对于所述土样21的影响；待所述土样21溢出溶液出现饱和后，拆除所述第一蠕动管13与所述第一溶液通道6的连接，拆除所述第二蠕动管14与所述第二溶液通道7的连接，此时将所述第一气体管道18连通所述第二通气孔4，将所述第二气体管道19连通所述第一溶液通道6，同时连通所述第二溶液通道7与所述第一通气孔3，此时所述吸力控制系统被接入到试验系统当中，可以向所述试验系统通入具有不同吸力的气体，通过改变所述吸力瓶16中的饱和盐溶液种类可以改变气体吸力大小，K2SO4、ZnSO4、NaCl、K2CO3、LiCl分别能控制吸力为4.2MPa、12.6MPa、38MPa、110MPa和309MPa的气体，此时可以通过所述相机观测土样裂缝开展及演化形态，实时保存相关图像数据。
如图5所述，本发明的实施例提供了一种土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，还包括：水浴加热系统，所述水浴加热系统包括水浴槽22和投入式恒温器23；所述水浴槽22内装有水浴用的水，所述投入式恒温器23设置在所述水浴槽22中，所述投入式恒温器23的加热端放置在所述水浴槽22的水面下。
本发明上述实施例所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，所述投入式恒温器23可以调节所述水浴槽22内的温度，在需要考虑环境温度影响时，可以将所述试验装置的主体部分放置在所述水浴槽22中进行水浴加热。
如图4所示，所述气动泵15为一功率可调节的气动泵15。
本发明上述实施例所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，所述气动泵15的功率可以调节，当需要考虑空气流速时，可以通过改变所述气动泵15的功率，调整气体泵送速度。
如图1和图2所示，所述不锈钢试样基座顶面还设置有O型圈24。
本发明上述实施例所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，所述不锈钢试样基底顶面设置有所述O型圈24，所述O型圈24与所述有机玻璃罩1同轴，且所述O型圈24的半径与所述有机玻璃罩1的半径相同，所述O型圈24能够增强试验系统的气密性。
其中，所述溶液循环槽10每一圈开口反向设置，且所述第一溶液通道6的端口开设在所述溶液循环槽10中心，所述第二溶液通道7的端口开设在所述溶液循环槽10的最外圈，所述第一溶液通道6和所述第二溶液7通道相对的连通所述不锈钢试样基座5的外壁。
本发明上述实施例所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，所述溶液循环槽10每一圈的开口方向都与靠内一圈的开口方向反向，这种设置充分保证了所述溶液循环槽10内溶液的均匀流动，使得所述土样21吸收溶液更充分，能使化学溶液均匀渗入所述土样21，减小试验误差；所述第一溶液通道6的端口和所述第二溶液通道7的端口分别设置在所述溶液循环槽10的中心和所述溶液循环槽10的最外圈，这样设置能使得所述化学溶液在所述溶液循环槽10内流动距离更长，使得所述溶液渗入所述土样21的程度更充分。
本发明上述实施例所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统设置有所述有机玻璃罩、所述不锈钢试样基座、所述溶液循环系统、所述吸力控制系统、所述水浴加热系统等，在考虑了多因素耦合作用下、复杂环境工况下土体变形及开裂特征，提高了试验精度，实现了土体湿化、干燥收缩、干湿循环、裂缝开展及演化全过程的监测，同时本发明考虑了化学因素影响问题，对化学污染土体，垃圾填埋场衬垫材料及核废料深地质处置库中缓冲/回填材料开裂行为研究具有重要意义。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，其特征在于，包括：
有机玻璃罩，所述有机玻璃罩顶部开设有一相机镜头预留孔，所述有机玻璃罩侧壁相对地开设有第一通气孔和第二通气孔；
不锈钢试样基座，所述不锈钢试样基座为一圆柱体结构，所述不锈钢试样基座内部设置有第一溶液通道和第二溶液通道，所述不锈钢试样基座的顶面中心设置有一圆形的土样槽，所述土样槽中心设置有一圆形的透水石槽，所述透水石槽中心同轴设置有多个环形凸台，所述环形凸台间的凹陷结构为溶液循环槽；所述第一溶液通道和所述第二溶液通道连通所述溶液循环槽和所述不锈钢试样基座侧壁；
溶液循环系统，所述溶液循环系统包括溶液容器和蠕动泵、第一蠕动管和第二蠕动管；所述第一蠕动管穿设在所述蠕动泵中；所述第一蠕动管的一端通入所述溶液容器的溶液内，另一端用于连通所述第一溶液通道；所述第二蠕动管的一端设置在所述溶液容器的溶液上方，另一端用于连通所述第二溶液通道；
吸力控制系统，所述吸力控制系统包括气动泵、吸力瓶、气体过滤瓶、第一气体管道和第二气体管道，所述吸力瓶中设置有饱和盐溶液，所述吸力瓶与所述气体过滤瓶之间通过管道连通，所述气动泵通过管道连通至所述吸力瓶内的饱和盐溶液中；所述第一气体管道的一端连通所述气动泵，另一端用于连通所述第二通气孔；所述第二气体管道的一端连通所述气体过滤瓶，另一端用于连通所述第一溶液通道。
2.根据权利要求1所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，其特征在于，还包括：水浴加热系统，所述水浴加热系统包括水浴槽和投入式恒温器；所述水浴槽内装有水浴用的水，所述投入式恒温器设置在所述水浴槽中，所述投入式恒温器的加热端放置在所述水浴槽的水面下。
3.根据权利要求1所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，其特征在于，所述气动泵为一功率可调节的气动泵。
4.根据权利要求1所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，其特征在于，所述不锈钢试样基座顶面还设置有O型圈。
5.根据权利要求1所述的土体干湿变形及裂纹演化规律试验系统，其特征在于，所述溶液循环槽每一圈开口反向设置，且所述第一溶液通道的端口开设在所述溶液循环槽中心，所述第二溶液通道的端口开设在所述溶液循环槽的最外圈，所述第一溶液通道和所述第二溶液通道相对的连通所述不锈钢试样基座的外壁。
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