CN110514680B - 适用于工业ct扫描的微型土水特征曲线试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置及方法，包括底座，底座顶部固设竖向设置的外壳，所述外壳顶部开口且设有容纳测试样品的容置凹槽，容置凹槽底部设置储水室，储水室底部通过进水管与可调高度的滴定管连通，储水室底部还与出水管连通；所述外壳上部对应于测试样品处设置加载塞，加载塞顶部与应力加载装置连接；所述外壳、加载塞均为透明材质制成。该试验装置可置于工业CT扫描室内进行试验，在试验过程中即时进行CT扫描，进而得到非饱和土在不同应力条件下的土水特征曲线。

Description

适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置及方法

技术领域

本公开属于非饱和土力学研究技术领域，具体涉及一种适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置及方法。

背景技术

近十年来，微型CT扫描在非饱和土力学和水力特性研究中的应用引起了人们的广泛关注。在使用工业CT扫描技术时，为获得更高的分辨率。由其技术特点可知，一方面应减小射线束焦点大小，但会限制射线的穿透能力；另一方面控制土样的尺寸并确保土样在扫描期间可以稳定旋转，但会限制扫描对象的尺寸规格。该类限制在很大程度上影响了对非饱和颗粒材料的微观特性的研究。

应力控制土水特征曲线是指在一定应力状态下非饱和土的基质吸力(土体内部的孔隙气压力和孔隙土压力的差值)与饱和度之间的关系。应力控制土水特征曲线是非饱和土的一个重要基本性质，表征土体在一定应力状态不同吸力下的持水能力。

然而，发明人发现，现有的土水特征曲线试验仪器采用金属外壳且体积过大，不能放入CT扫描室进行扫描；且现有试验仪器的土样尺寸太大，即使可以进行CT扫描也无法得到清晰的图像。现有的试验设备都是先采用外部试验，而后再将试验后的非饱和试样从设备中取出，放入工业CT扫描室进行CT扫描。这种方式在转移土样的过程中会对压力进行卸载，会不可避免的对土样产生结构性扰动，进而影响测试结果，测试精度较低。而为了获得更好的分辨率，通常研究非饱和颗粒状土或其他颗粒材料，如砂等(黏粒的颗粒尺寸小得多，从而导致更复杂的微观结构和更差的图像分辨率)，这将导致CT扫描获取的图像精度更差。为了发挥CT扫描无损探测以及无损检测微观结构的优势以及促进对非饱和颗粒状土的研究，需要对现有的试验装置进行改进创新。

发明内容

本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置及方法；该试验装置可置于工业CT扫描室内进行试验，在试验过程中即时进行CT扫描，进而得到非饱和土在不同应力条件下的土水特征曲线。

本公开的第一发明目的是提出一种适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

一种适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置，包括底座，底座顶部固设竖向设置的外壳，所述外壳顶部开口且设有容纳测试样品的容置凹槽，容置凹槽底部设置储水室，储水室底部通过进水管与可调高度的滴定管连通，储水室底部还与出水管连通；所述外壳上部对应于测试样品处设置加载塞，加载塞顶部与应力加载装置连接；所述外壳、加载塞均为透明材质制成。

作为进一步的技术方案，所述外壳顶部设置固定环，固定环与外壳卡合连接，所述加载塞设置于固定环中部空间内。

作为进一步的技术方案，所述固定环为透明材质制成。

作为进一步的技术方案，所述加载塞内设置将测试样品与外界连通的通气孔道。

作为进一步的技术方案，所述储水室对应于测试样品下方，储水室和测试样品之间设置透水石。

作为进一步的技术方案，所述应力加载装置的加载端设置压力传感器，压力传感器与控制器连接。

作为进一步的技术方案，所述底座顶部固设竖向的第一支架，第一支架为圆筒状，第一支架套设于外壳外侧；所述第一支架顶部与第二支架固接，应力加载装置固定于第二支架顶部。

作为进一步的技术方案，所述第一支架为透明材质制成。

作为进一步的技术方案，所述加载塞底部与外壳顶部平齐。

作为进一步的技术方案，所述进水管和出水管均设置阀门。

本公开的第二发明目的提出一种采用如上所述的土水特征曲线试验装置的试验方法，包括以下步骤：

将如上所述的土水特征曲线试验装置放置于工业CT扫描室的旋转台，工业CT的X光射线源对准测试样品，在不同应力条件下对测试样品施加应力，得到不同应力下的土水特征曲线；在应力和测试样品吸力平衡后，进行CT扫描，将旋转台进行360°旋转，进行不同角度的扫描得出切片化的灰度图像，通过分析图像和土水特征曲线对测试样品进行分析。

本公开的第三发明目的提出一种采用如上所述的土水特征曲线试验装置的试验方法，包括以下步骤：

在外壳的容置凹槽内放置测试样品，并组装土水特征曲线试验装置；

通过应力加载装置对测试样品施加应力，将土水特征曲线试验装置固定于工业CT扫描室的旋转台；

由滴定管向供水室供水，得到测试样品的饱和度和吸力；进行CT扫描，得到该应力条件下的气-固-液的分布图像；

重复上一步骤，直至得出该应力条件下的土水特征曲线；

调整应力加载装置的应力值，重复以上步骤，即得到不同应力条件下的土水特征曲线和气-固-液的分布图像，完成试验。

作为进一步的技术方案，测试样品的饱和度和吸力的得到过程为：

同时开启进水管和出水管阀门，由滴定管向储水室供水，待储水室充满水时，关闭出水管阀门；

继续由滴定管向储水室供水，水进入测试样品，待水由测试样品顶部流出时，调整滴定管水面与测试样品顶部平齐，记录滴定管水位刻度；

降低滴定管至设定高度，水由测试样品回流至滴定管，待水位稳定后，记录滴定管水位刻度，由两次水位差得到测试样品的饱和度，并由第二次水位与测试样品中部的高度差得出测试样品的吸力。

本公开的有益效果为：

1、本公开的土水特征曲线试验装置，由其外壳、加载塞等结构均为透明材质制成，克服了传统设备使用金属外壳不能用于CT扫描的缺点。

2、本公开的土水特征曲线试验装置，由其外壳、加载塞等结构均为透明材质制成，其可直接置于工业CT扫描室内进行试验，在试验过程中压力加载稳定后即时进行CT扫描，无需加载后转移试样再扫描，提高了整个测试的精度。

3、本公开的土水特征曲线试验装置，体积小，节省材料，易于组装和移动；并且该装置与传统设备相比土样尺寸缩小，根据CT扫描原理土样越小扫描成像越清晰，所以本装置与传统设备相比经过CT扫描可以得到更高清晰度的图像。

4、本公开的土水特征曲线试验装置，采用简单的方法，简单的原理进行实验操作，例如通过改变水的位置高度来改变压强，进而改变吸力；通过简单的操控伺服电机就可以实现对应力的控制。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置结构示意图；

图2为工业CT扫描系统工作的示意图；

图中，a1、伺服电机，a2、第二支架，a3、压力传感器，b1、通气孔道，b2、加载塞，b3、第一支架，b4、固定环，b5、外壳，b6、测试样品，b7、透水石，b8、储水室，b9、底座，c1、进水管，c2、出水管，c3、阀门，c4、滴定管；

1a X光射线源，1b扫描试样，1c旋转台，1d X光射线接收器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术所介绍的，发明人发现，现有的土水特征曲线试验仪器采用金属外壳且体积过大，不能放入CT扫描室进行扫描；且现有试验仪器的土样尺寸太大，即使可以进行CT扫描也无法得到清晰的图像，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置及方法。

本申请提供了一种适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置，包括底座，底座顶部固设竖向设置的外壳，所述外壳顶部开口且设有容纳测试样品的容置凹槽，容置凹槽底部设置储水室，储水室底部通过进水管与可调高度的滴定管连通，储水室底部还与出水管连通；所述外壳上部对应于测试样品处设置加载塞，加载塞顶部与应力加载装置连接；所述外壳、加载塞均为透明材质制成。

实施例1

下面结合附图1-附图2对本实施例公开的试验装置做进一步的说明；

参照附图1所示，适用于工业CT扫描的微型应力控制土水特征曲线试验装置，包括：包括底座b9，底座起固定外壳的作用，底座b9顶部固设竖向设置的外壳b5，外壳b5为外径20mm,内径10mm的圆柱体结构，外壳b5顶部开口且设有容纳测试样品b6的容置凹槽，容置凹槽底部设置储水室b8，储水室b8底部通过进水管c1与可调高度的滴定管c4连通，调节滴定管位置，可以控制进入测试样品中的水量；储水室b8底部还与出水管c2连通，进水管c1和出水管c2均设置阀门c3，进水管c1和出水管c2直径为1mm；储水室b8对应于测试样品b6下方，储水室b8和测试样品b6之间设置透水石b7，透水石b7直径10mm。

测试样品b6可为颗粒状土样。测试样品b6高为10mm，直径为10mm，试样尺寸较小，进行CT扫描后获得的图像有更高的分辨率，更清楚的展示气-液-固三相的状态，以便更好的研究土水特征曲线。

外壳b5顶部设置固定环b4，固定环b4与外壳b5卡合连接，外壳b5设置凸起，固定环b4设置与凸起相配合的凹槽使二者卡合连接在一起；固定环b4为环状结构，其中部具有空间，外壳b5上部对应于测试样品b6处设置加载塞b2，加载塞b2设置于固定环b4中部空间内，固定环b4起到稳定加载塞b2的作用。

加载塞b2顶部与应力加载装置的加载端连接，应力加载装置的加载端设置压力传感器a3，压力传感器a3与控制器连接。压力传感器与控制器的信号传输以及控制采用现有技术，在此不再赘述。本实施例中应力加载装置采用伺服电机a1，用于对测试样品b6施加压力，压力传感器a3设置于伺服电机a1的输出金属杆上，可以检测压力的大小。

加载塞b2位于测试样品b6和伺服电机a1之间；其上表面中心处有凹槽与伺服电机输出金属杆接触，其作用为将伺服电机产生的压力传递给测试样品。

加载塞b2底部与外壳b5顶部平齐，以使底部配合的测试样品b6顶部与外壳b5顶部平齐。

加载塞b2内设置将测试样品b6与外界连通的通气孔道b1，通气孔道b1直径1mm，从加载塞b2侧面贯穿至底部。通气孔道b1的作用是由滴定管c4向测试样品b6供水时，供气体由其跑出。

底座b9顶部固设竖向的第一支架b3，第一支架b3为圆筒状，第一支架b3套设于外壳b5外侧；第一支架b3顶部与第二支架a2固接，第二支架a2顶部与电机支架通过螺栓固定连接，电机支架用于支撑和固定伺服电机a1。

第一支架b3、外壳b5、加载塞b2、固定环b4均为透明材质制成，本实施例中采用有机玻璃制成，工业CT扫描的X光射线源可直接透过对测试样品进行成像。因有机玻璃能较好的使X射线穿透，从而保证该装置在进行CT扫描时试样图像的分辨率不受影响，还可以保证该设备具有一定强度。

本公开的土水特征曲线试验装置可以结合CT扫描技术对非饱和土力学应力控制土水特征曲线进行更好的研究。针对现有装置体积大，金属外壳不能进行CT扫描等不足之处，本公开的土水特征曲线试验装置采用了可以进行CT扫描的有机玻璃外壳；设计了比较小的装置尺寸及试样尺寸，可以放入CT扫描仪器中进行扫描，较小的试样尺寸经过扫描可以得到高清晰度的图像。本公开装置结合工业CT扫描技术，为更好的研究非饱和土力学应力控制土水特征曲线，以及不同应力状态下土样中气-固-液三相的分布创造了良好的条件。通过本公开装置进行室内试验，来探究非饱和颗粒状土的性质，为工程实践提供一定的理论基础。

如图2所示，该土水特征曲线试验装置配合工业CT扫描系统进行工作时，将按上述流程组装好的装置安放在工业CT的旋转台1c上，并将工业CT的X光射线源1a对准装置有机玻璃本体部分的扫描试样1b，而后在不同应力条件下对测试样品施加应力，得到不同应力下的土水特征曲线，在应力和测试样品吸力平衡后，进行CT扫描，X光射线源1a发出的射线穿透试样，X光射线接收器1d接收穿透后后的射线。将旋转台进行360°旋转，进行不同角度的扫描得出切片化的灰度图像。由于X射线对于试样中各相物质的穿透率不同，因此各相物质所呈现的灰度值不同，扫描完成后可得到不同灰度值的图像，再辅助以高性能计算机的应用系统对试样内部图像的重建。最终通过分析图像和土水特征曲线对测试样品进行土体内孔隙大小分布、土颗粒大小分布及密度的分析，从而得到土样质地状况和土样中的水分和空气在吸力段的分布状况。

具体的，采用上述土水特征曲线试验装置进行试验的具体过程为：

1、选取一定量的符合条件的土样，即测试样品b6；

2、将透水石b7放入装置内储水室b8上方，然后将土样放在透水石b7上，放入土样时注意使土样与外壳b5顶面持平，即可保证土样高为10mm。然后放上有固定环b4和加载塞b2；

3、安装好伺服电机a1，控制伺服电机a1施加一定的竖向应力；

4、将装置放入CT扫描仪中，装置上的管线通过CT扫描仪上的孔洞移动到仪器外面，方便后续试验操作；

5、打开进水管c1和出水管c2，使滴定管c4中的水进入储水室b8，等到出水管c2有水流出时，储水室b8被水充满，关闭出水管c2(此时认为空气排净)，这时水开始进入土样中，当水从土样上部固定环b4和外壳b5之间缝隙溢出时，停止加水，将滴定管c4中的水位调节为与土样顶部齐平，说明此时土样已经饱和，记录此时滴定管c4中的水位刻度；

6、然后将滴定管c4整体降低适当的高度(滴定管降低的高度，在滴定管刻度允许的范围内任意选择)，在这个过程中，一些水从土样中由进水管c1回流入滴定管c4；在水位稳定后，记录此时滴定管c4中的水位刻度。滴定管c4中的水量变化就是从土样中排出的水量。结合土样的体积大小和土样质量，根据两次水位的差值可以计算土样当前饱和度。根据第二次滴定管中水位与土样中部的高度差Z乘以水的密度和重力加速度得出土样内负压，即为土样中的吸力。

7、调整滴定管c4高度可以得到不同的饱和度及吸力，重复以上步骤，得到该应力下土水特征曲线；控制伺服电机a1改变应力的大小，得到不同应力下的土水特征曲线。

8、每次施加的应力与吸力平衡后，通过CT扫描成像，就可以得到不同条件下的土样内部图像，完成试验。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于工业CT扫描的微型土水特征曲线试验装置，其特征是，包括底座，底座顶部固设竖向设置的外壳，所述外壳顶部开口且设有容纳测试样品的容置凹槽，容置凹槽底部设置储水室，储水室底部通过进水管与可调高度的滴定管连通，储水室底部还与出水管连通；所述外壳上部对应于测试样品处设置加载塞，加载塞顶部与应力加载装置连接；所述外壳、加载塞均为透明材质制成；所述外壳顶部设置固定环，固定环与外壳卡合连接，所述加载塞设置于固定环中部空间内；所述固定环为透明材质制成；所述底座顶部固设竖向的第一支架，第一支架套设于外壳外侧；所述第一支架顶部与第二支架固接，应力加载装置固定于第二支架顶部；所述第一支架为透明材质制成；所述加载塞内设置将测试样品与外界连通的通气孔道；所述加载塞底部与外壳顶部平齐。

2.如权利要求1所述的土水特征曲线试验装置，其特征是，所述储水室对应于测试样品下方，储水室和测试样品之间设置透水石。

3.如权利要求1所述的土水特征曲线试验装置，其特征是，所述应力加载装置的加载端设置压力传感器，压力传感器与控制器连接。

4.如权利要求1所述的土水特征曲线试验装置，其特征是，所述第一支架为圆筒状。

5.如权利要求1所述的土水特征曲线试验装置，其特征是，所述进水管和出水管均设置阀门。

6.一种采用如权利要求1-5任一项所述的土水特征曲线试验装置的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

将土水特征曲线试验装置放置于工业CT扫描室的旋转台，工业CT的X光射线源对准测试样品，在不同应力条件下对测试样品施加应力，得到不同应力下的土水特征曲线；在应力和测试样品吸力平衡后，进行CT扫描，将旋转台进行360°旋转，进行不同角度的扫描得出切片化的灰度图像，通过分析图像和土水特征曲线对测试样品进行分析。

7.一种采用如权利要求1-5任一项所述的土水特征曲线试验装置的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

在外壳的容置凹槽内放置测试样品，并组装土水特征曲线试验装置；

通过应力加载装置对测试样品施加应力，将土水特征曲线试验装置固定于工业CT扫描室的旋转台；

由滴定管向供水室供水，部分水从测试样品中由进水管回流入滴定管，在水位稳定后，记录此时滴定管中的水位刻度，结合测试样品的体积大小和测试样品质量，根据两次水位的差值计算得到测试样品的饱和度；根据第二次滴定管中水位与测试样品中部的高度差乘以水的密度和重力加速度得出测试样品内负压，得到测试样品的饱和度和吸力；

调整滴定管高度可以得到不同的饱和度及吸力，重复以上步骤，得出该应力条件下的土水特征曲线；控制伺服电机改变应力的大小，得到不同应力下的土水特征曲线；

每次施加的应力与吸力平衡后，通过CT扫描成像，得到该应力条件下的气-固-液的分布图像。

8.如权利要求7所述的试验方法，其特征是，测试样品的饱和度和吸力的得到过程为：

同时开启进水管和出水管阀门，由滴定管向储水室供水，待储水室充满水时，关闭出水管阀门；

继续由滴定管向储水室供水，水进入测试样品，待水由测试样品顶部流出时，调整滴定管水面与测试样品顶部平齐，记录滴定管水位刻度；

降低滴定管至设定高度，水由测试样品回流至滴定管，待水位稳定后，记录滴定管水位刻度，由两次水位差得到测试样品的饱和度，并由第二次水位与测试样品中部的高度差得出测试样品的吸力。

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