CN110579586B - 加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪及方法，该实验仪包括安装架、千斤顶、实验箱和马氏瓶；该方法包括步骤：一、制作非饱和土水气二相流运移实验土样；二、传感器编号；三、设定马氏瓶水位；四、非饱和土样的加荷扰动；五、调节千斤顶向非饱和土样加荷值，获取不同加荷扰动条件下，非饱和土样加荷扰动下的水气二相流运移数据；六、非饱和土样的卸荷扰动；七、调节千斤顶对非饱和土样卸荷值，获取不同卸荷扰动条件下，非饱和土样卸荷扰动下的水气二相流运移数据。本发明利用分层预压土样模拟非饱和土，利用千斤顶为非饱和土进行加卸荷扰动，利用马氏瓶模拟地下潜水位，以期深入理解加卸荷作用下非饱和土水气二相运移规律。

Description

加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪及方法

技术领域

本发明属于加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移模拟技术领域，具体涉及一种加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪及方法。

背景技术

近年来，随着城市化的快速发展，多山地区以“削山造地”、“移山填壑”的方式开展山地城镇化建设。以延安市为例，已完成的延安新区一期工程削平山头30余座。在这些挖方或填埋区域会导致土体非饱和带的渗流场和应力场发生改变，是影响建设工程用地的重要地质因素。非饱和土的孔隙中充满了水相和气相两种流体，这两种流体在土壤孔隙通道中相互驱替形成复杂的水气二相运移过程，该过程受控于渗流场和应力场的耦合作用。当土体加荷或卸荷后发生变形，导致岩土介质应力场发生变化，会引起非饱和土中孔隙结构发生改变，进而引起水力参数的变化；而水力参数的变化会导致渗流场发生改变，进而诱发应力场变化。这种渗流场与应力场之间的“流固耦合”作用进一步的影响非饱和土中水气二相的运移机理。然而目前对挖方填埋加卸荷条件下土体非饱和带水气二相的演化规律及其对水文地质条件和工程地质条件的影响尚未形成明确的认识。

目前，用于模拟研究非饱和土水汽二相流运移机理的实验仪器主要有：一维、二维水-气渗流联合测定仪、新型三轴渗透仪以及普通砂槽模型等。其中一维、二维水气渗流联合测定仪通过水流入渗来驱动气相流动营造出水气二相流的流场，采用自动监测系统监测土柱中气体的压力变化，可以模拟较大的土样条件，但缺点是注重于渗流场对水气二相流的作用忽略了应力场的作用；新型三轴渗透仪可以模拟应力状态和饱和情况，可测定不同应力状态下的渗水系数和渗气系数，自动化程度高，监测系统敏度，但缺点是土样内的空隙被视为均匀分布，不能揭示水气二相流的驱替过程；砂槽模型可以模拟不同的降雨强度对非饱和土的影响，可以监测不同埋深的气压、负压及含水率，可以揭示非饱和土水气二相驱替过程，但缺点是承受荷载能力小，其构件所用材质以木材或角钢与有机玻璃结合为主。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，其设计新颖合理，利用分层预压土样模拟非饱和土，利用千斤顶为非饱和土进行加卸荷扰动，同时利用马氏瓶模拟地下潜水位，以期深入理解加卸荷作用下非饱和土水气二相运移规律，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，其特征在于：包括安装架和设置在所述安装架上的实验箱，所述安装架包括门形支架和设置在所述门形支架底部的底座，底座上位于门形支架横梁的正下方设置有用于安装所述实验箱的水平板，水平板上位于所述实验箱的旁侧安装有用来模拟地下潜水位的马氏瓶，所述实验箱为顶部敞口的立方体实验箱和与所述顶部敞口的立方体实验箱配合且沿所述顶部敞口的立方体实验箱高度方向移动的顶板，所述顶部敞口的立方体实验箱包括底板、两个面板和两个侧板，所述顶部敞口的立方体实验箱内分层装填有非饱和土样，所述非饱和土样内从下至上分层预埋有用于测试非饱和土样土压力值的土压力盒、用于测试非饱和土样含水率数据的土壤水分传感器和用于测试非饱和土样气相压力数据的气压传感器，顶板和门形支架的横梁之间设置有千斤顶，千斤顶与顶板接触的一端安装有轮辐式压力传感器，所述底板上设置有通水管，马氏瓶的出液端通过软管与所述通水管连通，所述软管上设置有止水夹，侧板和顶板上开设有多个用于模拟地层边界条件的通孔。

上述的加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，其特征在于：两个所述面板之间从下至上分层且水平安装有支撑杆，支撑杆的上下两个表面错位开设有两个用于安装土压力盒的凹槽，支撑杆沿长度方向的两个侧面上错位安装有两个用于安装土压力盒的钢耳，支撑杆的两端设置有螺纹孔，螺钉穿过面板与支撑杆的螺纹孔螺纹配合。

上述的加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，其特征在于：两个所述面板和两个所述侧板连接位置处通过加固角钢固定连接。

上述的加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，其特征在于：所述门形支架的竖梁上安装有用于接收土壤水分传感器采集信号的水分数据采集器和用于接收气压传感器采集信号的气压数据采集器，土压力盒的信号输出端与静态应变测试仪的信号输入端连接，静态应变测试仪的信号输出端、气压数据采集器的信号输出端、水分数据采集器的信号输出端和轮辐式压力传感器的信号输出端均与控制主机的信号输入端连接，控制主机通过液压泵控制千斤顶。

上述的加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，其特征在于：所述控制主机的输出端连接有显示器。

上述的加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，其特征在于：所述顶部敞口的立方体实验箱内非饱和土样的底部预先设置有反滤层，所述反滤层的高度高于侧板的最底层通孔的高度。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可多次循环实验的加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、制作非饱和土水气二相流运移实验土样，过程如下：

步骤101、在顶部敞口的立方体实验箱内壁涂抹凡士林，在顶部敞口的立方体实验箱内铺设反滤层，所述反滤层的高度高于侧板的最底层通孔的高度；

步骤102、分层装填有非饱和土样，每层非饱和土样装填时，均需将非饱和土样预压到指定体积后，将预压后的非饱和土样表面拉毛，放入一层传感器组，所述传感器组包括多个土压力盒、多个土壤水分传感器和多个气压传感器；

土压力盒安装时，在两个所述面板之间水平安装多个支撑杆，支撑杆的两端设置有螺纹孔，螺钉穿过面板与支撑杆的螺纹孔螺纹配合，支撑杆的上下两个表面错位开设有两个凹槽，支撑杆沿长度方向的两个侧面上错位安装有两个钢耳，在每个凹槽内安装一个土压力盒，在每个钢耳上安装一个土压力盒，土压力盒的数据线穿出面板与静态应变测试仪连接；

土壤水分传感器安装时，将土壤水分传感器水平放置在非饱和土样内部，土壤水分传感器的数据线穿出面板与水分数据采集器连接；

气压传感器安装时，将气压传感器水平放置在非饱和土样内部，气压传感器的数据线穿出面板与气压数据采集器连接；

步骤103、对顶部敞口的立方体实验箱进行密封处理；

步骤二、传感器编号：针对传感器组所在的层数和传感器组中不同类型的传感器类型，对顶部敞口的立方体实验箱内多层传感器组进行编号，通过控制主机设置传感器组的数据采集间隔；

步骤三、设定马氏瓶水位：根据非饱和土水气二相流运移实验土样的高度以及对应的潜水位设计值，向马氏瓶中加水，打开止水夹，直至非饱和土水气二相流运移实验土样的潜水位达到设计值，关闭止水夹，营造并保持潜水位环境；

步骤四、非饱和土样的加荷扰动：控制千斤顶伸出推动顶板，向非饱和土样进行加荷扰动，利用轮辐式压力传感器记录千斤顶向非饱和土样的加荷实际值，同时利用传感器组采集非饱和土样加荷扰动下的水气二相流运移数据，当千斤顶向非饱和土样加荷值达到预设值且预设值稳定时，完成一次非饱和土样的加荷扰动实验；

步骤五、调节千斤顶向非饱和土样加荷值，重复步骤四，获取不同加荷扰动条件下，非饱和土样加荷扰动下的水气二相流运移数据；

步骤六、非饱和土样的卸荷扰动：控制千斤顶缩回，对非饱和土样进行卸荷扰动，利用轮辐式压力传感器记录千斤顶对非饱和土样的卸荷实际值，同时利用传感器组采集非饱和土样卸荷扰动下的水气二相流运移数据，当千斤顶对非饱和土样卸荷值达到预设值且预设值稳定时，完成一次非饱和土样的卸荷扰动实验；

步骤七、调节千斤顶对非饱和土样卸荷值，重复步骤六，获取不同卸荷扰动条件下，非饱和土样卸荷扰动下的水气二相流运移数据。

上述的方法，其特征在于：步骤103中对顶部敞口的立方体实验箱中各传感器数据线与面板接触位置处通过玻璃胶密封，进行密封处理；

步骤101中在侧板内部的最底层通孔处粘贴双层纱布；

步骤四中顶板的下侧粘贴双层纱布。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的实验仪，通过设置由门形支架和设置在门形支架底部的底座构成的安装架安装实验箱，在顶板和门形支架的横梁之间设置千斤顶对实验箱的顶板施压，进而实现对实验箱内的非饱和土施压，千斤顶与顶板接触的一端安装轮辐式压力传感器用于测试实验箱内的非饱和土施压值，稳定可靠，便于推广使用。

2、本发明采用的实验仪，通过在顶部敞口的立方体实验箱内分层装填有非饱和土样，装填一层非饱和土样后安装一层传感器组，能够实现对非饱和土样深度方向上水气二相流运移数据的采集，其中，传感器组包括多个土压力盒、多个土壤水分传感器和多个气压传感器，在两个所述面板之间水平安装多个支撑杆，支撑杆的两端设置有螺纹孔，螺钉穿过面板与支撑杆的螺纹孔螺纹配合，支撑杆的上下两个表面错位开设有两个凹槽，支撑杆沿长度方向的两个侧面上错位安装有两个钢耳，在每个凹槽内安装一个土压力盒，在每个钢耳上安装一个土压力盒，土压力盒的数据线穿出面板与静态应变测试仪连接；将土壤水分传感器水平放置在非饱和土样内部，土壤水分传感器的数据线穿出面板与水分数据采集器连接；将气压传感器水平放置在非饱和土样内部，气压传感器的数据线穿出面板与气压数据采集器连接；数据采集可靠，使用效果好。

3、本发明采用的实验仪，通过在底板上设置通水管，马氏瓶的出液端通过软管与通水管连通，软管上设置有止水夹，侧板和顶板上开设有多个用于模拟地层边界条件的通孔，模拟实际地层加卸荷扰动下土体的二相流运移规律，以便供实际施工参考。

4、本发明采用的方法，步骤简单，通过对制作非饱和土水气二相流运移实验土样中的传感器编号，以便获取不同位置土压力值、土样含水率数据和土样气相压力数据，根据非饱和土水气二相流运移实验土样的高度以及对应的潜水位设计值，向马氏瓶中加水，打开止水夹，直至非饱和土水气二相流运移实验土样的潜水位达到设计值，关闭止水夹，营造并保持潜水位环境，通过多次设置加荷预设值，实现多次非饱和土样的加荷扰动实验，同时通过控制千斤顶缩回，通过多次设置卸荷预设值，实现多次非饱和土样的卸荷扰动实验，反复实验，以期深入理解加卸荷作用下非饱和土水气二相流运移规律，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，利用分层预压土样模拟非饱和土，利用千斤顶为非饱和土进行加卸荷扰动，同时利用马氏瓶模拟地下潜水位，以期深入理解加卸荷作用下非饱和土水气二相流运移规律，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实验仪的结构连接示意图。

图2为本发明实验仪中安装架和实验箱的安装关系示意图。

图3为本发明实验仪中土壤水分传感器、气压传感器和支撑杆在实验箱内的安装关系示意图。

图4为本发明实验仪中支撑杆的结构示意图。

图5为本发明实验仪中的电路原理框图。

图6为本发明方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—底座； 2—水平板； 3—门形支架；

4-1—侧板； 4-2—面板； 4-3—顶板；

4-4—加固角钢； 5—千斤顶； 6—轮辐式压力传感器；

7—静态应变测试仪； 8—气压数据采集器； 9—水分数据采集器；

10—马氏瓶； 11—支撑杆； 12—钢耳；

13—凹槽； 14—螺纹孔； 15—土压力盒；

16—土壤水分传感器； 17—气压传感器； 18—液压泵；

19—控制主机； 20—显示器。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明所述的加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，包括安装架和设置在所述安装架上的实验箱，所述安装架包括门形支架3和设置在所述门形支架3底部的底座1，底座1上位于门形支架3横梁的正下方设置有用于安装所述实验箱的水平板2，水平板2上位于所述实验箱的旁侧安装有用来模拟地下潜水位的马氏瓶10，所述实验箱为顶部敞口的立方体实验箱和与所述顶部敞口的立方体实验箱配合且沿所述顶部敞口的立方体实验箱高度方向移动的顶板4-3，所述顶部敞口的立方体实验箱包括底板、两个面板4-2和两个侧板4-1，所述顶部敞口的立方体实验箱内分层装填有非饱和土样，所述非饱和土样内从下至上分层预埋有用于测试非饱和土样土压力值的土压力盒15、用于测试非饱和土样含水率数据的土壤水分传感器16和用于测试非饱和土样气相压力数据的气压传感器17，顶板4-3和门形支架3的横梁之间设置有千斤顶5，千斤顶5与顶板4-3接触的一端安装有轮辐式压力传感器6，所述底板上设置有通水管，马氏瓶10的出液端通过软管与所述通水管连通，所述软管上设置有止水夹，侧板4-1和顶板4-3上开设有多个用于模拟地层边界条件的通孔。

需要说明的是，通过设置由门形支架3和设置在门形支架3底部的底座1构成的安装架安装实验箱，在顶板4-3和门形支架3的横梁之间设置千斤顶5对实验箱的顶板4-3施压，进而实现对实验箱内的非饱和土施压，千斤顶5与顶板4-3接触的一端安装轮辐式压力传感器6用于测试实验箱内的非饱和土施压值，稳定可靠；通过在顶部敞口的立方体实验箱内分层装填有非饱和土样，装填一层非饱和土样后安装一层传感器组，能够实现对非饱和土样深度方向上水气二相流运移数据的采集，其中，传感器组包括多个土压力盒15、多个土壤水分传感器16和多个气压传感器17，在两个所述面板4-2之间水平安装多个支撑杆11，支撑杆11的两端设置有螺纹孔14，螺钉穿过面板4-2与支撑杆11的螺纹孔14螺纹配合，支撑杆11的上下两个表面错位开设有两个凹槽13，支撑杆11沿长度方向的两个侧面上错位安装有两个钢耳12，在每个凹槽13内安装一个土压力盒15，在每个钢耳12上安装一个土压力盒15，土压力盒15的数据线穿出面板4-2与静态应变测试仪7连接；将土壤水分传感器16水平放置在非饱和土样内部，土壤水分传感器16的数据线穿出面板4-2与水分数据采集器9连接；将气压传感器17水平放置在非饱和土样内部，气压传感器17的数据线穿出面板4-2与气压数据采集器8连接；数据采集可靠；通过在底板上设置通水管，马氏瓶10的出液端通过软管与通水管连通，软管上设置有止水夹，侧板4-1和顶板4-3上开设有多个用于模拟地层边界条件的通孔，模拟实际地层加卸荷扰动下土体的二相流运移规律，以便供实际施工参考。

优选的千斤顶5的数量为两个，两个千斤顶5对称的安装在顶板4-3上，保证非饱和土样平稳的施压，轮辐式压力传感器6优选的采用TF04轮辐式压力传感器。

本实施例中，两个所述面板4-2之间从下至上分层且水平安装有支撑杆11，支撑杆11的上下两个表面错位开设有两个用于安装土压力盒15的凹槽13，支撑杆11沿长度方向的两个侧面上错位安装有两个用于安装土压力盒15的钢耳12，支撑杆11的两端设置有螺纹孔14，螺钉穿过面板4-2与支撑杆11的螺纹孔14螺纹配合。

需要说明的是，两个凹槽13和两个钢耳12均为土压力盒15的安装提供安装基础，实现获取一根支撑杆11上四个方向上的土压力值。

本实施例中，两个所述面板4-2和两个所述侧板4-1连接位置处通过加固角钢4-4固定连接。

本实施例中，所述门形支架3的竖梁上安装有用于接收土壤水分传感器16采集信号的水分数据采集器9和用于接收气压传感器17采集信号的气压数据采集器8，土压力盒15的信号输出端与静态应变测试仪7的信号输入端连接，静态应变测试仪7的信号输出端、气压数据采集器8的信号输出端、水分数据采集器9的信号输出端和轮辐式压力传感器6的信号输出端均与控制主机19的信号输入端连接，控制主机19通过液压泵18控制千斤顶5。

本实施例中，所述控制主机19的输出端连接有显示器20。

需要说明的是，土壤水分传感器16优选的采用ECH20土壤水分传感器，水分数据采集器9要选的采用配套的EM50数据采集器，通过EM50数据采集器采集多个ECH20土壤水分传感器采集回的数据，并连接到控制主机19读取数值，气压传感器17优选的采用微差压传感器，气压数据采集器8优选的采用Model264微差压变送器，可测量差压或表压，并将差压转换为成比例的电信号输出，具有高精度、小误差。

本实施例中，所述顶部敞口的立方体实验箱内非饱和土样的底部预先设置有反滤层，所述反滤层的高度高于侧板4-1的最底层通孔的高度。

需要说明的是，反滤层的高度高于侧板4-1的最底层通孔的高度的目的是防止实验加压过程土样发生流土现象。

如图6所示的一种加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验的方法，包括以下步骤：

步骤一、制作非饱和土水气二相流运移实验土样，过程如下：

步骤101、在顶部敞口的立方体实验箱内壁涂抹凡士林，在顶部敞口的立方体实验箱内铺设反滤层，所述反滤层的高度高于侧板4-1的最底层通孔的高度；

步骤102、分层装填有非饱和土样，每层非饱和土样装填时，均需将非饱和土样预压到指定体积后，将预压后的非饱和土样表面拉毛，放入一层传感器组，所述传感器组包括多个土压力盒15、多个土壤水分传感器16和多个气压传感器17；

土压力盒15安装时，在两个所述面板4-2之间水平安装多个支撑杆11，支撑杆11的两端设置有螺纹孔14，螺钉穿过面板4-2与支撑杆11的螺纹孔14螺纹配合，支撑杆11的上下两个表面错位开设有两个凹槽13，支撑杆11沿长度方向的两个侧面上错位安装有两个钢耳12，在每个凹槽13内安装一个土压力盒15，在每个钢耳12上安装一个土压力盒15，土压力盒15的数据线穿出面板4-2与静态应变测试仪7连接；

土壤水分传感器16安装时，将土壤水分传感器16水平放置在非饱和土样内部，土壤水分传感器16的数据线穿出面板4-2与水分数据采集器9连接；

气压传感器17安装时，将气压传感器17水平放置在非饱和土样内部，气压传感器17的数据线穿出面板4-2与气压数据采集器8连接；

步骤103、对顶部敞口的立方体实验箱进行密封处理；

步骤二、传感器编号：针对传感器组所在的层数和传感器组中不同类型的传感器类型，对顶部敞口的立方体实验箱内多层传感器组进行编号，通过控制主机19设置传感器组的数据采集间隔；

步骤三、设定马氏瓶水位：根据非饱和土水气二相流运移实验土样的高度以及对应的潜水位设计值，向马氏瓶10中加水，打开止水夹，直至非饱和土水气二相流运移实验土样的潜水位达到设计值，关闭止水夹，营造并保持潜水位环境；

步骤四、非饱和土样的加荷扰动：控制千斤顶5伸出推动顶板4-3，向非饱和土样进行加荷扰动，利用轮辐式压力传感器6记录千斤顶5向非饱和土样的加荷实际值，同时利用传感器组采集非饱和土样加荷扰动下的水气二相流运移数据，当千斤顶5向非饱和土样加荷值达到预设值且预设值稳定时，完成一次非饱和土样的加荷扰动实验；

需要说明的是，当千斤顶5向非饱和土样加荷值达到预设值且预设值稳定时，通过显示器20观察读数，等待读数稳定后关闭液压泵18，将土样静置30min左右后，查看静态应变测试仪7中数据，待其趋于稳定后即可进行下一级加压，若在液压泵18关闭期间显示器20显示静态应变测试仪7力值的读数有变动，则需重新启动液压泵18，直至显示器20重新稳定为原数据。

步骤五、调节千斤顶向非饱和土样加荷值，重复步骤四，获取不同加荷扰动条件下，非饱和土样加荷扰动下的水气二相流运移数据；

步骤六、非饱和土样的卸荷扰动：控制千斤顶5缩回，对非饱和土样进行卸荷扰动，利用轮辐式压力传感器6记录千斤顶5对非饱和土样的卸荷实际值，同时利用传感器组采集非饱和土样卸荷扰动下的水气二相流运移数据，当千斤顶5对非饱和土样卸荷值达到预设值且预设值稳定时，完成一次非饱和土样的卸荷扰动实验；

步骤七、调节千斤顶对非饱和土样卸荷值，重复步骤六，获取不同卸荷扰动条件下，非饱和土样卸荷扰动下的水气二相流运移数据。

本实施例中，步骤103中对顶部敞口的立方体实验箱中各传感器数据线与面板4-2接触位置处通过玻璃胶密封，进行密封处理；

步骤101中在侧板4-1内部的最底层通孔处粘贴双层纱布；

步骤四中顶板4-3的下侧粘贴双层纱布。

本发明使用时，步骤简单，通过对制作非饱和土水气二相流运移实验土样中的传感器编号，以便获取不同位置土压力值、土样含水率数据和土样气相压力数据，根据非饱和土水气二相流运移实验土样的高度以及对应的潜水位设计值，向马氏瓶10中加水，打开止水夹，直至非饱和土水气二相流运移实验土样的潜水位达到设计值，关闭止水夹，营造并保持潜水位环境，通过多次设置加荷预设值，实现多次非饱和土样的加荷扰动实验，同时通过控制千斤顶5缩回，通过多次设置卸荷预设值，实现多次非饱和土样的卸荷扰动实验，反复实验，以期深入理解加卸荷作用下非饱和土水气二相流运移规律，使用效果好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪进行加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验的方法，其特征在于：所述加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪，包括安装架和设置在所述安装架上的实验箱，所述安装架包括门形支架（3）和设置在所述门形支架（3）底部的底座（1），底座（1）上位于门形支架（3）横梁的正下方设置有用于安装所述实验箱的水平板（2），水平板（2）上位于所述实验箱的旁侧安装有用来模拟地下潜水位的马氏瓶（10），所述实验箱为顶部敞口的立方体实验箱和与所述顶部敞口的立方体实验箱配合且沿所述顶部敞口的立方体实验箱高度方向移动的顶板（4-3），所述顶部敞口的立方体实验箱包括底板、两个面板（4-2）和两个侧板（4-1），所述顶部敞口的立方体实验箱内分层装填有非饱和土样，所述非饱和土样内从下至上分层预埋有用于测试非饱和土样土压力值的土压力盒（15）、用于测试非饱和土样含水率数据的土壤水分传感器（16）和用于测试非饱和土样气相压力数据的气压传感器（17），顶板（4-3）和门形支架（3）的横梁之间设置有千斤顶（5），千斤顶（5）与顶板（4-3）接触的一端安装有轮辐式压力传感器（6），所述底板上设置有通水管，马氏瓶（10）的出液端通过软管与所述通水管连通，所述软管上设置有止水夹，侧板（4-1）和顶板（4-3）上开设有多个用于模拟地层边界条件的通孔；

两个所述面板（4-2）之间从下至上分层且水平安装有支撑杆（11），支撑杆（11）的上下两个表面错位开设有两个用于安装土压力盒（15）的凹槽（13），支撑杆（11）沿长度方向的两个侧面上错位安装有两个用于安装土压力盒（15）的钢耳（12），支撑杆（11）的两端设置有螺纹孔（14），螺钉穿过面板（4-2）与支撑杆（11）的螺纹孔（14）螺纹配合；

所述门形支架（3）的竖梁上安装有用于接收土壤水分传感器（16）采集信号的水分数据采集器（9）和用于接收气压传感器（17）采集信号的气压数据采集器（8），土压力盒（15）的信号输出端与静态应变测试仪（7）的信号输入端连接，静态应变测试仪（7）的信号输出端、气压数据采集器（8）的信号输出端、水分数据采集器（9）的信号输出端和轮辐式压力传感器（6）的信号输出端均与控制主机（19）的信号输入端连接，控制主机（19）通过液压泵（18）控制千斤顶（5）；

所述控制主机（19）的输出端连接有显示器（20）；

该方法包括以下步骤：

步骤一、制作非饱和土水气二相流运移实验土样，过程如下：

步骤101、在顶部敞口的立方体实验箱内壁涂抹凡士林，在顶部敞口的立方体实验箱内铺设反滤层，所述反滤层的高度高于侧板（4-1）的最底层通孔的高度；

步骤102、分层装填有非饱和土样，每层非饱和土样装填时，均需将非饱和土样预压到指定体积后，将预压后的非饱和土样表面拉毛，放入一层传感器组，所述传感器组包括多个土压力盒（15）、多个土壤水分传感器（16）和多个气压传感器（17）；

土压力盒（15）安装时，在两个所述面板（4-2）之间水平安装多个支撑杆（11），支撑杆（11）的两端设置有螺纹孔（14），螺钉穿过面板（4-2）与支撑杆（11）的螺纹孔（14）螺纹配合，支撑杆（11）的上下两个表面错位开设有两个凹槽（13），支撑杆（11）沿长度方向的两个侧面上错位安装有两个钢耳（12），在每个凹槽（13）内安装一个土压力盒（15），在每个钢耳（12）上安装一个土压力盒（15），土压力盒（15）的数据线穿出面板（4-2）与静态应变测试仪（7）连接；

土壤水分传感器（16）安装时，将土壤水分传感器（16）水平放置在非饱和土样内部，土壤水分传感器（16）的数据线穿出面板（4-2）与水分数据采集器（9）连接；

气压传感器（17）安装时，将气压传感器（17）水平放置在非饱和土样内部，气压传感器（17）的数据线穿出面板（4-2）与气压数据采集器（8）连接；

步骤103、对顶部敞口的立方体实验箱进行密封处理；

步骤二、传感器编号：针对传感器组所在的层数和传感器组中不同类型的传感器类型，对顶部敞口的立方体实验箱内多层传感器组进行编号，通过控制主机（19）设置传感器组的数据采集间隔；

步骤三、设定马氏瓶水位：根据非饱和土水气二相流运移实验土样的高度以及对应的潜水位设计值，向马氏瓶（10）中加水，打开止水夹，直至非饱和土水气二相流运移实验土样的潜水位达到设计值，关闭止水夹，营造并保持潜水位环境；

步骤四、非饱和土样的加荷扰动：控制千斤顶（5）伸出推动顶板（4-3），向非饱和土样进行加荷扰动，利用轮辐式压力传感器（6）记录千斤顶（5）向非饱和土样的加荷实际值，同时利用传感器组采集非饱和土样加荷扰动下的水气二相流运移数据，当千斤顶（5）向非饱和土样加荷值达到预设值且预设值稳定时，完成一次非饱和土样的加荷扰动实验；

步骤五、调节千斤顶向非饱和土样加荷值，重复步骤四，获取不同加荷扰动条件下，非饱和土样加荷扰动下的水气二相流运移数据；

步骤六、非饱和土样的卸荷扰动：控制千斤顶（5）缩回，对非饱和土样进行卸荷扰动，利用轮辐式压力传感器（6）记录千斤顶（5）对非饱和土样的卸荷实际值，同时利用传感器组采集非饱和土样卸荷扰动下的水气二相流运移数据，当千斤顶（5）对非饱和土样卸荷值达到预设值且预设值稳定时，完成一次非饱和土样的卸荷扰动实验；

步骤七、调节千斤顶对非饱和土样卸荷值，重复步骤六，获取不同卸荷扰动条件下，非饱和土样卸荷扰动下的水气二相流运移数据。

2.按照权利要求1所述的一种利用加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪进行加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验的方法，其特征在于：两个所述面板（4-2）和两个所述侧板（4-1）连接位置处通过加固角钢（4-4）固定连接。

3.按照权利要求1所述的一种利用加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪进行加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验的方法，其特征在于：所述顶部敞口的立方体实验箱内非饱和土样的底部预先设置有反滤层，所述反滤层的高度高于侧板（4-1）的最底层通孔的高度。

4.按照权利要求1所述的一种利用加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验仪进行加卸荷扰动下非饱和土水气二相流运移实验的方法，其特征在于：步骤103中对顶部敞口的立方体实验箱中各传感器数据线与面板（4-2）接触位置处通过玻璃胶密封，进行密封处理；

步骤101中在侧板（4-1）内部的最底层通孔处粘贴双层纱布；

步骤四中顶板（4-3）的下侧粘贴双层纱布。

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