CN111610103A - 三轴实验的土体电参数时空分布测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三轴实验的土体电参数时空分布测试装置及测试方法，包括：三轴压缩实验装置、绝缘橡皮膜、导电片和电极；绝缘橡皮膜和导电片和电极添加在三轴压缩实验装置中围压室内；绝缘橡皮膜作为土样和三轴压缩实验装置中围压室隔绝；所述导电片和电极用于土体电参数测试；导电片设置在三轴压缩实验的土样品两端端部；所述电极通过所述绝缘橡皮膜小孔插入土体，并沿所述绝缘橡皮膜环向均匀布置，形成一组导电电极；沿所述绝缘橡皮膜轴向布置多组电极测试各层土体的电阻率；本发明应用于不同土体的路基工程、软土和粉土地基工程及各类型土体滑坡等工程中，评价土体性能、损伤状态并建立损伤与强度之间的关系等。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域，具体地，涉及一种三轴实验的土体电参数时空分布测试装置及测试方法；更为具体地，涉及一种三轴压缩实验过程中土体电参数时空分布室内测试系统及其工作方法。
背景技术
在工程土体的破坏过程中，土体强度降低与内部结构损伤息息相关，而在室内试验中，在实现对强度的测量同时获取土体内部相关结构信息相对困难。对于三轴实验，土样品在动载荷或静载荷作用下会发生形变，强度参数也会不断变化直至破坏，此过程中只能直观观察土样品的外表形变特征，或者是应用高速相机等技术实现土样品外表形变的定量测量，但均不能对土体内部的变形特征做定量描述，也不能建立内部结构损伤与测量所得的强度参数之间的内在联系。现有的而现有的土体物理力学参数测试手段主要通过钻孔取样室内实验，存在着效率低等缺点。表征土壤导电性能的土体电阻率是研究土体结构及物理力学性质、金属土壤腐蚀、电力系统接地等的重要参数。本发明采用一种三轴压缩实验过程中土体电参数时空分布室内测试系统，可以在三轴压缩实验过程中对土体电参数的时空分布进行室内快速测试及快速作图，掌握各层土体电参数在不同围压下的时空分布变化及相应的强度变化、内部变形损伤等特征，可应用于不同土体的路基工程、软土和粉土地基工程及各类型土体滑坡等工程中，评价土体性能、损伤状态并建立损伤、土体基本物理参数、土体强度之间的关系等，，确保其性能安全、有效降低工程风险，对促进土体相关工程安全施工及安全运营具有十分重要的意义。
专利文献CN110297017A(申请号：201910604975.8)公开了冻融循环下土体电参数时空分布室内测试系统及工作方法，包括土体成型装置以及土体测试装置；其中土体测试装置包括：导电片，两片导电片分别设置在土体成型装置的两端，两片导电片之间通过第一导线电连接；导电电极，多个导电电极从土体成型装置的侧壁插入土体成型装置内，多个导电电极之间通过第二导线电连接；测试组件，测试组件与导电片及导电电极电连接。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种三轴实验的土体电参数时空分布测试装置及测试方法。
根据本发明提供的一种三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，包括：三轴压缩实验装置和土体电参数测试装置；
所述土体电参数测试装置包括绝缘橡皮膜8和导电组件；
所述导电组件包括导电片6和电极7；
所述绝缘橡皮膜8和所述导电组件添加在三轴压缩实验装置中围压室5内；
所述绝缘橡皮膜8作为土样和三轴压缩实验装置中围压室5隔绝；
所述导电组件用于土体电参数测试；
所述导电片6设置在三轴压缩实验的土样品两端端部；所述电极7通过所述绝缘橡皮膜8小孔插入土体，并沿所述绝缘橡皮膜8环向均匀布置，形成一组导电电极；沿所述绝缘橡皮膜8轴向布置多组电极测试各层土体的电阻率；
所述围压室5顶部有电极连接线出孔，通过电极连接线出孔将所述电极7和所述导电片6分别与电法仪13连接。
优选地，所述电极7和所述导电片6分别与电参数测试装置连接，包括：第一导线11的两端与土样品两端的所述导电片6连接，并与所述电法仪13相连；第二导线12的两端与两组所述电极7连接，并与所述电法仪13相连；所述电法仪13与第一导线11和第二导线12采用四级法连接测试土样电参数。
优选地，所述围压室5顶部电极连接线出孔处做密封处理。
优选地，所述绝缘橡皮膜8周围采用预设涂料来防止所述绝缘橡皮膜8在所述电极7插入后渗漏。
优选地，所述导电片6直径等于所述绝缘橡皮膜8的直径。
根据本发明提供的一种三轴实验的土体电参数时空分布测试方法，运用上述三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，执行如下步骤：
步骤M1：将土样品放入绝缘橡皮膜中，并插入电极；
步骤M2：对绝缘橡皮膜做防渗漏处理，布置好导电组件，并改变实验条件；
步骤M3：将土样与电参数测试装置连接，在不同围压条件下进行压缩实验，同时测量获取土样电参数的时空分布。
优选地，所述实验条件包括：土样品含水率、压实度和围压室内强度。
优选地，所述步骤M1包括：
步骤M1.1：对土样进行烘干碾碎处理，再配置一定含水率的土样，并分层放入制样筒中并击实和/或直接采集原状土样品；
步骤M1.2：先对绝缘橡皮膜每个需要插入电极的点进行标记，放入土样品，再插入电极。
优选地，所述步骤M2包括：
步骤M2.1：对绝缘橡皮膜涂抹预设防渗漏材料2次，每次间隔30min；
步骤M2.2：设定三轴压缩实验的围压，三轴压缩实验的围压室内强度增量保持不变。
优选地，所述步骤M2包括：
步骤M3.1：围压室内注满水，关闭泄压阀，加载围压室内强度至指定数值，保持3min，观察围压室是否存在漏水现象。
步骤M3.2：不存在漏水情况下，设定好相关实验条件，开始三轴压缩实验；
步骤M3.3：在样品压缩过程中，实验仪器会记录土样品应力-应变曲线等结果，每隔预设时间或压缩位移暂停实验，通过变换测量电极，用四极法测量土体各层的电参数，通过实现任意两电极间的电阻率测量，从而获取土样的电参数时空分布。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明根据在室内试验中同时实现对土体强度的测量、获取土体内部相关结构信息的困难性，而表征土壤导电性能的土壤电阻率是研究土体内部结构及物理力学性质、金属土壤腐蚀、电力系统接地等的重要参数；
2、本发明基于土体电参数的测试方法以及三轴压缩实验研制开发一种能够在三轴压缩实验过程中，对土体电参数的时空分布进行室内快速测试及快速作图，掌握各层土体电参数在不同围压下的时空分布变化及相应的强度变化、内部变形损伤等特征；
3、本发明可应用于不同土体的路基工程、软土和粉土地基工程及各类型土体滑坡治理等工程中，评价土体性能、损伤状态并建立损伤、土体基本物理参数、土体强度之间的关系等，确保其性能安全、有效降低工程风险，对促进土体相关工程安全施工及安全运营具有十分重要的意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明三轴压缩实验过程中土体电参数时空分布室内测试系统示意图；
图2为本发明三轴压缩实验过程中土样应力-应变关系图；
图3为本发明三轴压缩实验过程中土样电阻率空间分布图；
图4为本发明三轴压缩实验过程中土样X-Y剖面电阻率-位移变化图。
1-应力计 2-位移计 3-电极接线出孔
4-泄压阀 5-围压室 6-导电片
7-电极 8-绝缘橡皮膜 9-透水石
10-三轴实验主机 11-第一导线 12-第二导线
13-电法仪 14-电源
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
根据本发明提供的一种三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，包括：三轴压缩实验装置和土体电参数测试装置；
所述土体电参数测试装置包括绝缘橡皮膜8和导电组件；
所述导电组件包括导电片6和电极7；
所述绝缘橡皮膜8和所述导电组件添加在三轴压缩实验装置中围压室5内；
所述绝缘橡皮膜8作为土样和三轴压缩实验装置中围压室5隔绝；
所述导电组件用于土体电参数测试；所述导电组件为两组，一组为位于土样品两端端部的导电片，另一组为位于土样品内部的导电电极；
所述导电片6设置在三轴压缩实验的土样品两端端部；所述电极7通过所述绝缘橡皮膜8小孔插入土体，并沿所述绝缘橡皮膜8环向均匀布置，形成一组导电电极；沿所述绝缘橡皮膜8轴向布置多组电极测试各层土体的电阻率；
所述围压室5顶部有电极连接线出孔，通过电极连接线出孔将所述电极7和所述导电片6分别与电法仪13连接。
具体地，所述电极7和所述导电片6分别与电参数测试装置连接，包括：第一导线11的两端与土样品两端的所述导电片6连接，并与所述电法仪13相连；第二导线12的两端与两组所述电极7连接，并与所述电法仪13相连；所述电法仪13与第一导线11和第二导线12采用四级法连接测试土样电参数。
具体地，所述围压室5顶部电极连接线出孔处做密封处理。
具体地，所述绝缘橡皮膜8周围采用预设涂料来防止所述绝缘橡皮膜8在所述电极7插入后渗漏。
具体地，所述导电片6直径等于所述绝缘橡皮膜8的直径。
根据本发明提供的一种三轴实验的土体电参数时空分布测试方法，运用上述三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，执行如下步骤：
步骤M1：将土样品放入绝缘橡皮膜中，并插入电极；
步骤M2：对绝缘橡皮膜做防渗漏处理，布置好导电组件，并改变包括土样品含水率、压实度、围压室内强度；
步骤M3：将土样与电参数测试装置连接，在不同围压条件下进行压缩实验，同时测量获取土样电参数的时空分布。
本发明能够在土样品三轴压缩过程中，对不同含水率、压实度的土样电参数时空分布进行室内测试，并与同时测得的应力-应变曲线、反映土体的强度特征；土体强度、土体的电参数数据，主要为电阻率数据，反映土体不同位置之间的电阻特性。
具体地，所述围压条件包括：是针对同一种土(包括含水率、压实度等条件相同的土体)采用不同的围压测试其力学强度，该处的围压条件就是指通常力学意义上的一组围压，如100kPa、200kPa、300kPa这样的一组条件。
具体地，所述步骤M1包括：
步骤M1.1：对土样进行烘干碾碎处理，再配置一定含水率的土样，并分层放入制样筒中并击实和/或直接采集原状土样品；
步骤M1.2：先对绝缘橡皮膜每个需要插入电极的点进行标记，放入土样品，再插入电极。
具体地，，所述步骤M2包括：
步骤M2.1：对绝缘橡皮膜涂抹预设防渗漏材料预设次，每次间隔预设时间；
步骤M2.2：设定三轴压缩实验的围压，三轴压缩实验的围压室内强度增量保持不变。
具体地，，所述步骤M2包括：
步骤M3.1：围压室内注满水，关闭泄压阀，加载围压室内强度至指定数值，保持预设时间，观察围压室是否存在漏水现象。
步骤M3.2：不存在漏水情况下，设定好相关实验条件，开始三轴压缩实验；
步骤M3.3：在样品压缩过程中，实验仪器会记录土样品应力-应变曲线和土体强度参数结果，所述应力-应变曲线，反映土体的强度特征；每隔预设时间或压缩位移暂停实验，通过变换测量电极，用四极法测量土体各层的电参数，通过实现任意两电极间的电阻率测量，从而获取土样的电参数时空分布。
实施例2
实施例2是实施例1的变化例
如图1所示，本发明三轴压缩实验过程中土体电参数时空分布室内测试系统，包含三轴实验系统、导电组件以及电法仪13、电源14。三轴实验系统包含应力计1、位移计2、电极接线出孔3、泄压阀4、围压室5、透水石9、三轴实验主机10；导电组件包含导电片6和导电电极7，导电片6具有一定强度且较薄，导电电极7具有一定强度且较细短，可以与土样充分接触且不扰动土样；绝缘橡皮膜8打电极孔，插入电极后进行防渗漏处理，形成密封使土样和围压室内水不会解除；电法仪13使用四极法连接。
绝缘橡皮膜8打电极孔，插入电极后进行防渗漏处理，形成密封使土样和围压室内水不会解除；导电片6的直径应与绝缘橡皮膜8内径几乎相同，既能保证装入管中也能尽可能增大导电片与土样接触面积，提供稳定的电流场；导电电极7的插入深度及数量不宜过大或过小，保证提供充足的电流场且不扰动土样，且沿绝缘橡皮膜环向均匀布置，各组电极沿管轴向间隔相等均匀布置。导线与导电片、导电电极焊接，具体的，第一导线11的两端分别与绝缘管两端的两片导电片2连接；每组环向均匀布置的导电电极的导线合并成一根导线，第二导线12的两端分别从每组的导电电极7连接，可以通过改变第二导线12与各组导电电极的连接顺序实现各层土体的电参数测量。
电极接线出孔3在完成第一导线11和第二导线12的安装后，利用高强度粘合剂对接线出孔3进行密封处理，并使得导线在围压室5内有一定长度。
实施例3
实施例3是实施例1和/或实施例2的变化例
电法仪13与测量装置采用四极法连接测量土样电参数，布置方式如图1所示，考虑土样品的压缩，绝缘橡皮膜8的厚度直径不宜过小，且为保证电极7穿过橡皮膜不会造成过大的破坏，橡皮膜厚度也不能过大，所以取0.5mm的橡皮膜。对橡皮膜进行密封处理时，考虑其变形特征，采用对的密封材料具有一定柔软度并且涂抹量不宜过大。本例中导电片6采用铜片，导电电极7采用细铜棒，铜片和铜棒具有一定强度，易于进入土样中且导电性良好，本例采用直径39.1mm厚度为1mm铜片和直径1mm长度10mm铜棒。本例所用电法仪13为多功能电法仪13，电压测量范围±6V，电压测量精度±1％，电流测量范围0-5A，电流测量精度±10％，极化率测量精度±1％。
具体地：将电法仪13与测量装置采用四极法连接测量土样电参数，布置方式如图1所示，随着时间变化，三轴实验主机10使土体进入压缩状态，压缩主机连接电脑保持对土样品应力、应变、孔压等特征的记录，此过程中每隔一定时间暂停压缩，通过改变测量两组导电电极的位置，实现各层土样、任意两点的电参数测量，实现土体电参数的时空分布测量；一个样品压缩、测试测量完毕后，更换土样并改变围压，重复以上步骤。
在采集数据后，依照冻融循环作用下土体不同的电参数值、位移值及温度值，建立土样应力-应变曲线图、电参数云图，如图2、图3、图4所示。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，其特征在于，包括：三轴压缩实验装置和土体电参数测试装置；
所述土体电参数测试装置包括绝缘橡皮膜(8)和导电组件；
所述导电组件包括导电片(6)和电极(7)；
所述绝缘橡皮膜(8)和所述导电组件添加在三轴压缩实验装置中围压室(5)内；
所述绝缘橡皮膜(8)用于土样和三轴压缩实验装置中围压室(5)隔绝；
所述导电组件用于土体电参数测试；
所述导电片(6)设置在三轴压缩实验的土样品两端端部；所述电极(7)通过所述绝缘橡皮膜(8)小孔插入土体，并沿所述绝缘橡皮膜(8)环向均匀布置，形成一组导电电极；沿所述绝缘橡皮膜(8)轴向布置多组导电电极测试各层土体的电阻率；
所述围压室(5)顶部有电极连接线出孔，通过电极连接线出孔将所述电极(7)和所述导电片(6)分别与电法仪(13)连接。
2.根据权利要求1所述的三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，其特征在于，所述电极(7)和所述导电片(6)分别与电参数测试装置连接，包括：第一导线(11)的两端与土样品两端的所述导电片(6)连接，并与所述电法仪(13)相连；第二导线(12)的两端与两组所述电极(7)连接，并与所述电法仪(13)相连；所述电法仪(13)与第一导线(11)和第二导线(12)采用四级法连接测试土样电参数。
3.根据权利要求1所述的三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，其特征在于，所述围压室(5)顶部电极连接线出孔处做密封处理。
4.根据权利要求1所述的三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，其特征在于，所述绝缘橡皮膜(8)周围采用预设涂料来防止所述绝缘橡皮膜(8)在所述电极(7)插入后渗漏。
5.根据权利要求1所述的三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，其特征在于，所述导电片(6)直径等于所述绝缘橡皮膜(8)的直径。
6.一种三轴实验的土体电参数时空分布测试方法，其特征在于，运用权力要求1-4任一权力要求所述的三轴实验的土体电参数时空分布测试装置，执行如下步骤：
步骤M1：将土样品放入绝缘橡皮膜中，并插入电极；
步骤M2：对绝缘橡皮膜做防渗漏处理，布置好导电组件并改变实验条件；
步骤M3：将土样与电参数测试装置连接，在不同围压室内强度条件下进行压缩实验，同时测量获取土样电参数的时空分布。
7.根据权利要求6所述的三轴实验的土体电参数时空分布测试方法，其特征在于，所述实验条件包括：土样品含水率、压实度和围压室内强度。
8.根据权利要求6所述的三轴实验的土体电参数时空分布测试方法，其特征在于，所述步骤M1包括：
步骤M1.1：对土样进行烘干碾碎处理，再配置一定含水率的土样，并分层放入制样筒中并击实和/或直接采集原状土样品；
步骤M1.2：先对绝缘橡皮膜每个需要插入电极的点进行标记，放入土样品，再插入电极。
9.根据权利要求6所述的三轴实验的土体电参数时空分布测试方法，其特征在于，所述步骤M2包括：
步骤M2.1：对绝缘橡皮膜涂抹预设防渗漏材料预设次，每次间隔预设时间；
步骤M2.2：设定三轴压缩实验的围压，三轴压缩实验的围压室内强度增量保持不变。
10.根据权利要求7所述的三轴实验的土体电参数时空分布测试方法，其特征在于，所述步骤M2包括：
步骤M3.1：围压室内注满水，关闭泄压阀，加载围压室内强度至指定数值，保持预设时间，观察围压室是否存在漏水现象；
步骤M3.2：不存在漏水情况下，设定好相关实验条件，开始三轴压缩实验；
步骤M3.3：在样品压缩过程中，实验仪器会记录土样品应力-应变曲线等结果，每隔预设时间或压缩位移暂停实验，通过变换测量电极，用四极法测量土体各层的电参数，通过实现任意两电极间的电阻率测量，从而获取土样的电参数时空分布。
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