CN112763692B - 一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置及方法，包括仪器主体、循环饱水装置和数据采集装置；所述仪器主体包括试验盒、竖向加载装置、水平加载装置与加热装置；所述竖向加载装置设置于试验盒上方，对试验盒内的试样施加竖向荷载；所述水平加载装置设置于试验盒侧边，对试验盒内的试样施加水平荷载；所述加热装置设置于试样外部，对试样进行加热，模拟高温环境；所述循环饱水装置实现动态水流循环进出仪器主体的试样盒来冲刷试样，以模拟降雨冲蚀、淋滤及渗流过程；所述数据采集装置包括竖向位移测量装置、水平位移测量装置以及温度测量装置。考虑了湿胀异性的情况，从竖向和侧向两方向进行膨胀土边坡降雨入渗模拟和膨胀测量。

Description

一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置及方法
技术领域
本发明属于路基边坡膨胀变形试验技术领域，涉及一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置及方法。
背景技术
路基边坡变形失稳是膨胀土地区公路、铁路建设中常见的一种最严重、最易发生且难以处治的地质灾害，往往带来严重的工程、经济损失和生态环境破坏。尤其是降雨作用下膨胀土边坡浅表层土体在竖向及侧向临空面出现不均匀膨胀变形即湿胀异性效应，极易造成局部剪切错动而出现坍滑面。
通常依据现行《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)进行的膨胀变形试验均只考虑膨胀土竖向一维膨胀变形，仅能获得竖向变形或膨胀力的变化规律，这与实际膨胀土路基与边坡的各向湿胀异性状态不符合。为更加符合实际地测试膨胀土的膨胀特性，学者们研制并改进了胀缩试验仪器。张颖钧.三向胀缩特性仪的研制[J].路基工程，1990(05)：53～57于上世纪80年代首先研制了三向胀缩特性仪；秦冰，陈正汉，刘月妙，等.高庙子膨润土GMZ001三向膨胀力特性研究.岩土工程学报[J].2009，31(05)：756-762又对该仪器进行了改进，测试了竖向膨胀力和水平膨胀力之间的差异；Ikizler S B,Vekli M,Dogan E,etal.Prediction of swelling pressures of expansive soils using soft computingmethods[J].Neural Computing and Applications,2014,24(02):473-485通过室内试验量测膨胀土吸湿过程中产生的侧向力，研究了三向膨胀受限条件下竖向和侧向力的关系；谭波,郑健龙,张锐.宁明膨胀土三向胀缩规律室内试验研究[J].公路交通科技,2014,31(04):1-6采用自制研发的膨胀土三向胀缩仪进行了三向胀缩试验研究，指出膨胀土的三向胀缩存在差异性，表现为吸水膨胀的三向差异及三向膨胀量的差异；杨和平,肖杰,李艳艳,等.土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪[P]以及公开号为CN102636427A的发明专利研制了土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪，该仪器可以量测径向的膨胀力和变形。但上述膨胀变形试验装置主要考虑土体三向受力及变形条件，此类装置更适用于填土路基的土体受力及变形状态。然而，实际边坡发生浅层坍滑时，边坡浅表层土体主要在竖向及侧向临空面出现不均匀膨胀变形，但以往研究膨胀土边坡稳定性问题，一般假设膨胀土的湿胀效应为各向同性，很少考虑湿胀异性的情况。但事实上膨胀土边坡浅表层土体侧向与竖向膨胀差异较大，这种特性对边坡稳定性的影响不可忽视。
此外，当前研究成果主要探究降雨入渗下土体湿胀变形的物理作用引起的边坡浅层坍滑问题，尚未考虑降雨入渗过程中水土化学作用对边坡变形失稳的不利影响。同时，以往干湿循环环境模拟过程中，模拟干湿循环环境将烘干和饱和两个过程分开进行，烘干在烘箱中进行，饱和需另外在饱和桶中进行，这样将反复扰动试样，将损伤试样整体结构，造成试样表层松散，脱落。且现有研究手段多为采用静置饱和方式模拟降雨条件下土样饱和状态，此静态水环境中离子交换及水土相互作用均较弱，无法再现降雨入渗过程中雨水冲蚀与渗流作用对土体结构的影响，与降雨入渗边坡的真实过程不符。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，以解决现有膨胀变形试验装置不适用于边坡湿胀异性特征试验的问题。
本发明实施例的目的在于提供一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验方法，以解决现有膨胀变形试验方法采用静态水饱和方法模拟降雨条件下土样饱和状态导致模拟的降雨入渗边坡与真实过程不符的问题。
本发明实施例所采用的技术方案是，一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，包括仪器主体、循环饱水装置和数据采集装置；
所述仪器主体包括试验盒、竖向加载装置、水平加载装置与加热装置；所述竖向加载装置设置于试验盒上方，对试验盒内的试样施加竖向荷载；所述水平加载装置设置于试验盒侧边，对试验盒内的试样施加水平荷载；所述加热装置设置于试样外部，对试样进行加热，模拟高温环境；
所述循环饱水装置包括竖向多孔盖板，竖向多孔盖板设置于试验盒中试样上方，竖向多孔盖板模拟动态水流，循环饱水装置实现动态水流循环进出仪器主体的试样盒来冲刷试样，以模拟降雨冲蚀、淋滤及渗流过程；
所述数据采集装置包括竖向位移测量装置、水平位移测量装置以及温度测量装置，竖向位移测量装置的测量端与竖向加载装置相接触，水平位移测量装置的测量端与水平加载装置相接触，温度测量装置的测量端与加热装置相接触。
本发明实施例所采用的另一技术方案是，一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验方法，采用如上所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，具体步骤如下：
步骤S1、检查仪器主体、循环饱水装置及数据采集装置各部分是否可用，然后将仪器主体、循环饱水装置及数据采集装置进行组合固定；同时按照试验内盒的形状、尺寸切取原状土样作为试验用试样；
步骤S2、将制备的试样装入试验内盒，并将竖向多孔板与侧向多孔板调至与试样刚好接触位置；随后调节竖向电子千分表至其指针端部与圆柱形竖杆顶部接触，调节水平电子千分表至其指针端部与反力架上的水平加压杆左端端部接触，然后在试样的竖向与侧向分别施加2～3kPa压力进行预压，使仪器各部分接触，并记录竖向电子千分表的初始读数K0s与水平电子千分表的初始读数K0c；
步骤S3、分别设置竖向加载装置与水平加载装置的加载量，以模拟边坡土层不同深度位置受力状态；通过调节溶液箱与试验盒的高度并结合蠕动泵来控制水流速度，以模拟不同降雨强度工况；打开出水循环管路上的止水阀，让溶液箱中的水随出水循环管路流入试验盒，随后开启蠕动泵，通过蠕动泵调节试验外盒与试验内盒间水的液面，保持降雨过程中试验外盒与试验内盒间水的液面高于试样上表面；
步骤S4、实时观测竖向电子千分表与水平电子千分表的数据变化，数据采集仪每间隔一定时间记录一次竖向电子千分表与水平电子千分表的数据，当试样膨胀稳定时，结束吸湿试验，关闭出水循环管路上的止水阀，并通过蠕动泵将试验外盒中的溶液泵送至溶液箱，排干试验外盒中溶液；记录结束吸湿试验时竖向电子千分表的数据Kts与水平电子千分表的数据Ktc，Kts为试样分别在设置的竖向荷载P作用下达到膨胀稳定时的膨胀量，Ktc为试样在设置的侧向荷载N作用下达到膨胀稳定时的膨胀量；随后，通过计算机进行试样变形的时程曲线实时绘制与分析，并计算试样的竖向有荷膨胀率aPs与侧向有荷膨胀率aNc；
步骤S5、开启加热装置，通过导热片将竖向多孔盖板加热至夏季高温环境下的地表温度，模拟夏季高温干旱环境，将试样进行脱湿处理，加热过程中，按原有设定读数频率持续记录竖向电子千分表与水平电子千分表的读数，并根据加热温度控制加热时间，试样含水率达到缩限含水率时结束加热，即完成一次湿干循环过程；
步骤S6、重复步骤S3～S5，依次完成试验设计的湿干循环试验次数，完成湿干循环环境下的湿胀异性试验；
步骤S7、将试验完成的试样取出，重复步骤S2～S6，根据试验方案重新调整竖向荷载P、侧向荷载N的大小以及溶液箱的高度，获取不同试验条件下试样的湿胀变形规律。
本发明实施例的有益效果是，提供一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置及方法，考虑了湿胀异性的情况，从竖向和侧向两方向进行膨胀土边坡降雨入渗模拟和膨胀测量，解决了现有膨胀变形试验装置不适用于边坡湿胀异性特征试验的问题。考虑膨胀土边坡降雨入渗实际饱和环境及大气干湿循环作用，改进试样饱和方法与干燥方法，将常规静态饱和方式改为降雨入渗动态水饱和，并考虑边坡土体吸湿过程中竖向与侧向临空面的湿胀异性状态，并实现不扰动土样模拟干湿循环环境，解决了以往模拟干湿循环环境中反复扰动土样的问题，以及静态水饱和方法中离子交换、水土化学相互作用较弱及边坡土体湿胀异性效应考虑不足导致模拟的降雨入渗边坡与真实过程不符的问题，对降雨入渗作用下边坡湿胀异性特征及变形失稳的研究具有重大意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1是本发明实施例的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置整体示意图。
图2是本发明实施例的试样盒与加载装置的局部剖面图。
图3是本发明实施例的试样盒与加载装置的局部俯视图。
图4是本发明实施例的试样盒与加载装置的侧视图。
图5是本发明实施例的竖向多孔盖板的结构示意图。
图6是本发明实施例的水平传力装置的结构示意图。
图中，1.计算机，2.竖向控制支架，3.数据传输线，4.竖向电子千分表，5.竖向荷载块，6.竖向多孔盖板，7.出水循环管路，8.溶液箱，9.可调节支座，10.回流循环管路，11.蠕动泵，12.竖向吊盘，13.传动滑轮，14.水平传力装置，15.试验外盒，16.反力架，17.水平电子千分表，18.数据采集仪，19.导热片，20.侧向多孔板，21.第一可移动滑轮，22.底部多孔板，23.试验内盒，24.竖向多孔板，25.上部入水口，26.水平加压杆接触端部多孔圆板，27.底部出水口，28.圆柱形竖杆，29.圆形加载平台，30.止水阀，31.竖向控制支架中部横杆，32.滑轮槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例提供一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，包括仪器主体、循环饱水装置、数据采集装置三部分，仪器主体包括试验盒、竖向加载装置、水平加载装置与加热装置，数据采集装置包括计算机1和数据采集仪18。所述仪器主体包括试验盒、竖向加载装置、水平加载装置与加热装置，所述竖向加载装置设置于试验盒上方，对试验盒内的试样施加竖向荷载，所述水平加载装置设置于试验盒侧边，对试验盒内的试样施加水平荷载，所述加热装置设置于试样外部，对试样进行加热，模拟夏季高温环境。所述循环饱水装置包括竖向多孔盖板6，竖向多孔盖板6设置于试验盒中的试样上方，竖向多孔盖板6模拟动态水流，循环饱水装置实现动态水流循环进出仪器主体的试样盒来冲刷试样，以模拟降雨冲蚀、淋滤及渗流过程。所述数据采集装置包括竖向位移测量装置、水平位移测量装置以及温度测量装置，竖向位移测量装置的测量端与竖向加载装置相接触，水平位移测量装置的测量端与水平加载装置相接触，温度测量装置的测量端与加热装置相接触。仪器主体、循环饱水装置、数据采集装置三部分合理连接、协同工作，具体的，循环饱水装置模拟动态循环水流环境，动态水流循环进出仪器主体的试样盒来冲刷试样，试样在动态水流与加热装置的加热脱湿状态下反复胀缩，胀缩变形通过竖向位移测量装置、水平位移测量装置传递至数据采集装置的数据采集仪18中，完成协调工作。
为模拟降雨入渗过程中膨胀土边坡浅表层土体竖向与侧向临空面湿胀变形，本发明实施例的仪器主体的试验盒设计为试验外盒15(长*宽*高为10cm*10cm*0.6cm)与试验内盒23(长*宽*高为6cm*6cm*4cm)的组合。如图2所示，试验外盒15与试验内盒23均为立方体结构，试验内盒23固定于试验外盒15内，试样位于试验内盒23内，且试样底部通过底部多孔板22与试验外盒15底部相接触，试验外盒15与试验内盒23之间可储存雨水。试验内盒23的左侧与上侧均为无侧限设计，且试验内盒23内试样的左侧放置有侧向多孔板20(长*宽*厚为6cm*3cm*0.5cm)，试验内盒23内试样的上方放置有竖向多孔板24(长*宽*厚为6cm*6cm*0.5cm)，便于雨水渗入。试验外盒15、试验内盒23、侧向多孔板20和竖向多孔板24的尺寸可以依据实际需求调整，且竖向多孔板24上分布有竖向孔隙和侧向孔隙，竖向多孔盖板6中的水流沿竖向多孔板24上的竖向孔隙进入试验内盒23内，竖向多孔盖板6中的水流沿竖向多孔板24上的侧向孔隙进入试验内盒23与试验外盒15之间。当试样同时发生侧向及竖向变形时，便可推动侧向多孔板20往外侧移动，并推动竖向多孔板24向上移动，且在试样上面加设竖向多孔板24能够避免竖向多孔盖板6孔隙堵塞。同时，在侧向多孔板20底部固定有第一可移动滑轮21，第一可移动滑轮21在外力作用下可沿试验外盒15底部左右移动，在试样产生左侧膨胀时，第一可移动滑轮21可带动侧向多孔板20水平向外移动。
为模拟膨胀土边坡浅表层土体竖向与侧向临空面受力状态，本发明实施例分别设置竖向加载装置及水平加载装置。其中，竖向加载装置由竖向控制支架2和竖向荷载块5组合而成，如图1所示，竖向控制支架2通过设计加工成一类似开字形的固定支架，其侧视图如图4所示，竖向控制支架2中间设置有竖向控制支架中部横杆31，竖向控制支架中部横杆31的上方设置有圆形加载平台29，便于施加竖向荷载块5，实现竖向加载，避免由于竖向多孔盖板6与竖向多孔板24直接接触，直接在竖向多孔盖板6上施加竖向加载可能会扰动试样。该圆形加载平台29底部穿过竖向控制支架中部横杆31直接与竖向多孔盖板6顶部连为一体(固定连接)，圆形加载平台29的顶部中央接入圆柱形竖杆28，竖向荷载块5套设在圆柱形竖杆28上，通过竖向荷载块5施加0～50kPa竖向荷载，模拟3m深度范围的土体受力状态。
如图5所示，竖向多孔盖板6内部为镂空设计，其底面为多孔设计，以模拟雨水自由降落流入土层，本实施例的镂空高度可设计为5cm，具体根据实际需求调整。
实际膨胀土边坡浅层坍滑深度范围小于3m，土体的受力状态即施加竖向及侧向应力通常小于50kPa。水平加载装置主要采用施加反力的方式对试样施加水平荷载，水平加载装置主要由竖向吊盘12、传动滑轮13、水平传力装置14、反力架16、水平加压杆接触端部多孔圆板26组合而成，如图3所示，反力架16设置在试验盒外围，反力架16的左侧固定有水平贯穿其的水平加压杆，且水平加压杆的右端贯穿试验外盒15左侧后通过端部的水平加压杆接触端部多孔圆板26与侧向多孔板20固定连接。如图6所示，水平传力装置14设置于反力架16的右侧，传动滑轮13固定于水平传力装置14的右侧；水平传力装置14由固定设置的上部和活动设置的下部组成，水平传力装置14的下部固定在反力架16的右侧，水平传力装置14的上部在外力作用下可相对其下部左右移动，反力架16的右侧与水平传力装置14的上部左侧连接为一体，竖向吊盘12通过由传动滑轮13传动的钢绳与水平传力装置14的上部右侧固定连接，且水平传力装置14的上部和传动滑轮13之间的钢绳水平设置，竖向吊盘12经钢绳作用竖直设置于传动滑轮13的右侧下方。在竖向吊盘12内施加砝码(施加侧向荷载)，施加的侧向荷载通过钢绳以及传动滑轮13到达水平传力装置14的上部带动水平传力装置14的上部以及反力架16整体向右移动，以此将荷载传递至反力架16，并通过反力架16左侧的水平加压杆接触端部多孔圆板26将荷载传递至试样左侧，以此实现0～50kPa水平荷载施加。
如图6所示，所述水平传力装置14的下部上设置有从左向右延伸的滑轮槽32，所述水平传力装置14的上部固定有第二可移动滑轮，第二可移动滑轮位于滑轮槽32内且在外力作用下可沿滑轮槽32移动。本实施例中，在竖向吊盘12及竖向吊盘12内加载的砝码重力的作用下，滑轮在滑轮槽32内向右直线移动，带动水平传力装置14的上部相对其下部向右直线移动，使得水平传力装置14的上部对反力架16产生向右的拉力作用，反力架16通过水平加压杆以及侧向多孔板20，将水平传力装置14的拉力作用转化为对试验盒内试样的测量加载力。
循环饱水装置用于模拟降雨冲蚀及渗流作用，包括竖向多孔盖板6、出水循环管路7、溶液箱8、回流循环管路10、蠕动泵11，溶液箱8置于可调节支座9上方，可调节支座9为可竖向升降装置，其高度可调，通过调节可调节支座9的高度来调节溶液箱8与试样的高度差，以模拟不同降雨渗流条件。溶液箱8通过出水循环管路7与竖向多孔盖板6顶部连通，出水循环管路7上设置有止水阀30。具体的，如图2所示，竖向多孔盖板6的上缘设置有上部入水口25，出水循环管路7从上部入水口25接入竖向多孔盖板6的上缘，雨水通过上部入水口25经竖向多孔盖板6流入竖向多孔板24，经竖向多孔板24的雨水一部分流入试验内盒23内，另一部分流入试验外盒15与试验内盒23之间，以此来模拟边坡侧向降雨入渗，使得雨水从竖向和侧向同时流入试样。如图2～3所示，试验内盒23内设置有位于试样底部的底部多孔板22，底部多孔板22用于避免试样堵塞试验盒底部；试验外盒15底部设置有位于试验内盒23外侧的底部出水口27，底部出水口27通过回流循环管路10与溶液箱8内部连通，蠕动泵11设置于回流循环管路10上，用于调节水流速度及水流循环。出水循环管路7将溶液箱8中的溶液输送至试验盒，再将经底部出水口27从试验盒中流出的溶液通过蠕动泵11泵送至溶液箱8以此实现水流循环。
为避免大气干湿循环过程反复扰动试样，本发明实施例设置加热装置对竖向多孔盖板6进行加热，加热装置采用导热片19，温度测量装置采用温度传感器，导热片19设置于竖向多孔盖板6上，温度传感器与导热片19相接触，通过导热片19对竖向多孔盖板6进行加热，通过温度传感器测量导热片19的加热温度，并通过计算机1与数据采集仪18控制加热温度，具体的，温度传感器的输出端与数据采集仪18的输入端连接，温度传感器将采集的数据发送至数据采集仪18，数据采集仪18处理后将温度发送至计算机1，计算机1通过控制导热片19的加热功率和时间来控制加热温度，竖向多孔盖板6将热量经竖向多孔板24传递至试样上表面，以实现在不反复扰动试样的条件下，模拟大气高温环境，进而模拟干燥和湿润环境相互交替作用对边坡的影响。
为实时监测降雨入渗过程中土样在竖向与侧向的湿胀变形状态，本发明实施例设置数据采集装置，数据采集装置主要由计算机1、数据采集仪18、竖向电子千分表4、水平电子千分表17、导热片19组合而成，竖向电子千分表4竖直设置于竖向加载装置上，其指针端部与竖向加载装置相接触。具体的，竖向电子千分表4竖直设置于圆柱形竖杆28的上方，其指针端部与圆柱形竖杆28顶部相接触，当试样发生竖向膨胀时，便可推动其上侧的竖向多孔板24连同竖向多孔盖板6向上移动，进而通过圆形加载平台29带动圆柱形竖杆28以及竖向荷载块5向上移动，圆柱形竖杆28将竖向位移传递至与其顶部接触的竖向电子千分表4，可实时将试样竖向变形数据反馈至该竖向电子千分表4。水平电子千分表17的指针端部与水平加压杆左侧端部相接触，当试样发生侧向膨胀时，便可推动其左侧的第一可移动滑轮21连同侧向多孔板20向外侧移动，侧向多孔板20又与水平加压杆接触端部多孔圆板26接触，经水平加压杆接触端部多孔圆板26推动水平加压杆和反力架16整体向外侧移动，水平加压杆移动将侧向位移传递至与其左端端部接触的水平电子千分表17，可实时将试样侧向变形数据反馈至该水平电子千分表17。数据采集仪18通过数据传输线3与竖向电子千分表4、水平电子千分表17及温度传感器连接，试验数据由竖向电子千分表4、水平电子千分表17及温度传感器传递至数据采集仪18，数据采集仪18将处理后数据反馈至计算机1的软件程序进行记录与分析。
仪器主体、循环饱水装置、数据采集装置三部分均置于试验台上。通过仪器主体、循环饱水装置、数据采集装置三部分的组合设计，可实现模拟降雨入渗边坡过程中冲蚀及渗流作用对土体表面及内部结构的影响及水土化学相互作用，同时实时监测在竖向与侧向的湿胀变形状态。具体的，本发明通过设置循环饱水装置，可以使水流以动态循环流动的方式穿梭于试样表面和内部，即类似于模拟降雨入渗动态冲刷边坡土体过程，以此来模拟降雨入渗的冲蚀及渗流作用对土体表面及内部结构的影响，在此环境下动态水流将与试样表面及内部结构充分接触，水与试样中土体颗粒相互动态接触过程中将发生水土相互作用，且水土相互作用过程中水土化学反应与离子交换作用更显示。
实施例2
本发明实施例提供一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验方法，采用如上所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，具体实施步骤如下：
步骤S1、检查试验台试验装置各部分是否可用，然后将仪器主体、循环饱水装置及数据采集装置进行组合固定；并按照试验内盒23的形状、尺寸采用专用试验工具切取尺寸为5.5×5.5×3.5cm原状土样作为试验用试样，同时测试其初始含水率，以便进行不同初始含水率状态试验方案设计与比较，试样的尺寸可依据试验内盒23的尺寸进行调整。
步骤S2、装样与装置调试：将制备的试样装入试验内盒23，并将竖向多孔板24与侧向多孔板20调至与试样刚好接触位置；随后调节竖向电子千分表4至其指针端部与圆柱形竖杆28顶部接触，调节水平电子千分表17至其指针端部与反力架16上的水平加压杆左端端部接触，然后在竖向与侧向分别施加2～3kPa压力进行预压，使仪器各部分接触，并记录竖向电子千分表4的初始读数K0s与水平电子千分表17的初始读数K0c。施加2～3kPa压力进行预压，使仪器各部分接触，主要是为了消除仪器与试样接触间间隙带来的试验误差。记录此时初始读数是为了获取试验初始变形数据，即初始读数，用于后续试验数据比对，用后续试验过程中记录的数据与初始数据进行比较，得到的差值即为试样变形值。
步骤S3、测试：分别设置竖向加载装置与水平加载装置的加载量(0、5kPa、15kPa、30kPa、50kPa)，以模拟边坡土层不同深度位置受力状态；通过调节溶液箱8的高度并结合蠕动泵11来控制水流速度，以模拟小雨(10mm/d，即每天降雨量为10mm)、中雨(20mm/d)、大雨(50mm/d)及暴雨(100mm/d)等不同降雨强度工况；打开出水循环管路7上的止水阀30，让溶液箱8中的水随出水循环管路7流入试验盒，随后开启蠕动泵11，通过蠕动泵11调节试验外盒15与试验内盒23间水的液面，保持降雨过程中试验外盒15与试验内盒23间水的液面高于试样上表面5-10mm。
步骤S4、数据采集与分析：循环饱水装置运行过程中，实时观测竖向电子千分表4与水平电子千分表17的数据变化，数据采集仪18设置为每间隔一定时间如10min记录一次竖向电子千分表4与水平电子千分表17的数据，当在较长时间段内如4h内数据变化小于等于0.01mm时，可视为试样膨胀稳定，结束吸湿试验，记录结束吸湿试验时竖向电子千分表4的数据Kts与水平电子千分表17的数据Ktc，Kts和Ktc即为试样分别在设置的竖向荷载P与侧向荷载N作用下达到膨胀稳定时的膨胀量。随后，通过计算机1进行试样变形的时程曲线(纵坐标为试样变形数据，横坐标为试验时间)实时绘制与分析，并按公式(1)～(2)分别计算试样的竖向有荷膨胀率aPs与侧向有荷膨胀率aNc：
Figure GDA0004086137990000101
其中，aPs为试样在竖向荷载P作用下的竖向有荷膨胀率(％)，h0s为试样在竖向的初始高度(mm)，Kts为试样在竖向荷载P作用下膨胀稳定时的竖向电子千分表4的读数(％)，Kps为竖向荷载P作用下竖向多孔板24、竖向多孔盖板6、圆形加载平台29、圆柱形竖杆28、竖向电子千分表4等仪器对试样的压缩变形量(mm)，K0s为试样在未施加荷载时竖向电子千分表4的读数(％)，竖向荷载P为试验施加的竖向荷载。
Figure GDA0004086137990000102
其中，aNc为试样在侧向荷载N作用下的侧向有荷膨胀率(％)，d0c为试样在侧向的初始厚度(mm)(即试样的侧向宽度)，Ktc为试样在侧向荷载N作用下膨胀稳定时水平电子千分表17的读数(％)，KNc为侧向荷载N作用下侧向多孔板20、水平加压杆接触端部多孔圆板26、反力架16、水平电子千分表17等仪器对试样的压缩变形量(mm)，K0c为试样在未施加荷载时水平电子千分表17的读数(％)，侧向荷载N为试验施加的侧向荷载。
步骤S5、试样脱湿：根据步骤S3～S4完成一次循环饱水吸湿膨胀试验后，随即关闭出水循环管路7上的止水阀30，并通过蠕动泵11将试验外盒15中的溶液泵送至溶液箱8，排干试验外盒15中溶液；同时，开启加热装置，通过导热片19将竖向多孔盖板6加热至夏季高温环境下的地表温度如60摄氏度，以模拟夏季高温干旱环境，将试样进行脱湿处理，加热过程中，按原有设定读数频率持续记录竖向电子千分表4与水平电子千分表17的读数，并根据加热温度控制加热时间，如加热温度为60摄氏度时，加热时间控制为24h，试样含水率达到缩限含水率时结束加热，即完成一次湿干循环过程。
步骤S6、重复步骤S3～S5，依次完成试验设计的湿干循环试验次数，完成湿干循环环境下的湿胀异性试验。
步骤S7、将试验完成的试样取出，重复步骤S2～S6，根据试验方案重新调整竖向荷载P、侧向荷载N的大小以及溶液箱8的高度，获取不同试验条件下试样的湿胀变形规律。
本发明实施例的创新之处在于：
首先，仪器主体部分试验盒设计为试验内盒23与试验外盒15的组合，试验外盒15与试验内盒23间可储存雨水，试样内盒23左侧与上侧均为无侧限设计，试样内盒23的左侧与上侧均设置一多孔板，便于雨水渗入，且在试样左侧的侧向多孔板20下方设置第一可移动滑轮21，可模拟边坡土体在竖向与临空面侧向的湿胀变形。
其次，为避免大气干湿循环过程中反复扰动试样，采用导热片19直接在试样盒上对竖向多孔盖板6进行加热，竖向多孔盖板6将热量经竖向多孔板24传递至试样上表面，以实现在不反复扰动试样的条件下，模拟大气高温环境。
同时，本发明实施例设计了循环饱水装置，将常规静态饱和方式改为降雨入渗动态水饱和，通过设计可调节高度的溶液箱8，将上部入水口25接入的竖向多孔盖板6内部设计为镂空状态，可模拟不同降雨强度下雨水自由降落流入土层。
本发明实施例的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置可模拟降雨入渗过程中边坡浅层土体竖向与侧向临空面湿胀异性特征，同时可模拟降雨入渗的冲蚀及渗流作用对土体表面及内部结构的影响及水土化学相互作用。通过改进以上设计，将解决以往干湿循环环境模拟过程中反复扰动土样的问题，以及静态水饱和方法中离子交换、水土化学相互作用较弱及边坡土体湿胀异性效应考虑不足的问题，对降雨入渗作用下边坡湿胀异性特征及变形失稳的研究具有重大意义。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，包括仪器主体、循环饱水装置和数据采集装置；
所述仪器主体包括试验盒、竖向加载装置、水平加载装置与加热装置；所述竖向加载装置设置于试验盒上方，对试验盒内的试样施加竖向荷载；所述水平加载装置设置于试验盒侧边，对试验盒内的试样施加水平荷载；所述加热装置设置于试样外部，对试样进行加热，模拟高温环境；
所述循环饱水装置包括竖向多孔盖板(6)，竖向多孔盖板(6)设置于试验盒中试样上方，竖向多孔盖板(6)模拟动态水流，循环饱水装置实现动态水流循环进出仪器主体的试样盒来冲刷试样，以模拟降雨冲蚀、淋滤及渗流过程；
所述数据采集装置包括竖向位移测量装置、水平位移测量装置以及温度测量装置，竖向位移测量装置的测量端与竖向加载装置相接触，水平位移测量装置的测量端与水平加载装置相接触，温度测量装置的测量端与加热装置相接触；
所述试验盒由试验外盒(15)与试验内盒(23)组合形成，试验外盒(15)与试验内盒(23)均为立方体结构，试验内盒(23)固定于试验外盒(15)内，试样位于试验内盒(23)内，且试样底部通过底部多孔板(22)与试验外盒(15)底部相接触，试验外盒(15)与试验内盒(23)之间能够储存雨水；
所述试验内盒(23)的左侧与上侧均为无侧限设计，且试验内盒(23)中的试样的左侧放置有侧向多孔板(20)，所述侧向多孔板(20)底部固定有第一可移动滑轮(21)，第一可移动滑轮(21)在外力作用下可沿试验外盒(15)底部左右移动；所述试验内盒(23)中的试样的上方放置有竖向多孔板(24)，所述循环饱水装置的竖向多孔盖板(6)设置于竖向多孔板(24)上方；且竖向多孔板(24)上分布有竖向孔隙和侧向孔隙，竖向多孔盖板(6)中的水流一部分沿竖向多孔板(24)上的竖向孔隙进入试验内盒(23)内，竖向多孔盖板(6)中的水流一部分沿竖向多孔板(24)上的侧向孔隙进入试验内盒(23)与试验外盒(15)之间；
所述竖向加载装置包括竖向控制支架(2)、竖向荷载块(5)，竖向控制支架(2)中间设置有竖向控制支架中部横杆(31)，竖向控制支架中部横杆(31)的上方设置有圆形加载平台(29)，且圆形加载平台(29)底部穿过竖向控制支架中部横杆(31)与循环饱水装置的竖向多孔盖板(6)顶部固定连接，圆形加载平台(29)的顶部中央固定有圆柱形竖杆(28)，竖向荷载块(5)套设在圆柱形竖杆(28)上；
所述水平加载装置包括竖向吊盘(12)、传动滑轮(13)、水平传力装置(14)、反力架(16)、水平加压杆，反力架(16)设置在试验盒外围，反力架(16)的左侧固定有水平贯穿其的水平加压杆，且水平加压杆的右端贯穿试验外盒(15)左侧后通过端部的水平加压杆接触端部多孔圆板(26)与侧向多孔板(20)固定连接；水平传力装置(14)由固定设置的上部和活动设置的下部组成，水平传力装置(14)的下部固定在反力架(16)的右侧，水平传力装置(14)的上部在外力作用下可相对其下部左右移动，反力架(16)的右侧与水平传力装置(14)的上部左侧固定连接，竖向吊盘(12)通过由传动滑轮(13)传动的钢绳与水平传力装置(14)的上部右侧固定连接，且水平传力装置(14)的上部和传动滑轮(13)之间的钢绳水平设置，竖向吊盘(12)经钢绳作用竖直设置于传动滑轮(13)的右侧下方；
所述循环饱水装置包括竖向多孔盖板(6)、出水循环管路(7)、溶液箱(8)、回流循环管路(10)、蠕动泵(11)；竖向多孔盖板(6)的上缘设置有上部入水口(25)，溶液箱(8)通过出水循环管路(7)与竖向多孔盖板(6)上的上部入水口(25)连通，出水循环管路(7)上设置有止水阀(30)；试验外盒(15)底部设置有位于试验内盒(23)外侧的底部出水口(27)，底部出水口(27)通过回流循环管路(10)与溶液箱(8)内部连通，蠕动泵(11)设置于回流循环管路(10)上；
所述竖向多孔盖板(6)内部为镂空设计，其底面为多孔设计，以模拟雨水自由降落。
2.根据权利要求1所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述竖向位移测量装置采用竖向电子千分表(4)，竖向电子千分表(4)竖直设置于圆柱形竖杆(28)的上方，其指针端部与圆柱形竖杆(28)顶部相接触。
3.根据权利要求1所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述水平位移测量装置采用水平电子千分表(17)，水平电子千分表(17)的指针端部与水平加压杆左侧端部相接触。
4.根据权利要求1所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述水平传力装置(14)的下部上设置有从左向右延伸的滑轮槽(32)，所述水平传力装置(14)的上部固定有第二可移动滑轮，第二可移动滑轮位于滑轮槽(32)内且在外力作用下可沿滑轮槽(32)移动。
5.根据权利要求1所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述加热装置采用导热片(19)，所述导热片(19)设置于循环饱水装置的竖向多孔盖板(6)上，通过对竖向多孔盖板(6)进行加热，间接对试验盒内的试样进行加热；
所述温度测量装置采用温度传感器，温度传感器与导热片(19)相接触。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，其特征在于，所述数据采集装置还包括计算机(1)和数据采集仪(18)，所述数据采集仪(18)的输入端分别通过数据传输线(3)与竖向位移测量装置、水平位移测量装置以及温度测量装置的输出端连接，数据采集仪(18)的输出端与计算机(1)连接。
7.一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任一项所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验装置，具体步骤如下：
步骤S1、检查仪器主体、循环饱水装置及数据采集装置各部分是否可用，然后将仪器主体、循环饱水装置及数据采集装置进行组合固定；同时按照试验内盒(23)的形状、尺寸切取原状土样作为试验用试样；
步骤S2、将制备的试样装入试验内盒(23)，并将竖向多孔板(24)与侧向多孔板(20)调至与试样刚好接触位置；随后调节竖向电子千分表(4)至其指针端部与圆柱形竖杆(28)顶部接触，调节水平电子千分表(17)至其指针端部与反力架(16)上的水平加压杆左端端部接触，然后在试样的竖向与侧向分别施加2～3kPa压力进行预压，使仪器各部分接触，并记录竖向电子千分表(4)的初始读数K0s与水平电子千分表(17)的初始读数K0c；
步骤S3、分别设置竖向加载装置与水平加载装置的加载量，以模拟边坡土层不同深度位置受力状态；通过调节溶液箱(8)与试验盒的高度并结合蠕动泵(11)来控制水流速度，以模拟不同降雨强度工况；打开出水循环管路(7)上的止水阀(30)，让溶液箱(8)中的水随出水循环管路(7)流入试验盒，随后开启蠕动泵(11)，通过蠕动泵(11)调节试验外盒(15)与试验内盒(23)间水的液面，保持降雨过程中试验外盒(15)与试验内盒(23)间水的液面高于试样上表面；
步骤S4、实时观测竖向电子千分表(4)与水平电子千分表(17)的数据变化，数据采集仪(18)每间隔一定时间记录一次竖向电子千分表(4)与水平电子千分表(17)的数据，当试样膨胀稳定时，结束吸湿试验，关闭出水循环管路(7)上的止水阀(30)，并通过蠕动泵(11)将试验外盒(15)中的溶液泵送至溶液箱(8)，排干试验外盒(15)中溶液；记录结束吸湿试验时竖向电子千分表(4)的数据Kts与水平电子千分表(17)的数据Ktc，Kts为试样分别在设置的竖向荷载P作用下达到膨胀稳定时的膨胀量，Ktc为试样在设置的侧向荷载N作用下达到膨胀稳定时的膨胀量；随后，通过计算机(1)进行试样变形的时程曲线实时绘制与分析，并计算试样的竖向有荷膨胀率aPs与侧向有荷膨胀率aNc；
步骤S5、开启加热装置，通过导热片(19)将竖向多孔盖板(6)加热至夏季高温环境下的地表温度，模拟夏季高温干旱环境，将试样进行脱湿处理，加热过程中，按原有设定读数频率持续记录竖向电子千分表(4)与水平电子千分表(17)的读数，并根据加热温度控制加热时间，试样含水率达到缩限含水率时结束加热，即完成一次湿干循环过程；
步骤S6、重复步骤S3～S5，依次完成试验设计的湿干循环试验次数，完成湿干循环环境下的湿胀异性试验；
步骤S7、将试验完成的试样取出，重复步骤S2～S6，根据试验方案重新调整竖向荷载P、侧向荷载N的大小以及溶液箱(8)的高度，获取不同试验条件下试样的湿胀变形规律。
8.根据权利要求7所述的一种动态水环境下的边坡湿胀异性特征试验方法，其特征在于，所述步骤S4按照下述公式(1)～(2)分别计算试样的竖向有荷膨胀率aPs与侧向有荷膨胀率aNc：
Figure FDA0004081084470000041
其中，aPs为试样在设置的竖向荷载P作用下的竖向有荷膨胀率，h0s为试样在竖向的初始高度，Kts为试样在设置的竖向荷载P作用下膨胀稳定时的竖向电子千分表(4)的读数，Kps为设置的竖向荷载P作用下竖向多孔板(24)、竖向多孔盖板(6)、圆形加载平台(29)、圆柱形竖杆(28)、竖向电子千分表(4)对试样的压缩变形量，K0s为试样在未施加荷载时竖向电子千分表(4)的读数；
Figure FDA0004081084470000042
其中，aNc为试样在设置的侧向荷载N作用下的侧向有荷膨胀率；d0c为试样在侧向的初始厚度，即试样的侧向宽度；Ktc为试样在设置的侧向荷载N作用下膨胀稳定时水平电子千分表(17)的读数；KNc为设置的侧向荷载N作用下侧向多孔板(20)、水平加压杆接触端部多孔圆板(26)、反力架(16)、水平电子千分表(17)对试样的压缩变形量；K0c为试样在未施加荷载时水平电子千分表(17)的读数。
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