CN112964855A - 降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法 - Google Patents

降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112964855A
CN112964855A CN202110171099.1A CN202110171099A CN112964855A CN 112964855 A CN112964855 A CN 112964855A CN 202110171099 A CN202110171099 A CN 202110171099A CN 112964855 A CN112964855 A CN 112964855A
Authority
CN
China
Prior art keywords
rainfall
test
evaporation
control module
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110171099.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112964855B (zh
Inventor
查甫生
冀春杰
许龙
康博
谭晓慧
黄凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei University of Technology
Original Assignee
Hefei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei University of Technology filed Critical Hefei University of Technology
Priority to CN202110171099.1A priority Critical patent/CN112964855B/zh
Publication of CN112964855A publication Critical patent/CN112964855A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112964855B publication Critical patent/CN112964855B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • G01N3/10—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces generated by pneumatic or hydraulic pressure
    • G01N3/12—Pressure testing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Abstract

本发明提供了一种降雨‑蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法，属于岩土工程技术领域。所述试验装置包括试验箱、降雨‑油渗装置、加热装置、压力传感器和控制系统。所述试验方法包括降雨‑蒸发循环模拟试验和油渗模拟试验，通过指定湿干循环次数后，进行油渗试验，获得油渗系数指标，建立油渗系数与裂隙率、油渗系数与湿干循环次数指标的相关关系，定量评价裂隙发育程度。试验设备高度集成，操作简便、经济高效，可有效地解决土的模拟降雨‑蒸发实验条件的控制以及裂隙发育特性的测量问题。

Description

降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体地，涉及一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法。
背景技术
在岩土工程领域中，黄土、膨胀土、红黏土等水敏性土分布广泛，含水量以及降雨、蒸发等水分迁移过程对土的胀缩性、裂隙性、强度和稳定性等工程性质有显著影响。因此，对降雨-蒸发过程的模拟乃至湿干循环的控制成为土工试验中不可缺少的试验条件。一般条件下，土体含水量控制采用风干或烘箱烘干方式进行，前者不能控制时间，后者不能精确控制含水量；二者都不能实现土湿干循环的控制。因此，岩土领域内的学者根据需求自行研制设备进行模拟降雨和蒸发的过程。此外，水敏性土裂隙的发育及演化对土体性质影响显著，土裂隙的测量一直是岩土领域的焦点话题。一般地，对于表面裂隙的观测，采用数字图像二值化的方法；对于内部裂隙的观测，采用CT扫描的技术，以上均为土体裂隙的直接测量方法，前者仅限于土体表面裂隙，后者对仪器设备要求较高，成本较高。而对于裂隙的监测亦有间接的测量方法，电阻率，声波强度、油渗系数等相关测量指标可表征裂隙发育程度的变化。随着岩土工程的发展，对土的含水量的变化控制要求越来越精确，对试样在极端情况如冻融循环、湿干循环等条件下的劣化机理的探究也越来越迫切，仪器装置的精密化、自动化和智能化的发展趋势也越来越明显。
例如中国专利文献CN207717762U公开了一种人工模拟室内降雨蒸发的试验装置，该装置包括立柱和土柱筒，土柱筒设置在电子天平上，立柱采用“U”形结构，立柱的水平段位于土柱筒正上方，土柱筒顶部设有降雨装置，立柱上设有马氏瓶，马氏瓶与降雨装置之间通过导水管连接，立柱上还设有加热灯泡，加热灯泡设置在土柱筒正上方，土柱筒侧壁上设有排水管，排水管的排水口设置在集水烧杯中，土柱筒一侧设有TDR采集器，TDR采集器的含水量探头穿过设置在土柱筒侧壁上。采用上述结构，能够模拟最真实的现场环境，研究在降雨和蒸发条件下非饱和土壤水分运动规律，能够实现更加精准的现场土壤条件检测作业。
中国专利CN103676983A公开了本发明提供一种岩土干湿循环实验装置，包括壳体、控制装置、干湿转换装置和称重装置，控制装置、干湿转换装置和称重装置设置在壳体内；干湿转换装置设有加湿装置和干燥装置，加湿装置、干燥装置和称重装置均通过模数转换器连接控制器，控制器连接数模转换器，数模转换器连接加湿、干燥装置和称重装置；所述干湿转换装置的下方为称重装置；控制装置接收干湿转换装置水量控制信号及称重装置质量信号，并进行干-湿判断，向干湿转换装置发出控制信号。本发明提供的这种实验装置及实验方法，专业用于岩土工程方面干湿循环实验，提高实验自动化程度及精度。
但是，中国专利文献CN207717762U只是控制了试样湿润的过程，对于湿干循环的需求未能满足，中国专利CN103676983A实现了一种湿干循环的控制，但是不能模拟符合现场的降雨过程。此外，上述两种装置均不能实现控制湿润和干燥的快慢。本发明可以实现模拟降雨-蒸发的多次湿干循环，同时控制降雨和蒸发的速率，并利用现有试验装置，实现裂隙特性的参数测量，建立油渗系数-裂隙率、油渗系数-湿干循环次数的关系曲线进行数学拟合，定量评价裂隙的发育程度，整个装置集成化和智能化，对水敏性土的研究具有重要的意义。
发明内容
本发明在传统模拟土水分变化装置的基础上，实现模拟降雨-蒸发的多次湿干循环，同时控制降雨和蒸发的速率，并利用现有试验装置，实现裂隙特性的参数测量，建立油渗系数-裂隙率、油渗系数-湿干循环次数的关系曲线进行数学拟合，定量评价裂隙的发育程度，其目的是解决现有装置不够集成化、智能化以及裂隙发育程度测量的问题。
本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置，包括试验箱、降雨-油渗装置、加热装置、液体收集装置、压力传感器和控制系统；所述试验箱由箱体和可转动底座组成；
所述箱体为一空心圆柱体，下部镶嵌底板，上部安装一个降雨器，降雨器和箱体的接触处镶有密封圈，即箱体、底板和降雨器三者构成一个封闭的试验腔；在箱体下部的壁上留有注气孔，气泵通过注气孔与试验腔连通；所述底板非中心位置开设一个导液孔和N个通孔A，所述通孔A内均镶嵌大孔隙滤网A，N个试样盒放置在所述N个通孔A的上方；所述压力传感器装在试样盒和大孔隙滤网A之间；
所述可转动底座为实心圆柱体，装在底板的下部，且与底板保持同心，在可转动底座的中心位置有一个转轴，通过伺服电机驱动转轴转动；在可转动底座上设有一个导水孔、一个导油孔和N个通孔B，通孔B内均镶嵌大孔隙滤网B，导油孔与导液孔逆时针相差90度，导水孔和通孔B的位置为：当导水孔和导液孔贯通时，N个通孔A和N个通孔B非贯通；当导油孔和导液孔(20)贯通时，N个通孔A和N个通孔B贯通；
所述液体收集装置包括液体收集盒、漏斗和量筒，在可转动底座下方与导液孔对应位置放置液体收集盒、在可转动底座下方与通孔A相对应位置放置漏斗，漏斗下部接入量筒；
所述降雨-油渗装置包括马氏瓶A、马氏瓶B和可调节支架，所述马氏瓶A和马氏瓶B分别通过导管连接电子三通阀的二个支路，电子三通阀的第三个支路连接降雨器，降雨器下部设置一排可替换针管；
所述控制系统包括控制器和伺服电机；所述控制器包括降雨控制模块、油渗控制模块、检测模块、信息输入存储模块、蒸发控制模块和主控模块；所述降雨控制模块)连接电子三通阀，所述油渗控制模块连接电子三通阀，所述检测模块连接压力传感器，所述蒸发控制模块分别与气泵、加热装置和电子三通阀连接，所述主控模块和伺服电机连接。
优选地，所述加热装置为控温加热带，控温加热带安装在箱体内壁的上部。
优选地，所述加热装置为环绕控温加热带，环绕控温加热带螺旋形环绕安装在箱体的外壁上。
优选地，所述加热装置为恒温水浴锅，所述恒温水浴锅安装在箱体的外侧。
优选地，所述信息输入存储模块与主控模块双向连接，主控模块向信息输入存储模块输送预设压力值和湿干循环次数，信息输入存储模块向主控模块反馈信息进行下一步操作；所述主控模块与蒸发控制模块单向连接，用于发送模拟蒸发试验指令；所述主控模块与降雨控制模块单向连接，用于发送模拟降雨试验指令；所述主控模块与油渗控制模块单向连接，用于发送油渗试验指令；所述主控模块与检测模块单向连接，用于发送压力检测指令。
本发明还提供了一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置的试验方法，将需要测试的试样进行降雨-蒸发循环模拟试验和油渗模拟试验，记录模拟试验数据，并通过模拟试验数据进行土裂隙发育特性曲线的绘制，完成土裂隙特性的定量评价，具体步骤如下：
步骤1，试验参数的设定
设定试样初始含水量ω0、初始压力P0、模拟降雨试验档位压力临界值P1、模拟蒸发试验档位压力临界值P2、降雨含水量ω1和蒸发含水量ω2，所述降雨含水量ω1为模拟降雨试验档位压力临界值P1对应的试样含水量，所述蒸发含水量ω2为模拟蒸发试验档位压力临界值P2对应的试样含水量，ω2＞ω1，将以上设定参数传送到信息输入存储模块；
所述模拟降雨试验档位压力临界值P1、模拟蒸发试验档位压力临界值P2的计算式分别如下：
P1＝P0(1+ω1)/(1+ω0)
P2＝P0(1+ω2)/(1+ω0)
设定降雨-蒸发湿干循环次数初始值为0、预设湿干循环次数为M；当试样压力等于P1时，信息输入存储模块记录的湿干循环次数加1；将预设湿干循环次数M输入信息输入存储模块；
步骤2，试样装填
将按照土工试验标准制好的环刀状试样从试验腔上部放入试样盒，并在试样上部放置滤纸，完成预定试样的装填；
安装降雨器、可替换针管，调整可调节支架的高度，将马氏瓶A装满水，马氏瓶B装满煤油，此时主控模块向蒸发控制模块发送指令，电子三通阀关闭，气泵关闭，加热装置关闭；
步骤3，降雨-蒸发循环模拟试验
模拟降雨试验的启动方式包括以下二种：
首次模拟降雨试验：试样装填完毕后，主控模块36发送指令给降雨控制模块31和伺服电机29，试验装置自动切换到模拟降雨模式；
非首次模拟降雨试验：当检测模块33通过压力传感器8检测到试样压力等于模拟降雨试验档位压力临界值P1时，主控模块36发送指令给降雨控制模块31和伺服电机29，试验装置自动切换到模拟降雨模式；
具体的，降雨-蒸发循环模拟试验的循环过程见步骤3.1-步骤3.3；
步骤3.1，模拟降雨试验
试验装置自动切换到模拟降雨模式后，电子三通阀14左侧打开，伺服电机29驱动转轴19调节可转动底座10使导水孔23和导液孔20贯通，且N个通孔A17和N个通孔B22非贯通，马氏瓶A1中的水通过电子三通阀14连接到降雨器4实施降雨，压力传感器8对试样进行检测，并通过检测模块33将实时试验数据发送至信息输入存储模块34；
当试样压力等于模拟蒸发试验档位压力临界值P2时，模拟降雨试验结束，自动切换到模拟蒸发模式；
步骤3.2，模拟蒸发试验
当检测模块33检测到试样压力等于模拟蒸发试验档位压力临界值P2时，主控模块36发送指令给蒸发控制模块35和伺服电机29，试验装置自动切换到模拟蒸发模式，此时电子三通阀14关闭，伺服电机29驱动转轴19调节可转动底座10使导水孔23和导液孔20贯通，且N个通孔A17和N个通孔B22非贯通，加热装置工作，气泵16工作，压力传感器8对试样进行检测，并通过检测模块33将实时试验数据发送至信息输入存储模块34；
当试样压力等于模拟降雨试验档位压力临界值P1时，信息输入存储模块34记录湿干循环次数增加1，模拟蒸发试验结束；
步骤3.3，检验是否满足降雨-蒸发循环模拟试验终止条件，如果满足终止条件，进入步骤4；如果不满足终止条件，返回步骤3.1；
所述降雨-蒸发循环模拟试验终止条件为：信息输入存储模块34记录的湿干循环次数等于预设湿干循环次数M；
步骤4，油渗模拟试验
当信息输入存储模块34记录的湿干循环次数等于预设湿干循环次数M时，主控模块36发送指令给油渗控制模块32和伺服电机29，试验装置自动切换到油渗模式，此时电子三通阀14右侧打开，马氏瓶B15中的煤油通过电子三通阀14连接到降雨器4实施降油，伺服电机29驱动转轴19调节可转动底座10使导油孔24和导液孔20贯通，且N个通孔A17和N个通孔B22贯通；收集3分钟内量筒12里的煤油，测量煤油体积，并计算油渗系数k，计算式如下：
k＝V/At
其中，V为量筒12内的煤油体积，A为试样土的底面积，t为油渗时间；
步骤5，建立油渗系数与试样裂隙率的关系式，且通过以上模拟试验数据的整理，定量评价裂隙的发育程度；
油渗系数k与裂隙率c的关系式如下：
c＝k-B/A
其中，A为油渗常数，B为基础常数；
通过模拟试验数据建立油渗系数k和裂隙率c的关系曲线并记为k-c曲线、建立油渗系数k和湿干循环次数M的关系曲线并记为k-M曲线，对k-c曲线、k-M曲线进行数学拟合，定量评价裂隙的发育程度。
优选地，所述降雨含水量ω1和蒸发含水量ω2的取值范围均为零至黏性土处于可塑状态与流动状态之间的界限含水率的两倍，且蒸发含水量ω2大于降雨含水量ω1。
优选地，所述加热装置通过设置不同温度调节蒸发的速率，所述可替换针管通过针管粗细调节降雨的流量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)通过控制模块实现模拟土的降雨-蒸发乃至湿干循环的过程，可精确控制含水量，灵敏度高。
2)利用现有的装置实现油渗试验的目的，无需单独制作油渗装置，集成化更高。
3)高精度压力传感器实现数据实时传输，保证仪器的精确度和灵敏度。
4)本装置可实现土裂隙的定量测量，通过建立油渗系数与湿干循环次数、裂隙率指标的相关关系，定量评价裂隙发育程度。
5)本装置结构简单，功能齐全，操作便捷，集成化和智能化程度高。
6)本发明方法保证实验精确度和智能化的基础上，利用一套装置实现模拟降雨-蒸发以及湿干循环控制的同时，实现裂隙的定量测量，对水敏性土的研究具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例1中试验装置工作示意图；
图2为本发明实施例1中底板结构示意图；
图3为本发明实施例1中可转动底座结构示意图；
图4为本发明实施例1中加热装置示意图；
图5为本发明实施例2中加热装置示意图；
图6为为本发明实施例3中加热装置示意图；
图7为本发明实施例1中控制系统示意图；
图8为湿干循环1-10次条件下油渗系数随裂隙率变化示意图；
图9为油渗系数随10次湿干循环变化示意图。
其中：1、马氏瓶A；2、可调节支架；3、密封圈；4、降雨器；5、可替换针管；6、注气孔；7、试样盒；8压力传感器；9、底板；10、可转动底座；11、漏斗；12、量筒；13、液体收集盒；14、电子三通阀；15、马氏瓶B；16、气泵；17、通孔A；18、滤网A；19、转轴；20、导液孔；21、滤网B；22、通孔B；23、导水孔；24、导油孔；25、控温加热带；26、环绕控温加热带；27、恒温水浴锅；28、箱体；29、伺服电机；30、控制器；31、降雨控制模块；32、油渗控制模块；33、检测模块；34、信息输入输出模块；35、蒸发控制模块；36、主控模块。
具体实施方式
下面结合附图1-9对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。
实施例1，本发明提供的降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置的整体结构可见图1，由图1可见，该装置包括试验箱、降雨-油渗装置、加热装置、液体收集装置、压力传感器8和控制系统。所述试验箱由箱体28和可转动底座10组成。
所述箱体28为一空心圆柱体，下部镶嵌底板9，上部安装一个降雨器4，降雨器4和箱体28的接触处镶有密封圈3，即箱体28、底板9和降雨器4三者构成一个封闭的试验腔。在箱体28下部的壁上留有注气孔6，气泵16通过注气孔6与试验腔连通。所述底板9非中心位置开设一个导液孔20和N个通孔A17，所述通孔A17内均镶嵌大孔隙滤网A18，N个试样盒7放置在所述N个通孔A17的上方。所述压力传感器8装在试样盒7和大孔隙滤网A18之间。在本实施例中，N＝3。图2给出了本发明实施例1中底板9的具体结构。
所述可转动底座10为实心圆柱体，装在底板9的下部，且与底板9保持同心，在可转动底座10的中心位置有一个转轴19，通过伺服电机29驱动转轴19转动。在可转动底座10上设有一个导水孔23、一个导油孔24和N个通孔B22，通孔B22内均镶嵌大孔隙滤网B21，导油孔24与导液孔20逆时针相差90度，导水孔23和通孔B22的位置为：当导水孔23和导液孔20贯通时，N个通孔A17和N个通孔B22非贯通；当导油孔24和导液孔20贯通时，N个通孔A17和N个通孔B22贯通。图3给出了本发明实施例1中可转动底座10的具体结构。
所述液体收集装置包括液体收集盒13、漏斗11和量筒12，在可转动底座10下方与导液孔20对应位置放置液体收集盒13、在可转动底座10下方与通孔A17相对应位置放置漏斗11，漏斗11下部接入量筒12。
所述降雨-油渗装置包括马氏瓶A1、马氏瓶B15和可调节支架2，所述马氏瓶A1和马氏瓶B15分别通过导管连接电子三通阀14的二个支路，电子三通阀14的第三个支路连接降雨器4，降雨器4下部设置一排可替换针管5。
所述控制系统包括控制器30和伺服电机29。
所述控制器30见图7，由图7可见，所述控制器30包括降雨控制模块31、油渗控制模块32、检测模块33、信息输入存储模块34、蒸发控制模块35和主控模块36。所述降雨控制模块31连接电子三通阀14，所述油渗控制模块32连接电子三通阀14，所述检测模块33连接压力传感器8，所述蒸发控制模块35分别与气泵16、加热装置和电子三通阀14连接，所述主控模块36和伺服电机29连接。
所述信息输入存储模块34与主控模块36双向连接，主控模块36向信息输入存储模块34输送预设压力值和湿干循环次数，信息输入存储模块34向主控模块36反馈信息进行下一步操作。所述主控模块36与蒸发控制模块35单向连接，用于发送模拟蒸发试验指令。所述主控模块36与降雨控制模块31单向连接，用于发送模拟降雨试验指令。所述主控模块36与油渗控制模块32单向连接，用于发送油渗试验指令。所述主控模块36与检测模块33单向连接，用于发送压力检测指令。
本实施例中的加热装置见图4，由图4可见，所述加热装置为控温加热带25，控温加热带25安装在箱体(28)内壁的上部。
实施例2中的加热装置见图5。由图5可见，实施例2中的加热装置为环绕控温加热带26，环绕控温加热带26螺旋形环绕安装在箱体28的外壁上。
实施例3中的加热装置见图6。由图6可见，实施例3中的加热装置为恒温水浴锅27，所述恒温水浴锅27安装在箱体28的外侧。。
在本发明实施例中的试验方法中，将需要测试的试样进行降雨-蒸发循环模拟试验和油渗模拟试验，记录模拟试验数据，并通过模拟试验数据进行土裂隙发育特性曲线的绘制，完成土裂隙特性的定量评价，具体步骤如下：
步骤1，试验参数的设定
设定试样初始含水量ω0为0.20、初始压力P0为1.10牛、模拟降雨试验档位压力临界值P1为0.93牛、模拟蒸发试验档位压力临界值P2为1.19牛、降雨含水量ω1为0.01、蒸发含水量ω2为0.30，所述降雨含水量ω1为模拟降雨试验档位压力临界值P1对应的试样含水量，所述蒸发含水量ω2为模拟蒸发试验档位压力临界值P2对应的试样含水量，ω2＞ω1，将以上设定参数传送到信息输入存储模块34。
所述模拟降雨试验档位压力临界值P1、模拟蒸发试验档位压力临界值P2的计算式分别如下：
P1＝P0(1+ω1)/(1+ω0)
P2＝P0(1+ω2)/(1+ω0)
设定降雨-蒸发湿干循环次数初始值为0、预设湿干循环次数M为10。当试样压力等于P1时，信息输入存储模块34记录的湿干循环次数加1；将预设湿干循环次数M输入信息输入存储模块34。
步骤2，试样装填
将按照土工试验标准制好的环刀状试样从试验腔上部放入试样盒7，并在试样上部放置滤纸，完成预定试样的装填；
安装降雨器4、可替换针管5，调整可调节支架2的高度，将马氏瓶A1装满水，马氏瓶B15装满煤油，此时主控模块36向蒸发控制模块35发送指令，电子三通阀14关闭，气泵16关闭，加热装置关闭；
步骤3，降雨-蒸发循环模拟试验
模拟降雨试验的启动方式包括以下二种：
首次模拟降雨试验：试样装填完毕后，主控模块36发送指令给降雨控制模块31和伺服电机29，试验装置自动切换到模拟降雨模式；
非首次模拟降雨试验：当检测模块33通过压力传感器8检测到试样压力等于模拟降雨试验档位压力临界值P1时，主控模块36发送指令给降雨控制模块31和伺服电机29，试验装置自动切换到模拟降雨模式；
具体的，降雨-蒸发循环模拟试验的循环过程见步骤3.1-步骤3.3；
步骤3.1，模拟降雨试验
试验装置自动切换到模拟降雨模式后，电子三通阀14左侧打开，伺服电机29驱动转轴19调节可转动底座10使导水孔23和导液孔20贯通，且N个通孔A17和N个通孔B22非贯通，马氏瓶A1中的水通过电子三通阀14连接到降雨器4实施降雨，压力传感器8对试样进行检测，并通过检测模块33将实时试验数据发送至信息输入存储模块34；
当试样压力等于模拟蒸发试验档位压力临界值P2时，模拟降雨试验结束，自动切换到模拟蒸发模式；
步骤3.2，模拟蒸发试验
当检测模块33检测到试样压力等于模拟蒸发试验档位压力临界值P2时，主控模块36发送指令给蒸发控制模块35和伺服电机29，试验装置自动切换到模拟蒸发模式，此时电子三通阀14关闭，伺服电机29驱动转轴19调节可转动底座10使导水孔23和导液孔20贯通，且N个通孔A17和N个通孔B22非贯通，加热装置工作，气泵16工作，压力传感器8对试样进行检测，并通过检测模块33将实时试验数据发送至信息输入存储模块34；
当试样压力等于模拟降雨试验档位压力临界值P1时，信息输入存储模块34记录湿干循环次数增加1，模拟蒸发试验结束；
步骤3.3，检验是否满足降雨-蒸发循环模拟试验终止条件，如果满足终止条件，进入步骤4；如果不满足终止条件，返回步骤3.1；
所述降雨-蒸发循环模拟试验终止条件为：信息输入存储模块34记录的湿干循环次数等于预设湿干循环次数M；
步骤4，油渗模拟试验
当信息输入存储模块34记录的湿干循环次数等于预设湿干循环次数M时，主控模块36发送指令给油渗控制模块32和伺服电机29，试验装置自动切换到油渗模式，此时电子三通阀14右侧打开，马氏瓶B15中的煤油通过电子三通阀14连接到降雨器4实施降油，伺服电机29驱动转轴19调节可转动底座10使导油孔24和导液孔20贯通，且N个通孔A17和N个通孔B22贯通；收集3分钟内量筒12里的煤油，测量煤油体积，并计算油渗系数k，计算式如下：
k＝V/At
其中，V为量筒12内的煤油体积，A为试样土的底面积，t为油渗时间；
步骤5，建立油渗系数与试样裂隙率的关系式，且通过以上模拟试验数据的整理，定量评价裂隙的发育程度；
油渗系数k与裂隙率c的关系式如下：
c＝k-B/A
其中，A为油渗常数，B为基础常数；
通过模拟试验数据建立油渗系数k和裂隙率c的关系曲线并记为k-c曲线、建立油渗系数k和湿干循环次数M的关系曲线并记为k-M曲线，对k-c曲线、k-M曲线进行数学拟合，定量评价裂隙的发育程度。
在本实施例中，所述降雨含水量ω1和蒸发含水量ω2的取值范围均为零至黏性土处于可塑状态与流动状态之间的界限含水率的两倍，且蒸发含水量ω20.30大于降雨含水量ω10.01。
在本实施例过程中，所述加热装置通过设置不同温度调节蒸发的速率，所述可替换针管(5)通过针管粗细调节降雨的流量。即利用本实施例中的试验装置可以调整蒸发的速率、调整降雨(油)流量进行多组试验，保证了模拟试验数据的可靠性和完整性。
图8为湿干循环1-10次条件下油渗系数随裂隙率变化示意图。由此图可见，油渗系数k随裂隙率c的变化关系为随裂隙c增大而增大，拟合呈线性关系。
图9为油渗系数随10次湿干循环变化示意图。由此图可见，油渗系数k随湿干循环次数M增大越来越大，表明裂隙发育越来越剧烈，拟合得到油渗系数与湿干循环次数的数学关系。

Claims (8)

1.一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置，其特征在于，包括试验箱、降雨-油渗装置、加热装置、液体收集装置、压力传感器(8)和控制系统；所述试验箱由箱体(28)和可转动底座(10)组成；
所述箱体(28)为一空心圆柱体，下部镶嵌底板(9)，上部安装一个降雨器(4)，降雨器(4)和箱体(28)的接触处镶有密封圈(3)，即箱体(28)、底板(9)和降雨器(4)三者构成一个封闭的试验腔；在箱体(28)下部的壁上留有注气孔(6)，气泵(16)通过注气孔(6)与试验腔连通；所述底板(9)非中心位置开设一个导液孔(20)和N个通孔A(17)，所述通孔A(17)内均镶嵌大孔隙滤网A(18)，N个试样盒(7)放置在所述N个通孔A(17)的上方；所述压力传感器(8)装在试样盒(7)和大孔隙滤网A(18)之间；
所述可转动底座(10)为实心圆柱体，装在底板(9)的下部，且与底板(9)保持同心，在可转动底座(10)的中心位置有一个转轴(19)，通过伺服电机(29)驱动转轴(19)转动；在可转动底座(10)上设有一个导水孔(23)、一个导油孔(24)和N个通孔B(22)，通孔B(22)内均镶嵌大孔隙滤网B(21)，导油孔(24)与导液孔(20)逆时针相差90度，导水孔(23)和通孔B(22)的位置为：当导水孔(23)和导液孔(20)贯通时，N个通孔A(17)和N个通孔B(22)非贯通；当导油孔(24)和导液孔(20)贯通时，N个通孔A(17)和N个通孔B(22)贯通；
所述液体收集装置包括液体收集盒(13)、漏斗(11)和量筒(12)，在可转动底座(10)下方与导液孔(20)对应位置放置液体收集盒(13)、在可转动底座(10)下方与通孔A(17)相对应位置放置漏斗(11)，漏斗(11)下部接入量筒(12)；
所述降雨-油渗装置包括马氏瓶A(1)、马氏瓶B(15)和可调节支架(2)，所述马氏瓶A(1)和马氏瓶B(15)分别通过导管连接电子三通阀(14)的二个支路，电子三通阀(14)的第三个支路连接降雨器(4)，降雨器(4)下部设置一排可替换针管(5)；
所述控制系统包括控制器(30)和伺服电机(29)；所述控制器(30)包括降雨控制模块(31)、油渗控制模块(32)、检测模块(33)、信息输入存储模块(34)、蒸发控制模块(35)和主控模块(36)；所述降雨控制模块(31)连接电子三通阀(14)，所述油渗控制模块(32)连接电子三通阀(14)，所述检测模块(33)连接压力传感器(8)，所述蒸发控制模块(35)分别与气泵(16)、加热装置和电子三通阀(14)连接，所述主控模块(36)和伺服电机(29)连接。
2.根据权利要求1所述的一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置，其特征在于，所述加热装置为控温加热带(25)，控温加热带(25)安装在箱体(28)内壁的上部。
3.根据权利要求1所述的一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置，其特征在于，所述加热装置为环绕控温加热带(26)，环绕控温加热带(26)螺旋形环绕安装在箱体(28)的外壁上。
4.根据权利要求1所述的一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置，其特征在于，所述加热装置为恒温水浴锅(27)，所述恒温水浴锅(27)安装在箱体(28)的外侧。
5.根据权利要求1所述的一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置，其特征在于，所述信息输入存储模块(34)与主控模块(36)双向连接，主控模块(36)向信息输入存储模块(34)输送预设压力值和湿干循环次数，信息输入存储模块(34)向主控模块(36)反馈信息进行下一步操作；所述主控模块(36)与蒸发控制模块(35)单向连接，用于发送模拟蒸发试验指令；所述主控模块(36)与降雨控制模块(31)单向连接，用于发送模拟降雨试验指令；所述主控模块(36)与油渗控制模块(32)单向连接，用于发送油渗试验指令；所述主控模块(36)与检测模块(33)单向连接，用于发送压力检测指令。
6.根据权利要求1-5任一项权利要求所述的一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置的试验方法，其特征在于，将需要测试的试样进行降雨-蒸发循环模拟试验和油渗模拟试验，记录模拟试验数据，并通过模拟试验数据进行土裂隙发育特性曲线的绘制，完成土裂隙特性的定量评价，具体步骤如下：
步骤1，试验参数的设定
设定试样初始含水量ω0、初始压力P0、模拟降雨试验档位压力临界值P1、模拟蒸发试验档位压力临界值P2、降雨含水量ω1和蒸发含水量ω2，所述降雨含水量ω1为模拟降雨试验档位压力临界值P1对应的试样含水量，所述蒸发含水量ω2为模拟蒸发试验档位压力临界值P2对应的试样含水量，ω2＞ω1，将以上设定参数传送到信息输入存储模块(34)；
所述模拟降雨试验档位压力临界值P1、模拟蒸发试验档位压力临界值P2的计算式分别如下：
P1＝P0(1+ω1)/(1+ω0)
P2＝P0(1+ω2)/(1+ω0)
设定降雨-蒸发湿干循环次数初始值为0、预设湿干循环次数为M；当试样压力等于P1时，信息输入存储模块(34)记录的湿干循环次数加1；将预设湿干循环次数M输入信息输入存储模块(34)；
步骤2，试样装填
将按照土工试验标准制好的环刀状试样从试验腔上部放入试样盒(7)，并在试样上部放置滤纸，完成预定试样的装填；
安装降雨器(4)、可替换针管(5)，调整可调节支架(2)的高度，将马氏瓶A(1)装满水，马氏瓶B(15)装满煤油，此时主控模块(36)向蒸发控制模块(35)发送指令，电子三通阀(14)关闭，气泵(16)关闭，加热装置关闭；
步骤3，降雨-蒸发循环模拟试验
模拟降雨试验的启动方式包括以下二种：
首次模拟降雨试验：试样装填完毕后，主控模块(36)发送指令给降雨控制模块(31)和伺服电机(29)，试验装置自动切换到模拟降雨模式；
非首次模拟降雨试验：当检测模块(33)通过压力传感器(8)检测到试样压力等于模拟降雨试验档位压力临界值P1时，主控模块(36)发送指令给降雨控制模块(31)和伺服电机(29)，试验装置自动切换到模拟降雨模式；
具体的，降雨-蒸发循环模拟试验的循环过程见步骤3.1-步骤3.3；
步骤3.1，模拟降雨试验
试验装置自动切换到模拟降雨模式后，电子三通阀(14)左侧打开，伺服电机(29)驱动转轴(19)调节可转动底座(10)使导水孔(23)和导液孔(20)贯通，且N个通孔A(17)和N个通孔B(22)非贯通，马氏瓶A(1)中的水通过电子三通阀(14)连接到降雨器(4)实施降雨，压力传感器(8)对试样进行检测，并通过检测模块(33)将实时试验数据发送至信息输入存储模块(34)；
当试样压力等于模拟蒸发试验档位压力临界值P2时，模拟降雨试验结束，自动切换到模拟蒸发模式；
步骤3.2，模拟蒸发试验
当检测模块(33)检测到试样压力等于模拟蒸发试验档位压力临界值P2时，主控模块(36)发送指令给蒸发控制模块(35)和伺服电机(29)，试验装置自动切换到模拟蒸发模式，此时电子三通阀(14)关闭，伺服电机(29)驱动转轴(19)调节可转动底座(10)使导水孔(23)和导液孔(20)贯通，且N个通孔A(17)和N个通孔B(22)非贯通，加热装置工作，气泵(16)工作，压力传感器(8)对试样进行检测，并通过检测模块(33)将实时试验数据发送至信息输入存储模块(34)；
当试样压力等于模拟降雨试验档位压力临界值P1时，信息输入存储模块(34)记录湿干循环次数增加1，模拟蒸发试验结束；
步骤3.3，检验是否满足降雨-蒸发循环模拟试验终止条件，如果满足终止条件，进入步骤4；如果不满足终止条件，返回步骤3.1；
所述降雨-蒸发循环模拟试验终止条件为：信息输入存储模块(34)记录的湿干循环次数等于预设湿干循环次数M；
步骤4，油渗模拟试验
当信息输入存储模块(34)记录的湿干循环次数等于预设湿干循环次数M时，主控模块(36)发送指令给油渗控制模块(32)和伺服电机(29)，试验装置自动切换到油渗模式，此时电子三通阀(14)右侧打开，马氏瓶B(15)中的煤油通过电子三通阀(14)连接到降雨器(4)实施降油，伺服电机(29)驱动转轴(19)调节可转动底座(10)使导油孔(24)和导液孔(20)贯通，且N个通孔A(17)和N个通孔B(22)贯通；收集3分钟内量筒(12)里的煤油，测量煤油体积，并计算油渗系数k，计算式如下：
k＝V/At
其中，V为量筒(12)内的煤油体积，A为试样土的底面积，t为油渗时间；
步骤5，建立油渗系数与试样裂隙率的关系式，且通过以上模拟试验数据的整理，定量评价裂隙的发育程度；
油渗系数k与裂隙率c的关系式如下：
c＝k-B/A
其中，A为油渗常数，B为基础常数；
通过模拟试验数据建立油渗系数k和裂隙率c的关系曲线并记为k-c曲线、建立油渗系数k和湿干循环次数M的关系曲线并记为k-M曲线，对k-c曲线、k-M曲线进行数学拟合，定量评价裂隙的发育程度。
7.根据权利要求6所述的一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置的试验方法，其特征在于，所述降雨含水量ω1和蒸发含水量ω2的取值范围均为零至黏性土处于可塑状态与流动状态之间的界限含水率的两倍，且蒸发含水量ω2大于降雨含水量ω1。
8.根据权利要求6所述的一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置的试验方法，其特征在于，所述加热装置通过设置不同温度调节蒸发的速率，所述可替换针管(5)通过针管粗细调节降雨的流量。
CN202110171099.1A 2021-02-05 2021-02-05 降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法 Active CN112964855B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110171099.1A CN112964855B (zh) 2021-02-05 2021-02-05 降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110171099.1A CN112964855B (zh) 2021-02-05 2021-02-05 降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112964855A true CN112964855A (zh) 2021-06-15
CN112964855B CN112964855B (zh) 2023-02-10

Family

ID=76275367

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110171099.1A Active CN112964855B (zh) 2021-02-05 2021-02-05 降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112964855B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114965972A (zh) * 2022-05-17 2022-08-30 浙江大学 适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置及方法
CN116559048A (zh) * 2023-05-12 2023-08-08 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103823040A (zh) * 2014-02-21 2014-05-28 三峡大学 一种模拟土体受极端气候作用的装置及运用该装置测试的方法
CN105004850A (zh) * 2015-06-03 2015-10-28 中南大学 一种定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置及方法
CN204832095U (zh) * 2015-08-05 2015-12-02 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种室内土质边坡模型的干湿交替裂隙测量装置
CN107907662A (zh) * 2017-12-15 2018-04-13 东北林业大学 一种多功能土工模型试验系统及方法
CN207717762U (zh) * 2018-01-08 2018-08-10 三峡大学 一种人工模拟室内降雨蒸发的试验装置
CN108918819A (zh) * 2018-05-22 2018-11-30 青岛理工大学 一种模拟干湿循环的多参数微型试验装置及其使用方法
CN109030769A (zh) * 2018-06-14 2018-12-18 长沙理工大学 一种干湿循环条件下预崩解炭质泥岩裂隙演变规律的试验装置
CN109187918A (zh) * 2018-08-03 2019-01-11 江南大学 干湿循环试验的直剪试样装置及其使用方法
CN109752303A (zh) * 2019-01-22 2019-05-14 河南城建学院 一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法
CN110261579A (zh) * 2019-07-02 2019-09-20 中交第二公路勘察设计研究院有限公司 一种自动控制岩土干湿循环试验方法及装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103823040A (zh) * 2014-02-21 2014-05-28 三峡大学 一种模拟土体受极端气候作用的装置及运用该装置测试的方法
CN105004850A (zh) * 2015-06-03 2015-10-28 中南大学 一种定量模拟土体三轴试样干湿循环的试验装置及方法
CN204832095U (zh) * 2015-08-05 2015-12-02 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种室内土质边坡模型的干湿交替裂隙测量装置
CN107907662A (zh) * 2017-12-15 2018-04-13 东北林业大学 一种多功能土工模型试验系统及方法
CN207717762U (zh) * 2018-01-08 2018-08-10 三峡大学 一种人工模拟室内降雨蒸发的试验装置
CN108918819A (zh) * 2018-05-22 2018-11-30 青岛理工大学 一种模拟干湿循环的多参数微型试验装置及其使用方法
CN109030769A (zh) * 2018-06-14 2018-12-18 长沙理工大学 一种干湿循环条件下预崩解炭质泥岩裂隙演变规律的试验装置
CN109187918A (zh) * 2018-08-03 2019-01-11 江南大学 干湿循环试验的直剪试样装置及其使用方法
CN109752303A (zh) * 2019-01-22 2019-05-14 河南城建学院 一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法
CN110261579A (zh) * 2019-07-02 2019-09-20 中交第二公路勘察设计研究院有限公司 一种自动控制岩土干湿循环试验方法及装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
汪为巍等: "南阳膨胀土裂隙扩展及室内降雨人渗实验研究", 《西南石油大学学报(自然科学版)》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114965972A (zh) * 2022-05-17 2022-08-30 浙江大学 适用于超重力离心条件下的道路材料干湿及冻融循环试验装置及方法
CN116559048A (zh) * 2023-05-12 2023-08-08 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112964855B (zh) 2023-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103308438B (zh) 模块化土体渗透性试验仪
CN102323197B (zh) 测定土壤水分运动与土壤结构的装置及其方法
CN112964855B (zh) 降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法
CN102866095B (zh) 多功能渗透变形试验仪及其测试方法
CN101672761A (zh) 砂性土土水特征曲线测试装置及测试方法
CN108303065B (zh) 一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器及使用方法
CN110824139B (zh) 一种考虑土体温度效应的室内孔压静力触探试验方法
CN107421872B (zh) 一种评估不同因素对沥青路面透水性能影响的装置
CN108645565B (zh) 一种双通道伺服控制动态孔压标定仪及标定方法
CN108344668A (zh) 用于测试非饱和介质气体扩散系数及渗透系数的实验装置
CN103604734B (zh) 雨强可控的非饱和土雨水入渗模拟系统
CN106353359A (zh) 一种测试土体试样热物性参数的装置
CN105862933A (zh) 动态承压水作用的地基模型试验装置
CN208399316U (zh) 一种用于测试非饱和介质气体扩散系数及渗透系数的实验装置
CN108801888A (zh) 一种有机质土室内降解模拟装置
CN108680480A (zh) 一种非饱和粗粒土渗透仪及其测试方法
CN113237808B (zh) 一种测定thmc耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置及扩散系数测定方法
CN110749626A (zh) 一种在高温高压下测量水泥浆初终凝时间的装置及方法
CN204944999U (zh) 一种简易增湿土样孔隙水压力实时测试装置
CN203630014U (zh) 一种雨强可控的非饱和土雨水入渗模拟系统
CN109406294A (zh) Mbt垃圾土渗透装置及其测定渗透系数的方法
CN108061698A (zh) 测量波动水流渗透拖曳力系数的全自动试验装置及其方法
CN106442603A (zh) 一种模拟不同热负荷下土体热物性参数的测试方法
CN110736692A (zh) 一种测定土体渗透系数的自动化装置及方法
CN110320345A (zh) 一种便携式田间持水量自动测试仪及测试方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant