CN114062657A - 一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，包括试样干燥腔室和试样湿化腔室，试样湿化腔室与外部水溶液相连通，试样干燥腔室能够对岩土体试样进行干燥，试样湿化腔室和试样干燥腔室能够尽可能地还原现实中岩土体试样湿化时所处化学环境、围压以及干燥时所处的气压、湿度等情况，还原试样所处的真实环境；升降顶座和升降底座相配合能够带动岩土体试样往复运动，能够使得试样在非饱和状态下实现干湿循环，且升降顶座和升降底座上均设置了传感器片，能够实时监测试验过程中岩土体试样的参数变化。本发明还提供了一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验方法，进一步提高了非饱和状态下的岩土体干湿循环试验的操作便捷度。

Description

一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统及方法

技术领域

本发明涉及地质工程及环境岩土工程技术领域，特别是涉及一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统及方法。

背景技术

干湿循环作用是岩土体在自然环境中不可避免的一种工况，其常导致岩土体性能发生改变进而影响工程建设。例如，在涉及垃圾填埋场覆盖系统、核废料处置库工程屏障、路基填料及膨胀土边坡等工程中，岩土体受干湿循环作用影响显著。长期的湿润-干燥交替状态，导致土体内部颗粒排列方式、孔隙结构及微观特征发生改变，进而影响岩土体的宏观性能指标，如抗压强度、抗剪强度及气-液渗透系数等。

现有岩土体的干湿循环试验中，通常采用蒸馏水对试样进行完全饱和，随后采用烘箱、电热丝等仪器对试样进行完全干燥。然而，实际工况中岩土体很少存在完全饱和-完全干燥的交替循环状态，通常处于非饱和状态下的干湿循环。同时，以往的岩土体干湿循环试验过程中，并没有考虑岩土体现场所存在的化学因素、围压环境、气体循环干燥等条件的影响，无法真实还原岩土体处的实际工况条件。此外，现有岩土体的干湿循环试验中，岩土体的参数获取需要不断地拆装试样或者大量地设置平行试样，再重复进行含水率、孔隙比及气-液渗透系数等参数的测试，这样难以避免人为因素、试样不确定性等因素的影响，进而影响结果的准确性。

现有技术中的岩土体干湿循环试验无法做到高度还原实际工况情况的岩土体干湿循环，且无法实现岩土体在非饱和状态下的干湿循环交替，降低了试验过程中参数获取的准确性。

因此，如何解决非饱和状态下的岩土体干湿循环试验无法还原实际工况以及实验过程繁琐影响试验结果准确性的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的。

发明内容

本发明的目的是提供一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，解决岩土体在非饱和状态下的干湿循环试验难题，并提高干湿循环过程操作便捷度和试验过程中岩土体相关参数获取的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，包括：

试样干燥腔室，所述试样干燥腔室内能够容纳岩土体试样，所述试样干燥腔室内设置有升降顶座，所述升降顶座可滑动地设置于所述试样干燥腔室内；所述试样干燥腔室能够对所述岩土体试样进行干燥；

试样湿化腔室，所述试样湿化腔室内能够容纳所述岩土体试样，所述试样湿化腔室内设置有升降底座，所述升降底座可滑动地设置于所述试样湿化腔室内；所述试样湿化腔室与带压介质相连通；

所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室相连通，所述升降顶座和所述升降底座能够停留在所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通处并封堵所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通通道；所述升降顶座和所述升降底座能够固定所述岩土体试样的两端，所述试样湿化腔室内还设置有乳胶膜，所述乳胶膜能够包裹所述升降顶座、所述岩土体试样以及所述升降底座并阻隔所述试样湿化腔室内的所述带压介质与所述岩土体试样直接接触，所述升降顶座和所述升降底座均具有溶液通道，所述溶液通道能够与外部环境以及所述岩土体试样相连通；所述升降顶座与所述升降底座朝向所述岩土体试样的一侧均设置有传感器片，所述传感器片能够与所述岩土体试样相抵，所述传感器片与外部数据采集单元相连，所述传感器片能够监测所述岩土体试样的状态参数。

优选地，所述试样干燥腔室设置于所述试样湿化腔室的顶部，所述试样湿化腔室连接有底部第一阀门和底部第二阀门，所述升降底座的所述溶液通道能够与所述底部第一阀门和所述底部第二阀门相连通；所述试样干燥腔室连接有顶部第一阀门和顶部第二阀门，所述升降顶座的所述溶液通道能够与所述顶部第一阀门和所述顶部第二阀门相连通；所述试样干燥腔室与所述试样湿化腔室之间设置有中部第一阀门和中部第二阀门，所述升降底座以及所述升降顶座的所述溶液通道均分别能够与所述中部第一阀门和所述中部第二阀门相连通。

优选地，所述顶部第一阀门能够与气体流量计可拆卸连接，所述中部第一阀门能够与量筒可拆卸连接，所述中部第二阀门能够与恒压气泵可拆卸连接，所述底部第二阀门能够与试验溶液相连通。

优选地，所述升降顶座和所述升降底座均具有吹气孔，所述吹气孔与所述乳胶膜以及所述岩土体试样之间的腔体相连通。

优选地，所述吹气孔的数量为多个，多个所述吹气孔绕所述升降顶座或所述升降底座的轴线周向均布。

优选地，所述试样干燥腔室连接有气体循环器，所述气体循环器能够向所述试样干燥腔室内通入恒温、恒压、恒湿度以及不同速率的气体；所述气体循环器利用所述气体循环通道与所述试样干燥腔室相连通并形成循环回路；所述试样湿化腔室还连接有体积压力控制器，所述体积压力控制器能够向所述试样湿化腔室内输送所述带压介质。

优选地，所述升降顶座与所述升降底座远离所述岩土体试样的一侧均连接有旋紧螺丝，所述升降顶座和所述升降底座分别与所述旋紧螺丝螺纹连接，所述旋紧螺丝能够使所述升降顶座以及所述升降底座停留在所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通处，所述升降顶座以及所述升降底座停留在所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通处时，所述升降顶座以及所述升降底座能够封堵所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通通道。

优选地，所述试样干燥腔室与所述试样湿化腔室均为圆柱状结构，所述试样干燥腔室与所述试样湿化腔室的侧壁均由透明材质制成。

本发明还公开一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验方法，利用上述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，包括如下步骤：

步骤一、准备工作

使所述升降顶座和所述升降底座运动至所述试样湿化腔室内，将所述岩土体试样放置于所述升降顶座与所述升降底座之间，利用所述乳胶膜包裹所述升降顶座、所述岩土体试样以及所述升降底座，并使所述升降顶座、所述岩土体试样以及所述升降底座固定并密封在所述试样湿化腔室内，向所述试样湿化腔室内通入带压介质以便向所述岩土体试样提供围压；

步骤二、试样湿化阶段

将试验溶液放置一定水头高度，利用所述溶液通道接入所述乳胶膜包裹的所述岩土体试样处，所述试验溶液进入所述岩土体试样中并由所述岩土体试样中渗出并记录一段时间内所渗入溶液的体积以获得所述岩土体试样渗透系数；利用所述岩土体试样底部及顶部的所述传感器片，实时获取所述岩土体试样湿化阶段的参数，进而根据所述岩土体试样不同饱和度选择是否停止试样湿化阶段；

步骤三、试样干燥阶段

放空所述试样湿化腔室内的水溶液，并向所述岩土体试样与所述乳胶膜之间吹气使二者分离，所述岩土体试样和所述升降底座带动所述岩土体试样固定并密封在所述试样干燥腔室内；向所述试样干燥腔室中通入恒温、恒压、恒湿度气体，利用所述岩土体试样底部及顶部的所述传感器片，实时获取所述岩土体试样干燥阶段的参数，进而根据所述岩土体试样不同饱和度选择是否停止试样干燥阶段；

步骤四、重复上述步骤二和上述步骤三，进行干湿循环试验，直至达到目标循环次数。

优选地，在所述升降顶座与所述岩土体试样之间以及所述升降底座与所述岩土体试样之间均设置透水石和滤纸，所述滤纸与所述岩土体试样相抵。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，包括试样干燥腔室和试样湿化腔室，其中，试样干燥腔室内能够容纳岩土体试样，试样干燥腔室内设置有升降顶座，升降顶座可滑动地设置于试样干燥腔室内；试样干燥腔室能够对岩土体试样进行干燥；试样湿化腔室内能够容纳岩土体试样，试样湿化腔室内设置有升降底座，升降底座可滑动地设置于试样湿化腔室内；试样湿化腔室与带压介质相连通；试样湿化腔室与试样干燥腔室相连通，升降顶座和升降底座能够停留在试样湿化腔室与试样干燥腔室的连通处并封堵试样湿化腔室与试样干燥腔室的连通通道；升降顶座和升降底座能够固定岩土体试样的两端，试样湿化腔室内还设置有乳胶膜，乳胶膜能够包裹升降顶座、岩土体试样以及升降底座并阻隔试样湿化腔室内的带压介质与岩土体试样直接接触，升降顶座和升降底座均具有溶液通道，溶液通道能够与外部环境以及岩土体试样相连通；升降顶座与升降底座朝向岩土体试样的一侧均设置有传感器片，传感器片能够与岩土体试样相抵，传感器片与外部数据采集单元相连，传感器片能够监测岩土体试样的状态参数。

本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，试样湿化腔室与外部水溶液相连通，试样干燥腔室能够对岩土体试样进行干燥，试样湿化腔室和试样干燥腔室能够尽可能地还原现实中岩土体试样湿化时所处化学环境、围压以及干燥时所处的气压、湿度等环境，提高试验结果准确性。与此同时，本发明设置了升降顶座和升降底座，二者相配合能够带动岩土体试样在试样湿化腔室和试样干燥腔室之间往复运动，提高干湿循环试验操作便捷度，且升降顶座和升降底座上均设置了传感器片，传感器片能够实时监测试验过程中岩土体试样的参数变化，外部数据采集单元能够收集传感器片监测到的数据，用于后期试验数据分析。

本发明还提供了一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验方法，利用上述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，提高非饱和状态岩土体干湿循环试验的操作便捷度，为研究干湿循环过程对非饱和状态的岩土体试样性能的影响提供便利。

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为本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统在试样湿化阶段的示意图；

图2为本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统在试样干燥阶段的示意图；

图3为本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统的升降底座的结构示意图。

其中，1为试样干燥腔室，2为试样湿化腔室，3为升降顶座，4为升降底座，5为岩土体试样，6为乳胶膜，7为溶液通道，8为传感器片，9为外部数据采集单元，10为数据传输点，11为底部第一阀门，12为底部第二阀门，13为中部第一阀门，14为中部第二阀门，15为顶部第一阀门，16为顶部第二阀门，17为气体流量计，18为恒压气泵，19为量筒，20为试样溶液，21为吹气孔，22为气体循环器，23为气体循环通道，24为体积压力控制器，25为旋紧螺丝，26为传力杆件，27为O型圈。

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。

本发明的目的是提供一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高非饱和状态下的岩土体干湿循环试验操作便捷度和实验结果准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-3，其中，图1为本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统在试样湿化阶段的示意图，图2为本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统在试样干燥阶段的示意图，图3为本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统的升降底座的结构示意图。

本发明提供一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，包括试样干燥腔室1和试样湿化腔室2，其中，试样干燥腔室1内能够容纳岩土体试样5，试样干燥腔室1内设置有升降顶座3，升降顶座3可滑动地设置于试样干燥腔室1内；试样干燥腔室1能够对岩土体试样5进行干燥；试样湿化腔室2内能够容纳岩土体试样5，试样湿化腔室2内设置有升降底座4，升降底座4可滑动地设置于试样湿化腔室2内；试样湿化腔室2与带压介质相连通；试样湿化腔室2与试样干燥腔室1相连通，升降顶座3和升降底座4能够停留在试样湿化腔室2与试样干燥腔室1的连通处并封堵试样湿化腔室2与试样干燥腔室1的连通通道；升降顶座3和升降底座4能够固定岩土体试样5的两端，试样湿化腔室2内还设置有乳胶膜6，乳胶膜6能够包裹升降顶座3、岩土体试样5以及升降底座4并阻隔试样湿化腔室2内的带压介质与岩土体试样5直接接触，升降顶座3和升降底座4均具有溶液通道7，溶液通道7能够与外部环境以及岩土体试样5相连通；升降顶座3与升降底座4朝向岩土体试样5的一侧均设置有传感器片8，传感器片8能够与岩土体试样5相抵，传感器片8与外部数据采集单元9相连，传感器片8能够监测岩土体试样5的状态参数。

本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，试样湿化腔室2与外部水溶液相连通，试样干燥腔室1能够对岩土体试样5进行干燥，试样湿化腔室2和试样干燥腔室1能够尽可能地还原现实中岩土体试样5湿化时所处化学环境、围压以及干燥时所处的气压、湿度等环境，提高试验结果准确性。与此同时，本发明设置了升降顶座3和升降底座4，二者相配合能够带动岩土体试样5在试样湿化腔室2和试样干燥腔室1之间往复运动，提高干湿循环试验操作便捷度，且升降顶座3和升降底座4上均设置了传感器片8，传感器片8能够实时监测试验过程中岩土体试样5的参数变化，外部数据采集单元9能够收集传感器片8监测到的数据，用于后期试验数据分析。

此处需要解释说明的是，本具体实施方式中，在升降顶座3和升降底座4上设置了数据传输点10，数据传输点10与传感器片8电连接，数据传输点10与外部数据采集单元9相连，以将传感器片8监测到的数据顺利传输至外部数据采集单元9，在本发明的其他具体实施方式中，还可以使传感器片8与外部数据采集单元9信号相连，直接将监测到的数据传输至外部数据采集单元9中，方便存储以及后续分析。

具体地，试样干燥腔室1设置于试样湿化腔室2的顶部，试样湿化腔室2连接有底部第一阀门11和底部第二阀门12，升降底座4的溶液通道7能够与底部第一阀门11和底部第二阀门12相连通；试样干燥腔室1连接有顶部第一阀门15和顶部第二阀门16，升降顶座3的溶液通道7能够与顶部第一阀门15和顶部第二阀门16相连通；试样干燥腔室1与试样湿化腔室2之间设置有中部第一阀门13和中部第二阀门14，升降底座4以及升降顶座3的溶液通道7均分别能够与中部第一阀门13和中部第二阀门14相连通。在本具体实施方式中，升降顶座3和升降底座4均分别包括两条溶液通道7，当升降顶座3和升降底座4沿竖直方向往复运动时，升降顶座3的两条溶液通道7能够与顶部第一阀门15、顶部第二阀门16、中部第一阀门13、中部第二阀门14相连通，升降底座4的两条溶液通道7能够与中部第一阀门13、中部第二阀门14、底部第一阀门11、底部第二阀门12相连通，方便试验过程中利用溶液通道7向岩土体试样5中通入液体或气体等，提高操作便捷度。还需要说明的是，溶液通道7可利用连通管与各个阀门相连通，当升降顶座3或升降底座4运动到位后，连通管的端部与上述阀门中的某一个相连，从而实现溶液通道7与阀门的相连通。

在本具体实施方式中，顶部第一阀门15能够与气体流量计17可拆卸连接，中部第一阀门13能够与量筒19可拆卸连接，中部第二阀门14能够与恒压气泵18可拆卸连接，底部第二阀门12能够与试验溶液20相连通。在试验过程中，当岩土体试样5在试样干燥腔室1中干燥处理时，可利用中部第二阀门14或中部第一阀门13与恒压气泵18相连，并通过溶液通道7向岩土体试样5中通入气体，可在顶部第一阀门15或顶部第二阀门16处连接气体流量计17，用于记录气体流量；当岩土体试样5在试样湿化腔室2中进行湿化处理时，可利用底部第一阀门11或底部第二阀门12向岩土体试样5中通入试验溶液20，此时可利用中部第一阀门13或中部第二阀门14与量筒19连接，用于记录试验溶液20渗出量，方便试验人员操作并记录试验数据。

更具体地，升降顶座3和升降底座4均具有吹气孔21，吹气孔21与乳胶膜6以及岩土体试样5之间的腔体相连通，当进行试样湿化时，向试样湿化腔室2内通入水溶液，模拟现实岩土体所受到的围压，在水溶液压力作用下，乳胶膜6与岩土体试样5贴合，当试样湿化阶段完成后需要对岩土体试样5进行干燥时，为了方便地实现乳胶膜6与岩土体试样5分离，可利用吹气孔21向岩土体试样5与乳胶膜6之间的腔体通气，在气体压力作用下即可方便地使二者分离。

在本发明的其他具体实施方式中，吹气孔21的数量为多个，多个吹气孔21绕升降顶座3或升降底座4的轴线周向均布，从而使乳胶膜6与岩土体试样5全面分离，进一步提高试验操作便捷性。

另外，试样干燥腔室1连接有气体循环器22，气体循环器22能够向试样干燥腔室1内通入恒温、恒压、恒湿度以及不同速率的气体；气体循环器22利用气体循环通道23与试样干燥腔室1相连通并形成循环回路，以顺利对岩土体试样5进行干燥，同时尽可能地避免干燥用气体影响岩土体试样5的状态变化，保证试验结果准确性；试样湿化腔室2还连接有体积压力控制器24，体积压力控制器24能够向试样湿化腔室2内输送带压介质，为岩土体试样5提供稳定的围压，并记录试验参数，在本具体实施方式中，带压介质为水溶液，在本发明的其他具体实施方式中，还可以根据试验需求选择合适的带压介质。

进一步地，升降顶座3与升降底座4远离岩土体试样5的一侧均连接有旋紧螺丝25，升降顶座3和升降底座4分别与旋紧螺丝25螺纹连接，旋紧螺丝25能够使升降顶座3以及升降底座4停留在试样湿化腔室2与试样干燥腔室1的连通处。在本具体实施方式中，升降顶座3和升降底座4的外部均分别套装有O型圈27，传力杆件26与O型圈27相连，传力杆件26可滑动地设置于升降顶座3以及升降底座4内，传力杆件26远离O型圈27的一端与旋紧螺丝25传动相连，旋紧螺丝25转动可带动传力杆件26往复滑动，从而使O型圈27发生形变，使O型圈27撑开或缩紧，当O型圈27撑开时，其凸出于升降顶座3和升降底座4，使得升降顶座3或升降底座4能够卡在试样湿化腔室2与试样干燥腔室1的连通处，提高装置的结构稳定性。旋紧螺丝25可通过齿轮齿条与传力杆件26传动相连，还可以通过其他的传动机构传动相连；另外，为了提高O型圈27的受力均匀性，可设置多根传力杆件26，多根传力杆件26绕旋紧螺丝25的轴线周向均布。

还需要说明的是，在本具体实施方式中，升降顶座3与升降底座4均为阶梯状结构，升降顶座3与升降底座4靠近岩土体试样5的一端均具有定位结构，以便固定岩土体试样5，进一步提高试验操作便捷性。

另外，试样干燥腔室1与试样湿化腔室2均为圆柱状结构，试样干燥腔室1与试样湿化腔室2的侧壁均由透明材质制成，方便试验人员观察岩土体试样5在试验过程中的状态变化。

更进一步地，本发明还公开一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验方法，利用上述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，包括如下步骤：

步骤一、准备工作

使升降顶座3和升降底座4运动至试样湿化腔室2内，将岩土体试样5放置于升降顶座3与升降底座4之间，利用乳胶膜6包裹升降顶座3、岩土体试样5以及升降底座4，并使升降顶座3、岩土体试样5以及升降底座4固定并密封在试样湿化腔室2内，向试样湿化腔室2内通入带压介质以便向岩土体试样5提供围压；

步骤二、试样湿化阶段

将试验溶液20放置一定水头高度，利用溶液通道7接入乳胶膜6包裹的岩土体试样5处，试验溶液20进入岩土体试样5中并由岩土体试样5中渗出，并记录一段时间内所渗入溶液的体积以获得所述岩土体试样渗透系数；利用岩土体试样5顶部和底部的传感器片8，实时获取岩土体试样5湿化阶段的质量、含水率、体积等参数，进而根据岩土体试样5不同饱和度(如Sr＝60％、80％、99％)选择是否停止试样湿化阶段；

步骤三、试样干燥阶段

放空试样湿化腔室2内的水溶液，向岩土体试样5与乳胶膜6之间吹气使二者分离，升降顶座3和升降底座4带动岩土体试样5进入试样干燥腔室1内，向试样干燥腔室1内通入恒温、恒压、恒湿度气体，实时获取岩土体试样5干燥阶段的质量、含水率、体积等参数，进而根据岩土体试样5不同饱和度(如Sr＝40％、20％、1％)选择是否停止试样干燥阶段；

步骤四、重复上述步骤二和上述步骤三，进行干湿循环试验，直至达到目标循环次数。

除此之外，在升降顶座3与岩土体试样5之间以及升降底座4与岩土体试样5之间均设置透水石和滤纸，滤纸与岩土体试样5相抵，避免岩土体试样5在试验过程中受损质量改变影响试验结果，但是在试验进行时需考虑滤纸在不同湿度时的重量改变，避免影响试验结果准确性。

采用本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验方法进行试验时，首先将升降底座4设置在试样湿化腔室2的底部，并用升降底座4底部的旋紧螺丝25将升降底座4固定并密封住；随后将外部数据采集单元9和数据传输点10和传感器片8电连接，将两块透水石、滤纸分别以完全湿润和完全干燥的状态放置在升降底座4上，通过传感器片8获得透水石、滤纸在完全湿润和完全干燥时的质量m₁和m₂以及对应的含水率w₁和w₂，进而得到不同含水率下滤纸和透水石的质量m_w；然后将岩土体试样5上下两面均放置滤纸和透水石，随后将上面两面均含滤纸和透水石的岩土体试样5放置在升降底座4上；将乳胶膜6一端套在升降底座4两侧吹气孔21的外侧，另一端套在升降顶座3两侧吹气孔21的外侧；其次，将升降顶座3放置在试样湿化腔室2顶部，用升降顶座3顶部的旋紧螺丝25将升降顶座3固定并密封住；然后，用体积压力控制器24向试样湿化腔室2内注入水溶液并提供围压，此时由于压力的存在，乳胶膜6会紧紧贴合在岩土体试样5的外壁，乳胶膜6用于隔绝试样湿化腔室2中围压的水溶液进入岩土体试样5中影响试验；最后，试样湿化腔室2内部围压稳定后，记录压力体积控制器中的体积V₀。完成上述准备工作，即可进行干湿循环过程中试样湿化阶段试验。首先，将底部第一阀门11、底部第二阀门12、中部第一阀门13和中部第二阀门14关闭，随后将试验溶液20(含化学溶液)置于一定高度并接入底部第二阀门12上，同时将量筒19接入中部第一阀门13上；此时，打开底部第二阀门12和中部第一阀门13，使得试验溶液20(含化学溶液)通过升降底座4一侧的溶液通道7进入岩土体试样5中，随后穿过升降顶座3的溶液通道7并从中部第一阀门13流出进入量筒19中。试样湿化阶段，记录试验溶液20(含化学溶液)的水头高度H及岩土体试样5的高度h，再记录量筒19中溶液渗出速度，根据达西定律，即可得出岩土体试样5在湿化阶段的渗透系数；同时，记录体积压力控制器24中体积V_t，进而可以得出岩土体试样5湿化阶段的体积变化(V_t-V₀)；传感器片8记录湿化过程中的质量m和含水率w，减去岩土体试样5上下两面透水石、滤纸在不同含水率下的质量m_w，根据换算，即可得出岩土体试样5在试样湿化阶段的体变、质量、孔隙比、含水率及饱和度等参数。根据不同试验工况的设定，可选择岩土体试样5在不同饱和情况下完成湿化；例如，当岩土体试样5达到指定饱和度时(例如Sr＝60％、80％或99％)，即可关闭底部第二阀门12和中部第一阀门13，完成试样湿化阶段。试样湿化试验结束后，即可进行干湿循环过程中试样干燥试验。首先，将压力体积控制器中的压力设置为负，排出试样湿化腔室2中的水溶液，以达到岩土体试样5卸除围压目的；随后拆除试验溶液20(含化学溶液)、量筒19和外部数据采集单元9；通过吹气孔21使乳胶膜6远离岩土体试样5侧壁，使得岩土体试样5可以在试样湿化腔室2中无束缚上下移动；然后，将升降底座4底部和升降顶座3顶部的旋紧螺丝25调松，传力杆件26带动O型圈27收缩，进而使得升降底座4、岩土体试样5和升降顶座3向上移动至试样干燥腔室1中，并将升降底座4底部和升降顶座3顶部的旋紧螺丝25拧紧，传力杆件26带动O型圈27发生形变使其撑开并凸出于升降底座4底部和升降顶座3的侧壁，使得升降底座4、岩土体试样5和升降顶座3固定并密封在试样干燥腔室1中(如图2所示)；随后，将试样干燥腔室1底部的数据传输点10分别与外部数据采集单元9和传感器片8电连接；此时，关闭中部第一阀门13、中部第二阀门14、顶部第一阀门15和顶部第二阀门16，将气体循环器22接入气体循环通道23，使得试样干燥腔室1中具有恒温、恒压力、恒湿度的气体循环，还原现实工况中的干燥条件；干燥过程中，传感器片8实时监测记录岩土体试样5的质量、含水率、孔隙比、体积及饱和度等参数；当岩土体试样5达到指定饱和度时(例如Sr＝40％、20％或1％)，可认为岩土体试样5干燥完成；随后，将恒压气泵18接入中部第二阀门14上，将气体流量计17接入顶部第一阀门15上，开始干燥完成后的岩土体试样5气体渗透试验；最后，打开中部第二阀门14和顶部第一阀门15，采用恒压气泵18向岩土体试样5输入恒定气压P，记录气体流量计17中所监测的气体流量Q，根据稳态法气体公式得出岩土体试样5在干燥结束时对应饱和度下的气体渗透系数；试样干燥结束后，拆除恒压气泵18、气体流量计17和气体循环器24，将升降底座4底部和升降顶座3顶部的旋紧螺丝25拧松，将升降顶座3、岩土体试样5和升降底座4移动至试样湿化腔室2中，开始试样湿化阶段；以此往复，使得岩土体试样5重复进行干湿循环试验，多次循环结束后取出岩土体试样5，后续对岩土体试样5进行压汞试验(MIP)、扫描电镜(SEM)等微观结构及强度测试。采用本发明的试验方法，是一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统及方法，简单易行，一方面用于考虑岩土体非饱和状态下的干湿循环作用；另一方面用于还原实际工况条件，如化学溶液、围压、气体循环等环境；采用本发明的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统及方法，可以获取非饱和状态下的岩土体在干湿循环作用下的体变、孔隙比、含水率及气-液渗透系数等参数变化规律，能够帮助研究人员深入了解不同程度的干湿循环作用对岩/土体性能参数的变化，为涉及岩土体的设计和施工提供可靠的参数支持及理论依据。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，其特征在于，包括：

试样干燥腔室，所述试样干燥腔室内能够容纳岩土体试样，所述试样干燥腔室内设置有升降顶座，所述升降顶座可滑动地设置于所述试样干燥腔室内；所述试样干燥腔室能够对所述岩土体试样进行干燥；

试样湿化腔室，所述试样湿化腔室内能够容纳所述岩土体试样，所述试样湿化腔室内设置有升降底座，所述升降底座可滑动地设置于所述试样湿化腔室内；所述试样湿化腔室与带压介质相连通；

所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室相连通，所述升降顶座和所述升降底座能够停留在所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通处并封堵所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通通道；所述升降顶座和所述升降底座能够固定所述岩土体试样的两端，所述试样湿化腔室内还设置有乳胶膜，所述乳胶膜能够包裹所述升降顶座、所述岩土体试样以及所述升降底座并阻隔所述试样湿化腔室内的所述带压介质与所述岩土体试样直接接触，所述升降顶座和所述升降底座均具有溶液通道，所述溶液通道能够与外部环境以及所述岩土体试样相连通；所述升降顶座与所述升降底座朝向所述岩土体试样的一侧均设置有传感器片，所述传感器片能够与所述岩土体试样相抵，所述传感器片与外部数据采集单元相连，所述传感器片能够实时监测所述岩土体试样的状态参数。

2.根据权利要求1所述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，其特征在于：所述试样干燥腔室设置于所述试样湿化腔室的顶部，所述试样湿化腔室连接有底部第一阀门和底部第二阀门，所述升降底座的所述溶液通道能够与所述底部第一阀门和所述底部第二阀门相连通；所述试样干燥腔室连接有顶部第一阀门和顶部第二阀门，所述升降顶座的所述溶液通道能够与所述顶部第一阀门和所述顶部第二阀门相连通；所述试样干燥腔室与所述试样湿化腔室之间设置有中部第一阀门和中部第二阀门，所述升降底座以及所述升降顶座的所述溶液通道均分别能够与所述中部第一阀门和所述中部第二阀门相连通。

3.根据权利要求2所述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，其特征在于：所述顶部第一阀门能够与气体流量计可拆卸连接，所述中部第一阀门能够与量筒可拆卸连接，所述中部第二阀门能够与恒压气泵可拆卸连接，所述底部第二阀门能够与试验溶液相连通。

4.根据权利要求1所述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，其特征在于：所述升降顶座和所述升降底座均具有吹气孔，所述吹气孔与所述乳胶膜以及所述岩土体试样之间的腔体相连通。

5.根据权利要求4所述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，其特征在于：所述吹气孔的数量为多个，多个所述吹气孔绕所述升降顶座或所述升降底座的轴线周向均布。

6.根据权利要求1所述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，其特征在于：所述试样干燥腔室连接有气体循环器，所述气体循环器能够向所述试样干燥腔室内通入恒温、恒压、恒湿度以及不同速率的气体；所述气体循环器利用所述气体循环通道与所述试样干燥腔室相连通并形成循环回路；所述试样湿化腔室还连接有体积压力控制器，所述体积压力控制器能够向所述试样湿化腔室内输送所述带压介质。

7.根据权利要求1所述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，其特征在于：所述升降顶座与所述升降底座远离所述岩土体试样的一侧均连接有旋紧螺丝，所述升降顶座和所述升降底座分别与所述旋紧螺丝螺纹连接，所述旋紧螺丝能够使所述升降顶座以及所述升降底座停留在所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通处，所述升降顶座以及所述升降底座停留在所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通处时，所述升降顶座以及所述升降底座能够封堵所述试样湿化腔室与所述试样干燥腔室的连通通道。

8.根据权利要求1所述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，其特征在于：所述试样干燥腔室与所述试样湿化腔室均为圆柱状结构，所述试样干燥腔室与所述试样湿化腔室的侧壁均由透明材质制成。

9.一种非饱和状态下的岩土体干湿循环试验方法，利用权利要求1-8任一项所述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、准备工作

使所述升降顶座和所述升降底座运动至所述试样湿化腔室内，将所述岩土体试样放置于所述升降顶座与所述升降底座之间，利用所述乳胶膜包裹所述升降顶座、所述岩土体试样以及所述升降底座，并使所述升降顶座、所述岩土体试样以及所述升降底座固定并密封在所述试样湿化腔室内，向所述试样湿化腔室内通入带压介质以便向所述岩土体试样提供围压；

步骤二、试样湿化阶段

将试验溶液放置一定水头高度，利用所述溶液通道接入所述乳胶膜包裹的所述岩土体试样处，所述试验溶液进入所述岩土体试样中并由所述岩土体试样中渗出并记录一段时间内所渗入溶液的体积以获得所述岩土体试样渗透系数；利用所述岩土体试样底部及顶部的所述传感器片，实时获取所述岩土体试样湿化阶段的参数，进而根据所述岩土体试样不同饱和度选择是否停止试样湿化阶段；

步骤三、试样干燥阶段

放空所述试样湿化腔室内的水溶液，并向所述岩土体试样与所述乳胶膜之间吹气使二者分离，所述岩土体试样和所述升降底座带动所述岩土体试样固定并密封在所述试样干燥腔室内；向所述试样干燥腔室中通入恒温、恒压、恒湿度气体，利用所述岩土体试样底部及顶部的所述传感器片，实时获取所述岩土体试样干燥阶段的参数，进而根据所述岩土体试样不同饱和度选择是否停止试样干燥阶段；

步骤四、重复上述步骤二和上述步骤三，进行干湿循环试验，直至达到目标循环次数。

10.根据权利要求9所述的非饱和状态下的岩土体干湿循环试验方法，其特征在于：在所述升降顶座与所述岩土体试样之间以及所述升降底座与所述岩土体试样之间均设置透水石和滤纸，所述滤纸与所述岩土体试样相抵。

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