CN115078157A - 模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置及试验方法，其中，试验装置包括试验箱、储水箱和控制系统，试验箱的顶部设置安装架，安装架的中部自上而下分别设置风扇和降水喷头，降水喷头的一侧设置照明灯，试验箱的底部设置岩土试样支座,岩土试样支座包括可控升降杆、称重传感器以及安装台面,试验箱两侧设置通风孔，试验箱的内壁上设置温度传感器，控制系统分别与风扇、照明灯、水泵、可控升降杆、温度传感器以及称重传感器连接。本发明通过上述试验装置，使得干湿循环方法与工程实际中的工况符合，提高了试验结果的准确性。同时实现了岩土试样干湿循环过程的自动化，进一步提高了岩土体干湿循环试验的操作便捷度。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域,尤其涉及一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置及方法。
背景技术
自然环境下膨胀土受到降雨和干旱的影响，土的物理性质会处于一个交替变化的状态，这种交替变化的状态会对土的结构、强度、内部裂隙产生一定的影响，进而对工程的稳定性也造成了很大的影响。因此，为了解在自然界周期性降雨和蒸发作用下膨胀土工程性质的变化以及由此导致的地质灾害过程，首先需要一个模拟自然界周期性降雨和蒸发装置,而现有技术中缺乏功能全面的上述装置。
发明内容
本发明提供一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置与方法，以解决上述提到的技术问题。
一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置，包括试验箱、储水箱和控制系统，试验箱的顶部设置安装架，安装架的中部自上而下分别设置风扇和用于模拟自然降雨的降水喷头，降水喷头通过进水管与储水箱中的水泵连接，所述降水喷头的一侧设置具有取暖效果的照明灯，试验箱的底部设置岩土试样支座, 岩土试样支座包括固设于试验箱底部的可控升降杆、固设于可控升降杆上的称重传感器以及固设于称重传感器上的安装台面, 试验箱两侧设置通风孔，所述试验箱的内壁上设置温度传感器，控制系统包括控制单元,控制单元分别与风扇、照明灯、水泵、可控升降杆、温度传感器以及称重传感器连接。
优选的，所述安装台面为中部封闭且中部之外镂空的台面。
优选的，所述安装架上设置第一摄像头，所述控制单元与第一摄像头连接。
优选的，所述安装台面包括固定在称重传感器上的减速电机以及固定在减速电机输出轴上端的转盘,所述转盘中部封闭且中部之外具有网状镂空,位于安装台面上方的试验箱内壁上水平设置两个环板,两个环板形成一个环形安装卡槽,所述环形安装卡槽内可拆卸安装照相单元，照相单元包括卡入环形安装卡槽中的安装座、设于安装座上的万向臂以及设于万向臂上的第二摄像头，所述控制单元与照相单元控制连接。
优选的，所述试验箱的底部设置出水口，出水口上连接回水管，回水管的另一端密封插接在储水箱中。
优选的，所述试验箱的底部设置排水斜板，所述出水口位于排水斜板低端一侧，所述可控升降杆包括缸体和设于缸体中的推杆，所述排水斜板与可控升降杆的缸体密封固定设置。
优选的，所述试验箱具有可开闭的透明柜门，所述试验箱的侧壁上还设有保温层。
利用上述试验装置模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验方法，包括以下步骤：步骤1、将制作好的岩土试样放置在岩土试样支座上，通过控制系统控制岩土试样支座的高度，调整岩土试样支座的顶部与照明灯的距离，设定岩土试样含水率范围、干湿循环次数以及环境温度；
步骤2、对于标准体积的岩土试样通过称重传感器得到的岩土试样质量，得出岩土试样的含水率，到达预先设定的干湿循环含水率范围最小值时，打开降水喷头，使岩土试样吸水饱和，到达含水率最大值时，关闭降水喷头，打开风扇，使岩土试样干燥脱水，在整个循环过程中监测环境温度，当温度低于设定值，打开具有取暖效果的照明灯进行增温；
步骤3、达到设定的干湿循环次数后装置自动停止。
优选的，控制系统通过控制第一摄像头进行定时抓拍，实时监测岩土试样表面裂隙的变化，为定量化分析土样裂隙提供依据。
优选的，依据试验实际情况在环形安装卡槽合适位置处安装照相单元；控制照相单元，选取两个不同的高度，对随着转盘匀速旋转的对应岩土试样在相同亮度下进行连续拍摄，调整转盘的转速及第二摄像头自动拍照的速度确保每个周期至少被拍摄18张照片；然后利用图像处理软件Autodesk netfabb studio 、MATLAB等软件处理照片并构建相应的3D模型以实时观测岩土试样的体积和形状变化，获得土样胀缩及裂隙的数据，便于明确干湿循环作用下岩土体表面裂隙的开展规律，定量评价土样胀缩和裂隙的演变。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1.通过上述的应用于岩土试样干湿循环的试验装置，使得干湿循环方法与工程实际中的工况符合，提高了试验结果的准确性。同时实现了岩土试样干湿循环过程的自动化，进一步提高了岩土体干湿循环试验的操作便捷度。
2.通过第一摄像头进行录像，并定时拍照，可以实时监测岩土试样上表面裂隙的变化，可为定量化分析土样裂隙提供依据。比如利用数字图像处理技术，可以获得土样胀缩及裂隙数据，便于明确干湿循环作用下岩土体表面裂隙的开展规律，定量评价土样胀缩和裂隙的演变。
3.可控升降杆为电动推杆，方便控制。
4.安装台面为中部封闭且中部之外镂空的台面，既能防止安装台面上过多存水影响对岩土试样的称重精度，又能保护减速电机和称重传感器，避免水流直接洒向减速电机和称重传感器。
5.在环形安装卡槽合适位置处安装照相单元，可以在不同高度，对随着转盘的岩土试样在相同亮度下进行连续拍摄，然后利用图像处理软件构建相应的3D模型以实时观测岩土试样的体积和形状变化，获得土样胀缩及裂隙的数据，便于明确干湿循环作用下岩土体表面裂隙的开展规律，定量评价土样胀缩和裂隙的演变，环形安装环形安装卡槽，可以方便的将照相单元固定在试验箱内壁周向任一水平位置。
6.试验箱的底部设置出水口，出水口上连接回水管，回水管的另一端密封插接在储水箱中，可以将试验箱底部的积水回收至储水箱中。
7.试验箱的底部设置排水斜板，方便水的收集和回收。
附图说明
图1是本发明中模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置结构图。
图2是试验箱的顶部俯视图。
图3是试验箱的底部俯视图。
图4是岩土试样支座的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置，如图1-3所示，包括试验箱1、储水箱16和控制系统，试验箱的顶部设置安装架，具体的，安装架包括顶板20和通过螺栓5吊挂在顶板下方的挂架21，安装架的中部自上而下分别设置风扇4和用于模拟自然降雨的降水喷头3，降水喷头通过进水管18与储水箱16中的水泵15连接，进水管上设有第一阀门17，水泵为变频自吸泵，降水喷头的一侧设置具有取暖效果的照明灯6，本实施例中为浴霸灯，安装架上设置第一摄像头2，控制单元与第一摄像头连接。试验箱的底部设置岩土试样支座, 岩土试样支座包括固设于试验箱底部的可控升降杆13、固设于可控升降杆上的称重传感器22以及固设于称重传感器上的安装台面,安装台面包括固定在称重传感器上的减速电机19以及固定在减速电机输出轴上端的转盘9,转盘中部封闭且中部之外具有网状镂空,既能防止安装台面过多存水影响对岩土试样的称重精度，又能保护减速电机和称重传感器，避免水流直接洒向减速电机和称重传感器。位于安装台面上方的试验箱内壁上水平设置两个环板,两个环板形成一个环形安装卡槽24,环形安装卡槽内可拆卸安装照相单元23,照相单元包括卡入环形安装卡槽中的安装座、设于安装座上的万向臂以及设于万向臂上的第二摄像头，万向臂使得第二摄像头可以调节高度和拍摄角度，照相单元为现有技术，在市场上购买，此处不多赘述。试验箱两侧设置通风孔（图中未显示），试验箱的内壁上设置温度传感器8，控制系统包括控制单元,控制单元分别与风扇、照明灯、水泵、可控升降杆、温度传感器、照相单元以及称重传感器连接，本实施例中控制单元包括电脑10以及与电脑连接的控制器11，可控升降杆为电动推杆，操作更方便，箱体为具有中空夹层的两层结构，各个连接线7从中空夹层中穿线。试验箱具有可开闭的透明柜门，方便观察、放置岩土试样和安装维修，试验箱的侧壁上还设有保温层。
试验箱的底部设置出水口，出水口上连接回水管，回水管上设置第二阀门14，回水管的另一端密封插接在储水箱中，可以通过空气压力，将试验箱底部的积水回收至储水箱中。进一步的，试验箱的底部设置排水斜,12，出水口位于排水斜板低端一侧，可控升降杆包括缸体和设于缸体中的推杆，排水斜板与可控升降杆的缸体密封固定设置，方便水的收集和回收，并防止水流从缸体流入排水板下方。
在其他实施例中，安装台面为中部封闭且中部之外镂空的台面。
实施例2
利用上述实施例中的试验装置模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验方法，如图1-4所示，包括以下步骤：步骤1、将制作好的岩土试样放置在岩土试样支座上，通过控制系统控制岩土试样支座的高度，调整岩土试样支座的顶部与照明灯的距离，设定岩土试样含水率范围、干湿循环次数以及环境温度；
步骤2、对于标准体积的岩土试样通过称重传感器得到的岩土试样质量，得出岩土试样的含水率，到达预先设定的干湿循环含水率范围最小值时，打开降水喷头，使岩土试样吸水饱和，到达含水率最大值时，关闭降水喷头，打开风扇，使岩土试样干燥脱水，在整个循环过程中监测环境温度，当温度低于设定值，打开具有取暖效果的照明灯进行增温；
步骤3、达到设定的干湿循环次数后装置自动停止。
优选的，控制系统通过控制第一摄像头进行定时抓拍。
上述步骤中，依据试验实际情况在环形安装卡槽合适位置处安装照相单元；控制照相单元，选取两个不同的高度，对随着转盘匀速旋转的对应岩土试样在相同亮度下进行连续拍摄，调整转盘的转速及第二摄像头自动拍照的速度确保每个周期至少被拍摄18张照片；然后利用图像处理软件Autodesk netfabb studio 、MATLAB等软件处理照片并构建相应的3D模型以实时观测岩土试样的体积和形状变化，获得土样胀缩及裂隙的数据，便于明确干湿循环作用下岩土体表面裂隙的开展规律，定量评价土样胀缩和裂隙的演变。
本实施例的试验方法，通过上述的应用于岩土试样干湿循环的试验装置，使得干湿循环方法与工程实际中的工况符合，提高了试验结果的准确性。同时实现了岩土试样干湿循环过程的自动化，进一步提高了岩土体干湿循环试验的操作便捷度。同时，通过第一摄像头进行录像，并定时拍照，可以实时监测岩土试样上表面裂隙的变化，可为定量化分析土样裂隙提供依据。比如利用数字图像处理技术，可以获得土样胀缩及裂隙数据，便于明确干湿循环作用下岩土体表面裂隙的开展规律，定量评价土样胀缩和裂隙的演变。
在环形安装卡槽合适位置处安装照相单元，可以在不同高度，对随着转盘的岩土试样在相同亮度下进行连续拍摄，然后利用图像处理软件构建相应的3D模型以实时观测岩土试样的体积和形状变化，获得土样胀缩及裂隙的数据，便于明确干湿循环作用下岩土体表面裂隙的开展规律，定量评价土样胀缩和裂隙的演变。
Claims (10)
1.一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置，其特征在于：包括试验箱、储水箱和控制系统，试验箱的顶部设置安装架，安装架的中部自上而下分别设置风扇和用于模拟自然降雨的降水喷头，降水喷头通过进水管与储水箱中的水泵连接，所述降水喷头的一侧设置具有取暖效果的照明灯，试验箱的底部设置岩土试样支座, 岩土试样支座包括固设于试验箱底部的可控升降杆、固设于可控升降杆上的称重传感器以及固设于称重传感器上的安装台面, 试验箱两侧设置通风孔，所述试验箱的内壁上设置温度传感器，控制系统包括控制单元,控制单元分别与风扇、照明灯、水泵、可控升降杆、温度传感器以及称重传感器连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置，其特征在于：所述安装台面为中部封闭且中部之外镂空的台面。
3.根据权利要求1所述的一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置，其特征在于：所述安装架上设置第一摄像头，所述控制单元与第一摄像头连接。
4.根据权利要求3所述的一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置，其特征在于：所述安装台面包括固定在称重传感器上的减速电机以及固定在减速电机输出轴上端的转盘,所述转盘中部封闭且中部之外具有网状镂空,位于安装台面上方的试验箱内壁上水平设置两个环板,两个环板形成一个环形安装卡槽,所述环形安装卡槽内可拆卸安装照相单元,照相单元包括卡入环形安装卡槽中的安装座、设于安装座上的万向臂以及设于万向臂上的第二摄像头，所述控制单元与照相单元控制连接。
5.根据权利要求4所述的一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置，其特征在于：所述试验箱的底部设置出水口，出水口上连接回水管，回水管的另一端密封插接在储水箱中。
6.根据权利要求5所述的一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置，其特征在于：所述试验箱的底部设置排水斜板，所述出水口位于排水斜板低端一侧，所述可控升降杆包括缸体和设于缸体中的推杆，所述排水斜板与可控升降杆的缸体密封固定设置。
7.根据权利要求6所述的一种模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验装置，其特征在于：所述试验箱具有可开闭的透明柜门，所述试验箱的侧壁上还设有保温层。
8.利用权利要求1-7所述的试验装置模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、将制作好的岩土试样放置在岩土试样支座上，通过控制系统控制岩土试样支座的高度，调整岩土试样支座的顶部与照明灯的距离，设定岩土试样含水率范围、干湿循环次数以及环境温度；
步骤2、对于标准体积的岩土试样通过称重传感器得到的岩土试样质量，得出岩土试样的含水率，到达预先设定的干湿循环含水率范围最小值时，打开降水喷头，使岩土试样吸水饱和，到达含水率最大值时，关闭降水喷头，打开风扇，使岩土试样干燥脱水，在整个循环过程中监测环境温度，当温度低于设定值，打开具有取暖效果的照明灯进行增温；
步骤3、达到设定的干湿循环次数后装置自动停止。
9.根据权利要求8所述的模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验方法，其特征在于：控制系统通过控制第一摄像头进行定时抓拍，实时监测岩土试样表面裂隙的变化，为定量化分析土样裂隙提供依据。
10.根据权利要求9所述的模拟自然环境下岩土试样干湿循环过程的试验方法，其特征在于：依据试验实际情况在环形安装卡槽合适位置处安装照相单元；控制照相单元，选取两个不同的高度，对随着转盘匀速旋转的对应岩土试样在相同亮度下进行连续拍摄，调整转盘的转速及第二摄像头自动拍照的速度确保每个周期至少被拍摄18张照片；然后利用图像处理软件处理照片并构建相应的3D模型以实时观测岩土试样的体积和形状变化，获得土样胀缩及裂隙的数据，便于明确干湿循环作用下岩土体表面裂隙的开展规律，定量评价土样胀缩和裂隙的演变。
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|---|---|---|---|---|
| CN115326648A (zh) * | 2022-10-13 | 2022-11-11 | 海南浙江大学研究院 | 一种模拟岩土颗粒运移规律的装置及方法 |
| CN116140335A (zh) * | 2023-02-09 | 2023-05-23 | 昆明理工大学 | 一种利用中低温余热强化煤矸石风化成土的方法 |
| CN116735379A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-12 | 福建省地质工程勘察院 | 实现大粒径岩土体现场干湿循环的试验结构及其试验方法 |
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2022
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