CN115561124A - 模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法 - Google Patents

模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法 Download PDF

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CN115561124A CN202211206620.1A CN202211206620A CN115561124A CN 115561124 A CN115561124 A CN 115561124A CN 202211206620 A CN202211206620 A CN 202211206620A CN 115561124 A CN115561124 A CN 115561124A
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Abstract

本发明公开了一种模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法，装置包括试样筒，试样设在试样筒内；轴压加载组件的加载端设在试样筒的上方，对试样施加轴压；干湿循环组件设在试样筒外围，对试样进行干湿循环试验；干湿循环组件包括加热筒，加热筒套设在试样筒外，两者之间形成储水腔；热风源的出风口与试样筒的底端内部连通，对试样进行动态热气流烘干；循环保水装置的出水端与试样筒的底端内部连通，循环保水装置的进水端与加热筒的顶端连通，水流从试样筒底部进入，对试样进行动态饱水，然后从试样筒顶部流出进入储水腔，再通过加热筒与循环保水装置连通的管路回流，实现了动态水流吸湿、通风脱湿。

Description

模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的 试验装置及方法
技术领域
本发明属于膨胀土在有荷饱和环境中的渗流作用模拟技术领域，涉及一种模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法。
背景技术
填土路基变形失稳是膨胀土地区公路、铁路建设中常见的一种地质灾害，往往带来严重的工程、经济损失和生态环境破坏。膨胀土的胀缩性对工程的影响很大，土体的膨胀和收缩不仅降低了土体的强度，而且会引起土体变形，导致结构物发生破坏，比如由膨胀土所组成的斜坡常因土体的膨胀发生滑坡，给工程带来危害。因此，研究膨胀土的胀缩性在工程实践中有重要意义。在工程施工中，建造在含水量保持不变的膨胀土上的构造物不会遭受由胀缩而引起的破坏，但当土的含水量发生变化时，立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀，仅1％～2％的量值就足以引起有害的膨胀。深入了解膨胀土的胀缩特性是解决由膨胀土胀缩导致的工程问题的关键，而膨胀土的胀缩性受其固结程度和干湿循环变化情况的影响很大，所以研究不同干湿循环条件下膨胀土的胀缩是了解膨胀土胀缩性的关键。
常规干湿循环中环刀样加载方式为在环刀样上下各放一块透水石，再施加荷载，但膨胀土具有吸湿微膨胀性和脱湿收缩的特性，吸湿和脱湿时，土体在荷载作用下产生一定变形时，荷载直接作用在环刀口上而不是土体本身，更多的力由环刀口承担。公开号为CN113514628A的发明专利公开了一种细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验装置及其试验方法，其虽然也是直接对试样进行竖向荷载加载，但这种加载方式需要用到伺服加压装置和各种传感器等设备，造价高且降低了试验效率。
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，这样会反复扰动试样，损伤试样整体结构，造成试样表层松散、脱落。杨和平,张锐,郑健龙.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律[J].岩土工程学报,2006(11):1936-1941采用的模拟干湿循环试验装置，能够在一个试验装置里进行整个干湿循环过程，此装置通过浴霸进行干燥脱湿，静水浸泡进行吸湿，但该装置的干燥和脱湿的方式与实际干湿循环过程中在动态水作用下吸湿、在通风环境下干燥脱湿有一定差异，测量得到的数据可能会与实际情况有较大的差距。
在实际的降雨环境中需要充分考虑雨水的冲蚀和淋滤，尤其是极端降雨条件下这种作用会变得特别明显。土体的吸湿饱和是一个动态水流入渗的过程，如果在进行干湿循环试验时不考虑雨水的冲蚀和淋滤作用，会使试验结果和实际情况相差甚远。而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模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法，以解决现有模拟干湿循环和降雨入渗下土体胀缩变形的试验装置试验效率低、成本高、干燥和脱湿方式与实际干湿循环过程存在差异以及模拟的降雨入渗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：模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，包括：
试样筒，试样设置在试样筒内；
轴压加载组件，轴压加载组件的加载端设置在试样筒的上方，对试样筒内的试样施加轴压；
干湿循环组件，干湿循环组件设置在试样筒外围，对试样进行干湿循环试验；
其中，干湿循环组件包括：
加热筒，加热筒套设在试样筒的外围，且加热筒和试样筒相距一定间隔设置形成储水腔；
热风源，热风源的出风口与试样筒的底端内部连通，对试样进行动态热气流烘干；
循环保水装置，循环保水装置的出水端与试样筒的底端内部连通，循环保水装置的进水端与加热筒的顶端连通，水流从试样筒底部进入，对试样进行动态饱水，然后从试样筒顶部流出进入储水腔，再通过加热筒与循环保水装置连通的管路回流。
本发明实施例所采用的另一技术方案是：模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验方法，采用如上所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，具体步骤如下：
步骤S1、检查模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置各部分可用后进行组装，在试样筒和加热筒与水溶液接触的地方抹防酸腐蚀涂层，并动作加热筒侧面的每个鼓风口上的圆形盖，密封关闭每个鼓风口；
步骤S2、在试样筒的内侧底部布置下透水石，将制备的试样置于下透水石上，再在试样上部布置多孔承压板；使轴压加载组件的加载竖杆与多孔承压板接触，并施加2~3kPa压力进行预压，使试样筒内各部分接触，并记录刻度千分表的初始读数K0s；
步骤S3、设置好轴压加载组件的加载量，以模拟土层不同深度位置受力状态；
步骤S4、通过蠕动泵控制溶液流速，使溶液从进水口流入试样筒并从加热筒的出水口回流至溶液箱，形成动态水流循环以模拟降雨环境下不同降雨强度情况；
步骤S5、调整高清摄像头的位置，每间隔一定时间对试样的上部和侧部表面进行拍照；实时观测刻度千分表的数据变化，每间隔一定时间记录一次刻度千分表的数据；当试样膨胀稳定时结束吸湿试验，通过蠕动泵将溶液排出，并记录结束吸湿试验时刻度千分表的数据Kts，Kts为试样在设置的竖向荷载P作用下达到膨胀稳定时的膨胀量，并按照下述公式计算试样的竖向有荷膨胀率
Figure DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，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刻度千分表的读数，Kps为设置的竖向荷载P作用下多孔承压板、加载竖杆、刻度千分表对试样的压缩变形量；
步骤S6、动作加热筒侧面的每个圆形盖，打开每个鼓风口，将每个鼓风口与对应的第二鼓风机连接，并将进水口与第一鼓风口连接，通过干湿循环组件的第一鼓风控制器和第二鼓风控制器调节第一鼓风机和第二鼓风机输出的热气流的温度与流量，向试样筒和加热筒内吹送热气流，对试样进行脱湿处理，加热过程中，按原有设定读数频率持续记录刻度千分表的读数，并根据试验设计的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S7、重复步骤S4~S6，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变形试验。
本发明实施例的有益效果是：
1.通过加载梁直接对环刀试样上部的多孔承压板进行加载，多孔承压板嵌入环刀中且宽度与试样一致，因此可以模拟不同荷载深度下的土体在有侧限情况下的受力情况，且荷载不会被环刀口分担，加载方式利用了杠杆原理，悬挂砝码形成力臂进行加载，可通过改变砝码质量来调整荷载，这样的加载方式具有加载灵活、简单便捷、造价低、可实现多组试样同时加载和提高试验效率等优点，解决了解决现有模拟干湿循环和降雨入渗下土体胀缩变形的试验装置试验效率低、成本高的问题；
2.采用试样筒和加热筒组合的方式，且试样筒和加热筒上安装的第一鼓风机和第二鼓风机能对试样进行不同方位的鼓风干燥，达到了加热筒与试样筒形成储水腔的同时，又对试样进行了多方位的鼓风加热干燥，实现了在动态水流环境下进行吸湿，在通风环境下进行多方位脱湿，干湿循环过程更加接近实际情况，使得试验结果更加真实、准确，解决了现有模拟干湿循环和降雨入渗下土体胀缩变形的试验装置干燥和脱湿方式与实际干湿循环过程存在差异的问题；
3.能够通过动态水流进出试样筒来模拟降雨入渗过程中对土体的冲刷与淋滤作用，并且采用了从底部进水、从上部出水的渗流方式，有利于水流对试样的渗透更加均匀，提高土体饱和的效率，解决了静态水饱和方法中离子交换、水土化学相互作用较弱导致模拟的降雨入渗与真实过程不符的问题，对降雨入渗作用下膨胀土填土路基变形失稳的研究具有重大意义；
4.整个干湿循环过程在试样筒和加热筒内完成，解决了以往模拟干湿循环环境中反复扰动土样的问题；此外，能够在每次干湿循环过程完成后通过加载装置上的刻度千分表测量土样的变形，得到在真实环境下试样的固结胀缩变形，且使用方法简单便捷，能够同时进行多组试验，是对有荷膨胀率试验方法的改进和对后续直剪试验、三轴试验等试验的优化；
5.在干湿循环过程中，土体失水收缩变形会使试样表面产生裂隙，在装置的上方和侧方设置了高清摄像头来拍摄试样的表面裂隙图片，通过数字图像处理技术实时监测并定量分析膨胀土表面裂隙演变过程，补充了对膨胀土在干燥收缩变形过程裂隙发育的动态观测，既能测胀缩变形，又能探究在脱湿过程中膨胀土的裂隙发育形态演化规律，从而实现了动态吸水过程膨胀变形测量，失水过程收缩裂隙发育观测。
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是本发明实施例的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置的结构示意图。
图2是本发明实施例的试样筒组件的结构示意图。
图3是本发明实施例的加热组件的结构示意图。
图4是本发明实施例的加热组件和试样筒组件的组合示意图。
图中，1.试验台，2.加载支架，3.水平梁，4.刻度千分表，5.砝码，6.加载竖杆，7.进水管路，8.蠕动泵，9.出水管路，10.溶液箱，11.渗透膜，12.多孔承压板，13.高清摄像头，14.试样筒，15.下透水石，16.进水口，17.圆形孔，18.出风管，19.出水口，20.第一鼓风控制器，21.加热筒，22.多孔盖板，23.第二鼓风控制器。
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
本实施例提供一种模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形试验装置，如图1所示，包括：
试样筒14，试样设置在试样筒14内；
轴压加载组件，轴压加载组件的加载端设置在试样筒14的上方，对试样施加轴压；
干湿循环组件，干湿循环组件设置在试样筒14外围，对试样进行干湿循环试验；
其中，干湿循环组件包括：
加热筒21，加热筒21套设在试样筒14的外围，且加热筒21和试样筒14相距一定间隔设置形成储水腔；
热风源，热风源的出风口与试样筒14的底端内部连通，对试样进行动态热气流烘干；
循环保水装置，循环保水装置的出水端与试样筒14的底端内部连通，循环保水装置的进水端与加热筒21的顶端连通，水流从试样筒14底部进入其内部，对试样进行动态饱水，然后从试样筒14顶部流出进入储水腔，再通过加热筒21与循环保水装置连通的管路回流。
在一些实施例中，还包括试验台1，试验台1上开设有多个圆形凹槽，每个圆形凹槽内均设置有一组试样筒14和加热筒21，试验台1的台面上还设置有多个轴压加载组件，多个轴压加载组件与多圆形凹槽内的试样筒14一一对应设置。
在一些实施例中，如图2所示，试样筒14为圆柱形结构，其上侧为无侧限设计，其内侧设有用于固定环刀的卡槽，试样筒14内设置有多孔承压板12和下透水石15，多孔承压板12位于试样上部并与试样一起堆叠安置在环刀口内，且多孔承压板12宽度与试样一致，下透水石15置于试样和试样筒14底部，试样筒14底部中心位置设置有锥形的进水口16，进水口16设计为锥形，可以防止水流较大时对试样筒14的底部造成局部冲刷。
在一些实施例中，热风源包括第一鼓风机，在模拟降雨入渗时，试样筒14通过进水口16与循环保水装置连接；在烘干试样时，即在吸湿过程结束并排空管道内的水后，将进水口16与第一鼓风机的出风口连接，第一鼓风机向进水口16供热气流，第一鼓风机输出的热气流从进水口16进入并从多孔承压板12排出，对试样进行动态鼓风干燥，第一鼓风机上设置有第一鼓风控制器20，第一鼓风控制器20用于控制第一鼓风机向进水口16输送的热气流的温度和风速。
在一些实施例中，试样筒14、加热筒21和多孔承压板12均为透明材质，以便观察试验进程和试样状态。
在一些实施例中，热风源包括第二鼓风机，如图3所示，加热筒21的中间位置设置有至少两个均匀分布在其侧面并与储水腔连通的鼓风口，每个鼓风口上设置有圆形盖，通过动作圆形盖打开/密封闭合每个鼓风口；在模拟降雨入渗时，通过动作圆形盖密封闭合每个鼓风口；在烘干试样时，通过动作圆形盖打开每个鼓风口，并将每个鼓风口与对应的第二鼓风机的出风口连接，使得第二鼓风机输出的热气流从鼓风口进入并从加热筒21顶部排出，对试样侧面进行干燥。
在一些实施例中，加热筒21为圆柱形筒，其顶部设置多孔盖板22，多孔盖板22上均匀设有多个出风管18；第二鼓风机输出的热气流从鼓风口进入并从出风管18排出，对试样侧面进行干燥。
试样筒14内的热气流从多孔承压板12排至加热筒21内，加热筒21内的热气流从多孔盖板22上的出风管18排出，在装置内形成动态热气流烘干试样。多方位同时鼓风干燥试样，提高烘干效率，同时，由于实际干燥过程中，土样所受到的动态热气流不是固定单方向的，而是不同方位的，因此，本实施例从不同方位对试样进行动态鼓风干燥，能够更加真实的模拟实际干燥环境。
在一些实施例中，每个第二鼓风机上设置有第二鼓风控制器23，第二鼓风控制器23用于控制第二鼓风机向对应鼓风口输送的热空气的温度和风速。
在一些实施例中，多孔盖板22的中间设有用于使轴压加载组件的加载端通过的圆形孔17，加热筒21的侧面上部设置有出水口19，出水口19低于试样筒14的顶部设置，出水口19与循环保水装置连接。
在一些实施例中，由于加载的过程中会使试样部分溶解，因此在加热筒21的出水口19处设置有渗透膜11，过滤固体颗粒。
在一些实施例中，如图4所示，加热筒21与试样筒14之间间隔2cm，既不会让加热筒21与试样筒14之间形成的储水腔过大导致水循环时间增加，也不会因为距离过近使储水腔储水能力过小导致水循环速度过快，进而导致储水腔的水位溢过出水口影响动态水循环，且避免在鼓风干燥时导致储水腔气压过大。
在一些实施例中，如图1所示，轴压加载组件包括加载支架2、水平梁3和加载竖杆6，加载支架2固定在试验台1上，水平梁3一端与加载支架2铰接形成杠杆结构，水平梁3另一端连接有用于挂载配重砝码5的吊绳，水平梁3的中部设置有加载竖杆6，加载竖杆6竖直穿过水平梁3并与水平梁3固定连接，具体的，为方便连接，可设置加载竖杆6与水平梁3螺纹连接，加载竖杆6穿过加热筒21顶部的圆形孔17与位于试样筒14内、试样顶部的多孔承压板12接触。
在一些实施例中，还设置有数据采集装置，数据采集装置包括刻度千分表4和高清摄像头13；刻度千分表4与加载支架2固定连接，且刻度千分表4竖直设置于加载竖杆6的上方，其指针端部与加载竖杆6上方的水平梁3相接触；高清摄像头13设置在试样筒14和加热筒21的上方和侧方，试样筒14和加热筒21上方的高清摄像头13通过多段式可调节支架与试验台1上的门框式支架滑动连接，侧方的高清摄像头13通过竖直支架安装在试验台1上，具体的，竖直支架安装在试验台1上的滑槽内并可在该滑槽内移动，方便调节高清摄像头13到需要观测拍摄的位置。
在一些实施例中，如图1所示，循环饱水装置包括溶液箱10、进水管路7和出水管路9，溶液箱10的底部通过进水管路7与试样筒14底部的进水口16相接，溶液箱10的顶部通过出水管路9与加热筒21的出水口19相接形成水流循环，进水管路7上设置有蠕动泵8，蠕动泵8用来控制水流。
实施例2
本实施例提供一种模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验方法，采用实施例1的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，具体步骤如下：
步骤S1、检查模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置各部分可用后进行组装，在试样筒14和加热筒21与水溶液接触的地方抹防酸腐蚀涂层，并动作加热筒21侧面的每个鼓风口上的圆形盖，密封关闭每个鼓风口；再按照试样筒14的形状、尺寸切取原状土样作为试验用试样，本实施例根据试验类型不同，配置有常规环刀试样（Φ61.8mm*H20mm）、三轴试样（Φ39.1mm*H80mm）、核磁共振样品（Φ25 mm*H50 mm）的三种试样筒14；
步骤S2、在试样筒14的内侧底部布置下透水石15，将制备的试样置于下透水石15上，再在试样上部布置多孔承压板12；使轴压加载组件的加载竖杆6与多孔承压板12接触，并施加2~3kPa压力进行预压，使试样筒14内各部分接触，并记录刻度千分表4的初始读数K0s；施加2~3kPa压力进行预压，试样筒14内各部分接触，主要是为了消除试样筒14内各部分与试样间的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、设置好轴压加载组件的加载量，以模拟土层不同深度位置受力状态；
步骤S4、通过蠕动泵8控制溶液流速，使溶液从进水口16流入试样筒14并从加热筒21的出水口19流出后回流至溶液箱10，形成动态水流循环以模拟降雨环境下不同降雨强度情况；
步骤S5、调整高清摄像头13的位置，每间隔一定时间对试样的上部和侧部表面进行拍照；实时观测刻度千分表4的数据变化，每间隔一定时间记录一次刻度千分表4的数据，当试样膨胀稳定时结束吸湿试验，通过蠕动泵8将溶液排出；记录结束吸湿试验时刻度千分表4的数据Kts，Kts为试样在设置的竖向荷载P作用下达到膨胀稳定时的膨胀量，随后，按照下述公式计算试样的竖向有荷膨胀率
Figure 128852DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 705327DEST_PATH_IMAGE002
；
其中， 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刻度千分表4的读数，Kps为设置的竖向荷载P作用下多孔承压板12、加载竖杆6、刻度千分表4对试样的压缩变形量；
步骤S6、动作加热筒21侧面的每个圆形盖，打开每个鼓风口，将每个鼓风口与对应的第二鼓风机连接，并将进水口16与第一鼓风口连接，通过干湿循环组件的第一鼓风控制器20和第二鼓风控制器23调节第一鼓风机和第二鼓风机输出的热气流的温度与流量，向试样筒14和加热筒21内吹送热气流，对试样进行脱湿处理，加热过程中，按原有设定读数频率持续记录刻度千分表4的读数，并根据试验设计的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S7、重复步骤S4~S6，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变形试验，并将高清摄像头13拍下的试样表面图片进行数字图像处理，分析膨胀土在脱湿过程中表面裂隙演变过程；
步骤S8、将试验完成的试样与环刀一起取出并脱模，换新试样后重复步骤S2~S7，根据试验方案重新调整竖向荷载P大小、水流的速度和溶液pH值，获取不同试验条件下试样的湿胀变形规律。
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 (10)

1.模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，包括：
用于放置试样的试样筒（14）；
用于对试样施加轴压的轴压加载组件，轴压加载组件的加载端设置在试样筒（14）的上方；
用于对试样进行干湿循环试验的干湿循环组件，干湿循环组件设置在试样筒（14）外围；
其中，所述干湿循环组件包括：
加热筒（21），加热筒（21）套设在试样筒（14）的外围，且加热筒（21）和试样筒（14）相距一定间隔设置形成储水腔；
热风源，热风源的出风口与试样筒（14）的底端内部连通，对试样进行动态热气流烘干；
循环保水装置，循环保水装置的出水端与试样筒（14）的底端内部连通，循环保水装置的进水端与加热筒（21）的顶端连通，水流从试样筒（14）底部进入，对试样进行动态饱水，然后从试样筒（14）顶部流出进入储水腔，再通过加热筒（21）与循环保水装置连通的管路回流。
2.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述试样筒（14）底部中心位置设置有锥形的进水口（16），在模拟降雨入渗时，试样筒（14）通过进水口（16）与循环保水装置连接；在烘干试样时，进水口（16）与第一鼓风机的出风口连接；
试样筒（14）为圆柱形结构，其上侧为无侧限设计，其内侧设有用于固定环刀的卡槽，多孔承压板（12）位于试样上部并与试样一起堆叠安置在环刀口内，且多孔承压板（12）宽度与试样一致，下透水石（15）置于试样和试样筒（14）底部；
在烘干试样时，第一鼓风机输出的热气流从进水口（16）进入并从多孔承压板（12）排出，对试样进行动态鼓风干燥；
第一鼓风机上设置有第一鼓风控制器（20），第一鼓风控制器（20）用于控制第一鼓风机向进水口（16）输送的热气流的温度和风速。
3.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述加热筒（21）的中间位置设置有至少两个均匀分布在其侧面并与储水腔连通的鼓风口，每个鼓风口上设置有圆形盖，通过动作圆形盖打开/密封闭合每个鼓风口；在模拟降雨入渗时，通过动作圆形盖密封闭合每个鼓风口；在烘干试样时，通过动作圆形盖打开每个鼓风口，并将每个鼓风口与对应的第二鼓风机的出风口连接，第二鼓风机输出的热气流从鼓风口进入并从加热筒（21）顶部排出，对试样侧面进行干燥。
4.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述加热筒（21）为圆柱形筒，其顶部设置有多孔盖板（22），多孔盖板（22）上均匀设有多个出风管（18），在烘干试样时，第二鼓风机输出的热气流从鼓风口进入并从出风管（18）排出，对试样侧面进行干燥；
多孔盖板（22）的中间设有用于使轴压加载组件的加载端通过的圆形孔（17），加热筒（21）的侧面上部设置有出水口（19），出水口（19）低于试样筒（14）的顶部设置，出水口（19）与循环保水装置连接。
5.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述加热筒（21）的出水口（19）处设置有渗透膜（11），过滤固体颗粒；
每个第二鼓风机上设置有第二鼓风控制器（23），第二鼓风控制器（23）用于控制第二鼓风机向对应鼓风口输送的热空气的温度和风速。
6.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述轴压加载组件包括加载支架（2）、水平梁（3）和加载竖杆（6），加载支架（2）固定在试验台（1）上，水平梁（3）一端与加载支架（2）铰接形成杠杆结构，水平梁（3）另一端连接有用于挂载配重砝码（5）的吊绳，水平梁（3）的中部设置有加载竖杆（6），加载竖杆（6）竖直穿过水平梁（3）并与水平梁（3）固定连接，加载竖杆（6）穿过加热筒（21）顶部的圆形孔（17）与位于试样筒（14）内、试样顶部的多孔承压板（12）接触。
7.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，还设置有数据采集装置，数据采集装置包括：
刻度千分表（4），刻度千分表（4）与加载支架（2）固定连接，且刻度千分表（4）竖直设置于加载竖杆（6）的上方，其指针端部与加载竖杆（6）上方的水平梁（3）相接触；
高清摄像头（13），高清摄像头（13）设置在试样筒（14）和加热筒（21）的上方和侧方；
试样筒（14）和加热筒（21）上方的高清摄像头（13）通过多段式可调节支架与试验台（1）上的门框式支架滑动连接，试样筒（14）和加热筒（21）侧方的高清摄像头（13）通过竖直支架安装在试验台（1）上，竖直支架与试验台（1）滑动连接。
8.根据权利要求1~7任一项所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述循环饱水装置包括溶液箱（10）、进水管路（7）和出水管路（9），溶液箱（10）底部通过进水管路（7）与试样筒（14）底部的进水口（16）相接，溶液箱（10）顶部通过出水管路（9）与加热筒（21）的出水口（19）相接，进水管路（7）上设置有蠕动泵（8）。
9.模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验方法，其特征在于，采用权利要求1~7任一项所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，具体步骤如下：
步骤S1、检查模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置各部分可用后进行组装，在试样筒（14）和加热筒（21）与水溶液接触的地方抹防酸腐蚀涂层，并动作加热筒（21）侧面的每个鼓风口上的圆形盖，密封关闭每个鼓风口；
步骤S2、在试样筒（14）的内侧底部布置下透水石（15），将制备的试样置于下透水石（15）上，再在试样上部布置多孔承压板（12）；使轴压加载组件的加载竖杆（6）与多孔承压板（12）接触，并施加2~3kPa压力进行预压，使试样筒（14）内各部分接触，并记录刻度千分表（4）的初始读数K0s；
步骤S3、设置好轴压加载组件的加载量，以模拟土层不同深度位置受力状态；
步骤S4、通过蠕动泵（8）控制溶液流速，使溶液从进水口（16）流入试样筒（14）并从加热筒（21）的出水口（19）回流至溶液箱（10），形成动态水流循环以模拟降雨环境下不同降雨强度情况；
步骤S5、调整高清摄像头（13）的位置，每间隔一定时间对试样的上部和侧部表面进行拍照；实时观测刻度千分表（4）的数据变化，每间隔一定时间记录一次刻度千分表（4）的数据；当试样膨胀稳定时结束吸湿试验，通过蠕动泵（8）将溶液排出，并记录结束吸湿试验时刻度千分表（4）的数据Kts，Kts为试样在设置的竖向荷载P作用下达到膨胀稳定时的膨胀量，并按照下述公式计算试样的竖向有荷膨胀率
Figure 401669DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，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刻度千分表（4）的读数，Kps为设置的竖向荷载P作用下多孔承压板（12）、加载竖杆（6）、刻度千分表（4）对试样的压缩变形量；
步骤S6、动作加热筒（21）侧面的每个圆形盖，打开每个鼓风口，将每个鼓风口与对应的第二鼓风机连接，并将进水口（16）与第一鼓风口连接，通过干湿循环组件的第一鼓风控制器（20）和第二鼓风控制器（23）调节第一鼓风机和第二鼓风机输出的热气流的温度与流量，向试样筒（14）和加热筒（21）内吹送热气流，对试样进行脱湿处理，加热过程中，按原有设定读数频率持续记录刻度千分表（4）的读数，并根据试验设计的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S7、重复步骤S4~S6，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变形试验。
10.根据权利要求9所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验方法，其特征在于，步骤S7完成湿干循环环境下的湿胀变形试验后，将高清摄像头（13）拍下的试样表面图片进行数字图像处理，分析膨胀土在脱湿过程中表面裂隙演变过程；
步骤S7成湿干循环环境下的湿胀变形试验后，将试验完成的试样与环刀一起取出并脱模，换新试样后重复步骤S2~S7，根据试验方案重新调整竖向荷载P大小、水流的速度和溶液pH值，获取不同试验条件下试样的湿胀变形规律。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

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