CN115931675B - 一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种岩土体温度‑渗流‑沉降可视化观测试验系统和方法。系统包括恒温箱、渗流柱、冷浴液循环装置、渗流加载装置、集液装置和数据采集装置；恒温箱内设有升降组件，恒温箱内壁上设有第一液位传感器、第一温度传感器和多个摄像头；冷浴液循环装置与恒温箱相连通并构成循环回路；渗流加载装置的双泵循环柱塞泵的出口端通过进液管与渗流柱的进液口相连通；水箱内的渗透液采用染料或同位素材料进行标记；集液装置包括集液筒和电子称，集液筒通过渗流管与渗流柱的出液口相连通；渗流柱的进液口设置有压力计；数据采集装置与第一温度传感器、多个摄像头、电子称和压力计电连接。本发明实现岩土体多方位沉降变形、渗流路径和冰体消融可视化观测。
Description
技术领域
本发明涉及岩土体渗流技术领域，尤其涉及一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统和方法。
背景技术
降雨、融冰释水渗流是诱发岩土体边坡失稳的重要因素，在实际的渗流过程中，岩土工程往往存在着显著的环境温度特点，从而使得岩土体的力学与渗流特征在常规的常温分析理论中难以精准体现。由于同时考虑温度变化和水力耦合的岩土体参数变化，现有的岩土体温度-渗流耦合特征研究往往借助于模拟手段，少数岩土体室内渗流实验采用温度控制系统来控制所需环境温度条件。
一方面，常规岩土体渗流室内试验采用通过控制空气温度变化改变试样环境温度，其气体敏感度和试样接触性较差，且极易与外界空气混合，导致温度大幅度快速变化，难以确保高低温环境下的恒温效果。常规水浴锅主要用于实验室中温渍化学药品或生物制品，采用的冷浴液集制冷和渗透为一体，且水浴锅内的水为静止状态，无法产生水体循环流动，从而导致水浴锅内局部水的温差过低，且无法灵活改变实验所需渗透液与所需温度，以贴合实际的渗流工程情况。
另一方面，考虑到传统渗流实验的加载方式简单，主要以恒流形式对岩土体进行渗流，此类加载方式主要采用控制入流速度，难以控制室内渗流实验岩土体的注入压力，而对于实际岩土体在固定水头高度产生流体流动情况所需的恒定水头压力方式无法精准体现。因此，模拟岩土体渗流室内试验开展，需要完善恒压与恒流加载条件。
此外，由于实际渗流过程的多样性与复杂性，岩土体中实际流体的流动方向与颗粒的迁移方向具有多变性。研究在渗流过程引起的岩体力学性质及冰体消融特征的细观改变，是研究冻岩多场耦合的重要特征之一，但目前国内外研究主要依靠试验结果数据，难以观测其剪切及渗流过程中的特征演化。目前在传统的渗流试验研究中，因其试验介质的不透明，难以深刻认识渗流驱动下岩土体的力学与渗流特征演化机制，不能实现内部岩土体式样的三维渗流过程可视化监测与图像采集，难以准确刻画岩土体渗流与力学特征。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统和方法。
本发明的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，包括恒温箱、渗流柱、冷浴液循环装置、渗流加载装置、集液装置和数据采集装置；
所述恒温箱内设有升降组件，所述渗流柱放置在所述升降组件上，所述恒温箱内壁上设有第一液位传感器、第一温度传感器和多个摄像头；
所述冷浴液循环装置通过循环管路与所述恒温箱相连通并构成循环回路，向恒温箱提供恒温水浴环境，所述冷浴液循环装置的冷浴液为无色透明冷浴液；
所述渗流加载装置包括水箱和双泵循环柱塞泵，所述双泵循环柱塞泵的进口端与所述水箱内部相连通，所述双泵循环柱塞泵的出口端通过进液管与所述渗流柱的进液口相连通；所述水箱内的渗透液采用染料或同位素材料进行标记；
所述集液装置包括集液筒和电子称，所述集液筒放置在所述电子称上，所述集液筒通过渗流管与所述渗流柱的出液口相连通；
所述渗流柱的进液口设置有压力计；
所述渗流柱为透明无色渗流柱；
所述数据采集装置与所述第一温度传感器、多个摄像头、电子称和压力计电连接。
进一步的，所述冷浴液循环装置包括箱体、循环电机、加热组件、第二温度传感器、第二液位传感器、温度显示器和第一控制器，所述循环电机、加热组件、第二温度传感器、第二液位传感器均设置在所述箱体内，且均与所述第一控制器电连接，所述温度显示器设置在所述箱体外，且与所述第一控制器电连接；所述箱体与所述恒温箱通过所述循环管路相连通，所述循环电机与所述循环管路相连通，以使得温水在箱体与所述恒温箱之间循环。
进一步的，所述集液装置还包括透明防护罩，所述透明防护罩罩设在所述集液筒和电子称外。
进一步的，所述恒温箱包括箱身和箱盖，所述箱盖设有透明观测区。
进一步的，所述箱盖内壁设有环形灯带和反光板。
进一步的，所述升降组件包括升降机和固定在所述升降机上的升降台，所述升降机设置在所述恒温箱的底部。
进一步的，所述进液管采用导热性能好的硬塑材质，且位于恒温箱内的部分缠绕数圈，并通过固定胶固定在所述恒温箱内。
进一步的，所述冷浴液循环装置的冷浴液为无色透明0.65cs粘度硅油。
进一步的，所述渗流柱采用透明亚克力材料制备。
一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验方法，采用上述的试验系统，具体操作如下：
S1.在渗流柱内通过击实法制备实验所用试样，并将装有试样的渗流柱冻结；
S2.将冻结后的渗流柱放置在所述恒温箱内的升降组件上，并将所述双泵循环柱塞泵的出口端通过进液管与所述渗流柱的进液口相连通；将所述集液筒通过渗流管与所述渗流柱的出液口相连通；
S3.开启冷浴液循环装置，使恒温箱内的水浴保持设定温度；
S4.将配置好的所需渗流液装入水箱内，开启双泵循环柱塞泵进行调试为恒流或恒压模式；
S5.打开摄像头，数据采集装置采集记录数据，直至完成试验。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明通过冷浴液循环装置通过循环管路与所述恒温箱相连通并构成循环回路，向恒温箱提供恒温水浴环境，能够精准控制环境温度并保持环境温度的稳定性，以及进行匀速升降温控制，从而模拟试样件的在实际环境中渗流状态与所需温度，以贴合实际的渗流工程情况；
2)本发明通过渗流加载装置灵活的实现渗透液的灵活加载，通过双泵循环柱塞泵实现渗透液的恒压和恒流；
3)本发明采用升降组件，可以将不同类型的渗流柱调整至最佳的图像采集高度，进行可视化监测，并可灵活的实现渗流柱的安装与拆卸；
4)采用多个摄像头可实现可视化图像的精准捕捉，通过控制景深、焦距和光圈实现360全方位图像采集，以实现岩土体多方位沉降变形观测，从而保证岩土体三维渗流特征研究的准确性，提升岩土体试验过程的可分析性；
5)本发明在对试样进行试验时，对低温含冰冻土试验通过采用染料或同位素材料标记渗流溶液，通过摄像机进行图像采集和溶液标记双重特征来观察冰体融化过程中的渗流液对冰体的影响以及渗流通道的形成过程，实现岩土体多方位沉降变形、渗流路径和冰体消融可视化观测的装置；
6)通过数据采集装置与第一温度传感器、多个摄像头、电子称和压力计电连接，采集各个部件的数据，方便对岩土体多方位沉降变形、渗流进行分析。
附图说明
图1为本发明的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统的结构示意图；
图2为冷浴液循环装置的结构示意图；
图3为恒温箱的的结构示意图。
1、恒温箱；11、箱身；12、箱盖；121、透明观测区；122、环形灯带；123、反光板；2、渗流柱；21、进液管；22、渗流管；23、压力计；3、冷浴液循环装置；31、循环管路；32、箱体；33、循环电机；34、加热组件；35、第二温度传感器；36、第二液位传感器；37、温度显示器；38、第一控制器；4、渗流加载装置；41、水箱；42、双泵循环柱塞泵；5、集液装置；51、集液筒；52、电子称；53、透明防护罩；6、数据采集装置；7、第一液位传感器；8、第一温度传感器；9、摄像头；10、升降组件；101、升降机；102、升降台。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本发明的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，包括恒温箱1、渗流柱2、冷浴液循环装置3、渗流加载装置4、集液装置5和数据采集装置6；
恒温箱1内设有升降组件10，渗流柱2放置在升降组件10上，恒温箱1内壁上设有第一液位传感器7、第一温度传感器8和多个摄像头9；
冷浴液循环装置3通过循环管路31与恒温箱1相连通并构成循环回路，向恒温箱1提供恒温水浴环境，冷浴液循环装置3的冷浴液为无色透明冷浴液；
渗流加载装置4包括水箱41和双泵循环柱塞泵42，双泵循环柱塞泵42的进口端与水箱41内部相连通，双泵循环柱塞泵42的出口端通过进液管21与渗流柱2的进液口相连通；水箱41内的渗透液采用染料或同位素材料进行标记；
集液装置5包括集液筒51和电子称52，集液筒51放置在电子称52上，集液筒51通过渗流管22与渗流柱2的出液口相连通；
渗流柱2的进液口设置有压力计23；
所述渗流柱2为透明无色渗流柱；
数据采集装置6与第一温度传感器8、多个摄像头9、电子称52和压力计23电连接。
本发明通过冷浴液循环装置3通过循环管路31与所述恒温箱1相连通并构成循环回路，向恒温箱1提供恒温水浴环境，能够精准控制环境温度并保持环境温度的稳定性，以及进行匀速升降温控制，从而模拟试样件的在实际环境中渗流状态与所需温度，以贴合实际的渗流工程情况；
本发明通过渗流加载装置4灵活的实现渗透液的灵活加载，通过双泵循环柱塞泵42实现渗透液的恒压和恒流，其实双泵循环柱塞泵可以为isco泵。
本发明采用升降组件10可适应不同高度的渗流柱2，并可灵活的实现渗流柱2的安装与拆卸；
采用多个摄像头9可实现可视化图像的精准捕捉，通过控制景深、焦距和光圈实现360全方位图像采集，以实现岩土体多方位沉降变形观测，从而保证岩土体三维渗流特征研究的准确性，提升岩土体试验过程的可分析性；
本发明在对试样进行试验时，对低温含冰冻土试验通过采用染料或同位素材料标记渗流溶液，通过摄像机进行图像采集和溶液标记双重特征来观察冰体融化过程中的渗流液对冰体的影响以及渗流通道的形成过程，实现岩土体多方位沉降变形、渗流路径和冰体消融可视化观测的装置；
通过数据采集装置6与第一温度传感器8、多个摄像头9、电子称52和压力计23电连接，采集各个部件的数据，方便对岩土体多方位沉降变形、渗流进行分析，第一温度传感器8用于检测恒温箱内的液体温度，多个摄像头9用于采集渗流柱2内的样品的图像，压力计23检测渗流柱2的进液口的压力，电子称52称取渗流液的重量。
如图2所示，冷浴液循环装置3的结构有多种，在本实施例中，冷浴液循环装置3可以包括箱体32、循环电机33、加热组件34、第二温度传感器35、第二液位传感器36、温度显示器37和第一控制器38，循环电机33、加热组件34、第二温度传感器35、第二液位传感器36均设置在箱体32内，且均与第一控制器38电连接，温度显示器37设置在箱体32外，且与第一控制器38电连接；箱体32与恒温箱1通过循环管路31相连通，循环电机33与循环管路31相连通，以使得冷浴液在箱体32与恒温箱1之间循环。加热组件34用于对箱体32内的冷浴液进行加热，第二温度传感器35用于检测冷浴液的温度，第二液位传感器36用于对箱体32内的冷浴液进行监测，温度显示器37用于显示检测到的冷浴液的温度，循环电机33、加热组件34、第二温度传感器35、第二液位传感器36、温度显示器37均与第一控制器38电连接，实现智能化控制冷浴液循环装置3。
集液装置5还可以包括透明防护罩53，透明防护罩53罩设在集液筒51和电子称52外，保证测量的准确性，渗流管22穿过透明防护罩53与集液筒51相连，以确保集液精度的准确性。
如图3所示，恒温箱1包括箱身11和箱盖12，箱盖12设有透明观测区121，方便用于观测。
箱盖12内壁设有环形灯带122和反光板123，补充光源，方便摄像头9能够更清晰的采集图像。
升降组件10的结构有多种，在这里不做限定，在本实施例中，升降组件10可以包括升降机101和固定在升降机101上的升降台102，升降机101设置在恒温箱1的底部，渗流柱2放置在升降台102上，升降机101驱动升降台102上下运动。
进液管21采用导热性能好的硬塑材质，且位于恒温箱1内的部分缠绕数圈，并通过固定胶固定在恒温箱1内。管道采用硬塑材质，热导性强，5进液管21缠绕数圈，可实现入流温度与环境温度保持一致。
冷浴液循环装置3的冷浴液可以为无色透明0.65cs粘度硅油，导热性能好。
渗流柱12可以采用透明亚克力材料制备，方便图像采集。
一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验方法，采用上述的试验系0统，具体操作如下：
S1.在渗流柱2内通过击实法制备实验所用试样，并将装有试样的渗流柱2冻结；
S2.将冻结后的渗流柱2放置在恒温箱1内的升降组件10上，并将双泵循环柱塞泵42的出口端通过进液管21与渗流柱2的进液口相连通；将集5液筒51通过渗流管22与渗流柱2的出液口相连通；
S3.开启冷浴液循环装置3，使恒温箱1内的水浴保持设定温度；
S4.将配置好的所需渗流液装入水箱41内，开启双泵循环柱塞泵42进行调试为恒流或恒压模式；
S5.打开摄像头，数据采集装置6采集记录数据，直至完成试验。
0本发明在对试样进行试验时，对低温含冰冻土试验通过采用染料或同位素材料标记渗流溶液，通过图像采集和溶液标记双重特征来观察冰体融化过程中的渗流液对冰体的影响以及渗流通道的形成过程，实现渗流路径和冰体消融可视化观测。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
5虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，其特征在于：包括恒温箱（1）、渗流柱（2）、冷浴液循环装置（3）、渗流加载装置（4）、集液装置（5）和数据采集装置（6）；
所述恒温箱（1）内设有升降组件（10），所述渗流柱（2）放置在所述升降组件（10）上，所述恒温箱（1）内壁上设有第一液位传感器（7）、第一温度传感器（8）和多个摄像头（9）；
所述冷浴液循环装置（3）通过循环管路（31）与所述恒温箱（1）相连通并构成循环回路，向恒温箱（1）提供恒温水浴环境，所述冷浴液循环装置的冷浴液为无色透明冷浴液；
所述渗流加载装置（4）包括水箱（41）和双泵循环柱塞泵（42），所述双泵循环柱塞泵（42）的进口端与所述水箱（41）内部相连通，所述双泵循环柱塞泵（42）的出口端通过进液管（21）与所述渗流柱（2）的进液口相连通；所述水箱（41）内的渗透液采用染料或同位素材料进行标记；
所述集液装置（5）包括集液筒（51）和电子称（52），所述集液筒（51）放置在所述电子称（52）上，所述集液筒（51）通过渗流管（22）与所述渗流柱（2）的出液口相连通；
所述渗流柱（2）的进液口设置有压力计（23）；
所述渗流柱（2）为透明无色渗流柱；
所述数据采集装置（6）与所述第一温度传感器（8）、多个摄像头（9）、电子称（52）和压力计（23）电连接；
所述进液管（21）采用导热性能好的硬塑材质，且位于恒温箱（1）内的部分缠绕数圈，并通过固定胶固定在所述恒温箱（1）内；
在渗流柱（2）内制备实验所用试样，并将装有试样的渗流柱（2）冻结。
2.如权利要求1所述的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，其特征在于：所述冷浴液循环装置（3）包括箱体（32）、循环电机（33）、加热组件（34）、第二温度传感器（35）、第二液位传感器（36）、温度显示器（37）和第一控制器（38），所述循环电机（33）、加热组件（34）、第二温度传感器（35）、第二液位传感器（36）均设置在所述箱体（32）内，且均与所述第一控制器（38）电连接，所述温度显示器（37）设置在所述箱体（32）外，且与所述第一控制器（38）电连接；所述箱体（32）与所述恒温箱（1）通过所述循环管路（31）相连通，所述循环电机（33）与所述循环管路（31）相连通，以使得冷浴液在箱体（32）与所述恒温箱（1）之间循环。
3.如权利要求1所述的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，其特征在于：所述集液装置（5）还包括透明防护罩（53），所述透明防护罩（53）罩设在所述集液筒（51）和电子称（52）外。
4.如权利要求1所述的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，其特征在于：所述恒温箱（1）包括箱身（11）和箱盖（12），所述箱盖（12）设有透明观测区（121）。
5.如权利要求4所述的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，其特征在于：所述箱盖（12）内壁设有环形灯带（122）和反光板（123）。
6.如权利要求1所述的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，其特征在于：所述升降组件（10）包括升降机（101）和固定在所述升降机（101）上的升降台（102），所述升降机（101）设置在所述恒温箱（1）的底部。
7.如权利要求1所述的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，其特征在于：所述冷浴液循环装置的冷浴液为无色透明0.65cs粘度硅油。
8.如权利要求1所述的一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验系统，其特征在于：所述渗流柱（2）采用透明亚克力材料制备。
9.一种岩土体温度-渗流-沉降可视化观测试验方法，其特征在于：采用权利要求1-7任一项所述的试验系统，具体操作如下：
S1.在渗流柱（2）内通过击实法制备实验所用试样，并将装有试样的渗流柱（2）冻结；
S2.将冻结后的渗流柱（2）放置在所述恒温箱（1）内的升降组件（10）上，并将所述双泵循环柱塞泵（42）的出口端通过进液管（21）与所述渗流柱（2）的进液口相连通；将所述集液筒（51）通过渗流管（22）与所述渗流柱（2）的出液口相连通；
S3.开启冷浴液循环装置（3），使恒温箱（1）内的水浴保持设定温度；
S4.将配置好的所需渗流液装入水箱（41）内，开启双泵循环柱塞泵（42）进行调试为恒流或恒压模式；
S5.打开摄像头，数据采集装置（6）采集记录数据，直至完成试验。
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