CN116500239A - 土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其包括干湿循环装置和裂隙演变监测装置；干湿循环装置包括水循环通道和空气循环通道，干湿循环装置用于承载待检测岩土体试样，并将岩土体试样设置于水循环通道或空气循环通道中；水循环通道内的循环水可预定动水压力；裂隙演变监测装置用于监测岩土体试样干燥过程中的裂隙演变情况。通过设置预定动水压力的水循环通道和空气循环通道，可以实现岩土体试样的快速充分饱和，更精确模拟不同自然条件下的动压饱和过程，提高干湿循环试验的效率和准确性，且整个干湿循环与裂隙演变监测过程中无需搬动岩土体试样，避免了移动造成的岩土体试样扰动。

Description

土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备。

背景技术

在周期性降雨、库水位及地下水位波动等作用下，自然界岩土体可能经历长期的干湿循环作用。这种干湿循环作用会导致岩土体内部孔隙度和含水量的变化，从而引起岩土体结构特性的改变。例如，在干燥的情况下，岩土体内部的孔隙度会增大，导致岩土体的密实度下降；而在潮湿的情况下，岩土体内部的孔隙度会减小，导致岩土体的密实度增加。这些变化会进一步导致岩土体的强度劣化，从而使得岩土工程的稳定性受到威胁。在实际工程中，这种岩土体的劣化现象可能会引起各种地质灾害及工程失稳，从而危及人民生命财产安全。

目前国内外广泛采用静水压力饱和方式来建立岩土体干湿循环试验装置。这些方法将一定数量的岩土体完全浸泡在水中饱和，然后通过烘干、自然风干等方式实现干湿循环过程。该实验方法对于岩土体的饱和较慢，且当岩土体密度不均匀时会产生局部不完全饱和。上述试验过程中频繁搬动岩土体试样可能会导致试验装置受到额外的扰动，这也会影响试验结果的准确性。因此，我们需要一种新的自动化试验装置，能够减少试验过程中的干扰和误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，以至少解决目前岩土体干湿循环试验装置在干湿循环过程中难以保证完全饱和以及试验过程中容易产生干扰等问题。

为了实现所述目的，本发明提供如下技术方案：

一种土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其包括干湿循环装置和裂隙演变监测装置；所述干湿循环装置包括水循环通道和空气循环通道，所述干湿循环装置用于承载待检测岩土体试样，并将所述岩土体试样设置于所述水循环通道或所述空气循环通道中；所述干湿循环装置与所述水循环通道和所述空气循环通道之间设置有阀门，通过所述阀门的切换实现所述岩土体试样在所述水循环通道和所述空气循环通道之间的切换，从而实现干湿循环；所述水循环通道内的循环水可预定动水压力；所述裂隙演变监测装置用于监测所述岩土体试样干燥过程中的裂隙演变情况。

在如上所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备中，作为优选方案， 所述干湿循环装置还包括公共管道，所述公共管道内承载有所述岩土体试样，所述公共管道分别接入所述水循环通道和所述空气循环通道内，所述水循环通道与所述公共管道的其中一端接口处设置有出水口近端阀门，通过所述出水口近端阀门的开闭实现压力水循环；所述公共管道与所述空气循环通道的接口处设置有进气口阀门，通过所述进气口阀门的开闭实现空气干燥循环。

在如上所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备中，作为优选方案，所述干湿循环装置还包括环刀和卡槽；所述环刀用于取样承载所述岩土体试样，所述环刀的上下开口处设置有透水透气包裹材料，防止所述环刀内的岩土体试样颗粒流失；所述卡槽设置在所述干湿循环装置的公共管道内，用于承载固定装载有所述岩土体试样的环刀，并使所述岩土体试样阻断所述公共管道截面。

在如上所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备中，作为优选方案，所述水循环通道包括水泵，进水管道、出水管道和排水管道，所述水泵通过所述进水管道与所述公共管道的一端连接，所述公共管道的另一端通过所述出水口近端阀门、所述出水管道与所述排水管道连接。

在如上所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备中，作为优选方案，所述水循环通道还包括出水口远端阀门，所述出水口远端阀门设置在排水管道的所述出水口的远端，用于控制所述水循环通道的水排出。

在如上所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备中，作为优选方案，所述空气循环通道包括烘干装置和空气通道；所述空气通道与所述公共管道通过所述进气口阀门连接，所述烘干装置与上述空气通道连通。

在如上所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备中，作为优选方案，还包括中央柱状管道，所述中央柱状管道内容纳有所述出水管道和所述空气通道，所述中央柱状管道通过支架与所述公共管道的外壁连接，用于支撑固定所述公共管道；所述公共管道设置有多个，多个所述公共管道沿所述中央柱状管道周向分部；所述烘干装置通过进气管道与多个所述公共管道的所述空气通道连通。

在如上所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备中，作为优选方案，还包括控制系统和温度传感器，所述温度传感器用于检测所述土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备内的干燥温度；所述控制系统分别与所述烘干装置，所述温度传感器，所述裂隙演变监测装置，所述水泵连接，用于控制所述烘干装置、所述水泵和所述裂隙演变监测装置的启停。

在如上所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备中，作为优选方案，所述公共管道还包括透明的观察盖，所述观察盖可拆卸设置在所述公共管道的上端开口处，所述岩土体试样位于所述观察盖下部并靠近所述观察盖；所述裂隙演变监测装置设置于所述观察盖上部，并透过所述观察盖监测所述岩土体试样的裂隙情况。

在如上所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备中，作为优选方案，所述裂隙演变监测装置包括拍照单元、照明单元，所述照明单元设置在所述拍照单元周向，且当所述裂隙演变监测装置工作时，所述照明单元距离所述岩土体试样的距离小于所述拍照单元距离所述岩土体试样的距离。

本发明提供的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，通过设置预定动水压力的水循环通道和空气循环通道，可以实现岩土体试样的快速充分饱和，更精确模拟不同自然条件下的动压饱和过程，提高了干湿循环试验的效率和准确性，且整个干湿循环与裂隙演变监测过程中无需搬动岩土体试样，避免了移动造成的岩土体试样扰动。烘干装置可提供不同的温度，从而获得不同温度下，岩土体裂隙的演变规律；裂隙演变监测装置利用无影灯的原理，在保证拍摄光照条件最优的条件下，使试样受光均匀，且采用LED灯珠作为照明单元热效应微弱，从而不影响结果的准确性。该装置可同时自动进行多个试样的干湿循环过程，并监测烘干过程土样裂隙的演变规律；保证岩土体试验位置和光线条件的一致，减少试验的误差；节约了大量人力物力，试验人员通过控制系统能够对试验过程进行实时把控，大大减少了测试工作量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例的土样自动干湿循环及裂隙演变监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的土样自动干湿循环及裂隙演变监测装置的俯视图；

图3为本发明实施例的中央柱状管道结构示意图；

图4为本发明实施例的裂隙演变监测装置仰视图。

图中标号：1、温度传感器；2、监测设备本体；3、烘干装置；4、水泵；5、排水管道；6、进水管道；7、进气管道；8、空气通道；9、出水管道；10、中央柱状管道；11、铰接轴；12、线路通道；13、裂隙演变监测装置；14、出水口近端阀门；15、支架；16、进气口阀门；17、观察盖；18、环刀；19、公共管道；20、照明单元；21、拍照单元；22、灯罩；23、出水口远端阀门；24、卡槽。

实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

根据本发明的实施例，如图1至图4所示，其中图1为本发明实施例的土样自动干湿循环及裂隙演变监测装置13的结构示意图；图2为本发明实施例的土样自动干湿循环及裂隙演变监测装置13的俯视图；图3为本发明实施例的中央柱状管道10结构示意图；图4为本发明实施例的裂隙演变监测装置13仰视图。

本发明的实施例提供一种土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其包括干湿循环装置和裂隙演变监测装置13；干湿循环装置包括水循环通道和空气循环通道，干湿循环装置用于承载待检测岩土体试样，并将岩土体试样设置于水循环通道或空气循环通道中；干湿循环装置与水循环通道和空气循环通道之间设置有阀门，通过阀门的切换实现岩土体试样在水循环通道和空气循环通道之间的切换，从而实现干湿循环；水循环通道内的循环水可预定动水压力（即循环水的压力可以调节至预定值，在本实施例中，可以根据实验要求灵活设置动水压力值）；裂隙演变监测装置13用于监测岩土体试样干燥过程中的裂隙演变情况。

在使用时，首先切换阀门，使岩土体试验处于水循环通道中，通过设置预定压力的水循环，实现岩土体试样的快速均匀饱和；然后切换阀门使岩土体试验处于空气循环通道中，并通过裂隙演变监测装置13实时检测岩土体试样干燥过程中的状态变化。

需要解释的是，此处水循环通道和空气循环通道中的“循环”并不要求水或者空气一定要在一个闭环空间了一直循环，此处的“循环”至少表达了水或空气在岩土体试样通过的意思。

作为优选方案， 干湿循环装置还包括公共管道19，公共管道19内承载有岩土体试样，公共管道19分别接入水循环通道和空气循环通道内，水循环通道与公共管道19的其中一端接口处设置有出水口近端阀门14，通过出水口近端阀门14的开闭实现压力水循环；公共管道19与空气循环通道的接口处设置有进气口阀门16，通过进气口阀门16的开闭实现空气干燥循环。

干湿循环装置还包括环刀18和卡槽24；环刀18用于取样承载岩土体试样，环刀18的上下开口处设置有透水透气包裹材料，防止环刀18内的岩土体试样颗粒流失；卡槽24设置在干湿循环装置的公共管道19内，用于承载固定装载有岩土体试样的环刀18，并使岩土体试样阻断公共管道19截面。为了便于观察岩土体试样的状态，透水透气包裹材料采用轻质耐高温聚合物多孔膜层叠复合材料制成的透明薄膜，该类型材料的优点是透气透水，且便于包裹在环刀18上下开口处，且透明便于观察内部岩土体试样。

进一步地，水循环通道包括水泵4，进水管道6、出水管道9和排水管道5，水泵4通过进水管道6与公共管道19的一端连接，公共管道19的另一端通过出水口近端阀门14、出水管道9与排水管道5连接。水循环通道还包括出水口远端阀门23，出水口远端阀门23设置在出水口的远端，用于控制水循环通道的水排出。

在进入水饱和阶段，首先将岩土体试验切换入水循环通道内，打开出水口近端阀门14，关闭出水口远端阀门23，打开水泵4，水泵4将水通过进水管道6送入公共管道19，并通过岩土体试样后到达出水管道9和排水管道5，由于排水管道5远端的出水口远端阀门23处于关闭状态，公共管道19内会保持预定的水压，便于岩土体试样的动压快速充分水饱和。

进一步地，空气循环通道包括烘干装置3和空气通道8；空气通道8与公共管道19通过进气口阀门16连接，烘干装置3与上述空气通道8连通。

在进入烘干阶段，首先将进气口阀门16、出水口近端阀门14和出水口远端阀门23均打开，然后打开烘干装置3，烘干装置3将一定温度的空气经空气通道8输入公共管道19，通过岩土体试样，并将岩土体试样中的水分带出，经出水管道9、排水管道5排出，通过一定时间的烘干，实现岩土体试样的烘干过程；

通过交替进行上述水饱和阶段和烘干阶段，从而实现岩土体试样的干湿循环试验。

为了使整个装置更加简洁整齐，本发明的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备还包括中央柱状管道10，中央柱状管道10内容纳有出水管道9、空气通道8和线路通道12，中央柱状管道10通过支架15与公共管道19的外壁连接，用于支撑固定公共管道19。

为了便于多多个岩土体试样同时进行试验，在本实施例中，公共管道19设置有多个，多个公共管道19沿中央柱状管道10周向分部；烘干装置3通过进气管道7与多个公共管道19的空气通道8连通。对应的，为了便于检测岩土体的状态变化，裂隙演变监测装置13也设置有多个。

本发明实施例的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备还包括控制系统和温度传感器1，温度传感器1用于检测检测设备内的干燥温度；控制系统分别与烘干装置3，温度传感器1，裂隙演变监测装置13，水泵4连接，用于控制烘干装置3、水泵4和裂隙演变监测装置13的启停。控制系统可包括配套计算机软件，其可控制设备运行过程中出水口近端阀门14、进气口阀门16、出水口远端阀门23的开关顺序，并在烘干过程中控制裂隙演变监测装置13的启动，将实时影像上传至电脑。

本发明的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备还包括监测设备本体2，监测设备本体2为箱式结构，用于容纳承载上述公共管道19、水循环通道、空气循环通道、温度传感器1、裂隙演变监测装置13和中央柱状管道10。

本实施例的烘干装置3可以根据温度传感器1的反馈温度，实时调整温度，并根据需要提供不同的烘干温度。

为了便于检测岩土体状态变化，公共管道19还包括透明的观察盖17，观察盖17可拆卸密封设置在公共管道19的上端开口处，岩土体试样位于观察盖17下部并靠近观察盖17；裂隙演变监测装置13设置于观察盖17上部，并透过观察盖17监测岩土体试样的裂隙情况。

对于干湿循环过程中土体内部的裂隙演变规律的研究，现有的方法主要是在岩土体烘干后进行拍照，难以确保相同的光线条件。在本实施例中，裂隙演变监测装置13包括拍照单元21、照明单元20，照明单元20设置在拍照单元21周向，且当裂隙演变监测装置13工作时，照明单元20距离岩土体试样的距离小于拍照单元21距离岩土体试样的距离，从而避免拍照单元21阻挡照明单元20的部分光线，确保照明光线均匀的照射在岩土体试样表面。在本实施例中，照明单元20为多个LED灯珠，其均匀排布在拍照单元21的周向，拍照单元21采用高清摄像头，LED灯珠和摄像头均固定在灯罩22上，灯罩22通过铰接轴11与中央柱状管道10铰接，从而确保岩土体裂隙演变拍照过程中可以固定拍照单元21和照明单元20的位置，确保相同的光线条件下持续拍摄。且铰接结构在更换岩土体试样的时候，可以将灯罩22抬起紧贴中央柱状管道10外壁，从而便于岩土体的更换。

本实例的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备（简称监测设备）具体操作步骤如下：

（1）首先取四个环刀18，将岩土体试样装样，并在环刀18上下底面用轻质耐高温聚合物多孔膜层叠复合材料制成的透明薄膜包裹；

（2）打开检测设备门，打开公共管道19上部的观察盖17，将准备好的环刀18试样分别放到四个公共管道19中，利用卡槽24固定位置，随后将观察盖17密封安装在公共管道19上部开口处；

（3）启动监测设备，通过配套计算机软件设置水压0.8 MPa、饱和时间12 h、烘干温度为70℃、烘干时间12 h、干湿循环次数为8次、裂隙拍照频率为干循环时每小时进行一次拍摄。进气口阀门16关闭，出水口近端阀门14打开，出水口远端阀门23处于关闭状态，水泵4将水输入公共管道19中，水从环刀18底部通过岩土体试样，并保持一定的压力，待岩土体试样饱和后，水泵4停止工作，公共管道19中的水经水泵4排出；进气口阀门16、出水口近端阀门14和出水口远端阀门23均打开；

（4）烘干装置3启动，将预先设计的一定温度的干燥空气压入公共管道19中，气体经过空气通道8、公共管道19，岩土体试样、出水管道9和排水管道5，在出水口远端阀门23处排入自然环境中，同时裂隙演变监测装置13启动，记岩土体试样样裂隙演变影像，并上传至电脑，当装置完成预设循环次数后，装置停止工作。

综上所述，本发明提供的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，通过设置预定动水压力的水循环通道和空气循环通道，可以实现岩土体试样的快速充分饱和，更精确模拟不同自然条件下的动压饱和过程，提高了干湿循环试验的效率和准确性，且整个干湿循环与裂隙演变监测过程中无需搬动岩土体试样，避免了移动造成的岩土体试样扰动。烘干装置可提供不同的温度，从而获得不同温度下，岩土体裂隙的演变规律；裂隙演变监测装置利用无影灯的原理，在保证拍摄光照条件最优的条件下，使试样受光均匀，且采用LED灯珠作为照明单元热效应微弱，从而不影响结果的准确性。该装置可同时自动进行多个试样的干湿循环过程，并监测烘干过程土样裂隙的演变规律；保证岩土体试验位置和光线条件的一致，减少试验的误差；节约了大量人力物力，试验人员通过控制系统能够对试验过程进行实时把控，大大减少了测试工作量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，包括干湿循环装置和裂隙演变监测装置；

所述干湿循环装置包括水循环通道和空气循环通道，所述干湿循环装置用于承载待检测岩土体试样，并将所述岩土体试样设置于所述水循环通道或所述空气循环通道中；所述干湿循环装置与所述水循环通道和所述空气循环通道之间设置有阀门，通过所述阀门的切换实现所述岩土体试样在所述水循环通道和所述空气循环通道之间的切换，从而实现干湿循环；

所述水循环通道内的循环水可预定动水压力；

所述裂隙演变监测装置用于监测所述岩土体试样干燥过程中的裂隙演变情况。

2.根据权利要求1所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，所述干湿循环装置还包括公共管道，所述公共管道内承载有所述岩土体试样，所述公共管道分别接入所述水循环通道和所述空气循环通道内，所述水循环通道与所述公共管道的其中一端接口处设置有出水口近端阀门，通过所述出水口近端阀门的开闭实现压力水循环；所述公共管道与所述空气循环通道的接口处设置有进气口阀门，通过所述进气口阀门的开闭实现空气干燥循环。

3.根据权利要求2所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，所述干湿循环装置还包括环刀和卡槽；

所述环刀用于取样承载所述岩土体试样，所述环刀的上下开口处设置有透水透气包裹材料，防止所述环刀内的岩土体试样颗粒流失；

所述卡槽设置在所述干湿循环装置的公共管道内，用于承载固定装载有所述岩土体试样的环刀，并使所述岩土体试样阻断所述公共管道截面。

4.根据权利要求2或3所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，所述水循环通道包括水泵，进水管道、出水管道和排水管道，所述水泵通过所述进水管道与所述公共管道的一端连接，所述公共管道的另一端通过所述出水口近端阀门、所述出水管道与所述排水管道连接。

5.根据权利要求4所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，所述水循环通道还包括出水口远端阀门，所述出水口远端阀门设置在所述出水口的远端，用于控制所述水循环通道的水排出。

6.根据权利要求4所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，所述空气循环通道包括烘干装置和空气通道；

所述空气通道与所述公共管道通过所述进气口阀门连接，所述烘干装置与上述空气通道连通。

7.根据权利要求6所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，还包括中央柱状管道，所述中央柱状管道内容纳有所述出水管道和所述空气通道，所述中央柱状管道通过支架与所述公共管道的外壁连接，用于支撑固定所述公共管道；

所述公共管道设置有多个，多个所述公共管道沿所述中央柱状管道周向分部；

所述烘干装置通过进气管道与多个所述公共管道的所述空气通道连通。

8.根据权利要求6所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，还包括控制系统和温度传感器，所述温度传感器用于检测所述土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备内的干燥温度；

所述控制系统分别与所述烘干装置，所述温度传感器，所述裂隙演变监测装置，所述水泵连接，用于控制所述烘干装置、所述水泵和所述裂隙演变监测装置的启停。

9.根据权利要求2所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，所述公共管道还包括透明的观察盖，所述观察盖可拆卸设置在所述公共管道的上端开口处，所述岩土体试样位于所述观察盖下部并靠近所述观察盖；

所述裂隙演变监测装置设置于所述观察盖上部，并透过所述观察盖监测所述岩土体试样的裂隙情况。

10.根据权利要求1或9所述的土样自动干湿循环及裂隙演变监测设备，其特征在于，所述裂隙演变监测装置包括拍照单元、照明单元，所述照明单元设置在所述拍照单元周向，且当所述裂隙演变监测装置工作时，所述照明单元距离所述岩土体试样的距离小于所述拍照单元距离所述岩土体试样的距离。