黃土水分遷移規律室內模擬系統及特征參數測定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于巖土工程技術領域，具體涉及一種黃土水分迀移規律室內模擬系統及 特征參數測定方法。
【背景技術】
[0002] 黃土在我國分布廣泛，主要分布在北煒30~49度，東經101~114度之間的北 方幾個省區，總面積大約有63萬平方公里，同時這些區域存在不同程度的季節性凍融。由 于地表的黃土大面積暴露于大氣中，受到諸如溫度、輻射、蒸發、降水、邊坡的陰陽坡等外界 因素的影響，以及在季節凍融區凍融過程會引起黃土的水分迀移和水分重分布，加劇黃土 中水分的聚積，同時凍融過程會引發黃土土體結構發生變化，強度降低、變形增大，這會加 劇黃土的濕陷變形。當然，含水量的增大不僅降低黃土的強度，而且導致了一系列病害的發 生，如在路基工程出現沉陷、波浪、縱裂、水溝失穩等病害；水利工程出現凍脹、塌岸、砌體開 裂等病害；市政工程出現沉陷、網裂等病害；在建筑工程中出現基坑邊坡失穩，基坑支護結 構破壞等病害；降水使黃土邊坡體的水量分布發生變化并導致坡體滑動等病害。重視和應 用黃土在凍融循環過程中水分迀移與分布的特性規律在新世紀黃土力學特性和應用的研 究中占據重要的地位。因此對進行黃土在凍融循環過程中水分迀移問題的研究，具有重要 的理論和實踐意義。目前，許多學者對黃土的水分迀移進行了大量的研究，但對黃土在凍融 循環過程中水分迀移機理闡述地還不透徹。現有技術中還沒有能夠方便地在室內進行黃土 水分迀移規律模擬的系統，也不能很好地在室內進行黃土水分迀移規律特征參數的測定。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供了一種結構緊 湊、設計新穎合理、實現方便、使用操作方便、為進一步研究降雨條件下黃土水分迀移規律 提供了可行的黃土水分迀移規律室內模擬系統。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種黃土水分迀移規律室內模 擬系統，其特征在于：包括室內模擬系統箱體、黃土水分迀移規律特征參數測量系統和試驗 數據采集及控制器，以及設置在室內模擬系統箱體內部的冷熱一體機、降雨模擬系統和地 質模型系統；
[0005] 所述降雨模擬系統包括嵌入安裝在室內模擬系統箱體頂部的降雨槽和設置在降 雨槽底部的圓形降雨孔，所述降雨槽的頂部設置有降雨槽內壓力控制管和與外部水源連接 的進水管，所述進水管上設置有進水電磁閥、進水水栗和用于對降雨量進行實時檢測的第 一流量傳感器，所述降雨槽內壓力控制管上設置有壓力控制電磁閥和壓力傳感器，所述降 雨槽內壓力控制管的端部連接有空氣壓縮機，所述降雨槽的頂部內壁上設置有用于對降雨 槽的水位進行實時檢測的水位傳感器，所述降雨孔的直徑為0. 5mm~Imm ;
[0006] 所述地質模型系統包括底座和通過多個千斤頂支撐安裝在底座上的地質模型槽， 所述地質模型槽的底部設置有用于在地質模型槽內底部形成儲水空間的經煒格柵板，所述 經煒格柵板上設置有多個出水孔洞，所述經煒格柵板的頂部設置有陶土板，所述陶土板的 四周邊沿均與地質模型槽內壁粘接，所述陶土板的頂部用于放置試驗土樣，所述試驗土樣 內埋設有多個串聯的用于對試驗土樣進行加熱或制冷的半導體加熱制冷片；
[0007] 所述黃土水分迀移規律特征參數測量系統包括土壤溫度及含水率測量系統、降雨 徑流量測量系統和降雨出滲量測量系統，所述土壤溫度及含水率測量系統包括分多層埋設 在試驗土樣內的多個土壤溫濕度傳感器，每層所述土壤溫濕度傳感器的數量均為多個，各 層中多個所述土壤溫濕度傳感器呈正方形網格均勻布設，多層中相鄰兩層的多個所述土壤 溫濕度傳感器均按相等間距上下相對布設；所述降雨徑流量測量系統包括降雨徑流量測量 量杯和設置在地質模型槽側面的多個降雨徑流量測量孔，以及連接在所述降雨徑流量測量 孔上的降雨徑流量測量分管和與降雨徑流量測量分管連接并接入降雨徑流量測量量杯內 的降雨徑流量測量總管；所述降雨出滲量測量系統包括降雨出滲量測量量杯和設置在地質 模型槽底面上的多個降雨出滲量測量孔，以及連接在所述降雨出滲量測量孔上的降雨出滲 量測量分管和與降雨出滲量測量分管連接并接入降雨出滲量測量量杯內的降雨出滲量測 量總管；所述降雨徑流量測量總管上設置有用于對未滲入試驗土樣內的水流量進行實時檢 測的第二流量傳感器；
[0008] 所述試驗數據采集及控制器包括微控制器和與微控制器相接且用于與計算機連 接的串口通信電路，所述微控制器的輸入端接有按鍵操作電路，所述微控制器的輸出端接 有液晶顯示器、用于驅動進水電磁閥的第一電磁閥驅動器、用于驅動壓力控制電磁閥的第 二電磁閥驅動器、用于對進水水栗的通斷電進行控制的第一繼電器、用于對空氣壓縮機的 通斷電進行控制的第二繼電器和用于驅動控制多個串聯的半導體加熱制冷片的加熱制冷 驅動控制電路，所述進水電磁閥與第一電磁閥驅動器的輸出端連接，所述壓力控制電磁閥 與第二電磁閥驅動器的輸出端連接，所述第一繼電器串聯在進水水栗的供電回路中，所述 第二繼電器串聯在空氣壓縮機的供電回路中，所述半導體加熱制冷片與加熱制冷驅動控制 電路的輸出端連接，所述第一流量傳感器、水位傳感器、壓力傳感器、第二流量傳感器和多 個土壤溫濕度傳感器均與微控制器的輸入端連接。
[0009] 上述的黃土水分迀移規律室內模擬系統，其特征在于：所述降雨槽的側壁上設置 有雨量刻度。
[0010] 上述的黃土水分迀移規律室內模擬系統，其特征在于：各層中多個所述土壤溫濕 度傳感器呈ImX Im的正方形網格均勻布設，多層中相鄰兩層的多個所述土壤溫濕度傳感 器均按〇. 5m的相等間距上下相對布設。
[0011] 上述的黃土水分迀移規律室內模擬系統，其特征在于：所述加熱制冷驅動控制電 路包括光耦隔離芯片TLP521-1、運算放大器芯片TL084、繼電器Kl、三極管Ql、二極管Dl、電 阻Rl和電阻R10,所述光耦隔離芯片TLP521-1的第1引腳與+5V電源的輸出端連接，所述 光耦隔離芯片TLP521-1的第2引腳與電阻Rl的一端連接，所述電阻Rl的另一端為加熱制 冷驅動控制電路的第一輸入端IN1，所述光耦隔離芯片TLP521-1的第4引腳與+12V電源的 輸出端連接，所述運算放大器芯片TL084的第3引腳通過串聯的電阻R3和電阻R2與光耦 隔離芯片TLP521-1的第4引腳連接，且通過電阻R4接地，所述光耦隔離芯片TLP521-1的 第3引腳與電阻R3和電阻R2的連接端相接，所述運算放大器芯片TL084的第2引腳通過 電阻R5接地，且通過電阻R7與運算放大器芯片TL084的第1引腳相接，所述運算放大器芯 片TL084的第5引腳通過電阻R6與運算放大器芯片TL084的第1引腳相接，所述運算放大 器芯片TL084的第6引腳通過電阻R9與運算放大器芯片TL084的第7引腳相接，且通過電 阻R8接地；所述繼電器Kl的線圈的一端和二極管Dl的陰極均與+12V電源的輸出端連接， 所述繼電器Kl的線圈的另一端和二極管Dl的陽極均與三極管Ql的集電極相接，所述繼電 器Kl的常開觸點與所述運算放大器芯片TL084的第7引腳相接，所述繼電器Kl的常閉觸 點與所述運算放大器芯片TL084的第1引腳相接，所述繼電器Kl的公共觸點為加熱制冷驅 動控制電路的輸出端OUT，所述三極管Ql的發射極接地，所述三極管Ql的基極與電阻RlO 的一端相接，所述電阻RlO的另一端為加熱制冷驅動控制電路的第二輸入端IN2 ;所述加熱 制冷驅動控制電路的第一輸入端INl和第二輸入端IN2均與微控制器的輸出端連接，多個 串聯后的所述半導體加熱制冷片與加熱制冷驅動控制電路的輸出端OUT連接。
[0012] 本發明還提供了一種方法步驟簡單、功能完備、實用性強、使用效果好的黃土水分 迀移規律特征參數測定方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
[0013] 步驟一、構建地質模型：操作多個千斤頂，使地質模型槽處于水平放置后將試驗土 樣分層填裝到地質模型槽內陶土板的頂部，并進行土樣夯擊填筑；然后，再操作多個千斤 頂，調整地質模型槽的坡度為試驗坡度；
[0014] 步驟二、準備降雨模擬系統：操作計算機，啟動準備降雨模擬系統模式，計算機通 過串口通信電路發送準備降雨模擬系統的信號給微控制器，微控制器控制第一繼電器接通 進水水栗的供電回路，并通過第一電磁閥驅動器驅動進水電磁閥打開，進水水栗啟動，所述 外部水源流出的水通過進水管流入降雨槽內，所述水位傳感器對降雨槽內的水位進行實時 檢測并將檢測到的信號輸出給微控制器，微控制器將其接收到的水位檢測值與預先通過操 作按鍵操作電路設定的水位設定值進行比對，當水位檢測值達到水位設定值時，微控制器 控制第一繼電器斷開進水水栗的供電回路，并通過第一電磁閥驅動器驅動進水電磁閥關 閉，停止往降雨槽內注水；
[0015] 步驟三、測量降雨前試驗土樣的初始含水率：多個土壤溫濕度傳感器分別對試驗 土樣的溫度和濕度進行一次檢測并將檢測到的多個測試點處試驗土樣的溫度信號和濕度 信號傳輸給微控制器，微控制器再將其接收到的多個測試點處試驗土樣的溫度信號和濕度 信號通過串口通信電路實時傳輸給計算機，計算機接收并記錄多個測試點處試驗土樣的溫 度信號和濕度信號，并將各個測試點處試驗土樣的濕度信號記錄為各個測試點處降雨前試 驗土樣的初始含水率Θ。；
[0016] 步驟四、模擬降雨：操作計算機，啟動模擬降雨模式，計算機通過串口通信電路發 送模擬降雨的信號給微控制器，微控制器控制第二繼電器接通空氣壓縮機的供電回路，并 通過第二電磁閥驅動器驅動壓力控制電磁閥打開，空氣壓縮機啟動，產生的壓縮空氣經過 壓力控制電磁閥調節壓力后通過降雨槽內壓力控制管進入降雨槽內，將降雨槽內的水從降 雨孔中噴出，模擬出了降雨；降雨模擬過程中，壓力傳感器對經過降雨槽內壓力控制管的壓 縮空氣壓力進行實時檢測并將檢測到的信號輸出給微控制器，微控制器將其接收到的壓力 檢測值與預先通過操作按鍵操作電路設定的壓力閾值進行比對，當壓力檢測值小于壓力閾 值時，通過第二電磁閥驅動器驅動壓力控制電磁閥打開的開度增大，當壓力檢測值大于壓 力閾值時，通過第二電磁閥驅動器驅動壓力控制電磁閥打開的開度減小，從而使經過降雨 槽內壓力控制管的壓縮空氣壓力維持在壓力閾值范圍內；同時，所述水位傳感器對降雨槽 內的水位進行實時檢測并將檢測到的信號輸出給微控制器，微控制器將其接收到的水位檢 測值與預先通過操作按鍵操作電路設定的水位設定值進行比對，當水位檢測值小于水位設 定值時，微控制器控制第一繼電器接通進水水栗的供電回路，并通過第一電磁閥驅動器驅 動進水電磁閥打開，外部水源流出的水通過進水管流入降雨槽內，當水位檢測值大于水位 設定值時，微控制器控制第一繼電器斷開進水水栗的供電回路，并通過第一電磁閥驅動器 驅動進水電磁閥關閉，停止往降雨槽內注水，從而使降雨槽內水位維持穩定，保證了降雨過 程的持續進行；模擬降雨過程中，第一流量傳感器對降雨量進行實時檢測并將檢測到的信 號實時輸出給微控制器，第二流量傳感器對未滲入試驗土樣內的水流量進行周期性檢測并 將檢測到的信號輸出給微控制器，微控制器將其相鄰的兩個采樣時刻接收到的未滲入試驗 土樣內的水流量作差，當相鄰的兩個采樣時刻的未滲入試驗土樣內的水流量差值小于等于 Icm3時，說明達到了降雨入滲穩定；此時，微控制器將其接收到的降雨量信號通過串口通信 電路實時傳輸給計算機，計算機將其接收到的降雨量信號記錄為降雨入滲前期降雨入滲穩 定時的總降雨量Qz;
[0017] 步驟五、進行降雨入滲觀測并測量降雨入滲前期試驗土樣的谷值含水率、峰值含 水率和穩定含水率：調節冷熱一體機的溫度為常溫環境溫度T1，從開始模擬降雨到達到降 雨入滲穩定的過程中，未滲入試驗土樣內的水從多個所述降雨徑流量測量孔內流出并經過 多根降雨徑流量測量分管和降雨徑流量測量總管流入降雨徑流量測量量杯內；滲出試驗土 樣內的水從多個所述降雨出滲量測量孔內流出并經過多根降雨出滲量測量分管和降雨出 滲量測量總管流入降雨出滲量測量量杯內；同時，多個土壤溫濕度傳感器分別對試驗土樣 的溫度和濕度進行周期性檢測并將檢測到的多個測試點處試驗土樣的溫度信號和濕度信 號傳輸給微控制器，微控制器再將其接收到的多個測試點處試驗土樣的溫度信號和濕度信 號通過串口通信電路實時傳輸給計算機，計算機接收并記錄各個采樣時刻多個測試點處試 驗土樣的溫度信號和濕度信號，且對各個測試點處多個采樣時刻的濕度按照時間先后順序 進行排列，當相鄰兩個采樣時刻的濕度差值小于等于1%時，說明該測試點處試驗土樣的濕 度已穩定，將相鄰兩個采樣時刻中后一個采樣時刻的濕度值記錄為該測試點處降雨入滲前 期試驗土樣的穩定含水率Θf，而且，計算機還對各個測試點處多個采樣時刻的濕度進行從 大到小排列，并將各個測試點處排列在最前的濕度值記錄為該測試點處降雨入滲前期試驗 土樣的峰值含水率θ p，將各個測試點處排列在最后的濕度值記錄為該測試點處降雨入滲 前期試驗土樣的谷值含水率θv;而且，微控制器還將其接收到的未滲入試驗土樣內的水流 量通過串口通信電路傳輸給計算機，計算機調用流量曲線繪制模塊繪制出未滲入試驗土樣 內的水流量隨時間t變化的曲線；查看顯示在計算機上的未滲入試驗土樣內的水流量隨時 間t變化的曲線，當未滲入試驗土樣內的水流量隨時間t變化的曲線趨近于一條直線時，說 明達到了降雨入滲穩定，此時，查看降雨徑流量測量量杯內未滲入試驗土樣內的水的量，并 將該讀數記錄為降雨入滲前期的降雨徑流量Qj;查看降雨出滲量測量量杯內滲出試驗土樣 內的水的量，并將該讀數記錄為降雨入滲前期的降雨出滲量Q。；
[0018] 步驟六、降雨入滲前期的黃土水分迀移規律降雨入滲特征參數計算：
[0019] 步驟601、根據公式Q1= Q Z_Q,，計算得到降雨入滲前期的降雨入滲量Qd
[0020]