在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，包括空氣循環試驗系統和PIV測試系統，與現有技術相比較，本發明公開的試驗裝置可通過空氣循環系統真實再現土體自然狀態的干燥和降雨入滲的過程，通過張力計和電子天平可連續量測土試樣的吸力和含水率，并且空氣循環泵的使用大大縮短了試驗時間，同時通過聯合運用PIV系統可實時、多角度地觀測巖土體表面裂隙的形態特征。本發明模型試驗裝置操作方便，涉及的儀器構造簡單，可調性強，易于掌握。
【專利說明】
在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種應用于巖土工程土工試驗的模型試驗裝置，特別是一種在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時多角度地觀測的試驗裝置。
【背景技術】
[0002]由于降水、蒸發引起巖土體(尤其膨脹土)的脹縮導致工程災害頻發，如建筑物地基隆起、路橋路基開裂、溝渠邊坡失穩等。例如以膨脹土作為地基的低層建筑，同樣由于上覆荷載較小使得建筑遭受嚴重的破壞，如建筑物的傾斜、墻體出現大量的裂縫等。擊實或碾壓膨脹土經常用于防滲渠道的修建，如我國南水北調工程建設涉及到大量的膨脹土，膨脹土渠道裂隙對防滲穩定性及后期維護的制約是南水北調工程質量亟待解決的核心問題。
[0003]巖土體(尤其膨脹土)從非飽和狀態變成飽和狀態時，其強度會大大的降低，導致邊坡失穩，從而引發大量的滑坡、崩塌、泥石流和基礎破壞等嚴重的地質災害，對生產和生活造成了重大的損失。相反巖土體從飽和狀態變成非飽和土狀態，會產生大量裂隙或裂縫，從而破壞了土體的整體性，降低土體的抗滲透強度。周期性的干濕循環作用會導致巖土體中原生裂隙的擴展和新裂隙的產生，并在土體中形成相互貫通的裂隙網絡，大大降低土體的整體性。綜上所述，巖土體(尤其膨脹土 )的裂隙形態演化對其強度、變形以及持水特性產生顯著的影響。因此需要在吸力控制或量測條件下對非飽和巖土體的裂隙形態演化進行定量研究，弄清裂隙演化的機理、提出預測方法，是國家的重要需求，對非飽和巖土體的地質災害問題防治具有重大的實用意義。
[0004]基于目前干濕循環過程中巖土體裂隙的觀測僅限于未進行控制或量測吸力條件下，且僅研究巖土體的某一表面的觀測，未能實現多角度多平面的觀測。因此設計一種可在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測試驗裝置，實現在吸力量測條件下且多角度地進行巖土體裂隙實時觀測，以便深入地研究巖土體表面裂隙隨著吸力變化的定量關系，對巖土工程的穩定性評估和預測具有重要的意義。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的不足，本發明提供一種構造簡單，操作方便，易于掌握的可在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，實現在吸力量測條件下且多角度地進行巖土體裂隙實時觀測，并且可用吸力作為變量進行定量描述裂隙的變化規律。
[0006]本發明采用以下技術方案實現上述目的:
一種在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，它包括空氣循環試驗系統和PIV測試系統；空氣循環試驗系統包括透明封閉容器，透明封閉容器內裝有土試樣，土試樣頂部和底部各設置一個張力計，透明封閉容器外側通過氣管連接空氣循環栗，透明封閉容器與空氣循環栗之間連接土試樣含水量檢測裝置;PIV測量系統包括LED泛光燈、CCD高速相機和圖像采集處理器，LED泛光燈設置在空氣循環試驗系統三側上方，CCD高速相機設置在空氣循環試驗系統的三個側邊，與圖像采集處理器相連接。
[0007]土試樣含水量檢測裝置包括干燥箱，干燥箱內設有電子天平，電子天平上設有干燥劑。
[0008]所述干燥劑為硅膠或活性氧化鋁或硫酸鈣或氯化鈣或生石灰或氫氧化鈉固體。
[0009]所述干燥箱為透明密閉箱體。
[0010]透明封閉容器側壁上設有溫濕度計或透明封閉容器與空氣循環栗之間的氣管上設有溫濕度計。
[0011]透明封閉容器頂部設有水容器，水容器與透明封閉容器之間設有閥門。
[0012]水容器上有刻度計。
[0013]土試樣上下表面均貼有濾紙。
[0014]所述張力計的量測為O?2500kPa，其精度為0.1%滿量程，張力計與土試樣接觸的面積為78.5mm2，其前沿多孔透水石的高度為7mm，儲水層厚度為0.5mm，陶土板傳感器的厚度為Imm。張力計采集的數據可用無線傳輸到外部的計算機中。
[0015]所述空氣循環栗功率為280W，壓力為1.0bar，額定流量為30L/min，電源為220V，外形尺寸為3250 X 416 X 821mm，最佳環境溫度為5?25叱。為了減少空氣循環壓力為土試樣的擾動，在進行空氣循環正常工作時保證壓力差為5?20kPa即可。
[0016]所述數字式溫濕度計為HW200型號，濕度測量范圍O?99.9%(RH)，分辨率為0.1%RH，尺寸為 138 X 65 X 25mm，重量為 0.19kg。
[0017]所述電子天平的量程為500g，精度為0.0lg，工作溫度范圍為7.5°C?20°C，稱盤尺寸 Φ 80(mm)，外形尺寸為270 X 190 X 265mm。
[0018]所述CCD高速相機分辨率為1626pixel X 1236pixel，像素尺寸為4.4μπιX 4.4μπι，曝光時間為10ys X 80ms，采集速率可達200fps，同時提供Camlink專用接口。
[0019]本發明具有以下有益效果:本發明公開的模型試驗裝置包括空氣循環試驗系統和PIV測試系統，涉及的儀器構造簡單，操作方便，易于掌握;本發明公開的試驗裝置能通過空氣循環系統真實再現土體自然狀態的干濕循環過程，通過張力計和PIV測試系統實時量測巖土體的吸力和表面裂隙形態特征;本發明公開的試驗裝置能夠多角度觀測巖土體的裂隙變化規律。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的結構示意圖。
[0021]圖2為本發明空氣循環試驗系統示意圖。
【具體實施方式】
[0022]如圖1、2所示，一種在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，它包括利用張力計量測吸力的空氣循環試驗系統和PIV測試系統；空氣循環試驗系統包括透明封閉容器I，透明封閉容器I內裝有土試樣10，土試樣10頂部和底部各設置一個張力計2，透明封閉容器I外側通過氣管連接空氣循環栗3，透明封閉容器I與空氣循環栗3之間連接土試樣含水量檢測裝置;PIV測量系統包括LED泛光燈13、(XD高速相機14和圖像采集處理器15，LED泛光燈13設置在空氣循環試驗系統三側上方，CXD高速相機14設置在空氣循環試驗系統的三個側邊，與圖像采集處理器15相連接。
[0023]所述透明封閉容器I是鋼化玻璃或有機玻璃材料制成，具體尺寸為500X 500 X500mm，厚度 10mm。
[0024]為了準確地量測整個土試樣的吸力，在土試樣頂部和底部各設置一個張力計進行量測。張力計2的主要功能是實時量測巖土體的吸力值，技術指標為:量測O?2500kPa，精度為0.1%滿量程，張力計2與土試樣接觸的面積為78.5mm2，其前沿多孔透水石的高度為7mm，儲水層厚為0.5_，陶土板傳感器的厚度為lmm;張力計2采集的數據可用無線傳輸到外部的計算機中。
[0025]空氣循環栗3的主要功能是提供空氣循環的動力，技術指標為:功率280W，壓力
1.0bar，額定流量30L/min，電源220V，外形尺寸3250 X 416 X 821mm，最佳環境溫度為5?25°C，抽氣端允許帶大負載，抽、排氣嘴尺寸(mm): 04(內孔)X 08(外徑)，接口形狀:防滑凸起式(抽、排氣嘴)，接管尺寸(mm):05X08硅膠管，紅色防塵帽蓋得是抽氣嘴(IN)，黑色防塵帽蓋得是排氣嘴(OUT)。為了減少空氣循環壓力為土試樣的擾動，在進行空氣循環正常工作時保證壓力差為5?20kPaS卩可。
[0026]土試樣含水量檢測裝置包括干燥箱8，干燥箱8內設有電子天平7，電子天平7上設有干燥劑6。
[0027]干燥劑的主要功能是干燥空氣中的水份，所述干燥劑可選用硅膠或活性氧化鋁或硫酸鈣或氯化鈣或生石灰或氫氧化鈉固體，也適用其他能滿足條件的干燥劑，硅膠干燥劑是一種高活性吸附材料，其化學分子式為HlS12.HH2Oo
[0028]電子天平7的主要功能是測量干燥劑6吸收水份的質量，量程為500g，精度為
0.0lg,電子天平的工作溫度范圍為7.5°C?20°C，稱盤尺寸Φ80(mm)，外形尺寸為270 X 190X265mm0
[0029]所述干燥箱8為透明密閉箱體，干燥箱的主要功能是避免干燥劑6中的水份蒸發，具體尺寸為500 X 400 X 400mm。
[0030]透明封閉容器I側壁上設有溫濕度計4或透明封閉容器I與空氣循環栗3之間的氣管上設有溫濕度計4。
[0031]溫濕度計4為數字式溫濕度計，其主要功能是實時量測封閉容器中空氣的濕度，技術指標:型號HW200，濕度測量范圍O?99.9%(RH)，分辨率為0.1%RH，尺寸為138 X 65 X 25mm，重量為0.19kg。
[0032]透明封閉容器I頂部設有水容器5，水容器5與透明封閉容器I之間設有閥門9，水容器上有刻度計11。
[0033]水容器5的主要功能是為濕潤土試樣提供水源，尺寸為060mm X h200mm，刻度精度為2mm3ο
[0034]土試樣10上下表面均貼有濾紙12，濾紙的主要功能是為保證土試樣均勻地被水潤濕，具體尺寸為350\350111111，厚度為0.41111]1?1.0mm。
[0035]土試樣10根據實驗需要可選用立方體結構，尺寸為350 X 350 X 350mm，土試樣的密度根據巖土工程情況具體設定。
[0036]LED泛光燈13設置在透明封閉容器I的兩側對稱位置，LED燈是額定功率為30W的交直流LED泛光燈。
[0037]所述CCD高速相機14分辨率為1626pixel X 1236pixel，像素尺寸為4.4ymX4.4μπι，曝光時間為10ys X 80ms，采集速率可達200fps，同時提供Camlink專用接口。
[0038]采用上述試驗裝置進行巖土體裂隙實時觀測的試驗方法，具體步驟為:
(a)設置空氣循環試驗系統的透明封閉容器
根據試驗方案制備立方體土試樣，將土試樣置于透明容器內，然后在土試樣的上、下表面安置張力計并調試，再設置土試樣的上、下表面的通氣配套裝置，最后安裝透明容器的頂蓋，使其密閉。
[0039 ] ( b )安裝調試空氣循環試驗系統的其它設備
安裝并調試空氣循環栗，設置干燥箱中的干燥劑和電子天平，調試電子天平并清零，監測整個空氣循環試驗系統及聯通管線的密閉性，保證系統的正常工作。
[0040](c)安裝調試PIV測試系統
三組LED泛光燈(每組兩個)設置在空氣循環試驗系統三側上方，三組CCD高速相機(每組一個)設置在空氣循環試驗系統的三個側邊，三組CCD高速相機分別與圖像采集處理器相連接，進行數據的采集和圖像的分析。
[0041](d)打開所有儀器設備的電源，啟動空氣循環栗，圖像采集處理器及計算機軟件采集記錄，通過張力計實時量測土試樣的吸力值，電子天平可量測出土試樣含水量的變化，同時通過PIV系統可實時觀測透明封閉容器內的土試樣表面裂隙的變化規律，實現土試樣干燥過程中吸力、含水量和表面裂隙變化規律的觀測。
[0042]步驟(b)中還可以在透明封閉容器側壁上設有溫濕度計或者在透明封閉容器與空氣循環栗之間的氣管上設有溫濕度計，實時量測封閉容器中空氣的濕度，確保試驗結果更精確。
[0043]為實現土試樣濕化過程中吸力、含水量和表面裂隙變化規律的觀測，透明封閉容器頂部可設置水容器，水容器與透明封閉容器之間設閥門，間隔的打開閥門，通過閥門控制進入土試樣的進水量，將土試樣潤濕，為確保土試樣均勻地被水潤濕，還可以在土試樣上下表面粘貼一層濾紙，模擬土體受到降雨的天然濕化過程;進入土試樣的水量可通過干燥箱及其中的干燥劑、電子天平計量，還可以根據水容器上的刻度計直接讀取，干燥箱及其中的干燥劑、電子天平與水容器上標有刻度計兩種計量方式可以擇一使用，也可以共同使用，雙重計量土試樣的含水量變化值，確保試驗結果更精確。
[0044]本發明中張力計量測吸力的空氣循環試驗系統可以連續量測土試樣的含水率和吸力，空氣循環栗的使用大大縮短了試驗時間，同時PIV系統測量拍照速度高、照片分辨率高，可通過PIV系統實時觀測土試樣表面裂隙的演化規律。
[0045]上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，其特征在于:它包括空氣循環試驗系統和Piv測試系統；空氣循環試驗系統包括透明封閉容器(1)，透明封閉容器(I)內裝有土試樣(10)，土試樣(10)頂部和底部各設置一個張力計(2)，透明封閉容器(I)外側通過氣管連接空氣循環栗(3)，透明封閉容器(I)與空氣循環栗(3)之間連接土試樣含水量檢測裝置；PIV測量系統包括LED泛光燈(13)、CCD高速相機(14)和圖像采集處理器(15)，LED泛光燈(13)設置在空氣循環試驗系統三側上方，CXD高速相機(14)設置在空氣循環試驗系統的三個側邊，與圖像采集處理器(15)相連接。2.根據權利要求1所述在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，其特征在于:土試樣含水量檢測裝置包括干燥箱(8)，干燥箱(8)內設有電子天平(7)，電子天平(7)上設有干燥劑(6)。3.根據權利要求2所述在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，其特征在于:所述干燥劑為硅膠或活性氧化鋁或硫酸鈣或氯化鈣或生石灰或氫氧化鈉固體。4.根據權利要求2所述在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，其特征在于:所述干燥箱(8)為透明密閉箱體。5.根據權利要求1所述在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，其特征在于:透明封閉容器(I)側壁上設有溫濕度計(4)或透明封閉容器(I)與空氣循環栗(3)之間的氣管上設有溫濕度計(4)。6.根據權利要求1所述在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，其特征在于:透明封閉容器(I)頂部設有水容器(5)，水容器(5)與透明封閉容器(I)之間設有閥門(9) 07.根據權利要求6所述在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，其特征在于:水容器上有刻度計(11)。8.根據權利要求1所述在吸力量測條件下進行巖土體裂隙實時觀測的試驗裝置，其特征在于:土試樣上下表面均貼有濾紙(12)。
【文檔編號】G01N15/08GK105823716SQ201610173228
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】張俊然, 史顏玲, 姜彤, 李洪軍, 任淼, 張昕
【申請人】華北水利水電大學