一种岩土干湿循环渗透率测量系统及其方法技术方案

本申请公开了一种岩土干湿循环渗透率测量系统及其方法，系统包括：密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；用以测量试样重量的托盘，其以可沿竖向旋转的方式设于密闭容器的内部；湿度控制仪，与密闭容器通过管路密闭连接，用以控制密闭容器内的湿度；CT扫描装置，包括用以对试样进行CT扫描的射线源和探测器；数据采集控制系统，用以采集试样的重量和/或质量数据，通过湿度传感器和湿度控制仪监控并调节密闭容器中的湿度，控制CT扫描、并在扫描过程中调节托盘的旋转。该系统操作方便，自动化程度高，控制精细，测量准确，为研究非饱和岩土工程介质干湿循环渗透率及微观结构机理提供新的技术支持。

A system for measuring dry and wet permeability of rock and soil and its method

The present application discloses a rock and soil wet cycle permeability measurement system and its method. The system consists of a closed container with an enclosed space for holding a specimen. A humidity sensor is provided on it; a tray used to measure the weight of the specimen is placed in an airtight container in a vertical direction; humidity control. A closed vessel is connected with a closed vessel to control the humidity in a closed vessel; a CT scanning device, including a ray source and a detector for CT scanning of the specimen, and a data acquisition control system to collect the weight and / or quality data of the sample, monitor and adjust the density through a humidity sensor and a humidity controller. The humidity in the closed container controls the CT scan and regulates the rotation of the tray during the scanning process. The system has the advantages of convenient operation, high degree of automation, fine control and accurate measurement. It provides new technical support for the study of the dry and wet circulation permeability and microstructure mechanism of unsaturated geotechnical engineering medium.

【技术实现步骤摘要】
一种岩土干湿循环渗透率测量系统及其方法
本公开一般涉及岩土实验仪器测量
，尤其涉及一种岩土干湿循环渗透率测量系统及其方法。
技术介绍
非饱和问题是岩土工程领域的重要议题之一，诸多岩土工程灾害都与材料的非饱和特性密切相关，具体表现为岩土工程介质的强度、体积特征发生剧烈变化，诱发工程灾害。比如土质边坡由于地下水位的变化使得非饱和部分力学特征逐渐弱化而引起失稳，地下隧道由于湿度季节性周期变化导致围岩产生大量裂纹，使得力学特征和水力特性弱化而对工程安全造成危险等。而非饱和土力学测试技术发展较慢。在高放核废料地质处置库工程中，缓冲回填材料（非饱和土）的渗透率测量是一个难题。因为传统的渗透率测量方法无法准确控制材料的含水率并进行有效的渗透率测试，多数情况下采用气体渗透，而材料本身的含水率也会随着材料所处环境的变化而变化，且材料本身的微观结构也会发生变化，影响渗透率，是一个比较复杂的过程。传统的实验方法中常采用称重法获得试样某一状态下质量，与干燥状态下的质量对比，计算出试样此时的含水率，紧接着装样进行相应的渗透率测试。在现有的干湿循环试验过程下的渗透率测试中，还需要不断的拆装试样，对试样进行饱和或干燥处理，再重复进行渗透率测试，难免对试样造成不必要的人为因素影响，因此存在诸多不可控因素。而目前对于非饱和材料渗透率变化的研究还处于宏观阶段，对于干湿循环过程中材料变化的微观结构变化机理并不清楚，且缺乏相应的测试手段。因此，现有技术中，尚没有一种设备能够测量干湿循环过程中试样的渗透率变化情况及其对应的微观结构。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种岩土干湿循环渗透率测量方案。第一方面，本申请实施例提供了一种岩土干湿循环渗透率测量系统，包括：密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；用以测量所述试样重量的托盘，其以可沿竖向旋转的方式设于所述密闭容器的内部；湿度控制仪，与所述密闭容器通过管路密闭连接，用以控制所述密闭容器内的湿度；CT扫描装置，包括用以对所述试样进行CT扫描的射线源和探测器；数据采集控制系统，用以采集所述试样的重量和/或质量数据，通过所述湿度传感器和湿度控制仪监控并调节所述密闭容器中的湿度，控制CT扫描、并在扫描过程中调节所述托盘的旋转。本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。所述射线源和探测器以可朝向或远离所述密闭容器移动的方式设置在所述密闭容器的两侧，所述数据采集控制系统控制调整所述射线源和探测器与所述密闭容器的距离，所述射线源采用CT双能X射线源，所述探测器采用高分辨率非晶硅面阵列探测器，可以达到很好的拍摄效果。所述系统还包括滑道，所述射线源的底座和所述探测器的底座以可沿所述滑道轴向运动的方式设在所述滑道上。以这种方式可以实现分别控制射线源底座、探测器底座以0.01mm/s~10mm/s速率在滑道上移动，位移精确到0.01mm，可以精确调节三者之间的相对距离，提高拍摄效果。所述托盘包括用以承托所述试样的下盘面、和以设定间距设于所述下盘面上方的上盘面，所述下盘面和上盘面之间设有盘面连接件，所述上盘面与连接轴的下端部连接，所述连接轴的另一端与电动机的电机轴连接，通过电机轴的旋转，带动上盘面旋转，进而带动整个托盘的旋转，从而可以以简单的结构实现托盘沿竖向旋转。所述密闭容器的顶部设有用以测量所述试样质量的质量传感器，所述质量传感器内设有所述电动机。将电动机设于密闭容器的上部，空间利用率高。所述密闭容器的下方设有加载平台底座，所述密闭容器和所述加载平台底座之间设有支撑部件。以简单的结构形式实现密闭容器的定位和支撑，空间结构设计合理。连接所述湿度控制仪和密闭容器的所述管路包括进气管路和出气管路，通过控制不同湿度空气的流动来自动控制密闭容器内的相对湿度，对试样进行不同程度的饱和。所述系统还包括用以防止射线辐射的箱体，所述密闭容器和CT扫描装置均置于所述箱体的内部，在保护操作人员免受辐射的同时，可以起到很好的保护仪器的效果，提高仪器的使用寿命。一种岩土干湿循环渗透率测量方法，包括以下步骤：调节密闭容器的湿度至第一设定湿度，测量试样相应的质量，控制CT装置扫描所述试样，扫描过程中，控制托盘的旋转；重复上述步骤，获取不同湿度时所述试样相应的质量和CT扫描图；获取所述试样质量与含水率和/或饱和度的对应关系，计算所述试样变化过程中的扩散系数变化，获得所述试样的渗透系数变化。岩土干湿循环渗透率测量方法，所述调节密闭容器的湿度至第一设定湿度包括：接收密闭容器的湿度数据，比较所述湿度数据与所述第一设定湿度的湿度差值，根据所述湿度差值，调节具有设定湿度的空气输入量和/或排出量，直到所述湿度差值小于容许湿度差值；所述测量试样相应的质量包括实时获取所述试样的质量数据；所述控制CT装置扫描所述试样包括：获取试样在CT扫描装置中的扫描视野的实际显示范围，根据所述实际显示范围与目标显示范围的范围差值，调节所述扫描装置中CT射线源和探测器与所述试样的距离，控制所述CT装置开始扫描。本申请实施例提供的岩土干湿循环渗透率分析方案，通过湿度控制仪与密闭容器连通的设计，实现非饱和干燥和湿润过程相对湿度的自动循环控制，可以实现干湿循环试验在不同连续湿度条件下的精细控制、并避免试验过程中对试件的扰动从而提高实验结果的准确性；通过CT扫描装置、可沿竖向旋转的托盘与湿度控制仪的协同作用，可以减少人为因素的影响，进而获得原岩初始湿度状态下的微观结构，为准确研究原岩微观结构机理提供可能。CT扫描技术能在无损伤条件下以二维断面图像或三维立体图像的形式展开被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损情况。本申请实施例提供的岩土干湿循环渗透率分析方法，结合三维CT扫描技术、湿度循环控制系统和原位质量跟踪技术，可以准确循环控制相对湿度的变化并实时跟踪监测记录干湿循环过程中试样的质量变化，从而计算得到得到试样不同含水率状态下的扩散系数，进而间接推导计算得到试样的渗透率，同时可以测量每个状态下试样的高精度三维微观结构图，并且便于分析试样体积变化、孔隙率变化、三维微观结构变化等。系统操作方便，自动化程度高，控制精细，测量准确，为研究非饱和岩土工程介质干湿循环原位质量跟踪及微观结构机理提供新的技术支持。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为一种三维CT岩土干湿循环原位质量跟踪系统结构示意图；图2为一种三维CT岩土干湿循环原位质量跟踪系统加载平台正视示意图；图3是沿图2中A-A线剖视图；图4是沿图2中B-B线剖视图；图5为滑道结构俯视图；图6为沿图5中C-C剖面左视图；其中：1-加载平台、2-质量传感器、3-金属连接轴、4-旋转电动机、5-密闭容器、6-温度湿度传感器、7-试样托盘、8-支撑钢管、9-通气管道、10-加载平台底座、11-CT双能X射线源、12-射线源支撑轴、13-射线源底座、14-高分辨率非晶硅面阵列探测器、15-探测器支撑轴、16-探测器底座、17-湿度控制仪、18-连接管道、19-滑道、20-滑道支撑底座、21-步进电动机、22-螺旋连接轴、23-射线防护体系箱体、24-数据采集控制系统。具体实施方式为使本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩土干湿循环渗透率测量系统，其特征在于，包括：密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；用以测量所述试样重量的托盘，其以可沿竖向旋转的方式设于所述密闭容器的内部；湿度控制仪，与所述密闭容器通过管路密闭连接，用以控制所述密闭容器内的湿度；CT扫描装置，包括用以对所述试样进行CT扫描的射线源和探测器；数据采集控制系统，用以采集所述试样的重量和/或质量数据，通过所述湿度传感器和湿度控制仪监控并调节所述密闭容器中的湿度，控制CT扫描、并在扫描过程中调节所述托盘的旋转。

【技术特征摘要】
1.一种岩土干湿循环渗透率测量系统，其特征在于，包括：密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；用以测量所述试样重量的托盘，其以可沿竖向旋转的方式设于所述密闭容器的内部；湿度控制仪，与所述密闭容器通过管路密闭连接，用以控制所述密闭容器内的湿度；CT扫描装置，包括用以对所述试样进行CT扫描的射线源和探测器；数据采集控制系统，用以采集所述试样的重量和/或质量数据，通过所述湿度传感器和湿度控制仪监控并调节所述密闭容器中的湿度，控制CT扫描、并在扫描过程中调节所述托盘的旋转。2.根据权利要求1所述的岩土干湿循环渗透率测量系统，其特征在于，所述射线源和探测器以可朝向或远离所述密闭容器移动的方式设置在所述密闭容器的两侧，所述数据采集控制系统控制调整所述射线源和探测器与所述密闭容器的距离，所述射线源采用CT双能X射线源，所述探测器采用高分辨率非晶硅面阵列探测器。3.根据权利要求2所述的岩土干湿循环渗透率测量系统，其特征在于，所述系统还包括滑道，所述射线源的底座和所述探测器的底座以可沿所述滑道轴向运动的方式设在所述滑道上。4.根据权利要求1-3任一所述的岩土干湿循环渗透率测量系统，其特征在于，所述托盘包括用以承托所述试样的下盘面、和以设定间距设于所述下盘面上方的上盘面，所述下盘面和上盘面之间设有盘面连接件，所述上盘面与连接轴的下端部连接，所述连接轴的另一端与电动机的电机轴连接，通过电机轴的旋转，带动上盘面旋转，进而带动整个托盘的旋转。5.根据权利要求4所述的岩土干湿循环渗透率测量系统，其特征在于，所述密闭容器的顶部设有用以测量所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨典森，李康，陈卫忠，于洪丹，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42