模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法，装置包括试样筒，试样设在试样筒内；轴压加载组件的加载端设在试样筒的上方，对试样施加轴压；干湿循环组件设在试样筒外围，对试样进行干湿循环试验；干湿循环组件包括加热筒，加热筒套设在试样筒外，两者之间形成储水腔；热风源的出风口与试样筒的底端内部连通，对试样进行动态热气流烘干；循环保水装置的出水端与试样筒的底端内部连通，循环保水装置的进水端与加热筒的顶端连通，水流从试样筒底部进入，对试样进行动态饱水，然后从试样筒顶部流出进入储水腔，再通过加热筒与循环保水装置连通的管路回流，实现了动态水流吸湿、通风脱湿。湿。湿。

【技术实现步骤摘要】
模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法


[0001]本专利技术属于膨胀土在有荷饱和环境中的渗流作用模拟
，涉及一种模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法。

技术介绍

[0002]填土路基变形失稳是膨胀土地区公路、铁路建设中常见的一种地质灾害，往往带来严重的工程、经济损失和生态环境破坏。膨胀土的胀缩性对工程的影响很大，土体的膨胀和收缩不仅降低了土体的强度，而且会引起土体变形，导致结构物发生破坏，比如由膨胀土所组成的斜坡常因土体的膨胀发生滑坡，给工程带来危害。因此，研究膨胀土的胀缩性在工程实践中有重要意义。在工程施工中，建造在含水量保持不变的膨胀土上的构造物不会遭受由胀缩而引起的破坏，但当土的含水量发生变化时，立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀，仅1％～2％的量值就足以引起有害的膨胀。深入了解膨胀土的胀缩特性是解决由膨胀土胀缩导致的工程问题的关键，而膨胀土的胀缩性受其固结程度和干湿循环变化情况的影响很大，所以研究不同干湿循环条件下膨胀土的胀缩是了解膨胀土胀缩性的关键。
[0003]常规干湿循环中环刀样加载方式为在环刀样上下各放一块透水石，再施加荷载，但膨胀土具有吸湿微膨胀性和脱湿收缩的特性，吸湿和脱湿时，土体在荷载作用下产生一定变形时，荷载直接作用在环刀口上而不是土体本身，更多的力由环刀口承担。公开号为CN113514628A的专利技术专利公开了一种细粒土固结胀缩及干湿循环一体试验装置及其试验方法，其虽然也是直接对试样进行竖向荷载加载，但这种加载方式需要用到伺服加压装置和各种传感器等设备，造价高且降低了试验效率。
[0004]以往干湿循环环境模拟过程中，模拟干湿循环环境将烘干和饱和两个过程分开进行，烘干在烘箱中进行，饱和需另外在饱和桶中进行，这样会反复扰动试样，损伤试样整体结构，造成试样表层松散、脱落。杨和平,张锐,郑健龙.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律[J].岩土工程学报,2006(11):1936
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1941采用的模拟干湿循环试验装置，能够在一个试验装置里进行整个干湿循环过程，此装置通过浴霸进行干燥脱湿，静水浸泡进行吸湿，但该装置的干燥和脱湿的方式与实际干湿循环过程中在动态水作用下吸湿、在通风环境下干燥脱湿有一定差异，测量得到的数据可能会与实际情况有较大的差距。
[0005]在实际的降雨环境中需要充分考虑雨水的冲蚀和淋滤，尤其是极端降雨条件下这种作用会变得特别明显。土体的吸湿饱和是一个动态水流入渗的过程，如果在进行干湿循环试验时不考虑雨水的冲蚀和淋滤作用，会使试验结果和实际情况相差甚远。而现有研究手段多为采用静置饱和方式模拟降雨条件下土样饱和状态，此静态水环境中离子交换及水土相互作用均较弱，无法再现降雨入渗过程中雨水冲蚀与渗流作用对土体结构的影响，与降雨入渗的真实过程不符。

技术实现思路

[0006]本专利技术实施例的目的在于提供一种模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置及方法，以解决现有模拟干湿循环和降雨入渗下土体胀缩变形的试验装置试验效率低、成本高、干燥和脱湿方式与实际干湿循环过程存在差异以及模拟的降雨入渗与真实过程不符的问题。
[0007]本专利技术实施例所采用的技术方案是：模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，包括：试样筒，试样设置在试样筒内；轴压加载组件，轴压加载组件的加载端设置在试样筒的上方，对试样筒内的试样施加轴压；干湿循环组件，干湿循环组件设置在试样筒外围，对试样进行干湿循环试验；其中，干湿循环组件包括：加热筒，加热筒套设在试样筒的外围，且加热筒和试样筒相距一定间隔设置形成储水腔；热风源，热风源的出风口与试样筒的底端内部连通，对试样进行动态热气流烘干；循环保水装置，循环保水装置的出水端与试样筒的底端内部连通，循环保水装置的进水端与加热筒的顶端连通，水流从试样筒底部进入，对试样进行动态饱水，然后从试样筒顶部流出进入储水腔，再通过加热筒与循环保水装置连通的管路回流。
[0008]本专利技术实施例所采用的另一技术方案是：模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验方法，采用如上所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，具体步骤如下：步骤S1、检查模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置各部分可用后进行组装，在试样筒和加热筒与水溶液接触的地方抹防酸腐蚀涂层，并动作加热筒侧面的每个鼓风口上的圆形盖，密封关闭每个鼓风口；步骤S2、在试样筒的内侧底部布置下透水石，将制备的试样置于下透水石上，再在试样上部布置多孔承压板；使轴压加载组件的加载竖杆与多孔承压板接触，并施加2~3kPa压力进行预压，使试样筒内各部分接触，并记录刻度千分表的初始读数K
0s
；步骤S3、设置好轴压加载组件的加载量，以模拟土层不同深度位置受力状态；步骤S4、通过蠕动泵控制溶液流速，使溶液从进水口流入试样筒并从加热筒的出水口回流至溶液箱，形成动态水流循环以模拟降雨环境下不同降雨强度情况；步骤S5、调整高清摄像头的位置，每间隔一定时间对试样的上部和侧部表面进行拍照；实时观测刻度千分表的数据变化，每间隔一定时间记录一次刻度千分表的数据；当试样膨胀稳定时结束吸湿试验，通过蠕动泵将溶液排出，并记录结束吸湿试验时刻度千分表的数据K
ts
，K
ts
为试样在设置的竖向荷载P作用下达到膨胀稳定时的膨胀量，并按照下述公式计算试样的竖向有荷膨胀率：；其中，h
0s
为试样在竖向的初始高度，K
ts
为试样在设置的竖向荷载P作用下膨胀稳定时的刻度千分表的读数，K
ps
为设置的竖向荷载P作用下多孔承压板、加载竖杆、刻度千分
表对试样的压缩变形量；步骤S6、动作加热筒侧面的每个圆形盖，打开每个鼓风口，将每个鼓风口与对应的第二鼓风机连接，并将进水口与第一鼓风口连接，通过干湿循环组件的第一鼓风控制器和第二鼓风控制器调节第一鼓风机和第二鼓风机输出的热气流的温度与流量，向试样筒和加热筒内吹送热气流，对试样进行脱湿处理，加热过程中，按原有设定读数频率持续记录刻度千分表的读数，并根据试验设计的加热温度控制加热时间，试样含水率达到缩限含水率时结束加热，即完成一次湿干循环过程；步骤S7、重复步骤S4~S6，依次完成试验设计的湿干循环试验次数，完成湿干循环环境下的湿胀变形试验。
[0009]本专利技术实施例的有益效果是：1.通过加载梁直接对环刀试样上部的多孔承压板进行加载，多孔承压板嵌入环刀中且宽度与试样一致，因此可以模拟不同荷载深度下的土体在有侧限情况下的受力情况，且荷载不会被环刀口分担，加载方式利用了杠杆原理，悬挂砝码形成力臂进行加载，可通过改变砝码质量来调整荷载，这样的加载方式具有加载灵活、简单便捷、造价低、可实现多组试样同时加载和提高试验效率等优点，解决了解决现有模拟干湿循环和降雨入渗下土体胀缩变形的试验装置试验效率低、成本高的问题；2.采用试样筒和加热筒组合的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，包括：用于放置试样的试样筒（14）；用于对试样施加轴压的轴压加载组件，轴压加载组件的加载端设置在试样筒（14）的上方；用于对试样进行干湿循环试验的干湿循环组件，干湿循环组件设置在试样筒（14）外围；其中，所述干湿循环组件包括：加热筒（21），加热筒（21）套设在试样筒（14）的外围，且加热筒（21）和试样筒（14）相距一定间隔设置形成储水腔；热风源，热风源的出风口与试样筒（14）的底端内部连通，对试样进行动态热气流烘干；循环保水装置，循环保水装置的出水端与试样筒（14）的底端内部连通，循环保水装置的进水端与加热筒（21）的顶端连通，水流从试样筒（14）底部进入，对试样进行动态饱水，然后从试样筒（14）顶部流出进入储水腔，再通过加热筒（21）与循环保水装置连通的管路回流。2.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述试样筒（14）底部中心位置设置有锥形的进水口（16），在模拟降雨入渗时，试样筒（14）通过进水口（16）与循环保水装置连接；在烘干试样时，进水口（16）与第一鼓风机的出风口连接；试样筒（14）为圆柱形结构，其上侧为无侧限设计，其内侧设有用于固定环刀的卡槽，多孔承压板（12）位于试样上部并与试样一起堆叠安置在环刀口内，且多孔承压板（12）宽度与试样一致，下透水石（15）置于试样和试样筒（14）底部；在烘干试样时，第一鼓风机输出的热气流从进水口（16）进入并从多孔承压板（12）排出，对试样进行动态鼓风干燥；第一鼓风机上设置有第一鼓风控制器（20），第一鼓风控制器（20）用于控制第一鼓风机向进水口（16）输送的热气流的温度和风速。3.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述加热筒（21）的中间位置设置有至少两个均匀分布在其侧面并与储水腔连通的鼓风口，每个鼓风口上设置有圆形盖，通过动作圆形盖打开/密封闭合每个鼓风口；在模拟降雨入渗时，通过动作圆形盖密封闭合每个鼓风口；在烘干试样时，通过动作圆形盖打开每个鼓风口，并将每个鼓风口与对应的第二鼓风机的出风口连接，第二鼓风机输出的热气流从鼓风口进入并从加热筒（21）顶部排出，对试样侧面进行干燥。4.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述加热筒（21）为圆柱形筒，其顶部设置有多孔盖板（22），多孔盖板（22）上均匀设有多个出风管（18），在烘干试样时，第二鼓风机输出的热气流从鼓风口进入并从出风管（18）排出，对试样侧面进行干燥；多孔盖板（22）的中间设有用于使轴压加载组件的加载端通过的圆形孔（17），加热筒（21）的侧面上部设置有出水口（19），出水口（19）低于试样筒（14）的顶部设置，出水口（19）与循环保水装置连接。
5.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述加热筒（21）的出水口（19）处设置有渗透膜（11），过滤固体颗粒；每个第二鼓风机上设置有第二鼓风控制器（23），第二鼓风控制器（23）用于控制第二鼓风机向对应鼓风口输送的热空气的温度和风速。6.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，所述轴压加载组件包括加载支架（2）、水平梁（3）和加载竖杆（6），加载支架（2）固定在试验台（1）上，水平梁（3）一端与加载支架（2）铰接形成杠杆结构，水平梁（3）另一端连接有用于挂载配重砝码（5）的吊绳，水平梁（3）的中部设置有加载竖杆（6），加载竖杆（6）竖直穿过水平梁（3）并与水平梁（3）固定连接，加载竖杆（6）穿过加热筒（21）顶部的圆形孔（17）与位于试样筒（14）内、试样顶部的多孔承压板（12）接触。7.根据权利要求1所述的模拟干湿循环和降雨入渗动态水饱和作用下土体胀缩变形的试验装置，其特征在于，还设置有数据采集装置，数据采集装置包括：刻度千分表（4），刻度千分表（4）与加载支架（2）固定连接，且刻度千分表（4）竖直设置于加载竖杆（...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖杰，向家骏，常锦，刘财壮，胡林杰，陈冠一，
申请(专利权)人：长沙学院，
类型：发明
国别省市：