一种基于质量阈值控制的土体干湿循环效应模拟实验仪器

1.本发明属于土体性质测试领域，具体涉及一种基于质量阈值控制的土体干湿循环效应模拟实验仪器。


背景技术：

2.在工程实践中，工程用土在其服役期内，内部湿度状态不可避免的会存在季节性波动现象。在实际工程中，土体若存在湿度变化情况，必然会导致其物理、强度、变形等特性发生相应的改变，从而大幅度增加了工程病害风险。
3.目前已有文献中大都采用反复“烘干——浸泡”的干湿循环方法，即试样干燥至恒重后，再浸水至饱和，如此为一个干湿循环周期。但在工程实践中，工程用土既可能处于饱和状态，也可能处于非饱和状态或过饱和状态。这种实验方法既未考虑干湿循环幅度对土体性质的影响，也未考虑烘干过程中，过高的烘干温度对试样性质的影响，并且没有考虑工程用土所处的外部环境。
4.而现有仪器一种干湿阈值可控的路基土温湿监控实验装置及实验方法（cn 111239036a）是通过在土体或试样中埋设湿度计，通过监测土体湿度来启动干湿循环系统，这种方法存在的主要问题是：水分在土体内由外向内或由内向外渗透过程中存在湿度梯度，如果试样体内监测湿度计数量少，则在湿度计所在位置达到预设阈值时，土体内部最终平衡稳定后的湿度将超过预设阈值，无法做到准确控制平衡湿度；若通过布设多个湿度监测计，虽能够实现土体湿度相对精确控制，但土体中埋设多个湿度计及其导线实际上相当于对试样形成加筋作用，严重影响土体在干湿循环过程中的变形规律监测结果。
5.为消除这一影响，准确开展土体湿度可控状态下的干湿循环实验，研发了一种基于质量阈值控制的土体干湿循环效应模拟实验仪器，本仪器在干湿循环过程中的干燥、补水系统启动是基于预设土体临界质量值，在试验前计算土体达到干、湿平衡状态时试样的总质量，在干湿循环过程中，当位于试样底部的质量监控测量系统监测到土体总质量达到预设值时即可关闭注水或干燥系统，间隔特定时间让土体内部湿度达到平衡（是否设置间隔时间以及具体时间根据土样与试验方案决定）。


技术实现要素：

6.发明目的：针对现有试验仪器及方法中存在的问题及不足，本发明提供了一种基于质量阈控制的土体干湿循环效应模拟实验仪器，通过控制土体试样的质量来保证土体试样的含水率，进行准确模拟干湿循环效应对工程用土的影响的实验仪器。
7.技术方案：一种基于质量阈值控制的土体干湿循环效应模拟实验仪器，分为自动补水系统、红外测距系统、质量监控测量系统、加热系统、数据采集系统。所述加热系统之上有盛放土样的托盘，所述加热系统之下有隔热棉，隔热棉下安装所述质量监控测量系统，所述托盘上方和侧方安装有所述红外测距系统，所述自动补水系统通过注水管通入所述托盘内，质量监控测量系统、数据采集系统、自动补水系统和数据采集系统通过导线相连。
8.所述自动补水系统以补水箱为主，通过控制水的流速及时间进而达到定时定量补水的效果；所述红外测距系统以红外测距仪测量土柱形变；所述质量监控测量系统移动终端、监控压力传感器、测量压力传感器、及防爆灯，可以根据试验前计算土体达到干、湿平衡状态时试样的总质量，进行预设质量临界值，并可以进行实时测量土柱的质量变化；所述的加热系统通过电阻加热丝对土体进行加热；所述的数据采集系统通过数据采集仪连续采集或人工设置采集频率采集质量数据及变形数据。
9.作为本发明改进的技术方案，所述自动补水系统可以预设湿度波动幅度、干湿循环周期，根据预设值自动对托盘内的土体试样进行补水。所述自动补水系统根据质量预设值定量对托盘内的土体试样进行补水加湿。
10.作为本发明的技术改进方案，所述红外测量系统可以对土柱的变形进行实时监测，进而汇总形成随时间变化的轴向变形图及径向变形图。
11.作为本发明的技术改进方案，所述质量监控测量系统可以预设土体试样临界值，并根据土体试样临界值反应至自动补水系统，使自动补水系统停止或进行补水，并在预设温度下，生成土体质量变化图。
12.作为本发明的技术改进方案，所述加热系统可以预设温度波动幅度、干湿循环周期，并依据预设值对托盘内的土体试样进行加热。
13.作为本发明的技术改进方案，所述数据采集系统可以连续或人工设置采集频率并输出质量变化图及土样形变量图。
14.有益效果：本发明装置适用于制备经受干湿循环影响土样，可实现：1.自动进行干湿循环的模拟，减少人力物力，降低人为因素对试验的干扰；2.采用传感器实时监测，提高了试验数据的精度；3.通过预设湿度变化、干湿循环周期可以模拟多种情况下工程用土的干湿循环状态，并且可以根据预设频率进行数据采集。4. 本发明实现了工程用土干湿循环中质量阈值的具体量化，以具体的土体试样质量进而保证含水率数值的准确性，来反映实际工程中工程用土的干湿状态。5.本发明可以控制土体试样加湿过程中土体试样的含水率，更加符合工程中的实际情况。
附图说明
15.图1为本发明的装置整体示意图；图2为本发明的罐体正剖视图；图3为本发明的罐体左剖视图；图4为本发明的俯剖视图。
16.图中：1
‑
保温板；2
‑
托盘；3
‑
加热系统；4
‑
隔热棉；5
‑
质量监控测量系统；6
‑
红外测距系统；7
‑
数据采集系统；8
‑
自动补水系统；9
‑
导线；10
‑
注水管；11
‑
质量阈值控制系统。
具体实施方式
17.以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
18.如图所示，一种基于质量阈值控制的土体干湿循环效应模拟实验仪器，分为加热系统3、质量监控测量系统5、红外测距系统6、数据采集系统7、自动补水系统8。
19.具体实施步骤如下：
第一步：根据实验要求制备土体试样，并依据土力学公式计算土体达到干、湿平衡状态时试样的总质量。
20.第二步：根据第一步计算得出的质量临界值，在质量监测控制系统中设置土体试样质量阈值，并预设补水后的间隔时间（所需设置的具体间隔时间根据土样与试验方案决定）。
21.第三步：设置烘干加热温度范围，将制备好的土体试样置于仪器托盘内，并启动红外测距系统。
22.第四步：启动第一次干湿循环，当质量监控测量系统监测到土体试样质量低至预设质量阈值下限时，打开自动补水系统。
23.第五步：补水加湿至土样质量阈值上限后，关闭补水系统并根据预设间隔时间，打开加热系统，直至加热至预设质量阈值下限，完成一次干湿循环。
24.第六步：在干湿循环过程中，进行质量及形变数据连续采集。并根据预设干湿循环次数，完成土样干湿循环。