具有动水压力调节功能的土体干湿循环装置及试验方法

本发明涉及岩土工程的土体干湿循环装置，具体涉及一种具有动水压力调节功能的土体干湿循环装置及试验方法。

背景技术：

1、在岩土工程领域中，土体在长期受到干湿循环的作用时，其物理结构和力学性质会发生改变，并导致进一步的地质灾害与工程失稳。通过进行土体的干湿循环试验，可以更加深入地了解土体的力学特性和变形特性，从而指导工程实践，保证工程的安全性和可靠性。

2、常规土体的干湿循环试验中制备环刀土样后，会设定不同的饱和时间、烘干温度以及干湿循环周期数来对土体进行干湿循环处理。但叠式饱和器、真空饱和器等试验装置通常只能对有限数量的土样进行饱和，且土样在饱和过程中不施加额外的水压力，存在饱和时间长、饱和程度不一的问题。自然界中不同类型水体的离子成分差异显著，在干湿循环过程中也会对土的岩土力学性质产生不同的影响。在开展土的干湿循环试验时，现有试验装置难以在试验过程中准确测定水的离子成分变化情况。此外，传统试验过程中饱和与干燥过程不在一个装置内，土样搬运过程中可能对土样造成额外的扰动。因此，如果实现批量土样在动水压力下的饱干湿循环过程是岩土工程领域有待深入研究的理论与技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对先有技术的不足，提供一种可考虑在动水压力作用的土体干湿循环的试验装置及方法，该装置可以准确实现以下试验过程：在土样安装好后，可以按照试验要求设定试验装置自动进行批量土样多周期的干湿循环试验，保持恒定动水压力用于土样饱和，并设有上、下取水水龙头用于水样取样及后续离子成分测定。在试验的过程中能实现过程自动化，简化试验流程，控制人为因素对试验结果的影响。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种具有动水压力调节功能的土体干湿循环装置，包括试验台、固定在试验台上的支座、水泵、储水箱以及自动干湿循环机构，所述自动干湿循环机构包括密封顶盖、与密封顶盖密封配合的干湿循环室、烘干机、设于干湿循环室中的土样安装单元以及控制器，所述干湿循环室通过支座固定于试验台上，所述土样安装单元将干湿循环室分为上下两部分，所述土样安装单元包括通过固定结构自下而上设置的微孔隔膜底板、用于放置多个土环刀的土环刀定位套筒架以及微孔隔膜顶板，微孔隔膜顶板和微孔隔膜底板的四周均与干湿循环室的内壁吻合密封配合，微孔隔膜顶板和微孔隔膜底板与土环刀对应的位置均具有透水透气结构，所述干湿循环室的底部设置进水通道，进水通道通过进水管与水泵连接，所述进水管上靠近干湿循环室的一端安装第一电磁阀，所述密封顶盖上和干湿循环室的底部均具有排水通道，密封顶盖上的排水通道通过上排水管与储水箱连接，干湿循环室底部的排水通道通过下排水管与储水箱连接，下排水管靠近干湿循环室的一端安装第二电磁阀，所述水泵与储水箱之间通过管道连接，所述密封顶盖的顶部和干湿循环室的底部均具有进风口，进风口处均固设烘干机，所述控制器分别与所述水泵、所述烘干机、第一电磁阀以及第二电磁阀连接。

4、优选的，所述固定结构包括固定在干湿循环室底部的上部具有螺纹的多个竖向支撑杆以及旋设于对应竖向支撑杆上的两个自紧螺母，自下而上排列的微孔隔膜底板、土环刀定位套筒架以及微孔隔膜顶板均插设在各竖向支撑杆上的，两个自紧螺母为上定位螺母和下定位螺母，上定位螺母位于微孔隔膜顶板的上方，下定位螺母位于微孔隔膜底板的下方。

5、优选的，所述密封顶盖与所述干湿循环室之间设有密封橡胶圈，固定螺栓自上而下穿过所述密封顶盖和密封橡胶圈，且旋设在所述干湿循环室上，所述密封顶盖与所述干湿循环室通过固定螺栓和密封橡胶圈密封连接。

6、优选的，所述干湿循环室的侧面设置两个取水水龙头，两个所述取水水龙头高度分别位于土样安装单元上方和下方。

7、优选的，所述干湿循环室中还设置温度传感器，所述温度传感器固定在干湿循环室底板的内侧，并与控制器连接。

8、优选的，所述微孔隔膜顶板与微孔隔膜底板均采用不透水材料制成，所述透水透气结构为固定于对应微孔隔膜顶板与微孔隔膜底板通孔中的耐高温多层微孔隔膜，耐高温多层微孔隔膜与土环刀位置正对，且耐高温多层微孔隔膜的直径与土环刀内径相同。

9、利用所述土体干湿循环装置的试验方法，包括以下步骤：

10、步骤1、采用预实验的方式，调整烘干机的功率、水泵的压力大小和第一电磁阀的开度，测试进入自动干湿循环装置的水流和烘干的条件是否符合要求，并进行相应的调整；根据预实验的结果，通过控制器设定每个干湿循环过程中的动水压力、水流速度、水流时间、烘干温度、烘干时间和干湿循环次数；

11、打开密封顶盖，调整下定位螺母下定位螺母的位置，依次放置微孔隔膜底板和土环刀定位套筒架，然后在土环刀定位套筒架中放置多个带有土样的土环刀，接着放置微孔隔膜顶板，并通过上定位螺母进行固定；在土环刀定位套筒架的厚度小于或等于土环刀的高度，以便保证微孔隔膜顶板与土环刀接触紧密，水流只会从耐高温多层微孔隔膜中流入和流出土样；

12、步骤2、固定螺栓自上而下穿过密封顶盖和密封橡胶圈，且旋设在所述干湿循环室上，将密封顶盖和干湿循环室密封压紧；以此保证干湿循环室与密封顶盖形成的内部空间气密性良好；

13、步骤3、土样饱和过程中，第一电磁阀根据需要控制开度，第二电磁阀均关闭，循环水自下而上通过土样，然后从相应上排水管排出，待饱土样和完毕，控制器关闭第一电磁阀、通过第三电磁阀（图中未显示）关闭上排水管，打开第二电磁阀进行排水；

14、步骤4、排水完毕，进行烘干，烘干过程中，控制器打开上、下方的烘干机，对土样进行烘干，并根据温度传感器对烘干机进行控制，使得烘干温度恒定在试验方案要求的温度，上下两面的烘干机同时工作可以加快对土样加热烘干的过程；

15、步骤5、重复步骤3和4，达到设定干湿循环次数，干湿循环实验结束。

16、优选的，步骤3中，利用两个取水水龙头，收集土样安装单元上下两侧的水，进行检测。

17、优选的，步骤1中，储水箱可以加入含有不同离子成分的水样。

18、与现有试验装置相比，本发明的有益效果在于如下：

19、（1）本发明在土体干湿循环试验的过程中，可通过控制器进行设定，如定量模拟不同的水压、流速以及不同的烘干时间和温度，并且进行多次干湿循环；

20、（2）本发明土样安装单元通过巧妙简洁的结构可以一次固定大量的环刀土样，且将干湿循环室分为上下两部分，为动水压力的设置提供了条件，采用耐高温多层微孔膜，可以在浸湿过程中固定土样，使土样颗粒不被水流冲走，且不影响土样中空气的排出和水流的正常通过，以及使水中离子能够正常通过微孔膜并进入土样，以研究在动水压力作用下干湿循环对土样的影响，以及水中不同离子对土样的影响；在干燥过程中可以直接进行高温干燥，避免了将土样移出土环刀再进行干燥的操作，实现了重复干湿循环，避免了手工操作的繁琐，加快了试验的进程，有效控制了人工操作导致的误差，实现了土样浸泡-干燥过程的全自动化控制；可以实现自动化大批量地定量研究不同条件下干湿循环对土体特性的影响，同时可以研究不同离子在干湿循环中对土体特性的影响。

21、（3）本发明提供的试验装置机械结构简单、易于调节、操作方便，并且可以实现大批量土体同时进行干湿循环试验，减少了试验的人工重复操作，提高了试验进行的效率。

22、（4）固定结构可以根据试验要求调整土样安装单元的竖向位置，非常方便。

23、（5）干湿循环室的侧面设置两个取水水龙头，两个取水水龙头高度分别位于土样安装单元上方和下方，用于收集土样安装单元上下两侧的水，通过测定得出土样吸收离子的情况。