[发明专利]降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置及试验方法

权利要求书

1.一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验方法，所述试验方法涉及一种降雨-蒸发循环并测量土裂隙特性的试验装置，包括试验箱、降雨-油渗装置、加热装置、液体收集装置、压力传感器(8)和控制系统；所述试验箱由箱体(28)和可转动底座(10)组成；

所述箱体(28)为一空心圆柱体，下部镶嵌底板(9)，上部安装一个降雨器(4)，降雨器(4)和箱体(28)的接触处镶有密封圈(3)，即箱体(28)、底板(9)和降雨器(4)三者构成一个封闭的试验腔；在箱体(28)下部的壁上留有注气孔(6)，气泵(16)通过注气孔(6)与试验腔连通；所述底板(9)非中心位置开设一个导液孔(20)和N个通孔A(17)，所述通孔A(17)内均镶嵌大孔隙滤网A(18)，N个试样盒(7)放置在所述N个通孔A(17)的上方；所述压力传感器(8)装在试样盒(7)和大孔隙滤网A(18)之间；

所述可转动底座(10)为实心圆柱体，装在底板(9)的下部，且与底板(9)保持同心，在可转动底座(10)的中心位置有一个转轴(19)，通过伺服电机(29)驱动转轴(19)转动；在可转动底座(10)上设有一个导水孔(23)、一个导油孔(24)和N个通孔B(22)，通孔B(22)内均镶嵌大孔隙滤网B(21)，导油孔(24)与导液孔(20)逆时针相差90度，导水孔(23)和通孔B(22)的位置为：当导水孔(23)和导液孔(20)贯通时，N个通孔A(17)和N个通孔B(22)非贯通；当导油孔(24)和导液孔(20)贯通时，N个通孔A(17)和N个通孔B(22)贯通；

所述液体收集装置包括液体收集盒(13)、漏斗(11)和量筒(12)，在可转动底座(10)下方与导液孔(20)对应位置放置液体收集盒(13)、在可转动底座(10)下方与通孔A(17)相对应位置放置漏斗(11)，漏斗(11)下部接入量筒(12)；

所述降雨-油渗装置包括马氏瓶A(1)、马氏瓶B(15)和可调节支架(2)，所述马氏瓶A(1)和马氏瓶B(15)分别通过导管连接电子三通阀(14)的二个支路，电子三通阀(14)的第三个支路连接降雨器(4)，降雨器(4)下部设置一排可替换针管(5)；

所述控制系统包括控制器(30)和伺服电机(29)；所述控制器(30)包括降雨控制模块(31)、油渗控制模块(32)、检测模块(33)、信息输入存储模块(34)、蒸发控制模块(35)和主控模块(36)；所述降雨控制模块(31)连接电子三通阀(14)，所述油渗控制模块(32)连接电子三通阀(14)，所述检测模块(33)连接压力传感器(8)，所述蒸发控制模块(35)分别与气泵(16)、加热装置和电子三通阀(14)连接，所述主控模块(36)和伺服电机(29)连接；

所述信息输入存储模块(34)与主控模块(36)双向连接，主控模块(36)向信息输入存储模块(34)输送预设压力值和湿干循环次数，信息输入存储模块(34)向主控模块(36)反馈信息进行下一步操作；所述主控模块(36)与蒸发控制模块(35)单向连接，用于发送模拟蒸发试验指令；所述主控模块(36)与降雨控制模块(31)单向连接，用于发送模拟降雨试验指令；所述主控模块(36)与油渗控制模块(32)单向连接，用于发送油渗试验指令；所述主控模块(36)与检测模块(33)单向连接，用于发送压力检测指令；

其特征在于，所述试验方法将需要测试的试样进行降雨-蒸发循环模拟试验和油渗模拟试验，记录模拟试验数据，并通过模拟试验数据进行土裂隙发育特性曲线的绘制，完成土裂隙特性的定量评价，具体步骤如下：

步骤1，试验参数的设定

设定试样初始含水量ω₀、初始压力P₀、模拟降雨试验档位压力临界值P₁、模拟蒸发试验档位压力临界值P₂、降雨含水量ω₁和蒸发含水量ω₂，所述降雨含水量ω₁为模拟降雨试验档位压力临界值P₁对应的试样含水量，所述蒸发含水量ω₂为模拟蒸发试验档位压力临界值P₂对应的试样含水量，ω₂＞ω₁，将以上设定参数传送到信息输入存储模块(34)；

所述模拟降雨试验档位压力临界值P₁、模拟蒸发试验档位压力临界值P₂的计算式分别如下：

P₁＝P₀(1+ω₁)/(1+ω₀)

P₂＝P₀(1+ω₂)/(1+ω₀)

设定降雨-蒸发湿干循环次数初始值为0、预设湿干循环次数为M；当试样压力等于P₁时，信息输入存储模块(34)记录的湿干循环次数加1；将预设湿干循环次数M输入信息输入存储模块(34)；

步骤2，试样装填

将按照土工试验标准制好的环刀状试样从试验腔上部放入试样盒(7)，并在试样上部放置滤纸，完成预定试样的装填；

安装降雨器(4)、可替换针管(5)，调整可调节支架(2)的高度，将马氏瓶A(1)装满水，马氏瓶B(15)装满煤油，此时主控模块(36)向蒸发控制模块(35)发送指令，电子三通阀(14)关闭，气泵(16)关闭，加热装置关闭；

步骤3，降雨-蒸发循环模拟试验

模拟降雨试验的启动方式包括以下二种：

首次模拟降雨试验：试样装填完毕后，主控模块(36)发送指令给降雨控制模块(31)和伺服电机(29)，试验装置自动切换到模拟降雨模式；

非首次模拟降雨试验：当检测模块(33)通过压力传感器(8)检测到试样压力等于模拟降雨试验档位压力临界值P₁时，主控模块(36)发送指令给降雨控制模块(31)和伺服电机(29)，试验装置自动切换到模拟降雨模式；

具体的，降雨-蒸发循环模拟试验的循环过程见步骤3.1-步骤3.3；

步骤3.1，模拟降雨试验

试验装置自动切换到模拟降雨模式后，电子三通阀(14)左侧打开，伺服电机(29)驱动转轴(19)调节可转动底座(10)使导水孔(23)和导液孔(20)贯通，且N个通孔A(17)和N个通孔B(22)非贯通，马氏瓶A(1)中的水通过电子三通阀(14)连接到降雨器(4)实施降雨，压力传感器(8)对试样进行检测，并通过检测模块(33)将实时试验数据发送至信息输入存储模块(34)；

当试样压力等于模拟蒸发试验档位压力临界值P₂时，模拟降雨试验结束，自动切换到模拟蒸发模式；

步骤3.2，模拟蒸发试验

当检测模块(33)检测到试样压力等于模拟蒸发试验档位压力临界值P₂时，主控模块(36)发送指令给蒸发控制模块(35)和伺服电机(29)，试验装置自动切换到模拟蒸发模式，此时电子三通阀(14)关闭，伺服电机(29)驱动转轴(19)调节可转动底座(10)使导水孔(23)和导液孔(20)贯通，且N个通孔A(17)和N个通孔B(22)非贯通，加热装置工作，气泵(16)工作，压力传感器(8)对试样进行检测，并通过检测模块(33)将实时试验数据发送至信息输入存储模块(34)；

当试样压力等于模拟降雨试验档位压力临界值P₁时，信息输入存储模块(34)记录湿干循环次数增加1，模拟蒸发试验结束；

步骤3.3，检验是否满足降雨-蒸发循环模拟试验终止条件，如果满足终止条件，进入步骤4；如果不满足终止条件，返回步骤3.1；

所述降雨-蒸发循环模拟试验终止条件为：信息输入存储模块(34)记录的湿干循环次数等于预设湿干循环次数M；

步骤4，油渗模拟试验

当信息输入存储模块(34)记录的湿干循环次数等于预设湿干循环次数M时，主控模块(36)发送指令给油渗控制模块(32)和伺服电机(29)，试验装置自动切换到油渗模式，此时电子三通阀(14)右侧打开，马氏瓶B(15)中的煤油通过电子三通阀(14)连接到降雨器(4)实施降油，伺服电机(29)驱动转轴(19)调节可转动底座(10)使导油孔(24)和导液孔(20)贯通，且N个通孔A(17)和N个通孔B(22)贯通；收集3分钟内量筒(12)里的煤油，测量煤油体积，并计算油渗系数k，计算式如下：

k＝V/At

其中，V为量筒(12)内的煤油体积，A为试样土的底面积，t为油渗时间；

步骤5，建立油渗系数与试样裂隙率的关系式，且通过以上模拟试验数据的整理，定量评价裂隙的发育程度；

油渗系数k与裂隙率c的关系式如下：

c＝k-B/A

其中，A为油渗常数，B为基础常数；

通过模拟试验数据建立油渗系数k和裂隙率c的关系曲线并记为k-c曲线、建立油渗系数k和湿干循环次数M的关系曲线并记为k-M曲线,对k-c曲线、k-M曲线进行数学拟合，定量评价裂隙的发育程度。