在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.X

(22)申请日 2016.03.24

(71)申请人 华北水利水电大学

地址 450045 河南省郑州市金水区北环路36号

(72)发明人 张俊然 史颜玲 姜彤 李洪军 任淼 张昕

(74)专利代理机构 郑州中原专利事务所有限公司

代理人 王晓丽

(51)

(10)申请公布号 CN 105823716 A

(43)申请公布日 2016.08.03

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

在吸力量测条件下进行岩土体裂隙

实时观测的试验装置

(57)摘要

本发明公开了一种在吸力量测条件

下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，

包括空气循环试验系统和PIV测试系统，

与现有技术相比较，本发明公开的试验装

置可通过空气循环系统真实再现土体自然

状态的干燥和降雨入渗的过程，通过张力

计和电子天平可连续量测土试样的吸力和

含水率，并且空气循环泵的使用大大缩短

了试验时间，同时通过联合运用PIV系统

可实时、多角度地观测岩土体表面裂隙的

形态特征。本发明模型试验装置操作方

便，涉及的仪器构造简单，可调性强，易

于掌握。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，其特征在于：它包

括空气循环试验系统和PIV测试系统；空气循环试验系统包括透明封闭容器（1），

透明封闭容器（1）内装有土试样（10），土试样（10）顶部和底部各设置一个张

力计（2），透明封闭容器（1）外侧通过气管连接空气循环泵（3），透明封闭容

器（1）与空气循环泵（3）之间连接土试样含水量检测装置；PIV测量系统包括

LED泛光灯（13）、CCD高速相机（14）和图像采集处理器（15），LED泛光灯

（13）设置在空气循环试验系统三侧上方，CCD高速相机（14）设置在空气循环

试验系统的三个侧边，与图像采集处理器（15）相连接。

2.根据权利要求1所述在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，其

特征在于：土试样含水量检测装置包括干燥箱（8），干燥箱（8）内设有电子天平

（7），电子天平（7）上设有干燥剂（6）。

3.根据权利要求2所述在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，其

特征在于：所述干燥剂为硅胶或活性氧化铝或硫酸钙或氯化钙或生石灰或氢氧化钠

固体。

4.根据权利要求2所述在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，其

特征在于：所述干燥箱（8）为透明密闭箱体。

5.根据权利要求1所述在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，其

特征在于：透明封闭容器（1）侧壁上设有温湿度计（4）或透明封闭容器（1）与

空气循环泵（3）之间的气管上设有温湿度计（4）。

6.根据权利要求1所述在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，其

特征在于：透明封闭容器（1）顶部设有水容器（5），水容器（5）与透明封闭容

器（1）之间设有阀门（9）。

7.根据权利要求6所述在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，其

特征在于：水容器上有刻度计（11）。

8.根据权利要求1所述在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，其

特征在于：土试样上下表面均贴有滤纸（12）。

说 明 书

技术领域

本发明涉及一种应用于岩土工程土工试验的模型试验装置，特别是一种在吸力量测

条件下进行岩土体裂隙实时多角度地观测的试验装置。

背景技术

由于降水、蒸发引起岩土体（尤其膨胀土）的胀缩导致工程灾害频发，如建筑物地

基隆起、路桥路基开裂、沟渠边坡失稳等。例如以膨胀土作为地基的低层建筑，同

样由于上覆荷载较小使得建筑遭受严重的破坏，如建筑物的倾斜、墙体出现大量的

裂缝等。击实或碾压膨胀土经常用于防渗渠道的修建，如我国南水北调工程建设涉

及到大量的膨胀土，膨胀土渠道裂隙对防渗稳定性及后期维护的制约是南水北调工

程质量亟待解决的核心问题。

岩土体（尤其膨胀土）从非饱和状态变成饱和状态时，其强度会大大的降低，导致

边坡失稳，从而引发大量的滑坡、崩塌、泥石流和基础破坏等严重的地质灾害，对

生产和生活造成了重大的损失。相反岩土体从饱和状态变成非饱和土状态，会产生

大量裂隙或裂缝，从而破坏了土体的整体性，降低土体的抗渗透强度。周期性的干

湿循环作用会导致岩土体中原生裂隙的扩展和新裂隙的产生，并在土体中形成相互

贯通的裂隙网络，大大降低土体的整体性。综上所述，岩土体（尤其膨胀土）的裂

隙形态演化对其强度、变形以及持水特性产生显著的影响。因此需要在吸力控制或

量测条件下对非饱和岩土体的裂隙形态演化进行定量研究，弄清裂隙演化的机理、

提出预测方法，是国家的重要需求，对非饱和岩土体的地质灾害问题防治具有重大

的实用意义。

基于目前干湿循环过程中岩土体裂隙的观测仅限于未进行控制或量测吸力条件下，

且仅研究岩土体的某一表面的观测，未能实现多角度多平面的观测。因此设计一种

可在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测试验装置，实现在吸力量测条件下且

多角度地进行岩土体裂隙实时观测，以便深入地研究岩土体表面裂隙随着吸力变化

的定量关系，对岩土工程的稳定性评估和预测具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种构造简单，操作方便，易于掌握的可在吸力

量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，实现在吸力量测条件下且多角度

地进行岩土体裂隙实时观测，并且可用吸力作为变量进行定量描述裂隙的变化规律。

本发明采用以下技术方案实现上述目的：

一种在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，它包括空气循环试验

系统和PIV测试系统；空气循环试验系统包括透明封闭容器，透明封闭容器内装

有土试样，土试样顶部和底部各设置一个张力计，透明封闭容器外侧通过气管连接

空气循环泵，透明封闭容器与空气循环泵之间连接土试样含水量检测装置；PIV测

量系统包括LED泛光灯、CCD高速相机和图像采集处理器，LED泛光灯设置在空

气循环试验系统三侧上方，CCD高速相机设置在空气循环试验系统的三个侧边，

与图像采集处理器相连接。

土试样含水量检测装置包括干燥箱，干燥箱内设有电子天平，电子天平上设有干燥

剂。

所述干燥剂为硅胶或活性氧化铝或硫酸钙或氯化钙或生石灰或氢氧化钠固体。

所述干燥箱为透明密闭箱体。

透明封闭容器侧壁上设有温湿度计或透明封闭容器与空气循环泵之间的气管上设有

温湿度计。

透明封闭容器顶部设有水容器，水容器与透明封闭容器之间设有阀门。

水容器上有刻度计。

土试样上下表面均贴有滤纸。

所述张力计的量测为0～2500kPa，其精度为0.1%满量程，张力计与土试样接触的

面积为78.5mm²，其前沿多孔透水石的高度为7mm，储水层厚度为

0.5mm，陶土板传感器的厚度为1mm。张力计采集的数据可用无线传输到外部的

计算机中。

所述空气循环泵功率为280W，压力为1.0bar，额定流量为30L/min，电源为220V，

外形尺寸为3250×416×821mm，最佳环境温度为5～25⁰C。为了减少

空气循环压力为土试样的扰动，在进行空气循环正常工作时保证压力差为5～

20kPa即可。

所述数字式温湿度计为HW200型号，湿度测量范围0～99.9%(RH)，分辨率为

0.1%RH，尺寸为138×65×25mm，重量为0.19kg。

所述电子天平的量程为500g，精度为0.01g，工作温度范围为7.5℃～20℃，称盘

尺寸Φ80(mm)，外形尺寸为270×190×265mm。

所述CCD高速相机分辨率为1626pixel×1236pixel，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，曝

光时间为100μs×80ms，采集速率可达200fps，同时提供Camlink专用接口。

本发明具有以下有益效果：本发明公开的模型试验装置包括空气循环试验系统和

PIV测试系统，涉及的仪器构造简单，操作方便，易于掌握；本发明公开的试验装

置能通过空气循环系统真实再现土体自然状态的干湿循环过程，通过张力计和PIV

测试系统实时量测岩土体的吸力和表面裂隙形态特征；本发明公开的试验装置能够

多角度观测岩土体的裂隙变化规律。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明空气循环试验系统示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种在吸力量测条件下进行岩土体裂隙实时观测的试验装置，它

包括利用张力计量测吸力的空气循环试验系统和PIV测试系统；空气循环试验系

统包括透明封闭容器1，透明封闭容器1内装有土试样10，土试样10顶部和底部

各设置一个张力计2，透明封闭容器1外侧通过气管连接空气循环泵3，透明封闭

容器1与空气循环泵3之间连接土试样含水量检测装置；PIV测量系统包括LED

泛光灯13、CCD高速相机14和图像采集处理器15，LED泛光灯13设置在空气循

环试验系统三侧上方，CCD高速相机14设置在空气循环试验系统的三个侧边，与

图像采集处理器15相连接。

所述透明封闭容器1是钢化玻璃或有机玻璃材料制成，具体尺寸为

500×500×500mm，厚度10mm。

为了准确地量测整个土试样的吸力，在土试样顶部和底部各设置一个张力计进行量

测。张力计2的主要功能是实时量测岩土体的吸力值，技术指标为：量测0～

2500kPa，精度为0.1%满量程，张力计2与土试样接触的面积为

78.5mm²，其前沿多孔透水石的高度为7mm，储水层厚为0.5mm，陶

土板传感器的厚度为1mm；张力计2采集的数据可用无线传输到外部的计算机中。

空气循环泵3的主要功能是提供空气循环的动力，技术指标为：功率280W，压力

1.0bar，额定流量30L/min，电源220V，外形尺寸3250×416×821mm，最佳环境温

度为5～25⁰C，抽气端允许带大负载，抽、排气嘴尺寸(mm)：?4(内

孔)×?8(外径)，接口形状：防滑凸起式(抽、排气嘴)，接管尺寸(mm)：?5×?8硅胶

管，红色防尘帽盖得是抽气嘴(IN)，黑色防尘帽盖得是排气嘴(OUT)。为了减少空

气循环压力为土试样的扰动，在进行空气循环正常工作时保证压力差为5～20kPa

即可。

土试样含水量检测装置包括干燥箱8，干燥箱8内设有电子天平7，电子天平7上

设有干燥剂6。

干燥剂的主要功能是干燥空气中的水份，所述干燥剂可选用硅胶或活性氧化铝或硫

酸钙或氯化钙或生石灰或氢氧化钠固体，也适用其他能满足条件的干燥剂，硅胶干

燥剂是一种高活性吸附材料，其化学分子式为

mSiO₂·nH₂O。

电子天平7的主要功能是测量干燥剂6吸收水份的质量，量程为500g，精度为

0.01g，电子天平的工作温度范围为7.5℃～20℃，称盘尺寸Φ80(mm)，外形尺寸为

270×190×265mm。

所述干燥箱8为透明密闭箱体，干燥箱的主要功能是避免干燥剂6中的水份蒸发，

具体尺寸为500×400×400mm。

透明封闭容器1侧壁上设有温湿度计4或透明封闭容器1与空气循环泵3之间的气

管上设有温湿度计4。

温湿度计4为数字式温湿度计，其主要功能是实时量测封闭容器中空气的湿度，技

术指标：型号HW200，湿度测量范围0～99.9%(RH)，分辨率为0.1%RH，尺寸为

138×65×25mm，重量为0.19kg。

透明封闭容器1顶部设有水容器5，水容器5与透明封闭容器1之间设有阀门9，

水容器上有刻度计11。

水容器5的主要功能是为湿润土试样提供水源，尺寸为?60mm×h200mm，刻度精

度为2mm³。

土试样10上下表面均贴有滤纸12，滤纸的主要功能是为保证土试样均匀地被水润

湿，具体尺寸为350×350mm，厚度为0.4mm～1.0mm。

土试样10根据实验需要可选用立方体结构，尺寸为350×350×350mm，土试样的密

度根据岩土工程情况具体设定。

LED泛光灯13设置在透明封闭容器1的两侧对称位置，LED灯是额定功率为30W

的交直流LED泛光灯。

所述CCD高速相机14分辨率为1626pixel×1236pixel，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，

曝光时间为100μs×80ms，采集速率可达200fps，同时提供Camlink专用接口。

采用上述试验装置进行岩土体裂隙实时观测的试验方法，具体步骤为：

（a）设置空气循环试验系统的透明封闭容器

根据试验方案制备立方体土试样，将土试样置于透明容器内，然后在土试样的上、

下表面安置张力计并调试，再设置土试样的上、下表面的通气配套装置，最后安装

透明容器的顶盖，使其密闭。

（b）安装调试空气循环试验系统的其它设备

安装并调试空气循环泵，设置干燥箱中的干燥剂和电子天平，调试电子天平并清零，

监测整个空气循环试验系统及联通管线的密闭性，保证系统的正常工作。

（c）安装调试PIV测试系统

三组LED泛光灯（每组两个）设置在空气循环试验系统三侧上方，三组CCD高速

相机（每组一个）设置在空气循环试验系统的三个侧边，三组CCD高速相机分别

与图像采集处理器相连接，进行数据的采集和图像的分析。

（d）打开所有仪器设备的电源，启动空气循环泵，图像采集处理器及计算机软件

采集记录，通过张力计实时量测土试样的吸力值，电子天平可量测出土试样含水量

的变化，同时通过PIV系统可实时观测透明封闭容器内的土试样表面裂隙的变化

规律，实现土试样干燥过程中吸力、含水量和表面裂隙变化规律的观测。

步骤（b）中还可以在透明封闭容器侧壁上设有温湿度计或者在透明封闭容器与空

气循环泵之间的气管上设有温湿度计，实时量测封闭容器中空气的湿度，确保试验

结果更精确。

为实现土试样湿化过程中吸力、含水量和表面裂隙变化规律的观测，透明封闭容器

顶部可设置水容器，水容器与透明封闭容器之间设阀门，间隔的打开阀门，通过阀

门控制进入土试样的进水量，将土试样润湿，为确保土试样均匀地被水润湿，还可

以在土试样上下表面粘贴一层滤纸，模拟土体受到降雨的天然湿化过程；进入土试

样的水量可通过干燥箱及其中的干燥剂、电子天平计量，还可以根据水容器上的刻

度计直接读取，干燥箱及其中的干燥剂、电子天平与水容器上标有刻度计两种计量

方式可以择一使用，也可以共同使用，双重计量土试样的含水量变化值，确保试验

结果更精确。

本发明中张力计量测吸力的空气循环试验系统可以连续量测土试样的含水率和吸力，

空气循环泵的使用大大缩短了试验时间，同时PIV系统测量拍照速度高、照片分

辨率高，可通过PIV系统实时观测土试样表面裂隙的演化规律。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，凡依据本

发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等

效的置换方式，都在本发明的保护范围内。