一种渐进式干湿循环的试验装置与使用方法与流程

本发明涉及土质干湿循环试验技术领域，特别是涉及一种渐进式干湿循环的试验装置与使用方法。

背景技术：

城墙或路基等在修筑完成后均暴露于自然环境中，受多种自然外力的作用下土质劣化，强度降低，进而影响城墙或路基的长期稳定性，这其中以干湿循环影响最为显著与突出。因此，干湿循环作用对土体物理力学特性的研究自然成为学术界和工程界关注的重点。目前的研究均认为干湿循环路径、干湿循环方法等对试验结果影响较大。

干湿循环方法主要是通过制备环刀样或三轴样，“干”这一过程主要通过烘箱或烤灯等装置完成，“湿”过程主要通过将环刀样或三轴样饱和、或通过添加一定量的水等方法来完成。还有就是通过恒温恒湿箱，在控制一定温度和湿度下进行试验，获得“干湿循环”对土体力学参数的影响。但这些“干湿循环”过程在进行试验操作过程中，均不可避免的出现“干”过程中土样掉渣、“湿”过程土样易损坏等问题。更为重要的是，单元土样不能真实模拟实际工程中土体干湿循环的影响。

土柱模型试验多用于土壤学，模拟田间土壤和地下水之间的关系以及用于测量毛细水上升高度等方面。在用于土体干湿循环方面，土柱模型试验与工程实际工程更加符合，测试结果更加可靠。但由于土柱体积大，干湿循环周期长，且常规干湿循环方法所需土柱数量多等缺点导致其应用较少。

综上所述，如何提供一种能真实模拟实际工程中土体干湿循环、干湿循环周期短、所需土柱数量少的试验装置及试验方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。本申请还提供了本试验装置的使用方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种渐进式干湿循环的试验装置与使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，使干湿循环的试验装置能真实模拟实际工程中土体干湿循环、干湿循环周期短且试验装置所需土柱数量少。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供了一种渐进式干湿循环的试验装置，包括供水容器、土柱系统和透气系统，所述土柱系统与所述供水容器连接，所述透气系统与所述土柱系统连接。所述供水容器为一同心双圆柱形的容器，内层的圆柱形容器构成盛水容器，且所述盛水容器与所述土柱系统连接，外层的圆柱形容器构成循环水容器，所述循环水容器和所述盛水容器通过循环系统连通，所述循环水容器和所述盛水容器的下端均设置有放水管，所述放水管上连接有开关；所述土柱系统包括底座、底层和若干标准层，所述底座上设置有透水孔，所述底层的底板与所述底座连接，所述底座与所述盛水容器连接，所述底层的上端与所述标准层连接，所述底层的底板上设置有若干第一通孔；所述透气系统包括若干节插接在一起的透气管，每节所述透气管的壁上均设置有第二通孔，所述透气管穿过所述标准层插入到所述底层的底板上表面，所述透气管与所述底板连接，所述透气管的上端高于所述标准层。

优选地，所述循环系统包括循环水泵，所述循环水泵的入口与所述循环水容器内的水连通，出口通过管道与所述盛水容器连通，所述循环水容器和所述盛水容器通过限位孔连通。

优选地，所述底层的底板上设置一圆柱形凸起，所述凸起的上表面设置有连接孔，所述连接孔内设置有内螺纹，所述透气管的下端设置有外螺纹，且所述内螺纹与所述外螺纹的尺寸相匹配。

优选地，所述盛水容器中心位置设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽的内径与所述底座的外径尺寸相匹配，所述底座放置在所述环形凹槽内。

优选地，所述底层包括空心圆柱、上环形翼板、下环形翼板和所述底板，所述底板与所述空心圆柱固接，所述上环形翼板、下环形翼板的内径与所述空心圆柱外径相匹配并固接，所述上环形翼板和所述下环形翼板之间固接有第一加强肋。

优选地，所述上环形翼板上表面与所述空心圆柱的上表面齐平，所述下环形翼板下表面与所述空心圆柱的下表面齐平，所述底层与所述标准层通过螺栓连接。

优选地，所述标准层包括两个半环形空心圆柱、两个上半环形翼板和两个下半环形翼板，所述上半环形翼板、下半环形翼板的内径与所述半环形空心圆柱外径相匹配且固接，所述上半环形翼板和所述下半环形翼板之间固接有第二加强肋，所述半环形空心圆柱的壁上设置有第三通孔，所述第三通孔上连接橡胶塞。

优选地，所述上半环形翼板上表面与所述半环形空心圆柱上表面齐平，所述下半环形翼板下表面与所述半环形空心圆柱下表面齐平，所述标准层之间通过螺栓连接。

本发明还公开了一种渐进式干湿循环试验装置的使用方法，该方法应用以上所述的渐进式干湿循环的试验装置，包括如下步骤：

(1)将一节所述透气管与所述底层的底板连接，在所述底层中加入3-8mm砂或石子，压实至距离所述底层的顶面5-10mm处，再加入3-5mm砂子，将砂子铺平后放入1张滤纸；

(2)将所述底层与所述标准层连接，通过插接方式连接所述透气管；

(3)计算1节所述标准层中所需配制所需含水率散土的质量，将所述散土加入所述标准层内，用击实锤对所述散土击实至所需干密度后，连接下1节所述标准层，并接高1节所述透气管，然后再称量散土并加土击实，如此循环，直至完成土柱制备，开始干湿循环试验；

(4)将所述土柱放入烘箱内，温度调至40度，通过称量的方式反算出所述土柱含水率，当含水率烘至所需含水率时，将所述土柱从烘箱中抬出并放入所述盛水容器中，将所述底座与所述盛水容器连接，向所述盛水容器中加水，使所述盛水容器中的液面与所述底层的上表面齐平后即停止加水，使所述循环系统工作，使所述盛水容器中的液面维持在该水平；

(5)由于毛细水作用，水分逐渐向所述土柱上方运移，当水分上升至所述标准层顶面时，关闭所述循环系统，打开所述循环水容器和所述盛水容器下端的放水管的开关放水；

(6)用标准环刀按照规范进行取样，每层标准层取4-8个土样，用于直接剪切试验；

(7)如上述步骤6，取顶层所述标准层的土样后，此时顶层所述标准层土样经历了1次干湿循环，对土样进行直接剪切试验，此时即获得1次干湿循环后土样的直接剪切强度；

(8)按照步骤4和步骤5，将所述土柱放入烘箱中，温度调至40度进行烘干，当烘至所需含水率时，将所述土柱从烘箱中抬出放入所述盛水容器中，水分上升至次顶层的所述标准层顶面时，此时次顶层的所述标准层土样经历了2次干湿循环，按照步骤6取样后，进行直接剪切试验，此时获得2次干湿循环后土样的直接剪切强度；

(9)按照步骤4和步骤5，如此循环，可获得3次、4次……干湿循环后的土样，相应地获得对应次数的干湿循环后土样的直接剪切强度；

(10)至此，渐进式干湿循环方法土柱试验结束；根据所获得渐进式干湿循环方法所得剪切强度，可用于评价和分析路基或城墙的病害成因及防护方法。

优选地，所述标准层与所述底层通过螺栓连接，不同所述标准层之间通过螺栓连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的渐进式干湿循环的试验装置，包括供水容器、土柱系统和透气系统，所述供水容器为一同心双圆柱形的容器，内层的圆柱形容器构成盛水容器，且所述盛水容器与所述土柱系统连接，外层的圆柱形容器构成循环水容器，所述循环水容器和所述盛水容器通过循环系统连通，所述循环水容器和所述盛水容器的下端均设置有放水管，所述放水管上连接有开关；所述土柱系统包括底座、底层和若干标准层，所述底座上设置有透水孔，所述底层的底板与所述底座连接，所述底座与所述盛水容器连接，所述底层的上端与所述标准层连接，所述底层的底板上设置有若干第一通孔；透气系统包括若干节插接在一起的透气管，每节所述透气管的壁上均设置有第二通孔，所述透气管穿过所述标准层插入到所述底层的底板上表面，所述透气管与所述底板连接，所述透气管的上端高于所述标准层。本发明还公开了试验装置的使用方法。

通过上述的渐进式干湿循环的试验装置及其使用方法，使得干湿循环方法与工程实际中的工况符合，提高了试验结果的准确性，同时实现了通过一个土柱试验模型即可获得多次干湿循环下的土样及其抗剪强度参数，并且由于透气管的壁上和标准层的壁上均设置有透气通孔，缩短了干湿循环的周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的渐进式干湿循环的试验装置的结构示意图；

图2为本发明的底层的一种角度的结构示意图；

图3为本发明的底层的另一种角度的结构示意图；

图4为本发明的透气管的结构示意图；

图5为本发明的透气管的插接结构示意图；

图6为本发明的标准层的一种角度的结构示意图；

图7为本发明的标准层的另一种角度的结构示意图；

其中，1为开关，2为底座，3为循环水泵，4为限位孔，5为管道，6为底层，61为第一通孔，62为凸起，63为底板，64为第一加强肋，65为上环形翼板，66为空心圆柱，67为下环形翼板，68为第四通孔，7为标准层，71为第五通孔，72为半环形空心圆柱，73为第二加强肋，74为上半环形翼板，75为第六通孔，76为下半环形翼板，77为第三通孔，8为透气管，81为第二通孔，9为螺栓，10为土柱，11为盛水容器，12为循环水容器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种渐进式干湿循环的试验装置与使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，使干湿循环的试验装置能真实模拟实际工程中土体干湿循环、干湿循环周期短且试验装置所需土柱数量少。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-7所示，本发明提供了一种渐进式干湿循环的试验装置，包括供水容器、土柱系统和透气系统，所述供水容器为一同心双圆柱形的容器，内层的圆柱形容器构成盛水容器11，盛水容器11与所述土柱系统连接，外层的圆柱形容器构成循环水容器12，循环水容器12和盛水容器11通过循环系统连通，循环水容器12和盛水容器11的下端均设置有放水管，所述放水管上连接有开关1。所述土柱系统包括底座2、底层6和若干层标准层7，底座2上设置有透水孔，底层6的底板63与底座2连接，底座2与盛水容器11连接，底层6的上端与标准层7连接，底层6的底板63上设置有若干第一通孔61。透气系统包括若干节插接在一起的透气管8，每节透气管8的壁上均设置有第二通孔81，透气管8穿过标准层7插入到底层6的底板63上表面，透气管8与底板63连接，透气管8的上端高于标准层7的上表面。

通过上述的渐进式干湿循环的试验装置，使得干湿循环方法与工程实际中的工况符合，提高了试验结果的准确性，同时实现了通过一个土柱试验模型即可获得多次干湿循环下的土样及其抗剪强度参数，并且由于透气管的壁上和标准层的壁上均设置有透气通孔，缩短了干湿循环的周期。

其中，每节透气管8包括固定固定连接在一起的一较大直径有机玻璃管与一较小直径有机玻璃管，其中较小直径有机玻璃管的外径与较大直径有机玻璃管的内径相同，从而方便透气管8的插接。

具体的，所述循环系统包括循环水泵3，循环水泵3的入口与循环水容器12内的水连通，循环水泵3的出口通过管道5与盛水容器11连通，循环水容器12和盛水容器11通过限位孔4连通，限位孔4上连接有限位开关。通过在试验装置中设置循环系统，实现了维持盛水容器11内的水面高度的目的。

在一具体实施例中，底层6的底板63上设置一圆柱形凸起62，凸起62的上表面设置有连接孔，所述连接孔内设置有内螺纹，透气管8的下端设置有外螺纹，且所述内螺纹与所述外螺纹的尺寸相匹配，底板63与透气管8通过螺纹连接在一起。

为了方便盛水容器11与底座2的连接，防止底座2与盛水容器11有相对位移，在盛水容器11的中心位置设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽的内径与底座2的外径尺寸相匹配，底座2放置在所述圆形凹槽内。

在又一实施例中，底层6包括空心圆柱66、上环形翼板65、下环形翼板67和底板63，底板63与空心圆柱66固接，上环形翼板65、下环形翼板67的内径与空心圆柱66的外径相适配并固接。上环形翼板65和下环形翼板67之间固接有第一加强肋64。底层6与底座2固定连接。

具体的，上环形翼板65上表面与空心圆柱66的上表面齐平，下环形翼板67下表面与空心圆柱66的下表面齐平，上环形翼板65上设置有第四通孔68，底层6与标准层7通过穿过第四通孔68内的螺栓连接。

在又一实施例中，标准层7包括两个半环形空心圆柱72、两个上半环形翼板74和两个下半环形翼板76，上半环形翼板74、下半环形翼板76的内径与半环形空心圆柱72的外径相匹配且固接。上半环形翼板74和下半环形翼板76之间固接有第二加强肋73，半环形空心圆柱72的壁上设置有第三通孔77，第三通孔77上连接橡胶塞。

具体的，上半环形翼板74上表面与半环形空心圆柱72上表面齐平，下半环形翼板76下表面与半环形空心圆柱72下表面齐平。其中，有两个第二加强肋73设置在半环形空心圆柱72的直径连接方向上，且在这两个第二加强肋73上设置有第五通孔71，两个半环形空心圆柱72通过穿过第五通孔71的螺栓连接成一个整体结构。上半环形翼板74和下半环形翼板76上均设置有第六通孔75，标准层之间通过穿过第六通孔75的螺栓连接。标准层7的数量可根据需要增加或减少。

其中，盛水容器11、底座2、底层6、标准层7及透气管8的中心线相重合，且底层6与标准层7的内径相同。盛水容器11、底座2、底层6、标准层7及透气管8均为有机玻璃材料组成。

一种渐进式干湿循环试验装置的使用方法，该方法应用以上所述的渐进式干湿循环的试验装置，包括如下步骤：

(1)将一节透气管8与底层6的底板63连接，在底层6中加入3-8mm砂或石子，压实至距离底层6的顶面5-10mm处，再加入3-5mm砂子，将砂子铺平后放入1张滤纸；

(2)将底层6与标准层7通过螺栓连接，然后通过插接的方式连接透气管8；

(3)计算1节标准层7中所需配制所需含水率散土的质量，将所述散土加入标准层7内，用击实锤对所述散土击实至所需干密度后，连接下1节标准层7，并接高1节透气管8，然后再称量散土并加土击实，如此循环，直至完成土柱10的制备，开始干湿循环试验；

(4)将土柱10放入烘箱内，温度调至40度，通过称量的方式反算出土柱10的含水率，当含水率烘至所需含水率时，将土柱10从烘箱中抬出并放入盛水容器11中，将底座2与盛水容器11连接，向盛水容器11中加水，使盛水容器11中的液面与底层6的上表面齐平后即停止加水，使所述循环系统工作，使盛水容器11中的液面维持在该水平；

(5)由于毛细水作用，水分逐渐向土柱10上方运移，当水分上升至标准层7顶面时，关闭所述循环系统，打开循环水容器12和盛水容器11下端的放水管上的开关1放水；

(6)用标准环刀按照规范进行取样，每层标准层7取4-8个土样，用于直接剪切试验；

(7)如上述步骤6，取顶层标准层7的土样后，此时顶层的标准层7内的土样经历了1次干湿循环，对土样进行直接剪切试验，此时即获得1次干湿循环后土样的直接剪切强度；

(8)按照步骤4和步骤5，将土柱10放入烘箱中，温度调至40度进行烘干，当烘至所需含水率时，将土柱10从烘箱中抬出放入盛水容器11中，水分上升至次顶层的标准层7的顶面时，此时次顶层的标准层7内的土样经历了2次干湿循环，按照步骤6取样后，进行直接剪切试验，此时获得2次干湿循环后土样的直接剪切强度；

(9)按照步骤4和步骤5，如此循环，可获得3次、4次……干湿循环后的土样，相应地获得对应次数的干湿循环后土样的直接剪切强度；

(10)至此，渐进式干湿循环方法土柱试验结束；根据所获得渐进式干湿循环方法所得剪切强度，可用于评价和分析路基或城墙的病害成因及防护方法。

以上的渐进式干湿循环方法与工程实际工况相符合，通过一个土柱试验模型即可获得多次干湿循环下的土样及其抗剪强度参数。通过调整试验方案，“干”与“湿”过程可通过设定一定时间来确定，如“干”5天，此时土柱10中水分具有一定分布；然后进行“湿”过程，“湿”5天后，再进行“干”步骤，与真实气候条件相匹配，获得目标工况下的“干湿循环”。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。