一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统

本发明涉及膨胀土边坡工程，更具体的说是涉及一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统。

背景技术：

1、裂隙性作为膨胀土重要的特征之一，对膨胀土边坡工程的影响不可忽视。其中，裂隙扩展理论研究是揭示裂隙膨胀土边坡失稳机制的重要研究基础。土体厚度作为影响裂隙扩展程度的关键因素，需要更深层次的分析研究。而对于厚层土体，研究其在深度方向上裂隙发育规律及局部含水率变化过程尤为重要，与实际工程更接近，对进一步揭示裂隙扩展机制有更重要的意义。

2、对于沿深度方向上的裂隙研究，目前常用的技术手段为ct扫描测试。ct扫描一般通过对土体三维切片并记录不同深度下裂隙形态，可实现对土体的三维重构。但这一手段更适用于小尺寸试样研究，对大规模试验及实际工程很难发挥其功能。所以，对于这一重要研究，目前缺乏更适用的试验装置。研制一种既能实现空间湿度变化与内部裂隙演化实时同步测试功能、又经济适用并便捷的裂隙观测设备尤为迫切。

3、因此，如何提供一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，实现空间湿度变化、内部裂隙演化及土体胀缩实时同步测试是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统通过自动化采集装置和远程数据管理平台，实现裂隙演化试验过程中数据自动采集和云存储功能。并基于高密度电阻率成像特征，实现膨胀土空间裂隙重构的方法，进一步实现空间湿度变化、内部裂隙演化及土体胀缩实时同步测试的功能，为揭示复杂水力条件下膨胀土水分迁移及裂隙扩展机理研究提供新平台，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

2、一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，包括模型箱、裂隙演化试验装置和裂隙演化软件处理平台；

3、所述裂隙演化试验装置与所述模型箱相配合，所述裂隙演化试验装置和裂隙演化软件处理平台信号连接，通过所述裂隙演化试验装置采集数据，基于所述裂隙演化软件处理平台对采集数据进行处理以实现对内部裂隙演化、空间湿度变化及土体胀缩的同步实时测试。

4、可选的，所述裂隙演化试验装置包括表观裂隙测试模块、传感器测试模块和电阻率测试模块，所述裂隙演化软件处理平台包括与所述裂隙演化试验装置适配的matlab图像处理平台、传感器远程设备管理平台和空间电阻率处理平台。

5、可选的，所述表观裂隙测试模块包括正向高分辨率面阵工业相机、侧向高分辨率面阵工业相机和mvs客户端，所述正向高分辨率面阵工业相机和侧向高分辨率面阵工业相机均与所述mvs客户端数据链接，通过所述mvs客户端对工业相机采集到的数据进行处理。

6、可选的，所述表观裂隙测试模块测试土体表面和侧面沿深度方向的裂隙演化过程及平面胀缩规律，直接测试的指标有表、侧面含裂隙的图像，通过所述直接测试的指标得到表、侧面裂隙定量化指标及平面胀缩指标。

7、可选的，所述电阻率测试模块包括电极、高密度电阻测定系统和电阻率测试软件平台，所述高密度电阻测定系统一端通过电极与模拟箱配合，另一端与所述电阻率测试软件平台数据链接，所述高密度电阻测定系统通过所述电极采集数据，所述电阻率测试软件平台将所述高密度电阻测定系统采集到的数据进行处理。

8、可选的，所述传感器测试模块包括温湿度计、hbm高精度荷载传感器、ec-5水分传感器、teros-21吸力传感器、激光测距仪、远程自动化采集箱和远程自动化监测软件系统，所述远程自动化采集箱一端与所述温湿度计、hbm高精度荷载传感器、ec-5水分传感器、teros-21吸力传感器和激光测距仪数据链接，另一端与所述远程自动化监测软件系统信号连接，所述远程自动化监测软件系统发射信号控制所述远程自动化采集箱采集实时数据。

9、可选的，所述传感器测试模块测试的直接指标有土体荷载变化、局部含水率、局部吸力、土中温度变化及竖向位移，另外可间接导出水分变化过程及竖向胀缩指标。

10、可选的，所述matlab图像处理平台通过分析所述表观裂隙测试模块采集的数据得到裂隙骨架、裂隙长度、裂隙面积和裂隙平均宽度，通过所述matlab图像处理平台分析生成表侧面裂隙演化过程、裂隙定量化描述和横向胀缩规律。

11、可选的，所述传感器远程设备管理平台通过分析所述传感器测试模块采集的数据得到空间含水率变化、整体含水率变化、局部吸力、温湿度变化和竖向胀缩规律。

12、可选的，所述空间电阻率处理平台基于电阻率的空间裂隙重构技术分析所述电阻率测试模块采集的数据得到空间裂隙演化过程和空间裂隙定量描述。

13、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，具有如下有益效果：

14、本发明可同时模拟不同降雨强度、干湿循环次数等外部复杂条件，还可以记录土体温湿度及土体中吸力变化过程。该装置结构简单、易于操作，同时可实现数据自动采集和云存储功能。

15、本发明采用高分辨率面阵相机动态记录土体表面和侧面裂隙扩展-闭合过程及平面胀缩过程；采用水分传感器、荷载传感器、吸力传感器及激光测距仪记录土体含水率变化、温湿度变化、竖向胀缩及吸力变化过程。在土样四周均匀布置柔性电极，采用高密度电阻仪记录土体中电阻率变化过程，进而反演出裂隙在空间中变化过程。在试验过程中，通过搭载自动化采集装置和远程数据管理平台，实现裂隙演化试验过程中大量的传感器数据自动化采集和云存储功能。将试验系统和软件平台结合，可实现同时记录不同气候条件下水分迁移过程、不同深度下裂隙动态发育情况、土体整体胀缩趋势等功能，进而探究空间中裂隙在水分运移下发育和演化过程，从而揭示膨胀土裂隙空间演化机制。

16、本发明与传统裂隙试验仪器相比，膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统的特色在于适应尺寸较大的土样，更接近工程实际，其中模型箱尺寸可根据实际需求调整；可实时监测空间湿度场和空间裂隙场变化规律；数据自动化采集与图像批量化处理，提高试验效率和计算速度；同时为揭示复杂水力条件下膨胀土水分迁移及变形破坏机理提供了一种新思路。

技术特征：

1.一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，包括模型箱、裂隙演化试验装置和裂隙演化软件处理平台；

2.根据权利要求1所述的一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，所述裂隙演化试验装置包括表观裂隙测试模块、传感器测试模块和电阻率测试模块，所述裂隙演化软件处理平台包括与所述裂隙演化试验装置适配的matlab图像处理平台、传感器远程设备管理平台和空间电阻率处理平台。

3.根据权利要求2所述的一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，所述表观裂隙测试模块包括正向高分辨率面阵工业相机(1)、侧向高分辨率面阵工业相机(3)和mvs客户端(5)，所述正向高分辨率面阵工业相机(1)和侧向高分辨率面阵工业相机(3)均与所述mvs客户端(5)数据链接，通过所述mvs客户端(5)对工业相机采集到的数据进行处理。

4.根据权利要求3所述的一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，所述表观裂隙测试模块测试土体表面和侧面沿深度方向的裂隙演化过程及平面胀缩规律，直接测试的指标有表、侧面含裂隙的图像，通过所述直接测试的指标得到表、侧面裂隙定量化指标及平面胀缩指标。

5.根据权利要求2所述的一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，所述电阻率测试模块包括电极(24)、高密度电阻测定系统(26)和电阻率测试软件平台(27)，所述高密度电阻测定系统(26)一端通过电极(24)与模拟箱配合，另一端与所述电阻率测试软件平台(27)数据链接，所述高密度电阻测定系统(26)通过所述电极(24)采集数据，所述电阻率测试软件平台(27)将所述高密度电阻测定系统(26)采集到的数据进行处理。

6.根据权利要求2所述的一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，所述传感器测试模块包括温湿度计(7)、hbm高精度荷载传感器(12)、ec-5水分传感器(13)、teros-21吸力传感器(14)、激光测距仪(15)、远程自动化采集箱(22)和远程自动化监测软件系统(21)，所述远程自动化采集箱(22)一端与所述温湿度计(7)、hbm高精度荷载传感器(12)、ec-5水分传感器(13)、teros-21吸力传感器(14)和激光测距仪(15)数据链接，另一端与所述远程自动化监测软件系统(21)信号连接，所述远程自动化监测软件系统(21)发射信号控制所述远程自动化采集箱(22)采集实时数据。

7.根据权利要求6所述的一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，所述传感器测试模块测试的直接指标有土体荷载变化、局部含水率、局部吸力、土中温度变化及竖向位移，另外可间接导出水分变化过程及竖向胀缩指标。

8.根据权利要求2所述的一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，所述matlab图像处理平台通过分析所述表观裂隙测试模块采集的数据得到裂隙骨架、裂隙长度、裂隙面积和裂隙平均宽度，通过所述matlab图像处理平台分析生成表侧面裂隙演化过程、裂隙定量化描述和横向胀缩规律。

9.根据权利要求2所述的一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，所述传感器远程设备管理平台通过分析所述传感器测试模块采集的数据得到空间含水率变化、整体含水率变化、局部吸力、温湿度变化和竖向胀缩规律。

10.根据权利要求2所述的一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，其特征在于，所述空间电阻率处理平台基于电阻率的空间裂隙重构技术分析所述电阻率测试模块采集的数据得到空间裂隙演化过程和空间裂隙定量描述。

技术总结
本发明公开了一种膨胀土三维裂隙时空演化模型试验系统，涉及膨胀土边坡工程技术领域，包括模型箱、裂隙演化试验装置和裂隙演化软件处理平台；所述裂隙演化试验装置与所述模型箱相配合，所述裂隙演化试验装置和裂隙演化软件处理平台信号连接，通过所述裂隙演化试验装置采集数据，基于所述裂隙演化软件处理平台对采集数据进行处理以实现对内部裂隙演化、空间湿度变化及土体胀缩的同步实时测试。本发明通过搭载自动化采集装置和远程数据管理平台，实现裂隙演化试验过程中大量的传感器数据自动化采集和云存储功能。通过试验系统和软件平台结合，可同时记录不同气候条件下水分迁移过程、不同深度下裂隙动态发育情况、土体整体胀缩趋势等功能。

技术研发人员：戴张俊,高贵,郭建华,陈善雄,李世昌
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14