本发明涉及一种岩土工程的试验设备，特别涉及一种描述土体在复杂水力路径下的力学演化特征的测试技术，尤其是干湿循环下土体力学行为及其裂隙特征的测定装置及方法。
背景技术：
1、土体在干燥失水条件下的力学特性一直是土力学领域的重要课题之一。这一领域的研究主要围绕对土工构筑物(如黏土屏障、堤坝、垃圾填埋场覆盖层等)构成严重威胁的土体干缩开裂问题开展研究，原因在于干缩裂隙会显著影响土体的力学行为。现有关于土体干缩开裂规律的研究主要是在控制室内试验条件下对圆形或矩形试样开展的单元尺度试验研究，而干湿循环对土体裂隙演化过程的影响仍需深入研究。
2、迄今为止，模拟土体在干燥失水条件下力学行为的测试技术主要包括两类：
3、一类是基于反应原理研发的，土体在控制应力或应变速率的条件下对施加的外部拉力作出反应直至破坏：
4、如《international journal for numerical and analytical methods ingeomechanics》中trabelsi等发表的论文“crack patterns in clayey soils:experiments and modeling”公开了一种控制应力条件下的土体拉伸试验设备。该设备由两部分构成，其中一部分是固定的，通过施加拉应力，使另一部分产生位移，并用精度为0.01mm的刻度盘测得其值，进而通过拉应力随拉伸位移的变化曲线求取抗拉强度。然而，该设备无法模拟干湿循环条件下土体的拉伸-压缩演化过程。
5、如《applied clay science》中trabelsi等发表的论文“tensile strengthduring drying of remoulded and compacted clay:the role of fabric and waterretention”公开了一种控制位移条件下的土体拉伸试验装置，适于放置在传统的直接剪切盒中。通过lvdt传感器控制拉伸位移，其速率为0.1mm/min，进而用拉伸位移反算拉应力，即可得抗拉强度。然而，该设备无法控制干湿循环过程中土体的拉伸-压缩位移变化。
6、中国专利cn 107621534 a公开了一种恒温环境下测量膨胀力的装置，通过水浴温度控制系统准确控制装置中饱和盐溶液容器与过渡容器内部的温度，同时控制压力腔室内试样的温度，通过控制装置中饱和盐溶液容器控制吸力。该专利能够测定不同温度和吸力条件下土体的膨胀力。然而，该专利无法测定干湿循环诱发土体拉伸-压缩过程中的应力变化过程。
7、另一类是基于主动原理测定土体在干燥失水过程中产生的应力：
8、如《international journal of geomechanics》中varsei等发表的论文“novelapproach to measuring tensile strength of compacted clayey soil duringdesiccation”公开了一种测定土体在干燥失水过程中抗拉强度的试验装置。该装置中施加的约束可使土样产生单向收缩，从而测得均匀的拉应力及其应变，而且可以预测和控制裂隙的位置。然而，该设备无法通过施加约束模拟土样在干湿循环过程中所产生的收缩和拉伸。
9、此外，对土样干燥失水过程中所拍摄的图像也已被用于研究土体表面裂隙网络形态、位移场等相关特征之中：
10、中国专利cn 114487012 a公开了一种土体表面裂隙发育预判方法，该发明采用红外热成像相机拍摄待监测土体表面，得到土体表面温度场，进而根据土体表面温度场绘制其等温线图，最后根据土体等温线分布所确定的相邻低温核心区来预测土体表面的主裂隙发育区。该专利虽能实现对土体裂隙发育过程的有效预测，却无法模拟干湿循环诱发土体表面裂隙的发育-闭合过程及其力学行为演化规律。
11、如《engineering geology》中li和tang等发表的论文“tensile strength ofclayey soil and the strain analysis based on image processing techniques”公开了一种基于数字图像相关方法(dic)和颗粒图像测速技术(piv)的土体表面裂隙图像处理技术，能够分析土体在干缩开裂过程中的应变场变化过程。然而，该技术尚未用于分析干湿循环对土体裂隙演化的影响。
技术实现思路
1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了干湿循环下土体力学行为及其裂隙特征的测定装置及方法，既可测定土体在干缩和湿胀过程中产生的拉力和压力，又能结合图像处理方法监测干湿循环过程中土体表面裂隙形态、尺寸的变化规律。
2、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
3、干湿循环下土体力学行为及其裂隙特征的测定装置，包括拉伸-压缩式试样盒、高精度天平、水浴式温度控制系统、数据采集及图像处理系统4个部分；
4、拉伸-压缩式试样盒设置于高精度天平上，拉伸-压缩式试样盒和高精度天平安放于可视化试验外壳内，可视化试验外壳上安装有半导体水冷头散热片，半导体水冷头散热片通过进出水管道与水浴式温度控制系统连通，可视化试验外壳上还设置有连通至拉伸-压缩式试样盒的进水口，拉伸-压缩式试样盒的上方设置有高精度相机；
5、所述拉伸-压缩式试样盒包括固定半盒、移动半盒、力传感器和底座，固定半盒固定在底座一端上，移动半盒通过底部的滑槽设置于底座另一端的滚珠轴承上；固定半盒和移动半盒相对应的接触面上设置有用于将两者连接及分开的第一紧固装置，固定半盒和移动半盒的内壁以及间隙处均放置有防水膜，远离固定半盒的移动半盒的外端的底座边缘处设置有第一螺钉，能够使移动半盒连接及分开的力传感器；
6、高精度天平、高精度相机以及力传感器均与数据采集及图像处理系统连接。
7、所述拉伸-压缩式试样盒包括固定半盒、移动半盒、力传感器和底座。其中，固定半盒固定在底座之上；移动半盒位于滚珠轴承上，从而使其可在底座表面上接近光滑。固定半盒与移动半盒的试样盒凹槽内均预留了开孔，以便与底座内的加水u形槽连通，旨在减湿阶段结束后对试样均匀加水，使试样开始增湿至设定的含水率。在固定半盒和移动半盒的内壁以及间隙处放置防水膜，即可确保增湿试验中对试样所加的水分不会流失，还可确保泥浆样在试验过程中不会损失。第一紧固装置通过位于试样盒两个相对面上的两个螺钉分连接移动半盒和固定半盒，可在不同试验阶段实现两个半盒的连接或断开。在试样的制备过程中，拧紧第一紧固装置的螺钉使试样盒在此时不会存在间隙。在完成制样后，松开第一紧固装置的螺钉，试样盒会产生间隙，从而使试样在减湿收缩或增湿膨胀时分别带动移动半盒朝向或背向固定半盒运动。选用量程为200n、精度为0.01％的力传感器与滚珠轴承平行将其底端固定在底座边缘，在试验开始前将其顶端用螺钉与移动半盒连接，以测定试样在减湿收缩和增湿膨胀过程中分别产生的拉力和压力。
8、测定试样在干湿循环减过程中的受力时，试样盒在竖向上无限制条件，会影响水平向的测力准确性。为此，本发明设计了一种限制装置，由第二紧固装置(紧固装置由l型连接板、螺钉、螺母组成)和亚克力板组成：将第二紧固装置安装在固定半盒的三面侧壁顶端；将亚克力板与第二紧固装置连接，限制试样在增湿膨胀过程中产生的竖向变形；将润滑剂涂抹于亚克力板与试样的接触面上，以减小试样与亚克力板之间的摩擦力。这种限制装置既能保证试验过程中对水平向力的准确测定，也不影响试验过程中可视化图像的拍摄采集。
9、在亚克力板与试样的接触面上，选取聚四氟乙烯作为润滑剂。主要原因有四：一是聚四氟乙烯与试样接触时，因其具有疏水性而不会与试样产生水分交换，从而避免了对试样含水率测定的影响；聚四氟乙烯的性质受温度的影响很小，故本发明在温度控制时不会影响聚四氟乙烯的功能；三是聚四氟乙烯的摩擦系数极低，故可显著减小亚克力板与试样表面之间的摩擦力，保证试验过程中对水平向力的准确测定；四是聚四氟乙烯呈无色透明，不影响试验过程中所采集试样表面图像的清晰度。
10、所述固定半盒和移动半盒的内底面上均开设有试样盒凹槽，底座上内开设有加水u形槽，试样盒凹槽中开设有与加水u形槽连通的透水孔，透水孔上敷设有透水膜。固定半盒与移动半盒的试样盒凹槽内均预留了开孔，以便与底座内的加水u形槽连通，旨在减湿阶段结束后对试样均匀加水，使试样开始增湿至设定的含水率。
11、固定半盒和移动半盒的内壁以及间隙处放置防水膜，即可确保增湿试验中对试样所加的水分不会流失，还可确保泥浆样在试验过程中不会损失。
12、第一紧固装置通过位于试样盒两个相对面上的两个螺钉分连接移动半盒和固定半盒，可在不同试验阶段实现两个半盒的连接或断开。在试样的制备过程中，拧紧第一紧固装置的螺钉使试样盒在此时不会存在间隙。在完成制样后，松开第一紧固装置的螺钉，试样盒会产生间隙，从而使试样在减湿收缩或增湿膨胀时分别带动移动半盒朝向或背向固定半盒运动。
13、选用量程为200n、精度为0.01％的力传感器与滚珠轴承平行将其底端固定在底座边缘，在试验开始前将其顶端用螺钉与移动半盒连接，以测定试样在减湿收缩和增湿膨胀过程中分别产生的拉力和压力。
14、追踪时间的推移测得土体在干湿循环试验中所产生的拉力和压力随时间变化的数据，引入了测值均方差的控制方法。并结合gb/t13606-2007《岩土工程仪器振弦式传感器通用技术条件》规定的0.1n/m测力误差限，确定试验数据趋于稳定时不同试验阶段的结束时间。
15、试样盒的底面由矩形试样盒凹槽组成，不仅可使试样底部与试样盒接触良好，而且在干湿循环过程中可限制试样与试样盒之间的相对运动。从而依据主动原理实现对试样在干湿循环过程中产生的真实力的测定。
16、所述可视化试验外壳上的进水口通过软管与固定半盒和移动半盒的进水口连通，固定半盒和移动半盒的进水口分别对应与固定半盒的加水u形槽和移动半盒的加水u形槽连通。
17、试样盒置于高精度天平(量程为10kg，精度为0.01g)之上，定时称取试样的质量，以连续测定试样在干湿循环过程中的含水率变化。
18、所述水浴式温度控制系统包括不锈钢容器、微型水泵、电热恒温环境箱和智能时间温度控制器，微型水泵设置于不锈钢容器内，不锈钢容器设置于电热恒温环境箱内，微型水泵的出水口通过进水管与半导体水冷头散热片的进水口连通，半导体水冷头散热片的出水口通过出水管连通至不锈钢容器内，构成水循环的闭合回路；智能时间温度控制器中的温度探头安装于拉伸-压缩式试样盒内部，智能时间温度控制器的温度控制开关与微型水泵连接，以控制水循环过程中的水流速率。
19、电热恒温环境箱设置固定温度后对所述不锈钢容器进行加热，进而采用微型水泵将不锈钢容器中的水泵送至半导体水冷头散热片，并回流至不锈钢容器中。
20、所述高精度相机通过三脚架固定在拉伸-压缩式试样盒上方，其采用高分辨率微单相机(3648×2736像素)，以拍摄试样表面裂隙发育过程的照片。
21、所述数据采集及图像处理系统是指采用python语言编制的数据采集智能化程序，并将蓝牙与计算机连接，旨在准确采集试样在干湿循环动态变化过程中的关键参数。在系统中设定试验方案时，高精度天平和力传感器读数的测取与微单相机对试样表面图像的拍摄是同步的。系统不仅内置了含水率计算公式，使高精度天平监测的试样质量数据能够准确转化为直观的含水率数据，还内置了拉力和压力测值的均方差计算公式和测力误差限，旨在获取试验数据趋于稳定时的时间，自动停止不同的试验阶段。
22、采用上述装置对干湿循环下土体力学行为及其裂隙特征的测定方法，包括以下步骤：
23、步骤(1)，试样的制备：先将散土与蒸馏水混合配至目标含水率；再将配制好的散土放入塑料袋密封静置24h，促进散土内的水分平衡。对于压实样的制备：先确定层数、每层的击数以及达到目标干密度所需的击实高度，再采用不锈钢筒分两层压实试样，使锤击均匀分布在试样表面，达到可控的层高，并且通过先底层再顶层的顺序压实避免这两层试样再试验期间发生滑移；对于泥浆样的制备：可先将泥浆分两层缓慢倒入试样盒中，以达到所需的干密度，再在顶部表面轻叩一下，以去除泥浆样内可能存在的气泡。
24、在制备好试样后，通过第一紧固装置将固定半盒和移动半盒相连接，而此时力传感器与这两个试样盒没有连接。
25、步骤(2)，将这两个试样盒放置在微单相机正下方的高精度天平上，进而使用微单相机在预先设定的时间间隔拍照；松开连接固定半盒和移动半盒的第一紧固装置，再用第一螺钉将力传感器与移动半盒相连。
26、步骤(3)，当t＝t0时，通过水浴式温度控制系统控制试样所在环境的温度t为24℃±1℃，进而开始第一次减湿试验，记录起始时刻t＝t0。
27、步骤(4)，试样在减湿过程中的基质吸力逐渐增大，从而诱发试样收缩使移动半盒向左移动。与此同时，力传感器阻止了移动半盒的这种移动，从而测得试样在减湿过程中所产生的拉力(根据土力学的符号惯例取负值)。
28、步骤(5)，土样随后在受限条件下继续减湿，随着时间的推移在测定了n个时间间隔后(n≥10)，发现拉力逐渐趋于稳定，此时从第2个时间间隔开始，计算从第2个时间间隔到第n个时间间隔、第3个时间间隔到第n个时间间隔……直至第n－1个时间间隔到第n个时间间隔的力的均方差值，可以看出这些均方差值也逐渐减小，进而结合gb/t13606-2007《岩土工程仪器振弦式传感器通用技术条件》规定的0.1n/m测力误差限，确定拉力试验数据趋于稳定时的试验结束时间。此时，系统自动停止对拉力数据的采集，代表第一次减湿阶段的结束。
29、步骤(6)，在结束第一次减湿试验后，重新拧紧第一螺钉，将重置归零的力传感器与移动半盒重新连接，即可开始第一次增湿试验。通过向两个半盒的加水u形槽内加水，使之经由两个半盒的透水孔上的透水膜对试样进行增湿，同时采用高精度天平监测试样含水率的变化。
30、步骤(7)，在试样的增湿过程中，力传感器会阻止移动半盒因试样膨胀而向右发生的移动，从而测得试样在增湿过程中产生的压力。随着时间的推移在测定了n个时间间隔后(n≥10)，发现压力逐渐趋于稳定，此时从第2个时间间隔开始，计算从第2个时间间隔到第n个时间间隔、第3个时间间隔到第n个时间间隔……直至第n－1个时间间隔到第n个时间间隔的力的均方差值，可以看出这些均方差值也逐渐减小，进而结合gb/t13606-2007《岩土工程仪器振弦式传感器通用技术条件》规定的0.1n/m测力误差限，确定压力试验数据趋于稳定时的试验结束时间。此时，系统自动停止对压力数据的采集，代表第一次增湿阶段的结束。
31、步骤(8)，在增湿结束后，用保鲜膜覆盖在试样表面，使其保持恒定含水率至24h，以促进其内水分平衡。
32、步骤(9)，先拧紧第一螺钉将重置归零的力传感器重新与移动半盒连接，以准备试样的第二次减湿试验，再卸除连接固定半盒和移动半盒的第一紧固装置，使试样开始第二次减湿试验。该过程的试验步骤与第一次减湿试验所述类似。随后的干湿循环过程也同样进行。
33、在干湿循环试验过程中，对试样表面的裂隙网络形态特征及其土粒的位移场分布分别采用如下方法进行图像分析和实时监测：
34、采用image j软件对微单相机拍摄的试样表面裂隙图像进行二值化处理，以描述干湿循环试验期间试样表面裂隙网络的发育和闭合演化特征。采用表面裂隙率和平均裂隙开度来定量描述裂隙形态，表面裂隙率为裂隙面积与土样的初始总面积之比，裂隙开度为试样表面所有裂隙的平均宽度。在对试样进行了多次干湿循环试验后，对比、选取试样在不同减湿/增湿阶段中差异显著的图像；进而在其中添加局部坐标系x-y，令试样盒底部的试样盒凹槽走向与y方向平行、力传感器的设置方向与x方向平行；定量描述表面裂隙率和裂隙开度随循环次数的变化曲线。
35、采用数字图像相关方法(dic)监测试样表面土粒在干湿循环过程中的位移场分布变化。首先，采用喷漆法制备数字散斑，即在试样表面先喷涂一次白色底漆，再喷涂黑色漆制备散斑；其次，在干湿循环试验过程中，采用微单相机在预先设定的时间间隔内对试样表面拍照，获取试样表面的散斑图像；随后，采用matlab软件运行dic程序测算给定时刻t＝ti试样表面的土粒位移矢量，并将该时刻(t＝ti)试样表面的变形图像与其参考图像(t＝t0)相关联，通过求取数字散斑的变化，从而得到试样表面的土粒位移场变化。
36、本发明与模拟土体在干燥失水条件下力学行为的现有测试技术和裂隙图像处理技术相比，其有益效果体现在：
37、1.基于主动原理，无需施加任何外荷载，仅通过在拉伸-压缩式试样盒中设置力传感器，就能测定试样在干缩和湿胀过程中产生的拉力和压力，实现了对土体干湿循环过程中力学行为演化规律的模拟；
38、2.在干湿循环过程中采用数码相机按照设定时间间隔拍照，进而结合image j图像分析软件与数字图像相关方法(dic)，既能实时监测土体表面裂隙率和裂隙开度的变化过程，又能研究土体表面裂隙发育和愈合过程中位移场的演化规律；
39、3.对土体边界力及其表面干缩开裂隙形态特征的试验结果有助于验证描述土体在干湿循环下边值问题的数值模型。