一种黏性土脱吸湿过程变形测试系统及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程测量仪器制造技术领域，尤其涉及一种黏性土脱吸湿过程变形测试系统及测试方法。

背景技术

针对黏性土的胀缩特性问题，以往的研究主要集中在土体膨胀变形以及膨胀力测试方面，试验设备主要有膨胀仪以及膨胀力测试设备。土体收缩变形问题起初仅被农业领域所关注，岩土工程领域于1917年首次研究了压实黏土收缩变形与含水量之间的关系，以及黏粒含量对收缩变形的影响，揭示了饱和土体的体变在无颗粒间内摩擦作用限制时等于蒸发掉的水的体积。Terzaghi于1925年第一次从工程角度审视收缩现象，认为除了外荷载会使土体收缩变形外，大部分土体自然收缩是由于蒸发失水造成的，并可以无限收缩，从力学角度初步解释了收缩机理。

土体在无外荷载作用下从饱和到完全干燥过程孔隙比与含水量之间的本构关系被定义为收缩特征曲线(SSC)，被认为是描述非饱和土水力-力学行为与土水特征曲线(SWCC)同等重要的本构关系，收缩行为会对土的进气值、渗透性及刚度模量等产生显著影响，对理解土水相互作用，评价土的变形行为，特别是黏性土至关重要。在收缩特征曲线问题的研究上，土体被分为两类，一类为结构性土，一类为非结构性土。对于结构性土，由于自然因素如植物根系等导致土体存在较多团粒间的大孔隙或通道，孔隙水可通过这些通道排出而不会使土体发生显著收缩，该阶段即为结构收缩阶段。重塑土则为非结构性土，其收缩特征曲线通常分为三个阶段：比例收缩、残余收缩及零收缩阶段。其中，零收缩阶段定义为随着含水量的降低土体结构变得更加密实，试样体积不再发生改变，微观孔隙与宏观孔隙的变形相互协调，因此体积收缩率近似为零。然而，实际情况并不总是如此，特别是黏性土。试验发现黏性土在脱湿过程中体积会随含水量的降低而持续减小。由于以往土体收缩试验设备的局限，在高吸力(吸力大于223MPa)条件下，土体变形量不再显著，此时无法准确获得土体体积变形。另外，土体自然脱吸湿过程，其弹塑性状态随着含水量变化而变化，但土体从弹性状态进入塑性状态的临界含水量却无法定量给出。同时，温度对土体脱吸湿过程胀缩变形的影响规律也需进一步探索。

为了阐明土体脱吸湿过程的胀缩变形规律以及温度对土体胀缩变形的影响，关键问题是能够精确测量土体变形量。目前测试土体变形的方法可分为直接法和间接法。直接测量方法是通过游标卡尺直接接触土样以测试试样体积变化。该方法容易对试样造成扰动，影响试验结果。为克服直接测量法的缺点，间接测量法被广泛采用。间接测量方法也称体积置换法，基于阿基米德原理，使土样浸没在某种液体中，通过测量排水体积获得土样体变。该方法的优点在于可以测量不规则形状试样的体变，但缺点也十分突出，一方面测量过程无法保证包裹材料与试样完全贴合，可能局部存在气泡，产生测量误差；另一方面试样无法进行干燥过程的连续测量，更无法重复使用。近年来，非接触测量方法作为间接测量方法的一种，在土体变形试验中得到广泛应用。如激光扫描、数字图像处理DIC、粒子图像测速技术PIV等，非接触测试方法虽然可实现高精度无损检测，但仍存在一些不足，如激光扫描技术对数据处理算法要求较高，且设备较复杂，对光线等环境因素变化较为敏感；PIV技术为2D技术，无法计算裂纹产生后的土体应变，并且要假设试样各个方向上变形均匀，才能获得体变数据。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的黏性土脱吸湿过程变形测试中直接法和间接法测量均存在的上述不足之处，导致现有设备不能满足试验目标，测试成本高等限制的问题，提供一种黏性土脱吸湿过程变形测试系统及方法，通过控制环境室相对温湿度，利用数字图像处理技术，获得黏性土不同温度条件下脱吸湿过程胀缩变形规律。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种黏性土脱吸湿过程变形测试系统，包括相对温湿度控制子系统、变形测试子系统及数据采集子系统，

相对温湿度控制子系统包括环境室、称重模块、温湿度控制模块，所述称重模块设置在环境室内，用于固定和称重标定黏土试样，所述温湿度控制模块连接环境室，用于控制环境室内部的温度和湿度，环境室内设有相对湿度温度记录仪；

变形测试子系统包括数字图像采集模块和数字图像处理模块，所述数字图像采集模块用于采集黏土试样的顶面和侧面图像；

数据采集子系统连接数字图像采集模块。

作为优选，所述的称重模块包括承样板及电子天平，承样板设置在电子天平上，所述的承样板采用设置有通风孔的有机玻璃材质圆板，表面颜色为黑色。

作为优选，所述的温湿度控制模块包括恒温水浴池、恒温溶液和导管，所述环境室的至少一侧的边壁设有预留空腔，所述预留空腔和恒温水浴池之间通过导管连通，恒温溶液在温水浴池和预留空腔之间循环。

作为优选，温湿度控制模块包括相对湿度发生器、进气阀门、排气阀门及导管，所述环境室设置有进排气孔，所述的进排气孔连接进气阀门和排气阀门，相对湿度发生器通过导管连接进气阀门。

作为优选，数字图像采集模块包括顶部高清工业相机、侧面高清工业相机和相机龙门支架，所述相机龙门支架架设称重模块正上方，顶部高清工业相机设置在相机龙门支架顶部用于拍摄黏土试样顶面的图像，侧面高清工业相机设置在相机龙门支架的侧面，用于拍摄黏土试样侧面的图像。

作为优选，所述的环境室内设置有风扇和吹风筒，所述风扇设置在环境室的内壁上，吹风筒设置在环境室的顶部内侧。

本发明同时提供一种黏性土脱吸湿过程变形测试方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，制作黏土试样，将其安装至承样板进行质量监测，设置恒温水浴为环境室提供恒定温度，不考虑温度影响时可设置为恒定室温，考虑温度影响时，可设置不同温度；

步骤2，设定相对发生器，将湿空气通入环境室，根据试验要求调节环境室内湿度，对黏土试样进行脱湿或吸湿处理，使用数字图像采集模块采集黏土试样的顶面和侧面图像，将采集的数字图像进行二值化，计算黏土试样的轴向应变、径向应变和体积应变，计算黏土试样的孔隙比，再根据电子天平记录的黏土试样的质量变化情况，计算黏土试样含水量，获得试样孔隙比随含水量变化的收缩特性曲线或试样弹塑性状态临界含水量。

作为优选，所述的步骤1，进一步包括以下步骤：

步骤101，采用静力压实制样法获得标准环刀样，直径68.1mm、高20mm，进行抽真空饱和，将饱和试样进行脱模，制得黏土试样；

步骤102，预先用蒸馏水喷于两块相同的承样板表面，将其中一块承样板置于电子天平上进行质量标定，然后将载有黏土试样的承样板置于电子天平上进行质量监测；

步骤103，开启风扇和吹风筒，闭合环境室并密封，设置恒温水浴为环境室提供恒定温度，不考虑温度影响时可设置为恒定室温，考虑温度影响时，可设置不同温度；

作为优选，所述的步骤2，进一步包括以下步骤：

步骤201，设定相对发生器，将湿空气通过进气阀门通入环境室，打开排气阀门，保持环境室内气压为常压状态，给定环境室逐级递减的相对湿度，每一级相对湿度施加后，待试样质量稳定4小时后，再施加下一级相对湿度；

步骤202，进行数字图像采集，当试样失水收缩过程，相对湿度高于80％时，将顶部高清工业相机、侧面高清工业相机设置为每一小时采集一次黏土试样顶面和侧面图像，当相对湿度低于80％时可设置顶部高清工业相机、侧面高清工业相机每4小时采集一次黏土试样顶面和侧面图像；

步骤203，将采集的数字图像进行二值化，计算黏土试样的直径和高度，获得轴向应变、径向应变和体积应变，进而获得黏土试样孔隙比，根据电子天平记录的黏土试样的质量变化情况，可计算含水量，获得试样孔隙比随含水量变化的收缩特性曲线。

作为优选，所述的步骤2，进一步包括以下步骤：

步骤204，将高清工业相机、高清工业相机设置为每半小时采集一次试样顶面和侧面图像，并利用软件将采集的数字图像进行二值化，计算试样直径和高度，获得轴向应变、径向应变和体积应变，根据电子天平记录的不同阶段试样的质量情况，可计算含水量；

步骤205，通过相对发生器调节环境室内的相对湿度，从100％相对湿度脱湿到达预定相对湿度，再从预定相对湿度吸湿至100％相对湿度，完成一个脱湿吸湿周期；

步骤206，对比不同相对湿度下黏土试样的体积变形，如完成一个脱湿吸湿周期后黏土试样变形可恢复，则继续降低预定相对湿度进行一个脱湿吸湿周期，如此进行直至黏土试样变形不能完全恢复的最低含水量即为试样弹塑性状态临界含水量。

本发明通过控制环境室相对温湿度，利用数字图像处理技术，获得黏性土不同温度条件下脱吸湿过程胀缩变形规律的试验装置，该试验装置的有机玻璃环境室侧壁为中空，外部温控装置的恒温溶液在侧壁内部循环，以控制环境室保持恒温；环境室内部利用相对湿度发生器改变相对湿度，可使黏性土试样发生脱吸湿胀缩变形；利用高精度工业相机对脱吸湿过程试样进行数字图像采集，并通过数字图像处理模块将图像进行二值化处理，已获得试样脱吸湿过程体积变形量。该试验装置价格低廉，占用空间小，可直接放置在试验台上，构件可拆卸，构造简单，易于组装，操作方便。

附图说明

图1是本发明的一种黏性土脱吸湿过程变形测试系统的结构示意图。

图2是本发明的相对温湿度控制子系统的结构示意图。

图3是本发明中环境室的俯视图。

图4为本发明中承样板的结构示意图。

图5是本发明的数字图像采集模块

图中标记：

1、相对温湿度控制子系统

2、变形测试子系统

3、数据采集子系统

3-1、计算机

3-2、传输线缆

1-1、顶板

1-2、试样

1-3、承样板

1-4、电子天平

1-5、相对发生器

1-6、小型风扇

1-7、小型风扇支架

1-8、吹风筒

1-9、吹风筒支架

1-10、电源

1-11、螺杆

1-12、螺母

1-13、恒温水浴

1-14、恒温溶液

1-15、导管

1-16、密封胶圈

1-17、侧壁顶部法兰

1-18、相对湿度/温度记录仪

1-19、进气阀门

1-20、排气阀门

1-21、导线

1-22、导管

1-23、太空接头安装孔

1-24、左侧外壁

1-25、右内侧壁

1-26、左侧内壁

1-27、密封圈凹槽

1-28、法兰孔

1-29、右侧外壁

1-30、进排气孔

1-31、底板

1-32、预留空腔

1-33、承样板

1-34、承样板

1-35、承样板

1-36、约束

1-37、通风孔

2-1、顶部高清工业相机

2-2、侧面高清工业相机

2-3、相机支架横梁

2-4、右侧立柱

2-5、左侧立柱

2-6、侧梁

2-7、角件

2-8、螺栓

2-9、相机支座

2-10、相机支座

2-11、铝型材表面凹槽

2-12、铝型材表面凹槽

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种黏性土脱吸湿过程变形测试系统，包括相对温湿度控制子系统1、变形测试子系统2及数据采集子系统3，

相对温湿度控制子系统1包括环境室、称重模块、温湿度控制模块，所述称重模块设置在环境室内，用于固定和称重标定黏土试样1-2，所述温湿度控制模块连接环境室，用于控制环境室内部的温度和湿度，环境室内设有相对湿度温度记录仪。

如图4所示，所述的称重模块包括承样板1-3及电子天平1-4，承样板1-3设置在电子天平1-4上，所述的承样板1-3采用设置有通风孔1-37的有机玻璃材质圆板，表面颜色为黑色。

所述的温湿度控制模块包括恒温水浴池1-13、恒温溶液1-14和导管1-15，所述环境室的至少一侧的边壁设有预留空腔1-32，所述预留空腔1-32和恒温水浴池1-13之间通过导管1-15连通，恒温溶液1-14在温水浴池1-13和预留空腔1-32之间循环。

所述温湿度控制模块包括相对湿度发生器1-5可提供0％～100％相对湿度蒸气，误差范围在±1％，可在计算机3-1中通过软件设置不同相对湿度梯度，可实现自动控制相对湿度的增减。

温湿度控制模块包括相对湿度发生器1-5、进气阀门1-19、排气阀门1-20及导管1-22，所述环境室设置有进排气孔1-30，所述的进排气孔1-30连接进气阀门1-19和排气阀门1-20，相对湿度发生器1-5通过导管1-22连接进气阀门1-19。

如图3所示，所述环境室包括顶板1-1、左侧外壁1-24、左侧内壁1-26、右侧外壁1-29、右侧内壁1-25、侧壁法兰1-17、法兰孔1-28、密封圈凹槽1-27、太空接头预留孔1-23及进排气孔1-30、底板1-31。左侧外壁1-24、左侧内壁1-26、右侧外壁1-29及右侧内壁1-25与底板1-31粘结成一体，左侧外壁1-24与左侧内壁1-26之间预留空腔1-32，顶部与侧壁法兰1-17粘结成一体，可供恒温溶液在其中循环控温。密封圈凹槽1-27内可放置密封圈1-16，保障环境室密封性。顶板1-1与侧壁法兰1-17通过法兰孔1-28用螺杆1-11和螺母1-12连接，每侧法兰1-17预留8个法兰孔1-28。

所述的环境室内设置有风扇1-6和吹风筒1-8，所述风扇1-6设置在环境室的内壁上，吹风筒1-8设置在环境室的顶部内侧。

变形测试子系统2包括数字图像采集模块和数字图像处理模块，所述数字图像采集模块用于采集黏土试样1-2的顶面和侧面图像。

如图5所示，数字图像采集模块包括顶部高清工业相机2-1、侧面高清工业相机2-2和相机龙门支架，所述相机龙门支架架设称重模块正上方，顶部高清工业相机2-1设置在相机龙门支架顶部用于拍摄黏土试样1-2顶面的图像，侧面高清工业相机2-2设置在相机龙门支架的侧面，用于拍摄黏土试样1-2侧面的图像。

所述的相机龙门支架包括相机支架横梁2-3、右侧立柱2-4、左侧立柱2-5、侧梁2-6。相机支架各构件均为铝型材，横梁2-3和右侧立柱2-4与左侧立柱2-5之间通过角件2-7和螺栓2-8固定，侧梁2-6与右侧立柱2-4通过角件2-7固定于凹槽2-10内。顶部高清工业相机2-1与侧面高清工业相机2-2通过相机支座2-9和相机支座2-10固定在相机支架铝型材表面凹槽2-11和2-12内，顶部高清工业相机2-1与侧面高清工业相机2-2通过传输线缆3-2与计算机3-1连接，利用相应软件设置图像采集频率。数字图像处理模块包括图像处理软件，用于将采集到的图像进行二值化处理，通过软件计算试样直径和高度，进而获得试样轴向、径向以及体积应变。

数据采集子系统3连接数字图像采集模块。所述数据采集系统3包括计算机3-1和传输线缆3-2，计算机中安装相对湿度发生器1-5相应配置软件、图像采集和处理软件，通过传输线缆3-2的USB接口与设备端连接。

本发明实施例同时提供一种黏性土脱吸湿过程变形测试方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，制作黏土试样1-2，将其安装至承样板1-3进行质量监测，设置恒温水浴1-13为环境室提供恒定温度，不考虑温度影响时可设置为恒定室温，考虑温度影响时，可设置不同温度。

步骤2，设定相对发生器1-5，将湿空气通入环境室，根据试验要求调节环境室内湿度，对黏土试样1-2进行脱湿或吸湿处理，使用数字图像采集模块采集黏土试样1-2的顶面和侧面图像，将采集的数字图像进行二值化，计算黏土试样1-2的轴向应变、径向应变和体积应变，计算黏土试样1-2的孔隙比，再根据电子天平1-4记录的黏土试样1-2的质量变化情况，计算黏土试样1-2含水量，获得试样孔隙比随含水量变化的收缩特性曲线或试样弹塑性状态临界含水量。

优选的，所述的步骤1进一步包括以下步骤：

步骤101，采用静力压实制样法获得标准环刀样，直径68.1mm、高20mm，进行抽真空饱和，将饱和试样进行脱模，制得黏土试样1-2。

步骤102，预先用蒸馏水喷于两块相同的承样板1-3表面，将其中一块承样板置于电子天平1-4上进行质量标定，然后将载有黏土试样1-2的承样板1-3置于电子天平1-4上进行质量监测。

步骤103，开启风扇1-6和吹风筒1-8，闭合环境室并密封，设置恒温水浴1-13为环境室提供恒定温度，不考虑温度影响时可设置为恒定室温，考虑温度影响时，可设置不同温度。

当需要进行黏性土收缩特性曲线试验时，所述的步骤2，进一步包括以下步骤：

步骤201，设定相对发生器1-5，将湿空气通过进气阀门1-19通入环境室，打开排气阀门1-20，保持环境室内气压为常压状态，给定环境室逐级递减的相对湿度，每一级相对湿度施加后，待试样1-2质量稳定4小时后，再施加下一级相对湿度；

步骤202，进行数字图像采集，当试样失水收缩过程，相对湿度高于80％时，将顶部高清工业相机2-1、侧面高清工业相机2-2设置为每一小时采集一次黏土试样1-2顶面和侧面图像，当相对湿度低于80％时可设置顶部高清工业相机2-1、侧面高清工业相机2-2每4小时采集一次黏土试样1-2顶面和侧面图像；

步骤203，将采集的数字图像进行二值化，计算黏土试样1-2的直径和高度，获得轴向应变、径向应变和体积应变，进而获得黏土试样1-2孔隙比，根据电子天平1-4记录的黏土试样1-2的质量变化情况，可计算含水量，获得试样孔隙比随含水量变化的收缩特性曲线。

本发明通过控制环境室相对温湿度，利用数字图像处理技术，获得黏性土不同温度条件下脱吸湿过程胀缩变形规律的试验装置，该试验装置的有机玻璃环境室侧壁为中空，外部温控装置的恒温溶液在侧壁内部循环，以控制环境室保持恒温；环境室内部利用相对湿度发生器改变相对湿度，可使黏性土试样发生脱吸湿胀缩变形；利用高精度工业相机对脱吸湿过程试样进行数字图像采集，并通过数字图像处理模块将图像进行二值化处理，已获得试样脱吸湿过程体积变形量。该试验装置价格低廉，占用空间小，可直接放置在试验台上，构件可拆卸，构造简单，易于组装，操作方便。