[发明专利]湿度控制的粘土收缩变形测量装置及方法

说明书

本发明公开一种湿度控制的粘土收缩变形测量装置及方法。本发明利用相对湿度控制仪产生目标湿度的气体，通过导气管进入保湿箱内，湿度传感器实时测量箱内气体的湿度，并把数据传送到相对湿度控制仪。通过湿度控制仪控制保湿箱内的湿度。在目标湿度下，土样在保湿箱内进行平衡，正上方的相机实时对试样进行拍照，并把图像信息输入到计算机中。计算机对图像进行处理，计算出每个时刻土样的孔隙比。土样下方电子秤实时测量土样的质量，以计算出每个时刻试样的含水率。在目标湿度下土样的收缩变形和含水率变化达到稳定后，再施加下一级湿度，以此类推，直到完成粘土收缩变形测量和脱湿试验。

技术领域

本发明涉及黏土的收缩曲线测技术，尤其是收缩变形量测精度要求比较高的情况下，具体为湿度控制的粘土收缩变形测量装置及方法。

背景技术

在实际工程中，由粘土收缩导致的工程地质问题和灾害时有报道，并产生巨大经济损失。因此，系统掌握粘土在干燥失水过程中的体积变化规律，对于指导膨胀土地区的防灾减灾具有重要的理论意义和工程意义。通常采用土体收缩曲线即孔隙比与含水量的对应关系来描述土体失水时的体积收缩特征。为了获得完整的收缩曲线，目前的方法是在自然风干条件下，通过收缩仪测量粘土在干燥过程中土样的体积及对应含水率。但是自然风干条件下不同含水率对应土的收缩变形并没有完全达到平衡，会导致测量的收缩变形偏小。而且收缩变形的测量精度需要进一步提高。

含水率测量一般通过电子秤实现，但是对于收缩变形方法较多，如直接测量法(位移传感器)、间接测量法(阿基米德法)、数字图像处理技术、激光扫描成像法等。

目前，大多膨胀力的量测采用的方法为平衡加压法，所得的结果较为接近实际值，但是实际操作中很难控制，因为膨胀过程中很难确定到底需要施加多少荷载才能恰好平衡因膨胀而增加的体积，所以对仪器设备的要求最为精密，最难控制。

在土体干燥收缩的过程中，试样的体积往往伴随着土体内部含水率的变化而改变，研究者通常采用孔隙比-含水率关系曲线即土体收缩曲线来描述土体在干燥过程中的体积收缩情况，因此需要对试样的体积、含水率进行实时测量。试样含水率的测量方法比较简单，通常采用电子秤对其进行称重，而试样体积的测量方法则较为多样，目前比较常用的为直接测量法，即通过直尺、游标卡尺等测量工具对试样的直径、高度等进行直接测量。直接测量法较为简便和经济，但也存在着诸多弊端，比如受人为因素影响较大，导致测量误差较大等。体积置换法，即利用阿基米德浮力原理计算出试样的体积，这种方法计算体积较为精确，但是会污染试样。数字图像相关法作为一种新兴的变形测量手段被应用到岩土工程领域，主要通过散斑标记对比变形前后的图像，得到位移场，进而得到某一时刻的变形，但是此方法需要提前在试样上喷散斑，对试样造成一定的污染影响测量精度。随着现代工业的发展，激光扫描成像法被应用到土体变形测量，该方法可以对试样无损伤的测量，直接构建3D试样模型，测量精度也大大提高，但是此方法的试验比较复杂，试验成本也比较高，一般不容易实现。而且现阶段绝大多数收缩试验都是在自然风干条件下进行的，在脱湿过程中测量不同含水率下的孔隙比。由于收缩变形和含水率变化并不同步，自然风干条件下不同含水率对应土的收缩变形并没有完全达到平衡，会导致测量的收缩变形偏小。收缩变形试验中每一级下含水率和变形需达到稳定，这样条件下得到的试验结果才是准确的，才能与粘土的持水特性和固结特性等建立联系。而且收缩变形的测量方法需要进一步的改进，以提高测量精度并降低测量成本。

目前还没有一种可以在稳态条件下测量粘土收缩曲线的装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明利用相对湿度控制仪、相机和电子秤研制出一种可以高精度量测粘土收缩曲线的装置，而且还可以制作脱湿，该方法成熟可靠、试验成本低并且可以制作成成品，实现成果转化。

本发明的基本原理：