一种土体竖向裂隙模型观测试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种土体竖向裂隙模型观测试验装置及试验方法，包括支架，支架竖向固定，土体容器竖向设置在支架中；土体容器为中空长方体型结构，观测土样压实设置在土体容器中，土体容器的顶部开口；CIS扫描模块竖向滑动设置在支架上，CIS扫描模块的影像传感器与土体容器的立面紧贴；驱动机构与CIS扫描模块连接，用于带动CIS扫描模块沿土体容器的立面竖向移动；本发明通过对土体容器中的观测土样进行增湿或减湿，使观测土样产生竖向裂隙，实现对土体竖向裂隙的模拟；通过驱动机构带动CIS扫描模块沿土体容器的立面竖向滑动，实现对观测土样的竖向裂隙信息的获取，实现对土体开裂过程的位移场变化的精确确定；本发明试验装置简单，精度较高。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种土体竖向裂隙模型观测试验装置及试验方法。

背景技术

土体结构完整时，降雨入渗影响深度有限，但受周期性含水量变化影响，压实土体在水平方向与竖向会出现不同程度的裂隙。裂隙的出现一方面会破坏土体结构完整性导致强度降低，另一方面会为水分入渗提供通道，增加水分入渗影响范围并进一步加剧了裂隙的发展。自然边坡中的原状土体经过长期自然环境的作用已处于相对稳定的状态，相比之下填方边坡主要由压实重塑土构成，其结构相比原状土而言仍处于未经干湿循环等自然因素影响的状态，处于一种不稳定状态，因而针对填方边坡的压实土进行干湿循环研究更有必要；同时竖向裂隙相较于水平裂隙而言，对于土体的整体性与结构性影响更大，因而对于裂隙竖向发展的规律研究意义重大，但受限于裂隙观测手段与技术限制，裂隙竖向发展的相关研究较少。

现有技术中，大多以横向裂隙试验为主，观测手段多以相机成像、CT扫描成像为主，针对竖向裂隙的观测方法多为现场试验，可重复性不强；成像手段中，相机拍摄成像成本低、可连续观测，但成像质量受相机像素、光线情况及环境扰动影响大，且由相机镜头畸变成像质量也有一定的负面影响。CT扫描成像能够获取试样的三维分布，但造价高、试样尺寸受限，且难以长时间观测。

对于中国专利申请“观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置(申请号为：201220428318.6)”中公开了针对水平裂隙的相机成像观测试验方法，其试样较小且无法对竖向裂隙进行观测；对于中国专利申请“膨胀土裂隙纹理特征定量化获取方法(申请号为：201811062789.8)”中公开了通过CT成像试验对土体裂隙进行观测，能够获取三维裂隙模型，但试样尺寸小且难以长期连续观测。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种土体竖向裂隙模型观测试验装置及试验方法，以解决现有技术大多以横向裂隙试验为主，无法对竖向裂隙进行观测的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种土体竖向裂隙模型观测试验装置，包括支架、土体容器、CIS扫描模块、驱动机构及观测土样；支架竖向固定，土体容器竖向设置在支架中；

土体容器为中空长方体型结构，观测土样压实设置在土体容器中，土体容器的顶部开口；CIS扫描模块竖向滑动设置在支架上，CIS扫描模块的影像传感器与土体容器的立面紧贴；驱动机构与CIS扫描模块连接，用于带动CIS扫描模块沿土体容器的立面竖向移动。

进一步的，土体容器与支架之间采用非接触固定；土体容器的下端与地面接触，土体容器与地面之间设置有称重装置。

进一步的，还包括缓冲层，缓冲层设置在土体容器中，且置于观测土样的顶部；缓冲层采用碎石层或砂层。

进一步的，还包括加热板，加热板紧贴设置在土体容器的外侧。

进一步的，土体容器的内表面上均匀涂刷有疏水涂料；观测土样的竖向表面设置有参考砂层，参考砂层靠近CIS扫描模块一侧设置。

进一步的，支架包括导轨及两个横向支撑架；导轨竖向固定在地面上，两个横向支架分别设置在导轨的上下两端；土体容器竖向设置在导轨之间，且位于两个横向支架之间；

驱动机构包括驱动电机及齿轮带，驱动电机与CIS扫描模块连接，驱动电机的输出端与齿轮带配合连接；齿轮带与导轨竖向平行设置。

本发明还提供了一种土体竖向裂隙模型观测试验方法，利用所述的一种土体竖向裂隙模型观测试验装置；包括以下步骤：

步骤1、在土体容器中压制观测土样；

步骤2、将装有观测土样的土体容器竖向设置在支架中，并按要求安装CIS扫描模块及驱动机构；

步骤3、对观测土样进行增湿或减湿操作，利用CIS扫描模块获取增湿或减湿过程观测土样的表面扫描图像；

步骤4、对观测土样的表面扫描图像进行处理，得到土体竖向裂隙模型观测结果。

进一步的，土体容器包括面板、背板、底板及两个侧板；面板与背板竖向平行，面板、背板、底板及侧板合围形成顶部开口的中空长方体型结构；

步骤1中，在土体容器中压制观测土样的过程具体如下：

步骤11、将背板水平放置，并将两个侧板固定在背板的上表面两端，并将底板固定在两个侧板之间；利用底板及侧板，在背板的上表面形成土样凹槽；

步骤12、在土样凹槽中加入待试验土体，利用压土装置将待试验土体进行分块压实；

步骤13、对分块压实的土体接缝位置凿毛后，重新压实整平，得到观测土样；之后将面板固定在背板上方，面板的下表面与观测土样紧密接触；其中，面板的两端设置固定卡槽，两个侧板分别配合设置在面板的固定卡槽中。

进一步的，压土装置包括压土土仓及压土重块；压土土仓的中部设置有压实腔，压土重块配合设置在压土土仓的压实腔中；压土土仓的底部两端设置有滑动凹槽，两个侧板分别配合设置在压土土仓的滑动凹槽中；压实腔的宽度与土样凹槽的宽度相同。

进一步的，步骤3中，对观测土样进行增湿操作过程，采用在土体容器的顶部开口，向观测土样中注水；减湿操作过程，采用对观测土样进行加热。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种土体竖向裂隙模型观测试验装置及试验方法，通过将观测土样设置在土体容器中，通过对土体容器中的观测土样进行增湿或减湿，使观测土样产生竖向裂隙，实现对土体竖向裂隙的模拟；通过驱动机构带动CIS扫描模块沿土体容器的立面竖向滑动，实现对观测土样的竖向裂隙信息的获取，实现对土体开裂过程的位移场变化的精确确定；通过采用CIS扫描技术，基于光学扫描成像，成像尺寸在长度方向无限制，成像质量高，无镜头畸变导致的成像失真；试验装置简单，精度较高。

进一步的，通过将土体容器与支架之间采用非接触固定，确保了土体容器能够快速准确安装在支架中；并通过在土体容器的下端设置称重装置，实现增湿或减湿过程，对土体容器及其中的观测土样的质量进行精准测量，进而实现对观测土样中土体含水量状态的准确确定。

进一步的，通过在观测土样的顶部设置缓冲层，对观测土样进行增湿时，通过土体容器顶部对观测土样进行注水增湿过程，利用缓冲层对注水水流进行缓冲，避免了水流对观测土样的冲刷破坏。

进一步的，通过在土体容器的外侧设置加热板，利用加热板对土体容器中的观测土样进行加热，实现对观测土样的减湿；加热板能够对观测土样均匀加热，确保了土体竖向裂隙的均匀产生和发展，模拟过程真实性好。

进一步的，通过在土体容器的内表面均匀涂刷疏水涂料，避免了增湿过程，水流在观测土样与土体容器的接触面之间形成径流，确保了试验结果的真实性。

进一步的，将齿轮带与导轨竖向平行设置，通过驱动电机与齿轮带配合转动，实现了带动CIS扫描模块竖向稳定升降。

进一步的，采用压土装置在背板上对待试验土体进行分块压实，并对接缝位置进行凿毛后二次压实，有效提高了观测土样的均匀度，提高了观测试验的精度。

本发明所述的土体竖向裂隙模型观测试验装置及方法，能获取待观测土体竖向裂隙的发生、发展过程的高精度图像信息，并获取过程中观测土样的位移场；基于CIS扫描技术，成像尺寸尤其是长度方向无限制，成像质量高，不会出现镜头畸变导致的成像失真；制样过程控制精度高，能够获得干密度均匀的土样，有利于试验的精度控制；本发明自动化程度高，可实现试验全过程自动化实现；基于机器视觉技术与获取的高精度图像，本发明能够获取土体开裂过程中的高精度位移场变化。

附图说明

图1为本发明所述的土体竖向裂隙模型观测试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述的试验装置中的土体容器正视图；

图3为本发明所述的试验装置中的土体容器的横剖图；

图4为本发明所述的试验装置中的土体容器的局部结构示意图

图5为本发明中的制样过程示意图；

图6为本发明中的压土装置的立体结构示意图；

图7为本发明中的压土装置的仰视示意图。

其中，1支架，2土体容器，3CIS扫描模块，4驱动机构，5观测土样，6缓冲层，7称重装置，8压土装置；11导轨，12横向支撑架；21面板，22背板，23底板，24侧板；41驱动电机，42齿轮带；81压土土仓，82压土重块。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如附图1-7所示，本实施例提供了一种土体竖向裂隙模型观测试验装置，包括支架1、土体容器2、CIS扫描模块3、驱动机构4、观测土样5、缓冲成6、称重装置7及加热板；支架1竖向固定在地面上，土体容器2竖向设置在支架1中，利用支架1实现对土体容器2的侧向位移的限制，确保了土体容器2保持竖直状态。

支架1包括导轨11及两个横向支撑架12，导轨11竖向固定在地面上，两个横向指甲12分别设置在导轨11的上下两端；土体容器2竖向设置在导轨11之间，且位于两个横向支撑架12之间；本实施例中，将导轨11设置在墙体侧边，导轨11的两端与墙体固定连接。

土体容器2为中空长方体型结构，观测土样5压实设置在土体容器2中；土体容器2的顶部开口，用于向观测土样5中注水，实现对观测土样5的增湿操作；土体容器2包括面板21、背板22、底板23及两个侧板24，面板21与背板22竖向平行设置；两个侧板24竖向平行设置在面板21与背板22之间，且位于面板21与背板22的两端；底板23水平设置在两个侧板24之间，且位于面板21与背板22的底端；面板21、背板22、底板23及侧板24合围形成顶部开口的中空长方体型结构，其中，中空长方体型的宽度尺寸远小于其长度尺寸；优选的，面板21的内侧两端设置有固定卡槽，两个侧板24分别配合设置在固定卡槽中；通过在面板21的内侧设置固定卡槽，使面板21的中部区域朝向背板22一侧的形成凸起，使面板21的中部与观测土样5之间能够紧密接触。

导轨11设置在侧板24的侧边，且导轨11与侧板24竖向平行；CIS扫描模块3竖向滑动设置在支架1的导轨11上；CIS扫描模块3的影像传感器与土体容器2的面板21紧贴设置，用于获取观测土样5的竖向裂隙信息；CIS扫描模块3的影响传感器的覆盖面积与观测土样5的宽度相匹配，确保了获取图像信息的完整性。

驱动机构4与CIS扫描模块3连接，用于带动CIS扫描模块3沿土体容器2的面板21竖向移动；驱动机构4包括驱动电机41及齿轮带42，驱动电机41与CIS扫描模块3连接，驱动电机41的输出端与齿轮带42配合连接；齿轮带42与导轨11竖向平行设置，将齿轮带42与导轨11竖向平行设置，通过驱动电机41与齿轮带42配合转动，实现了带动CIS扫描模块3竖向稳定升降。

缓冲层6设置在土体容器2中，且置于观测土样5的顶部；缓冲层6采用碎石层或砂层，优选的，碎石层或砂层的厚度为50mm；通过在观测土样5的顶部设置缓冲层6，对观测土样5进行增湿时，通过土体容器2顶部对观测土样5进行注水增湿过程，利用缓冲层6对注水水流进行缓冲，避免了水流对观测土样5的冲刷破坏。

土体容器2与支架1之间采用非接触固定，土体容器2的下端与地面接触；土体容器2与地面之间设置有称重装置7；本实施例中，称重装置7包括两个S型压力传感器，两个S型压力传感器均匀设置在土体容器2与地面之间，并通过螺栓与地面固定连接；通过将土体容器2与支架1之间采用非接触固定，确保了土体容器2能够快速准确安装在支架1中；并通过在土体容器2的下端设置称重装置7，实现增湿或减湿过程，对土体容器2及其中的观测土样5的质量进行精准测量，进而实现对观测土样5中土体含水量状态的准确确定。

加热板紧贴设置在土体容器2的外侧，且远离CIS扫描模块3一侧设置；通过在土体容器2的外侧设置加热板，利用加热板对土体容器2中的观测土样5进行加热，实现对观测土样5的减湿；加热板能够对观测土样5均匀加热，确保了土体竖向裂隙的均匀产生和发展，模拟过程真实性好；优选的，加热板采用碳纤维加热板。

土体容器2的内表面上均匀涂刷有疏水涂料，通过在土体容器2的内表面均匀涂刷疏水涂料，避免了增湿过程，水流在观测土样5与土体容器2的接触面之间形成径流；观测土样5的竖向表面设置有参考砂层，参考砂层靠近CIS扫描模块3一侧设置。

本实施例中，CIS扫描模块3、称重装置7、加热板及驱动电机42分别于计算机连接，利用计算机实现对驱动电机42及加热板的工作状态进行精准控制，并实现对CIS扫描模块及称重装置7的结果进行获取记录。

本实施例还提供了一种土体竖向裂隙模型观测试验方法，包括以下步骤：

步骤1、在土体容器2中压制观测土样5；

其中，在土体容器2中压制观测土样5的过程具体如下：

步骤11、将背板22水平放置，并将两个侧板24固定在背板22的上表面两端，并将地板23固定在两个侧板24之间；利用底板23及侧板24，在背板22的上表面形成土样凹槽；

步骤12、在土样凹槽中加入待试验土体，利用压土装置8将待试验土体进行分块压实；

步骤13、对分块压实的土体接缝位置凿毛后，重新压实整平，得到观测土样5；之后将面板21平行固定在背板22上方，面板21的下表面与观测土样5紧密接触；其中，面板21的两端设置固定卡槽，两个侧板24分别配合设置在面板21的固定卡槽中。

本实施例中，压土装置8包括压土土仓81及压土重块82；压土土仓81的中部设置有压实腔，压土重块82配合设置在压土土仓81的压实腔中；压土土仓81的底部两端设置有滑动凹槽，两个侧板24分别配合设置在压土土仓81的滑动凹槽中；压实腔的宽度与土样凹槽的宽度相同；优选的，压土重块82的上端设置有提手。

步骤2、将装有观测土样5的土体容器2竖向设置在支架1中，并按要求安装CIS扫描模块3及驱动机构4；

步骤3、对观测土样5进行增湿或减湿操作，通过CIS扫描模块5获取增湿或减湿过程观测土样5的表面扫描图像；其中，对观测土样5进行增湿操作过程，采用在土体容器2的顶部开口，向观测土样5中注水；其中，通过在土体容器2的顶部注入，用于模拟实际降雨入渗的过程，注水是从顶部慢慢渗下去的，如果土和侧板之间出现空隙了会形成径流，一部分水就会通过空隙向下流动，和实际情况不符，降低了模拟的真实性；减湿操作过程，采用对观测土样5进行加热。

步骤4、利用机器视觉技术，对观测土样5的表面扫描图像进行处理，得到土体竖向裂隙模型观测结果。

以下对本实施例中，各个部件的尺寸及型号特征进行说明：

本实施例中，面板21、背板22、底板23及侧板24均采用透明亚克力板；面板21与底板23或侧板24之间采用粘结剂粘合固定，背板22与底板23或侧板24之间采用粘结剂粘合固定；面板21与背板22的尺寸相同，其中，背板22的尺寸特征为：长×宽×厚＝2000mm×300mm×10mm；面板21两端的固定卡槽的深度为2mm，宽度为25mm；侧板24的尺寸特征为：长×宽×厚＝2000mm×25mm×12mm；土体容器2中的土样凹槽的尺寸特征为：长×宽×厚＝2000mm×250mm×12mm。

压土土仓81的外壁尺寸特征为：长×宽×厚＝350mm×200mm×100mm，压土土仓81的压实腔尺寸特征为：长×宽×厚＝250mm×150mm×90mm；本实施例中，压土土仓81的内壁宽度与土体容器2中的土样凹槽的宽度相等。

工作原理及使用方法：

本发明所述的一种土体竖向裂隙模型观测试验装置及试验方法，实施过程，包括土样压制及试验观测两部分；其中，土样压制过程，包括以下步骤：

(1)将土体容器的背板水平放置在地面上，通过粘结剂将两个侧板分别粘接在背板上表面两端，在两个侧板之间粘接固定底板，且底板设置在底板的下端；利用底板及侧板，在背板的上表面形成土样凹槽。

(2)分别在面板、底板、侧边及背板上均匀涂刷一层疏水涂料，以避免试验过程注水水流在观测土样与土体容器的接触面上形成径流。

(3)压土土仓放置在两个侧板上，确保压土土仓底部两端的滑动凹槽与侧边紧密配合，保证压土土仓能够沿背板的长度方向滑动。

(4)将压土土仓的压实腔两端内壁与土样凹槽的两端内壁对齐；按要求取待试验土体质量，并均匀倒置在土样凹槽中；并通过压土重块将待试验土体分块压实至12mm高；其中，待试验土体按如下公式进行称取：

m＝ρ

其中，m为所需待试验土体质量，ρ

(5)将压土土仓向前滑动至底板内壁，与压制好的土体的上表面重合，重复对待试验土体进行压实，直至二维土柱高度达到设计高度。

(6)对分块压实的接缝位置进行凿毛后重新压实，以保证接缝拼接严密，得到观测土样。

(7)在观测土样5的上表面均匀撒一层粒径为0.5mm的中砂，中砂作为参考砂层，用于观测土样土体开裂过程的位移场效果；其中，中砂采用染色砂。

(8)安装面板，利用面板将12mm高的土样静压至10mm，并通过螺栓固定面板。

(9)将装有观测土样的土体容器竖起；贴于墙面，并固定在支架上；在土体容器中加入厚度为50mm碎石层或砂层，作为缓冲层；缓冲层设置在观测土样的上端，避免观测土样受水力冲刷作用破坏。

竖向裂隙观测试验过程，具体包括以下步骤：

(1)将包含导轨的支架通过螺栓固定于墙体，同时将齿轮带及加热板固定于设计位置；

(2)将两个S型压力传感器通过螺栓固定于地面设计位置；

(3)将制样完成后的土体容器安装于支架内及S型压力传感器上，通过两个横向支撑架约束土体容器的侧向位移，同时保证竖向位移不受约束，以避免称重受到影响。

(4)安装CIS扫描模块以及驱动机构，调试CIS扫描模块上下滑动性，并调整CIS扫描模块与土体容器立面的间距，使CIS扫描模块的影像传感器尽量与土体容器的立面紧贴，但相互不接触；

(5)将驱动机构、CIS扫描模块、称重装置、加热板分别与计算机连接，分别调试驱动控制、扫描成像、称重读数及加热控温；

(6)将纯净水注入土体容器上部，通过称重模块监控注水水分质量，以实现增湿过程；通过控制加热板温度，对观测土样的土体进行加热加速蒸发，并通过称重装置监控水分蒸发质量，以实现减湿过程；

(7)在增湿与减湿过程中定时通过CIS扫描模块获取观测土样的土体表面高清扫描图像，同时将图像与所记录质量关联，以统计图像所对应的土体含水量状态。

(8)基于机器视觉技术，对图像中染色砂位置进行识别，获取土体开裂过程中的位移场发展。

由于竖向裂隙要求观测土样的尺寸较一般横向裂隙的土样尺寸大，采用光学扫描方式成像，对于试样大小无尺寸限制，满足竖向裂隙的观测要求；同时，对于大尺寸观测土样进行连续观测CT成像是无法实现的，并且数码相机成像在试样尺寸较大时，就需要镜头拉远才能拍全，易造成成像的精度不足；广角镜头存在畸变会影响质量；而本发明中，采用CIS扫描模块获取竖向裂隙图像信息，能够实现竖向裂隙的观测，成像质量更好。

本发明所述的土体竖向裂隙模型观测试验装置及试验方法，通过设置支架，用于支撑土体容器与其他部件；通过横向支撑架约束土体容器的侧向位移，同时不限制其竖向位移以避免影响称重，支架整体通过螺栓固定于墙体；土体容器采用透明亚克力板拼接制成，其中面板的两端设置有2mm厚度的凹槽区域，使安装完成后保证土体与面板紧密贴合。待试验土体压入土体容器并通过螺栓固定面板后，整体放于称重装置上；通过将CIS扫描模块安装于导轨，其影像传感器紧贴土体容器表面，通过导轨实现上下滑移。

本发明能获取待观测土体竖向裂隙的发生、发展过程的高精度图像信息，并获取过程中观测土样的位移场；基于CIS扫描技术，成像尺寸尤其是长度方向无限制，成像质量高，不会出现镜头畸变导致的成像失真；制样过程控制精度高，能够获得干密度均匀的土样，有利于试验的精度控制；本发明自动化程度高，可实现试验全过程自动化实现；基于机器视觉技术与获取的高精度图像，本发明能够获取土体开裂过程中的高精度位移场变化。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。