黃土水分遷移規(guī)律室內(nèi)模擬系統(tǒng)及特征參數(shù)測(cè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種黃土水分迀移規(guī)律室內(nèi)模擬系統(tǒng)及 特征參數(shù)測(cè)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 黃土在我國(guó)分布廣泛，主要分布在北煒30~49度，東經(jīng)101~114度之間的北 方幾個(gè)省區(qū)，總面積大約有63萬平方公里，同時(shí)這些區(qū)域存在不同程度的季節(jié)性凍融。由 于地表的黃土大面積暴露于大氣中，受到諸如溫度、輻射、蒸發(fā)、降水、邊坡的陰陽坡等外界 因素的影響，以及在季節(jié)凍融區(qū)凍融過程會(huì)引起黃土的水分迀移和水分重分布，加劇黃土 中水分的聚積，同時(shí)凍融過程會(huì)引發(fā)黃土土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，強(qiáng)度降低、變形增大，這會(huì)加 劇黃土的濕陷變形。當(dāng)然，含水量的增大不僅降低黃土的強(qiáng)度，而且導(dǎo)致了一系列病害的發(fā) 生，如在路基工程出現(xiàn)沉陷、波浪、縱裂、水溝失穩(wěn)等病害；水利工程出現(xiàn)凍脹、塌岸、砌體開 裂等病害；市政工程出現(xiàn)沉陷、網(wǎng)裂等病害；在建筑工程中出現(xiàn)基坑邊坡失穩(wěn)，基坑支護(hù)結(jié) 構(gòu)破壞等病害；降水使黃土邊坡體的水量分布發(fā)生變化并導(dǎo)致坡體滑動(dòng)等病害。重視和應(yīng) 用黃土在凍融循環(huán)過程中水分迀移與分布的特性規(guī)律在新世紀(jì)黃土力學(xué)特性和應(yīng)用的研 究中占據(jù)重要的地位。因此對(duì)進(jìn)行黃土在凍融循環(huán)過程中水分迀移問題的研究，具有重要 的理論和實(shí)踐意義。目前，許多學(xué)者對(duì)黃土的水分迀移進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)黃土在凍融 循環(huán)過程中水分迀移機(jī)理闡述地還不透徹?，F(xiàn)有技術(shù)中還沒有能夠方便地在室內(nèi)進(jìn)行黃土 水分迀移規(guī)律模擬的系統(tǒng)，也不能很好地在室內(nèi)進(jìn)行黃土水分迀移規(guī)律特征參數(shù)的測(cè)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種結(jié)構(gòu)緊 湊、設(shè)計(jì)新穎合理、實(shí)現(xiàn)方便、使用操作方便、為進(jìn)一步研究降雨條件下黃土水分迀移規(guī)律 提供了可行的黃土水分迀移規(guī)律室內(nèi)模擬系統(tǒng)。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種黃土水分迀移規(guī)律室內(nèi)模 擬系統(tǒng)，其特征在于：包括室內(nèi)模擬系統(tǒng)箱體、黃土水分迀移規(guī)律特征參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)和試驗(yàn) 數(shù)據(jù)采集及控制器，以及設(shè)置在室內(nèi)模擬系統(tǒng)箱體內(nèi)部的冷熱一體機(jī)、降雨模擬系統(tǒng)和地 質(zhì)模型系統(tǒng)；
[0005] 所述降雨模擬系統(tǒng)包括嵌入安裝在室內(nèi)模擬系統(tǒng)箱體頂部的降雨槽和設(shè)置在降 雨槽底部的圓形降雨孔，所述降雨槽的頂部設(shè)置有降雨槽內(nèi)壓力控制管和與外部水源連接 的進(jìn)水管，所述進(jìn)水管上設(shè)置有進(jìn)水電磁閥、進(jìn)水水栗和用于對(duì)降雨量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的第 一流量傳感器，所述降雨槽內(nèi)壓力控制管上設(shè)置有壓力控制電磁閥和壓力傳感器，所述降 雨槽內(nèi)壓力控制管的端部連接有空氣壓縮機(jī)，所述降雨槽的頂部?jī)?nèi)壁上設(shè)置有用于對(duì)降雨 槽的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的水位傳感器，所述降雨孔的直徑為0. 5mm~Imm ;
[0006] 所述地質(zhì)模型系統(tǒng)包括底座和通過多個(gè)千斤頂支撐安裝在底座上的地質(zhì)模型槽， 所述地質(zhì)模型槽的底部設(shè)置有用于在地質(zhì)模型槽內(nèi)底部形成儲(chǔ)水空間的經(jīng)煒格柵板，所述 經(jīng)煒格柵板上設(shè)置有多個(gè)出水孔洞，所述經(jīng)煒格柵板的頂部設(shè)置有陶土板，所述陶土板的 四周邊沿均與地質(zhì)模型槽內(nèi)壁粘接，所述陶土板的頂部用于放置試驗(yàn)土樣，所述試驗(yàn)土樣 內(nèi)埋設(shè)有多個(gè)串聯(lián)的用于對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行加熱或制冷的半導(dǎo)體加熱制冷片；
[0007] 所述黃土水分迀移規(guī)律特征參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括土壤溫度及含水率測(cè)量系統(tǒng)、降雨 徑流量測(cè)量系統(tǒng)和降雨出滲量測(cè)量系統(tǒng)，所述土壤溫度及含水率測(cè)量系統(tǒng)包括分多層埋設(shè) 在試驗(yàn)土樣內(nèi)的多個(gè)土壤溫濕度傳感器，每層所述土壤溫濕度傳感器的數(shù)量均為多個(gè)，各 層中多個(gè)所述土壤溫濕度傳感器呈正方形網(wǎng)格均勻布設(shè)，多層中相鄰兩層的多個(gè)所述土壤 溫濕度傳感器均按相等間距上下相對(duì)布設(shè)；所述降雨徑流量測(cè)量系統(tǒng)包括降雨徑流量測(cè)量 量杯和設(shè)置在地質(zhì)模型槽側(cè)面的多個(gè)降雨徑流量測(cè)量孔，以及連接在所述降雨徑流量測(cè)量 孔上的降雨徑流量測(cè)量分管和與降雨徑流量測(cè)量分管連接并接入降雨徑流量測(cè)量量杯內(nèi) 的降雨徑流量測(cè)量總管；所述降雨出滲量測(cè)量系統(tǒng)包括降雨出滲量測(cè)量量杯和設(shè)置在地質(zhì) 模型槽底面上的多個(gè)降雨出滲量測(cè)量孔，以及連接在所述降雨出滲量測(cè)量孔上的降雨出滲 量測(cè)量分管和與降雨出滲量測(cè)量分管連接并接入降雨出滲量測(cè)量量杯內(nèi)的降雨出滲量測(cè) 量總管；所述降雨徑流量測(cè)量總管上設(shè)置有用于對(duì)未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢 測(cè)的第二流量傳感器；
[0008] 所述試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及控制器包括微控制器和與微控制器相接且用于與計(jì)算機(jī)連 接的串口通信電路，所述微控制器的輸入端接有按鍵操作電路，所述微控制器的輸出端接 有液晶顯示器、用于驅(qū)動(dòng)進(jìn)水電磁閥的第一電磁閥驅(qū)動(dòng)器、用于驅(qū)動(dòng)壓力控制電磁閥的第 二電磁閥驅(qū)動(dòng)器、用于對(duì)進(jìn)水水栗的通斷電進(jìn)行控制的第一繼電器、用于對(duì)空氣壓縮機(jī)的 通斷電進(jìn)行控制的第二繼電器和用于驅(qū)動(dòng)控制多個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體加熱制冷片的加熱制冷 驅(qū)動(dòng)控制電路，所述進(jìn)水電磁閥與第一電磁閥驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接，所述壓力控制電磁閥 與第二電磁閥驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接，所述第一繼電器串聯(lián)在進(jìn)水水栗的供電回路中，所述 第二繼電器串聯(lián)在空氣壓縮機(jī)的供電回路中，所述半導(dǎo)體加熱制冷片與加熱制冷驅(qū)動(dòng)控制 電路的輸出端連接，所述第一流量傳感器、水位傳感器、壓力傳感器、第二流量傳感器和多 個(gè)土壤溫濕度傳感器均與微控制器的輸入端連接。
[0009] 上述的黃土水分迀移規(guī)律室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述降雨槽的側(cè)壁上設(shè)置 有雨量刻度。
[0010] 上述的黃土水分迀移規(guī)律室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于：各層中多個(gè)所述土壤溫濕 度傳感器呈ImX Im的正方形網(wǎng)格均勻布設(shè)，多層中相鄰兩層的多個(gè)所述土壤溫濕度傳感 器均按〇. 5m的相等間距上下相對(duì)布設(shè)。
[0011] 上述的黃土水分迀移規(guī)律室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述加熱制冷驅(qū)動(dòng)控制電 路包括光耦隔離芯片TLP521-1、運(yùn)算放大器芯片TL084、繼電器Kl、三極管Ql、二極管Dl、電 阻Rl和電阻R10,所述光耦隔離芯片TLP521-1的第1引腳與+5V電源的輸出端連接，所述 光耦隔離芯片TLP521-1的第2引腳與電阻Rl的一端連接，所述電阻Rl的另一端為加熱制 冷驅(qū)動(dòng)控制電路的第一輸入端IN1，所述光耦隔離芯片TLP521-1的第4引腳與+12V電源的 輸出端連接，所述運(yùn)算放大器芯片TL084的第3引腳通過串聯(lián)的電阻R3和電阻R2與光耦 隔離芯片TLP521-1的第4引腳連接，且通過電阻R4接地，所述光耦隔離芯片TLP521-1的 第3引腳與電阻R3和電阻R2的連接端相接，所述運(yùn)算放大器芯片TL084的第2引腳通過 電阻R5接地，且通過電阻R7與運(yùn)算放大器芯片TL084的第1引腳相接，所述運(yùn)算放大器芯 片TL084的第5引腳通過電阻R6與運(yùn)算放大器芯片TL084的第1引腳相接，所述運(yùn)算放大 器芯片TL084的第6引腳通過電阻R9與運(yùn)算放大器芯片TL084的第7引腳相接，且通過電 阻R8接地；所述繼電器Kl的線圈的一端和二極管Dl的陰極均與+12V電源的輸出端連接， 所述繼電器Kl的線圈的另一端和二極管Dl的陽極均與三極管Ql的集電極相接，所述繼電 器Kl的常開觸點(diǎn)與所述運(yùn)算放大器芯片TL084的第7引腳相接，所述繼電器Kl的常閉觸 點(diǎn)與所述運(yùn)算放大器芯片TL084的第1引腳相接，所述繼電器Kl的公共觸點(diǎn)為加熱制冷驅(qū) 動(dòng)控制電路的輸出端OUT，所述三極管Ql的發(fā)射極接地，所述三極管Ql的基極與電阻RlO 的一端相接，所述電阻RlO的另一端為加熱制冷驅(qū)動(dòng)控制電路的第二輸入端IN2 ;所述加熱 制冷驅(qū)動(dòng)控制電路的第一輸入端INl和第二輸入端IN2均與微控制器的輸出端連接，多個(gè) 串聯(lián)后的所述半導(dǎo)體加熱制冷片與加熱制冷驅(qū)動(dòng)控制電路的輸出端OUT連接。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種方法步驟簡(jiǎn)單、功能完備、實(shí)用性強(qiáng)、使用效果好的黃土水分 迀移規(guī)律特征參數(shù)測(cè)定方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
[0013] 步驟一、構(gòu)建地質(zhì)模型：操作多個(gè)千斤頂，使地質(zhì)模型槽處于水平放置后將試驗(yàn)土 樣分層填裝到地質(zhì)模型槽內(nèi)陶土板的頂部，并進(jìn)行土樣夯擊填筑；然后，再操作多個(gè)千斤 頂，調(diào)整地質(zhì)模型槽的坡度為試驗(yàn)坡度；
[0014] 步驟二、準(zhǔn)備降雨模擬系統(tǒng)：操作計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)準(zhǔn)備降雨模擬系統(tǒng)模式，計(jì)算機(jī)通 過串口通信電路發(fā)送準(zhǔn)備降雨模擬系統(tǒng)的信號(hào)給微控制器，微控制器控制第一繼電器接通 進(jìn)水水栗的供電回路，并通過第一電磁閥驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)進(jìn)水電磁閥打開，進(jìn)水水栗啟動(dòng)，所述 外部水源流出的水通過進(jìn)水管流入降雨槽內(nèi)，所述水位傳感器對(duì)降雨槽內(nèi)的水位進(jìn)行實(shí)時(shí) 檢測(cè)并將檢測(cè)到的信號(hào)輸出給微控制器，微控制器將其接收到的水位檢測(cè)值與預(yù)先通過操 作按鍵操作電路設(shè)定的水位設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)水位檢測(cè)值達(dá)到水位設(shè)定值時(shí)，微控制器 控制第一繼電器斷開進(jìn)水水栗的供電回路，并通過第一電磁閥驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)進(jìn)水電磁閥關(guān) 閉，停止往降雨槽內(nèi)注水；
[0015] 步驟三、測(cè)量降雨前試驗(yàn)土樣的初始含水率：多個(gè)土壤溫濕度傳感器分別對(duì)試驗(yàn) 土樣的溫度和濕度進(jìn)行一次檢測(cè)并將檢測(cè)到的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處試驗(yàn)土樣的溫度信號(hào)和濕度 信號(hào)傳輸給微控制器，微控制器再將其接收到的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處試驗(yàn)土樣的溫度信號(hào)和濕度 信號(hào)通過串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收并記錄多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處試驗(yàn)土樣的溫 度信號(hào)和濕度信號(hào)，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處試驗(yàn)土樣的濕度信號(hào)記錄為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處降雨前試 驗(yàn)土樣的初始含水率Θ。；
[0016] 步驟四、模擬降雨：操作計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)模擬降雨模式，計(jì)算機(jī)通過串口通信電路發(fā) 送模擬降雨的信號(hào)給微控制器，微控制器控制第二繼電器接通空氣壓縮機(jī)的供電回路，并 通過第二電磁閥驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)壓力控制電磁閥打開，空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)，產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過 壓力控制電磁閥調(diào)節(jié)壓力后通過降雨槽內(nèi)壓力控制管進(jìn)入降雨槽內(nèi)，將降雨槽內(nèi)的水從降 雨孔中噴出，模擬出了降雨；降雨模擬過程中，壓力傳感器對(duì)經(jīng)過降雨槽內(nèi)壓力控制管的壓 縮空氣壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將檢測(cè)到的信號(hào)輸出給微控制器，微控制器將其接收到的壓力 檢測(cè)值與預(yù)先通過操作按鍵操作電路設(shè)定的壓力閾值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)壓力檢測(cè)值小于壓力閾 值時(shí)，通過第二電磁閥驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)壓力控制電磁閥打開的開度增大，當(dāng)壓力檢測(cè)值大于壓 力閾值時(shí)，通過第二電磁閥驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)壓力控制電磁閥打開的開度減小，從而使經(jīng)過降雨 槽內(nèi)壓力控制管的壓縮空氣壓力維持在壓力閾值范圍內(nèi)；同時(shí)，所述水位傳感器對(duì)降雨槽 內(nèi)的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將檢測(cè)到的信號(hào)輸出給微控制器，微控制器將其接收到的水位檢 測(cè)值與預(yù)先通過操作按鍵操作電路設(shè)定的水位設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)水位檢測(cè)值小于水位設(shè) 定值時(shí)，微控制器控制第一繼電器接通進(jìn)水水栗的供電回路，并通過第一電磁閥驅(qū)動(dòng)器驅(qū) 動(dòng)進(jìn)水電磁閥打開，外部水源流出的水通過進(jìn)水管流入降雨槽內(nèi)，當(dāng)水位檢測(cè)值大于水位 設(shè)定值時(shí)，微控制器控制第一繼電器斷開進(jìn)水水栗的供電回路，并通過第一電磁閥驅(qū)動(dòng)器 驅(qū)動(dòng)進(jìn)水電磁閥關(guān)閉，停止往降雨槽內(nèi)注水，從而使降雨槽內(nèi)水位維持穩(wěn)定，保證了降雨過 程的持續(xù)進(jìn)行；模擬降雨過程中，第一流量傳感器對(duì)降雨量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將檢測(cè)到的信 號(hào)實(shí)時(shí)輸出給微控制器，第二流量傳感器對(duì)未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的水流量進(jìn)行周期性檢測(cè)并 將檢測(cè)到的信號(hào)輸出給微控制器，微控制器將其相鄰的兩個(gè)采樣時(shí)刻接收到的未滲入試驗(yàn) 土樣內(nèi)的水流量作差，當(dāng)相鄰的兩個(gè)采樣時(shí)刻的未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的水流量差值小于等于 Icm3時(shí)，說明達(dá)到了降雨入滲穩(wěn)定；此時(shí)，微控制器將其接收到的降雨量信號(hào)通過串口通信 電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將其接收到的降雨量信號(hào)記錄為降雨入滲前期降雨入滲穩(wěn) 定時(shí)的總降雨量Qz;
[0017] 步驟五、進(jìn)行降雨入滲觀測(cè)并測(cè)量降雨入滲前期試驗(yàn)土樣的谷值含水率、峰值含 水率和穩(wěn)定含水率：調(diào)節(jié)冷熱一體機(jī)的溫度為常溫環(huán)境溫度T1，從開始模擬降雨到達(dá)到降 雨入滲穩(wěn)定的過程中，未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的水從多個(gè)所述降雨徑流量測(cè)量孔內(nèi)流出并經(jīng)過 多根降雨徑流量測(cè)量分管和降雨徑流量測(cè)量總管流入降雨徑流量測(cè)量量杯內(nèi)；滲出試驗(yàn)土 樣內(nèi)的水從多個(gè)所述降雨出滲量測(cè)量孔內(nèi)流出并經(jīng)過多根降雨出滲量測(cè)量分管和降雨出 滲量測(cè)量總管流入降雨出滲量測(cè)量量杯內(nèi)；同時(shí)，多個(gè)土壤溫濕度傳感器分別對(duì)試驗(yàn)土樣 的溫度和濕度進(jìn)行周期性檢測(cè)并將檢測(cè)到的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處試驗(yàn)土樣的溫度信號(hào)和濕度信 號(hào)傳輸給微控制器，微控制器再將其接收到的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處試驗(yàn)土樣的溫度信號(hào)和濕度信 號(hào)通過串口通信電路實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收并記錄各個(gè)采樣時(shí)刻多個(gè)測(cè)試點(diǎn)處試 驗(yàn)土樣的溫度信號(hào)和濕度信號(hào)，且對(duì)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處多個(gè)采樣時(shí)刻的濕度按照時(shí)間先后順序 進(jìn)行排列，當(dāng)相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻的濕度差值小于等于1%時(shí)，說明該測(cè)試點(diǎn)處試驗(yàn)土樣的濕 度已穩(wěn)定，將相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻中后一個(gè)采樣時(shí)刻的濕度值記錄為該測(cè)試點(diǎn)處降雨入滲前 期試驗(yàn)土樣的穩(wěn)定含水率Θf，而且，計(jì)算機(jī)還對(duì)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處多個(gè)采樣時(shí)刻的濕度進(jìn)行從 大到小排列，并將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處排列在最前的濕度值記錄為該測(cè)試點(diǎn)處降雨入滲前期試驗(yàn) 土樣的峰值含水率θ p，將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處排列在最后的濕度值記錄為該測(cè)試點(diǎn)處降雨入滲 前期試驗(yàn)土樣的谷值含水率θv;而且，微控制器還將其接收到的未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的水流 量通過串口通信電路傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)調(diào)用流量曲線繪制模塊繪制出未滲入試驗(yàn)土樣 內(nèi)的水流量隨時(shí)間t變化的曲線；查看顯示在計(jì)算機(jī)上的未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的水流量隨時(shí) 間t變化的曲線，當(dāng)未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的水流量隨時(shí)間t變化的曲線趨近于一條直線時(shí)，說 明達(dá)到了降雨入滲穩(wěn)定，此時(shí)，查看降雨徑流量測(cè)量量杯內(nèi)未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的水的量，并 將該讀數(shù)記錄為降雨入滲前期的降雨徑流量Qj;查看降雨出滲量測(cè)量量杯內(nèi)滲出試驗(yàn)土樣 內(nèi)的水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雨入滲前期的降雨出滲量Q。；
[0018] 步驟六、降雨入滲前期的黃土水分迀移規(guī)律降雨入滲特征參數(shù)計(jì)算：
[0019] 步驟601、根據(jù)公式Q1= Q Z_Q,，計(jì)算得到降雨入滲前期的降雨入滲量Qd
[0020]