CN108287128A - 一种岩土干湿循环渗透率测量***及其方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种岩土干湿循环渗透率测量***及其方法，***包括：密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；用以测量试样重量的托盘，其以可沿竖向旋转的方式设于密闭容器的内部；湿度控制仪，与密闭容器通过管路密闭连接，用以控制密闭容器内的湿度；CT扫描装置，包括用以对试样进行CT扫描的射线源和探测器；数据采集控制***，用以采集试样的重量和/或质量数据，通过湿度传感器和湿度控制仪监控并调节密闭容器中的湿度，控制CT扫描、并在扫描过程中调节托盘的旋转。该***操作方便，自动化程度高，控制精细，测量准确，为研究非饱和岩土工程介质干湿循环渗透率及微观结构机理提供新的技术支持。

Description

一种岩土干湿循环渗透率测量***及其方法

技术领域

本公开一般涉及岩土实验仪器测量技术领域，尤其涉及一种岩土干湿循环渗透率测量***及其方法。

背景技术

非饱和问题是岩土工程领域的重要议题之一，诸多岩土工程灾害都与材料的非饱和特性密切相关，具体表现为岩土工程介质的强度、体积特征发生剧烈变化，诱发工程灾害。比如土质边坡由于地下水位的变化使得非饱和部分力学特征逐渐弱化而引起失稳，地下隧道由于湿度季节性周期变化导致围岩产生大量裂纹，使得力学特征和水力特性弱化而对工程安全造成危险等。而非饱和土力学测试技术发展较慢。

在高放核废料地质处置库工程中，缓冲回填材料（非饱和土）的渗透率测量是一个难题。因为传统的渗透率测量方法无法准确控制材料的含水率并进行有效的渗透率测试，多数情况下采用气体渗透，而材料本身的含水率也会随着材料所处环境的变化而变化，且材料本身的微观结构也会发生变化，影响渗透率，是一个比较复杂的过程。传统的实验方法中常采用称重法获得试样某一状态下质量，与干燥状态下的质量对比，计算出试样此时的含水率，紧接着装样进行相应的渗透率测试。

在现有的干湿循环试验过程下的渗透率测试中，还需要不断的拆装试样，对试样进行饱和或干燥处理，再重复进行渗透率测试，难免对试样造成不必要的人为因素影响，因此存在诸多不可控因素。而目前对于非饱和材料渗透率变化的研究还处于宏观阶段，对于干湿循环过程中材料变化的微观结构变化机理并不清楚，且缺乏相应的测试手段。

因此，现有技术中，尚没有一种设备能够测量干湿循环过程中试样的渗透率变化情况及其对应的微观结构。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种岩土干湿循环渗透率测量方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种岩土干湿循环渗透率测量***，包括：

密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；

用以测量所述试样重量的托盘，其以可沿竖向旋转的方式设于所述密闭容器的内部；

湿度控制仪，与所述密闭容器通过管路密闭连接，用以控制所述密闭容器内的湿度；

CT扫描装置，包括用以对所述试样进行CT扫描的射线源和探测器；

数据采集控制***，用以采集所述试样的重量和/或质量数据，通过所述湿度传感器和湿度控制仪监控并调节所述密闭容器中的湿度，控制CT扫描、并在扫描过程中调节所述托盘的旋转。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

所述射线源和探测器以可朝向或远离所述密闭容器移动的方式设置在所述密闭容器的两侧，所述数据采集控制***控制调整所述射线源和探测器与所述密闭容器的距离，所述射线源采用CT双能X射线源，所述探测器采用高分辨率非晶硅面阵列探测器，可以达到很好的拍摄效果。

所述***还包括滑道，所述射线源的底座和所述探测器的底座以可沿所述滑道轴向运动的方式设在所述滑道上。以这种方式可以实现分别控制射线源底座、探测器底座以0.01mm/s~10mm/s速率在滑道上移动，位移精确到0.01mm，可以精确调节三者之间的相对距离，提高拍摄效果。

所述托盘包括用以承托所述试样的下盘面、和以设定间距设于所述下盘面上方的上盘面，所述下盘面和上盘面之间设有盘面连接件，所述上盘面与连接轴的下端部连接，所述连接轴的另一端与电动机的电机轴连接，通过电机轴的旋转，带动上盘面旋转，进而带动整个托盘的旋转，从而可以以简单的结构实现托盘沿竖向旋转。

所述密闭容器的顶部设有用以测量所述试样质量的质量传感器，所述质量传感器内设有所述电动机。将电动机设于密闭容器的上部，空间利用率高。

所述密闭容器的下方设有加载平台底座，所述密闭容器和所述加载平台底座之间设有支撑部件。以简单的结构形式实现密闭容器的定位和支撑，空间结构设计合理。

连接所述湿度控制仪和密闭容器的所述管路包括进气管路和出气管路，通过控制不同湿度空气的流动来自动控制密闭容器内的相对湿度，对试样进行不同程度的饱和。

所述***还包括用以防止射线辐射的箱体，所述密闭容器和CT扫描装置均置于所述箱体的内部，在保护操作人员免受辐射的同时，可以起到很好的保护仪器的效果，提高仪器的使用寿命。

一种岩土干湿循环渗透率测量方法，包括以下步骤：

调节密闭容器的湿度至第一设定湿度，测量试样相应的质量，控制CT装置扫描所述试样，扫描过程中，控制托盘的旋转；

重复上述步骤，获取不同湿度时所述试样相应的质量和CT扫描图；

获取所述试样质量与含水率和/或饱和度的对应关系，计算所述试样变化过程中的扩散系数变化，获得所述试样的渗透系数变化。

岩土干湿循环渗透率测量方法，所述调节密闭容器的湿度至第一设定湿度包括：接收密闭容器的湿度数据，比较所述湿度数据与所述第一设定湿度的湿度差值，根据所述湿度差值，调节具有设定湿度的空气输入量和/或排出量，直到所述湿度差值小于容许湿度差值；

所述测量试样相应的质量包括实时获取所述试样的质量数据；

所述控制CT装置扫描所述试样包括：获取试样在CT扫描装置中的扫描视野的实际显示范围，根据所述实际显示范围与目标显示范围的范围差值，调节所述扫描装置中CT射线源和探测器与所述试样的距离，控制所述CT装置开始扫描。

本申请实施例提供的岩土干湿循环渗透率分析方案，通过湿度控制仪与密闭容器连通的设计，实现非饱和干燥和湿润过程相对湿度的自动循环控制，可以实现干湿循环试验在不同连续湿度条件下的精细控制、并避免试验过程中对试件的扰动从而提高实验结果的准确性；通过CT扫描装置、可沿竖向旋转的托盘与湿度控制仪的协同作用，可以减少人为因素的影响，进而获得原岩初始湿度状态下的微观结构，为准确研究原岩微观结构机理提供可能。CT扫描技术能在无损伤条件下以二维断面图像或三维立体图像的形式展开被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损情况。

本申请实施例提供的岩土干湿循环渗透率分析方法，结合三维CT扫描技术、湿度循环控制***和原位质量跟踪技术，可以准确循环控制相对湿度的变化并实时跟踪监测记录干湿循环过程中试样的质量变化，从而计算得到得到试样不同含水率状态下的扩散系数，进而间接推导计算得到试样的渗透率，同时可以测量每个状态下试样的高精度三维微观结构图，并且便于分析试样体积变化、孔隙率变化、三维微观结构变化等。***操作方便，自动化程度高，控制精细，测量准确，为研究非饱和岩土工程介质干湿循环原位质量跟踪及微观结构机理提供新的技术支持。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种 三维CT岩土干湿循环原位质量跟踪***结构示意图；

图2为一种 三维CT岩土干湿循环原位质量跟踪***加载平台正视示意图；

图3是沿图2中A-A线剖视图；

图4是沿图2中B-B线剖视图；

图5为滑道结构俯视图；

图6为沿图5中C-C剖面左视图；

其中：1-加载平台、2-质量传感器、3-金属连接轴、4-旋转电动机、5-密闭容器、6-温度湿度传感器、7-试样托盘、8-支撑钢管、9-通气管道、10-加载平台底座、11-CT双能X射线源、12-射线源支撑轴、13-射线源底座、14-高分辨率非晶硅面阵列探测器、15-探测器支撑轴、16-探测器底座、17-湿度控制仪、18-连接管道、19-滑道、20-滑道支撑底座、21-步进电动机、22-螺旋连接轴、23-射线防护体系箱体、24-数据采集控制***。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如背景技术中所提到的，现有的干湿循环试验采用饱和盐溶液控制相对湿度。根据热力学原理，饱和盐溶液对应的液面上方一定范围内的相对湿度是相对稳定的，在温度、饱和度等因素不变的情况下，液面上方的相对湿度也保持不变，而不同的饱和盐溶液，因为化学本质的不同，所对应的液面上方的相对湿度的稳定值也不一样，这样就可以选取不同种类的盐溶液，不断改变试样的保存环境，可以实现一定效果的干湿循环。但是，这种传统的干湿循环试验，其湿度条件是不连续的，呈现为跳跃性变化，无法做到对湿度环境的精细控制；并且在干湿循环试验过程中，为了得到不同的相对湿度，需要频繁的更换盐溶液，而这种试验方法势必会在操作的过程中对试样有所影响，造成对试样的扰动，从而影响试验结果的准确性。

本申请实施例提供了一种三维CT岩土干湿循环渗透率测量***。该***操作方便、自动化程度高、控制精细、测量精度高，可实时跟踪试样干湿循环过程中的质量变化，还可以实现测量试样干湿循环过程中不同含水率状态下的三维微观结构，包括整体变形、孔隙分布及变化、裂纹发展和矿物分布。结合干湿循环过程中试样的质量变化，可以从微观结构角度分析岩土工程介质干湿循环过程扩散系数和微观结构之间的变化关系。从装样完毕后，到整个干湿循环实验过程结束，保证了控制单一变量，只有密闭容器5内的相对湿度受到人为控制改变，整个试验过程不会再有人工对试样直接干预，保证了实验过程的可靠性，从而可以较好的分析岩土工程材料干湿循环变化的微观结构机理，为数值化建模提供新的思路和方法。

***包括密闭容器5、托盘、湿度控制仪17、CT扫描装置和数据采集控制***24。

其中，密闭容器5的内部构成用以容纳试样的密闭空间，密闭容器5上设有温度传感器。密闭容器5可以由高强度有机玻璃制成，直径80mm，壁厚5mm，高度110mm。密闭容器5中可以设置温度湿度传感器6：在侧壁中间位置可以开有直径10mm的圆孔Ⅰ用于安装温度湿度传感器6；底部开有两个直径5mm的圆孔，圆心距55mm，用于连接两个通气管道9，底部和支撑钢管8中心对齐固定连接。

用以承载并测量试样重量的托盘，以可沿竖向旋转的方式设于密闭容器5的内部。托盘可沿竖向旋转的方式有多种，其中一种方式为，试样托盘7由高强度有机玻璃制成，上下底面是直径50mm的圆盘，二者相距90mm，用两根矩形有机玻璃棒连接，可承受10kg的重量。上盘面与金属连接轴3的下端部连接，金属连接轴3是直径10mm，长度30mm的不锈钢圆柱轴，连接试样托盘7和旋转电动机4。

旋转电动机4位于质量传感器2内部，并设于密闭容器5的顶部，密闭容器5的上端和质量传感器2紧密贴合，达到密封的效果。质量传感器2采用美国Transcell称重传感器，量程10kg，精度为0.01g。旋转电动机4可带动金属连接轴3绕竖直轴以0.01°/s~1°/s的速率360°缓慢旋转，精度0.01°。通过电机轴的旋转，带动上盘面旋转，进而带动整个托盘的旋转。

可以理解的是，也可以通过旋转机构将托盘设置在密闭容器5的底部，并在托盘上安装质量测量装置，如质量传感器2。通过旋转机构即可带动托盘沿竖向的旋转。

值得注意的是，密闭容器5的固定方式可以有多种，均在本申请的保护范围之内。本申请实施例中在密闭容器5的下方设有加载平台底座10，密闭容器5和加载平台底座10之间设有支撑钢管8。支撑钢管8是直径30mm，壁厚5mm，高度150mm的不锈钢钢管，支撑钢管8和密闭容器5固定连接，接头处做平整处理。

湿度控制仪17通过管路与密闭容器5密闭连接，具体的方式可以为，湿度控制仪17置于密闭容器5外：密闭容器5底部开有两个圆形的通气圆孔，加载平台底座10的顶面也预留两个通气圆孔，圆孔直径φ=5mm，通过通气管道9将密闭容器5底部的通气圆孔和加载平台底座10顶面的圆孔连接。通气管道9是直径5mm，壁厚1mm的金属管，长度152mm，用于连接密闭容器5和加载平台底座10。加载平台底座10的侧面也预留有两个直径5mm的通气圆孔，分别与顶面的两个通气圆孔在内部连通。湿度控制仪17与加载平台底座10侧面的通气圆孔通过连接管道18连通，这样湿度控制仪17就和密闭容器5连接起来。通过控制不同湿度空气的流动来自动控制密闭容器5内的相对湿度，对试样进行不同程度的饱和。

通气管道9的材料可以是不锈钢，外径φ=5mm，壁厚1mm，长度172mm。连接管道18也是不锈钢管，外径φ=5mm，壁厚1mm，长度根据湿度控制仪17的相对位置而定。这种结构设计紧凑，且不易碰触管道，稳定性好。

具体的，湿度控制仪17也可以采用集成有温度控制的一体机，比如可以采用法国凯璞科技集团生产的WETSYS温度湿度控制仪17，在特定温度下，干气和湿度-饱和气体混合后产生可调节且湿度率稳定在±0.3%的气态流体，通过程控来测量和精确控制气流的湿度与温度，表现湿度曲线（斜面、平衡。湿度率增加），该湿度控制仪17的温度范围从室温到70℃，相对湿度从5%到95%。温度湿度传感器6在密闭容器5侧壁的中间位置，实时监测密闭容器5内的湿度和温度变化，并通过数据采集***，反馈给计算机，再自动调节湿度控制仪17的工作状态，保持密闭容器5内的相对湿度处于一个稳定的状态，即可实现对密闭容器5内的相对湿度进行循环控制。温度湿度传感器6采用德国JUMO的901350/33型，其湿度测量精度为1%，温度测量精度为0.1℃。

值得一提的是，湿度控制仪17也可以设置在密闭容器5的一侧，管道联通的方式也可以是多种多样的，均在本申请的保护范围之内。

***中的CT扫描装置，可以包括用以对试样进行CT扫描的射线源和探测器，其中射线源为CT双能X射线源11，探测器为高分辨率非晶硅面阵列探测器14。射线源通过射线源支撑轴12和底部的射线源底座13固定连接，探测器通过探测器支撑轴15和底部的探测器底座16固定连接。射线源支撑轴12和探测器支撑轴15可以为钢质实心圆柱，直径40mm，高度150mm，与支撑底座紧密连接。

加载平台底座10、射线源底座13和探测器底座16均设在滑道19上，其中，加载平台底座10与滑道19固定连接，射线源底座13与探测器底座16均以可沿滑道19运动的方式设在滑道19上。

射线源底座13是80mm×80mm×90mm的铸铁制成，底座下部位置开有两个直径20mm，平行的孔道，可以套在滑道19上滑动。可以通过电脑端自动调节射线源的高度，范围40mm，速率0.1mm/s~2mm/s，精度0.1mm。探测器底座16是80mm×80mm×60mm的铸铁制成，座下部位置开有两个直径20mm，平行的孔道，可以套在滑道19上滑动。射线源底座13和探测器底座16偏下部分，在平行孔道中间位置都开有直径10mm的圆孔，与螺旋连接轴22连接，内壁表面有与螺旋连接轴22配套吻合的精细螺纹。

加载平台底座10偏下部分有直径20mm的圆形通道，可以套在滑道19上并固定。

滑道19是两根直径20mm的钢管，壁厚5mm，长1000mm。表面光滑，用以支撑CT双能X射线源11和高分辨率非晶硅面阵列探测器14，同时固定加载平台1。滑道19的两端设在滑道支撑底座20上，滑道支撑底座20的尺寸是50mm×80mm×150mm，内部置有步进电动机21。滑道19的表面光滑，且上下表面都开有2mm宽的缝隙，钢管内部是直径10mm的带有精细螺纹的不锈钢连接轴，螺旋连接轴22长350mm，一端和步进电动机21连接。

螺旋连接轴22是直径10mm，长度350mm的不锈钢圆柱体，表面有均匀分布的精细螺纹，一端连接步进电动机21，射线源底座13和探测器底座16偏下部分，在平行孔道中间位置都开有直径10mm的圆孔，与螺旋连接轴22连接，内壁表面有与螺旋连接轴22配套吻合的精细螺纹。通过旋转控制射线源底座13和探测器底座16的移动，具体为控制射线源底座13、加载平台底座10、探测器底座16以0.01mm/s~10mm/s速率在滑道19上移动，位移精确到0.01mm。

步进电动机21通过旋转带动螺旋连接轴22转动实现CT双能X射线源1110底座、探测器底座16在滑道19上缓慢移动，调节与加载平台1的相对距离。加载平台底座10固定位于滑道19的中间位置，然后分别控制射线源底座13、探测器底座16以0.01mm/s~10mm/s速率在滑道19上移动，位移精确到0.01mm，调节三者之间的相对距离。

构成CT扫描设备的还包括：计算机3D扫描构建图像处理***、高精度精密扫描平台、控制***，射线防护***几部分组成，通过高投影放大比实现对被扫描试样的高分辨率DR(Digital Radiography)成像,双能射线源和和探测器分别置于密闭容器5的两侧，射线源、探测器、密闭容器5三者位于一条直线上，可以通过底部的滑道19调节相互之间的距离，以达到较好的拍摄效果。CT扫描设备的射线源发射X射线透过试样，再被探测器接收，接收器把接收到的光信号的强弱传给计算机，计算机再把信号转为数字图像，从而得到试样的三维微观结构图。在CT扫描的过程中，旋转电动机4可带动竖直连接轴以360°转动，转动速率0.01rad/s~1rad/s，位移精度为0.01rad。旋转电动机4的旋转角度可由电脑端精确自动控制。

数据采集控制***24通过PCI数据采集卡，并利用LABVIEW实现数据的采集和处理。数据采集控制***24通过湿度传感器和湿度控制仪17监控并调节密闭容器5中的湿度，并在CT扫描过程中调节射线源和探测器与密闭容器5之间的距离，并控制夹持件的旋转，从而实现试样干湿循环过程中相对湿度的自动循环控制和原位三维CT扫描测量。

为了确保测试过程的稳定，整个***温度恒定，除了数据采集控制***24放在CT扫描仪射线防护***箱体外面，其余所有的部件都放在CT扫描仪射线防护***箱体内，CT扫描工作需要相对干燥的环境，所以要保持CT扫描设备箱体内的干燥的环境，密闭容器5不与箱体内环境联通，整个***放置在恒温室内。

湿度控制仪17置于密闭容器5外，通过通气管道9和加载平台底座10顶面的圆孔连接，湿度控制仪17通过连接管道18和加载平台底座10侧面的圆孔连接，加载平台底座10内部是联通的，这样就可以实现湿度控制仪17的进气管和出气管和密闭容器5联通。温度湿度控制仪17位于密闭容器5侧壁的中间位置，实时监测密闭容器5内的温度和湿度，数据采集控制***24记录这些数据并反馈给湿度控制仪17，时刻调整湿度控制仪17的工作状态。金属连接轴3连接旋转电动机4和试样托盘7，旋转电动机4位于质量传感器2内，可以实时监测试样托盘7和试样的总质量，并且带动试样托盘7绕竖直轴360°缓慢旋转。CT双能X射线源11、加载平台1和高分辨率非晶硅面阵列探测器14可以通过各自的底座在滑道19上精准自动调节相对位置。

作为另一方面，本申请实施例提供了一种岩土干湿循环渗透率测量方法，包括以下步骤：

接收密闭容器5的湿度数据，比较湿度数据与第一设定湿度的湿度差值，根据湿度差值，调节具有设定湿度的空气输入量和/或排出量，直到湿度差值小于容许湿度差值，从而调节密闭容器5的湿度至第一设定湿度。

测量试样相应的质量，比如可以是时获取试样的质量数据。

控制CT装置扫描试样，包括：获取试样在CT扫描装置中的扫描视野的实际显示范围，根据实际显示范围与目标显示范围的范围差值，调节扫描装置中CT射线源和探测器与试样的距离，控制CT装置开始扫描。

扫描过程中，控制托盘的旋转；

重复上述步骤，获取不同湿度时试样相应的质量和CT扫描图；

获取试样质量与含水率和/或饱和度的对应关系，计算试样变化过程中的扩散系数变化，获得试样的渗透系数变化。

本申请实施例的具体操作实施步骤是：

1）准备试样。适用于本设备实验的试样标准尺寸是直径φ=38mm、高度h=76mm的标准圆柱形试样。试样尺寸小于此尺寸的的标准圆柱形试样也可以进行实验。试样需要预先制备好，有条件的可以在初始相对湿度下饱和至稳定状态，没有预先饱和的试样可以在密闭容器5内进行饱和。

2）安装试样。打开射线防护体系箱体23，一起取下质量传感器2和试样托盘7，将试样中心对齐放在试样托盘7上，竖直提起质量传感器2和试样托盘7，放入密闭容器5内，质量传感器2和密闭容器5接口处密封处理。

3）质量传感器2采用美国Transcell称重传感器。打开质量传感器2，开始记录试样的质量，托盘的质量是固定的，质量传感器2对没有试样时的试样托盘7质量做了归零处理，所以质量传感器2的监测的就是试样的质量，并把监测数据保存到电脑中，记录时间可根据情况自行设定。试样可以预先进行干燥或者饱和处理，在天平上称重得到试样初始状态的质量，然后在试验过程中，质量传感器2会实时记录试样的质量，最终获得试样质量-时间变化关系曲线图，再与初始状态对比就可以得出每一个时刻的含水率和饱和度状态，得到式样的含水率-时间变化曲线，再根据非饱和的相关知识，可以计算试样变化过程中的扩散系数变化，从而推导获得试样的渗透系数变化。

4）温度湿度传感器6采用德国JUMO的901350/33型，其湿度测量精度为1%，温度测量精度为0.1℃。打开温度湿度传感器6，实时记录记录密闭容器5内的温度、湿度值，记录时间间隔可以自行设定。

5）湿度控制仪17采用法国凯璞科技集团生产的WETSYS湿度控制仪17，在特定温度下，干气和湿度-饱和气体混合后产生可调节且湿度率稳定在±0.3%的气态流体，通过程控来测量和精确控制气流的湿度与温度，表现湿度曲线（斜面、平衡。湿度率增加），该湿度控制仪17的温度范围从室温到70℃，相对湿度从5%到95%。打开湿度控制仪17，设置初始相对湿度值，控制密闭容器5内的相对湿度，对试样进行饱和。初始饱和阶段，如果试样进行了预先饱和，则需要的饱和时间较短，没有进行预先饱和的，则饱和时间根据具体情况而定。认为质量传感器2监测到的试样质量24h不发生变化，试样在该相对湿度情况下达到饱和状态。

6）试样饱和后，可进行初始状态的CT扫描。确保射线防护体系箱体23处于稳定的关闭状态，打开CT双能X射线源11的电源，预热30min以上。预热完毕，通过数据采集控制***24终端，自动调整CT双能X射线源11、加载平台1、高分辨率非晶硅面阵列探测器14三者的相对位置，一般情况下，加载平台1的位置固定，不需要调整，位于CT双能X射线源11和高分辨率非晶硅面阵列探测器14中间。电脑端控制步进电动机21的旋转，自动调节调节CT双能X射线源11、高分辨率非晶硅面阵列探测器14与加载平台1的距离，位移精度为为0.01mm。同时注意调节CT双能X射线源11的高度，合适的位置为在电脑终端的扫描视野内可以看到完整的试样，又不会浪费视野的区域，尽可能的提高放大倍数，提高拍摄精度，扫描精度可达微米级。获得的图像经过DIC(Digital Image Correlation；数字图像先关技术)技术进行后处理，可计算试样的体积变化、孔隙率变化等特征。

7）调整好视野以后，设置扫描参数，具体参数根据实际情况而定，点击电脑终端的开始扫描按钮，进行三维CT扫描，扫描过程是全自动的，无需进行人工操作。扫描开始，旋转电动机4通过金属连接轴3带动试样托盘7绕竖直轴360°缓慢转动，转动速率0.01°/s~1°/s，精度为0.01°，旋转时间和速率根据扫描时间自动确定，不用人工设定，扫描完毕，试样刚好旋转一周。即可获得三维CT扫描图像，扫描时间长短根据试样的特性而定。结构致密，密度较大的试样扫描时间较长，反之时间较短。

8）初次扫描完成后,保存好扫描数据，关闭CT双能X射线源11电源，不用调整CT双能X射线源11、加载平台1以及高分辨率非晶硅面阵列探测器14的位置。根据实验方案设定，设置湿度控制仪17参数，控制密闭容器5内的相对湿度处于一个新的稳定状态，对试样进行饱和，并实时监测记录密闭容器5内的温度、湿度以及试样的质量。

9）打开CT双能X射线源11，预热30min以上，预热完毕，微调扫描设置参数，再次扫描。扫描结束，保存好数据，关闭双能X射线源。设置新的相对湿度值，再对试样进行饱和。

10）重复步骤9，直至整个干湿循环实验过程完毕，即可获得干湿循环过程，试样的质量变化以及每个状态下的三维CT扫描微观结构图。

11）实验结束，关闭CT双能X射线源11，控制终端操作拉开射线源、加载平台1、探测器之间的距离。关闭湿度控制仪17，关闭质量传感器2，关闭温度湿度传感器6，打开射线防护体系箱体23，打开密闭容器5，取出试样。

12）把质量传感器2以及试样托盘7复位，关闭射线防护体系箱体23，等待再次实验。

此***操作简便，自动化程度高，控制精准，测量准确，为岩土工程介质干湿循环原位质量跟踪测试及三维微观结构测试提供了有效的技术手段。

本申请实施例和现有技术相比，具有以下优点和效果。

①实现了岩土工程介质干湿循环过程中相对湿度的自动循环精确控制，误差在1%以内，同时温度变化控制在2℃以内。

②实现了干湿循环过程试样质量变化的实时原位跟踪测量。

③实现了三维CT扫描的原位测试，避免人为因素的影响。

④自动化程度高，控制精确，解决了岩土工程介质相关的非饱和测试问题。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种岩土干湿循环渗透率测量***，其特征在于，包括：

密闭容器，内部构成用以容纳试样的密闭空间，其上设有湿度传感器；

用以测量所述试样重量的托盘，其以可沿竖向旋转的方式设于所述密闭容器的内部；

湿度控制仪，与所述密闭容器通过管路密闭连接，用以控制所述密闭容器内的湿度；

CT扫描装置，包括用以对所述试样进行CT扫描的射线源和探测器；

数据采集控制***，用以采集所述试样的重量和/或质量数据，通过所述湿度传感器和湿度控制仪监控并调节所述密闭容器中的湿度，控制CT扫描、并在扫描过程中调节所述托盘的旋转。

2.根据权利要求1所述的岩土干湿循环渗透率测量***，其特征在于，所述射线源和探测器以可朝向或远离所述密闭容器移动的方式设置在所述密闭容器的两侧，所述数据采集控制***控制调整所述射线源和探测器与所述密闭容器的距离，所述射线源采用CT双能X射线源，所述探测器采用高分辨率非晶硅面阵列探测器。

3.根据权利要求2所述的岩土干湿循环渗透率测量***，其特征在于，所述***还包括滑道，所述射线源的底座和所述探测器的底座以可沿所述滑道轴向运动的方式设在所述滑道上。

4.根据权利要求1-3任一所述的岩土干湿循环渗透率测量***，其特征在于，所述托盘包括用以承托所述试样的下盘面、和以设定间距设于所述下盘面上方的上盘面，所述下盘面和上盘面之间设有盘面连接件，所述上盘面与连接轴的下端部连接，所述连接轴的另一端与电动机的电机轴连接，通过电机轴的旋转，带动上盘面旋转，进而带动整个托盘的旋转。

5.根据权利要求4所述的岩土干湿循环渗透率测量***，其特征在于，所述密闭容器的顶部设有用以测量所述试样质量的质量传感器，所述质量传感器内设有所述电动机。

6.根据权利要求1所述的岩土干湿循环渗透率测量***，其特征在于，所述密闭容器的下方设有加载平台底座，所述密闭容器和所述加载平台底座之间设有支撑部件。

7.根据权利要求1所述的岩土干湿循环渗透率测量***，其特征在于，连接所述湿度控制仪和密闭容器的所述管路包括进气管路和出气管路。

8.根据权利要求1所述的岩土干湿循环渗透率测量***，其特征在于，所述***还包括用以防止射线辐射的箱体，所述密闭容器和CT扫描装置均置于所述箱体的内部。

9.一种岩土干湿循环渗透率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

调节密闭容器的湿度至第一设定湿度，测量试样相应的质量，控制CT装置扫描所述试样，扫描过程中，控制托盘的旋转；

重复上述步骤，获取不同湿度时所述试样相应的质量和CT扫描图；

获取所述试样质量与含水率和/或饱和度的对应关系，计算所述试样变化过程中的扩散系数变化，获得所述试样的渗透系数变化。

10.根据权利要求9所述的岩土干湿循环渗透率测量方法，其特征在于，

所述调节密闭容器的湿度至第一设定湿度包括：接收密闭容器的湿度数据，比较所述湿度数据与所述第一设定湿度的湿度差值，根据所述湿度差值，调节具有设定湿度的空气输入量和/或排出量，直到所述湿度差值小于容许湿度差值；

所述测量试样相应的质量包括实时获取所述试样的质量数据；

所述控制CT装置扫描所述试样包括：获取试样在CT扫描装置中的扫描视野的实际显示范围，根据所述实际显示范围与目标显示范围的范围差值，调节所述扫描装置中CT射线源和探测器与所述试样的距离，控制所述CT装置开始扫描。