本发明属于岩土工程，具体涉及一种干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法。
背景技术：
1、目前，对土体胀缩性—裂隙性—持水性三种工程特性的测量，现有技术采用的是分别测量，即胀缩性、裂隙性和持水性分别采用不同的土体试样进行测量。其中，持水性，指的是土体吸力与质量含水量的关系，一般用土水特征曲线表征，目前对于土水特征曲线测量的方法包括轴平移技术、饱和盐溶液蒸汽平衡法、冷镜露点法等，上述方法的使用成本很高且操作复杂；胀缩性，指的是土体体积的湿胀干缩特性，现有技术主要采用固结实验研究土体胀缩性，具有操作较复杂和耗时较长的缺点；裂隙性，指土体的张拉应力超过抗拉强度时，土体表面产生裂隙，目前现有技术为采用托盘制样，放在烘箱中降低含水量，通过拍照和裂隙处理软件得出裂隙指标。采用不同试样分别测试，忽略了土体胀缩性、裂隙性和持水性三者内在关联，如：土体收缩会引起裂隙发育、持水性能降低，同时可能会带来因制样不同而导致的误差。因此，有必要对土体胀缩性、裂隙性和持水性三个工程特性进行综合试验，以提高试验准确性。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种可测量同一环刀试样在干湿循环作用下的持水性、胀缩性和裂缝性的综合试验方法，避免不同制样带来的误差，同时，还能为库水位升降下堤坝工程变形-开裂是否达到稳定，以及堤坝工程服役性能和安全评估提供参考。
2、为实现上述目的，本发明提供一种干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，所述试验方法包括以下步骤：
3、步骤(1)、在最优含水量下对土体进行击实，获取达到最大干密度的两个环刀试样，所述环刀试样包括环刀及填充于所述环刀内的土体试样，所述土体试样由利用烘干法制备的干土和水配样得到，其中，所述土体试样中水的质量和干土的质量之比为所述干土对应的最优含水量；
4、步骤(2)、将两个所述环刀试样分别放入真空饱和缸中进行加湿，得到具有饱和质量含水量的两个环刀试样；
5、步骤(3)、将加湿完成的两个所述环刀试样分别置于室内恒温环境下进行自然风干脱湿，直至所述土体试样的质量含水量降至最低质量含水量，在所述环刀试样自然风干脱湿过程中，获取第一数据组和第一裂缝数据组，所述第一数据组包括所述土体试样在多个不同目标质量含水量下对应的吸力、孔隙比和饱和度，所述第一裂缝数据组包括所述土体试样在所述多个不同目标质量含水量下对应的裂缝数据；
6、步骤(4)、分别对步骤(3)中达到最低质量含水量的两个所述环刀试样进行双向水膜加湿，直至水分在所述土体试样表面停留且不再浸入土体试样内部，在所述环刀试样加湿过程中，获取第二数据组和第二裂缝数据组，所述第二数据组包括所述土体试样在所述多个不同目标质量含水量下对应的吸力、孔隙比和饱和度，所述第二裂缝数据组包括所述土体试样在所述多个不同目标质量含水量下对应的裂缝数据；
7、步骤(5)、同样两个所述环刀试样，依次重复步骤(3)和(4)多次，完成n次干湿循环，获取n个第一数据组、n个第二数据组、n个第一裂缝数据组和n个第二裂缝数据组，其中，n为大于等于5的正整数；
8、步骤(6)、基于所述n次干湿循环获取的n个第一数据组和n个第二数据组，获取干湿循环作用下土体持水性和胀缩性，并基于所述n个第一裂缝数据组和n个第二裂缝数据组，获取干湿循环作用下土体裂缝性。
9、在一种具体的实施方式中，每个目标质量含水量对应的土体试样的吸力的获取步骤包括：
10、将两个所述环刀试样、两层第一滤纸和一层第二滤纸进行装样，得到试验试样，沿所述试验试样的高度方向，所述试验试样包括一个环刀试样、一层第一滤纸、一层第二滤纸、另一层第一滤纸和另一个环刀试样，所述第一滤纸用于保护第二滤纸不直接与所述土体试样接触，所述第二滤纸用于测量吸力，其中，所述第一滤纸和所述第二滤纸均为whantman no.42型滤纸，所述第一滤纸的直径小于所述环刀的直径且大于所述第二滤纸的直径；
11、将所述试验试样用保鲜膜包裹后，置于所述密封盒中进行平衡试验；
12、平衡试验结束后，获取湿的所述第二滤纸的第一质量；
13、将所述第二滤纸进行干燥，并获取干燥后的所述第二滤纸的第二质量；
14、基于所述第二滤纸的第一质量和第二质量，计算所述第二滤纸的含水量；
15、基于所述第二滤纸的含水量，计算平衡时所述第二滤纸的吸力，所述土体试样的吸力与所述第二滤纸的吸力相同。
16、在一种具体的实施方式中，所述第二滤纸的吸力的计算公式为：
17、
18、其中，为平衡时所述第二滤纸的吸力，ωf为第二滤纸的含水量。
19、在一种具体的实施方式中，每个目标质量含水量对应的土体试样的孔隙比的获取步骤包括：
20、分别获取两个当前土样的多个不同角度对应的多个直径和多个高度值，并计算得到每个所述当前土样的直径平均值和高度平均值，所述当前土样为目标质量含水量下的土体试样在完成平衡试验后得到的土样；
21、获取两个所述当前土样的直径平均值的算术平均值和两个所述当前土样的高度平均值的算术平均值，并作为目标质量含水量下土体试样的当前直径和当前高度；
22、基于所述土体试样的当前直径和当前高度，计算得到所述土体试样的当前体积；
23、基于所述土体试样的当前体积和所述土体试样的初始体积，获取目标质量含水量下所述土体试样的孔隙比。
24、在一种具体的实施方式中，每个目标质量含水量对应的土体试样的饱和度的获取方法包括：基于所述目标质量含水量和所述孔隙比、及饱和度的计算公式，得到所述土体试样的饱和度，其中，所述饱和度的计算公式为：
25、其中，sr为土体试样的饱和度，ω为土体试样的目标质量含水量，e为土体试样的孔隙比，gs为土粒重度。
26、在一种具体的实施方式中，每个目标质量含水量对应的土体试样的裂缝数据的获取步骤包括：
27、获取包括当前土样的原始rgb图像，所述原始rgb图像包括多个裂缝，所述当前土样为目标质量含水量下土体试样在完成平衡试验后得到的土样；
28、对所述原始rgb图像进行灰度化处理和裁剪处理，得到预设尺寸的处理图像；
29、将所述处理图像导入图像分析软件中，进行分析处理，获取每个裂缝的参数信息，所述参数信息至少包括裂缝面积和裂缝长度；
30、基于每个所述裂缝的参数信息，获取当前土样的所述裂缝数据，所述裂缝数据至少包括表面裂隙率和裂缝平均宽度，所述表面裂隙率为多个裂缝的面积之和与所述环刀的底面积之比，所述裂缝平均宽度为多个裂缝的面积之和与多个裂缝的长度之和的比值。
31、在一种具体的实施方式中，所述步骤(2)还包括基于具有饱和质量含水量的环刀试样，确定所述多个不同目标质量含水量，具体地：
32、获取具有饱和含水量的环刀试样的质量，计算得到饱和质量含水量，所述饱和质量含水量对应的饱和度数值为100％；
33、将100个单位的饱和度进行划分，得到m个饱和度数值，m为正整数，且10≤m≤20；
34、基于预设公式获取与所述m个饱和度数值一一对应的m个质量含水量，所述m个质量含水量为所述多个不同目标质量含水量。
35、在一种具体的实施方式中，所述预设公式包括：
36、w＝(sr×e)/gs；
37、其中，w为土体试样的质量含水量，sr为土体试样的饱和度，e为土体试样的孔隙比，gs为土粒重度；
38、所述土体试样的孔隙比e的计算公式为
39、其中，ρω为水密度，ρd为干密度。
40、在一种具体的实施方式中，其特征在于，所述第一数据组和所述第二数据组均包括与目标质量含水量相同数量的吸力数据、孔隙比数据和饱和度数据，所述第一裂缝数据组和所述第二裂缝数据组均包括与目标质量含水量相同数量的表面裂隙率和裂隙平均宽度，所述步骤(5)包括：
41、以同一次脱湿或同一次加湿获取的多个吸力为横坐标、与多个吸力一一对应的多个目标质量含水量、多个饱和度和多个孔隙比分别为纵坐标，形成2n条吸力-质量含水量曲线、2n条吸力-饱和度曲线和2n条吸力-孔隙比曲线；
42、将2n条吸力-质量含水量曲线进行比较，并将2n条吸力-饱和度曲线进行比较，获取干湿循环作用下土体持水性；
43、将2n条吸力-孔隙比曲线进行比较，获取干湿循环作用下土体胀缩性；
44、基于同一目标质量含水量下，表面裂隙率和裂隙平均宽度随干湿循环次数的变化，和/或同一次脱湿或同一次加湿，表面裂隙率和裂隙平均宽度随所述多个目标质量含水量的变化，获取干湿循环作用下土体裂缝性。
45、在一种具体的实施方式中，所述土体试样可以为红土、黏质土、黄土中的一种。
46、本发明的有益效果至少包括：
47、一、本发明提供一种干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，所述试验方法包括在最优含水量下击实土体，获取达到最大干密度的两个环刀试样；将所述环刀试样放入真空饱和缸内进行加湿，得到具有饱和质量含水量的两个环刀试样；将具有饱和质量含水量的两个所述环刀试样分别置于室内恒温环境下进行自然风干脱湿，直至所述土体试样的质量含水量降至最低质量含水量，在所述环刀试样脱湿过程中，获取第一数据组和第一裂缝组数据；分别对达到最低质量含水量的两个环刀试样进行双向水膜加湿，在所述环刀试样加湿过程中，获取第二数据组和第二裂缝数据组；同样两个所述环刀试样，分别重复脱湿和加湿过程n次，完成n次干湿循环，n为大于等于5的正整数；基于所述n次干湿循环获取的n个第一数据组和n个第二数据组，获取干湿循环作用下土体持水性和胀缩性，并基于所述n个第一裂缝数据组和n个第二裂缝数据组，获取干湿循环作用下土体裂缝性。这样，本发明提供的试验方法在测量干湿循环作用下土体持水性、胀缩性和裂缝性时，所使用的两个环刀试样相同，简化了土体制样操作，且避免了因为制样带来的误差；同时，本发明提供的试验方法建立了土体持水性—胀缩性—裂隙性三种工程特性间的关联，能够为岩土相关工程服役性能和安全评估提供更准确和更完善的评估数据。
48、二、本发明利用滤纸法测土体试样的吸力，利用游标卡尺的测量数据和体积计算公式获取土体试样的孔隙比，利用孔隙比、目标质量含水量、及饱和度的计算公式获取饱和度，并建立每次脱湿和每次加湿对应的吸力-质量含水量曲线、吸力-饱和度曲线、及吸力-孔隙比曲线，以对土体持水性和胀缩性进行分析，同时，利用图像分析软件对包括裂缝的原始图像进行精确处理与定量分析，获取土体试样的裂缝数据，并进一步分析同一质量含水量下，表面裂隙率和裂隙平均宽度和干湿循环次数的关系及同一次脱湿或同一次加湿，表面裂隙率和裂隙平均宽度与多个目标质量含水量的关系，以获取土体裂缝隙性；测量方法采用相同的环刀试样且测量方法之间相关联，本发明创造性的将滤纸法+游标卡尺测量法+天平测量法+图像分析软件相结合，综合测量了土体试样的持水性、胀缩性和裂缝性并建立了三种特性之间的关系性，提高了工作效率，且为库水位升降下堤坝工程变形-开裂是否达到稳定，以及岩土相关工程服役性能和安全评估提供参考。
49、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
1.一种干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，每个目标质量含水量对应的土体试样的吸力的获取步骤包括：
3.根据权利要求2所述的干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，所述第二滤纸的吸力的计算公式为：
4.根据权利要求2所述的干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，每个目标质量含水量对应的土体试样的孔隙比的获取步骤包括：
5.根据权利要求4所述的干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，每个目标质量含水量对应的土体试样的饱和度的获取方法包括：基于所述目标质量含水量和所述孔隙比、及饱和度的计算公式，得到所述土体试样的饱和度，其中，所述饱和度的计算公式为：
6.根据权利要求3至5任一项所述的干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，每个目标质量含水量对应的土体试样的裂缝数据的获取步骤包括：
7.根据权利要求1所述的干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括基于具有饱和质量含水量的环刀试样，确定所述多个不同目标质量含水量，具体地：
8.根据权利要求7所述的干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，所述预设公式包括：
9.根据权利要求1所述的干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，所述第一数据组和所述第二数据组均包括与目标质量含水量相同数量的吸力数据、孔隙比数据和饱和度数据，所述第一裂缝数据组和所述第二裂缝数据组均包括与目标质量含水量相同数量的表面裂隙率和裂隙平均宽度，所述步骤(5)包括：
10.根据权利要求1所述的干湿循环下土体持水性、胀缩性和裂缝性综合试验方法，其特征在于，所述土体试样为红土、黏质土、黄土中的一种。
