具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的装置，包括试验发生容器22，试验发生容器22的底部通过透水板底座7与底座盛水容器5相连通，底座盛水容器5一侧通过底部排水通道止水阀门9与排水容器10相连接，底座盛水容器5另一侧与液压活塞供水管道2一端相连接，液压活塞供水管道2另一端竖直朝上开口且设置有液压活塞1，液压活塞供水管道2上设置有第一止水阀门4。

试验发生容器22的上部内壁设置有冷气出口26，冷气出口26通过冷气输入管道31与冷冻压缩机23连接。

试验发生容器22的上部内壁还设置有温度-湿度计32。

试验发生容器22内的上部设置有降雨漏斗21，降雨漏斗21通过降雨进水管道20与带刻度水箱18的底部连接，降雨进水管道20上设置有降雨强度控制阀门19，带刻度水箱18的中部设置有第二止水阀门17。

试验发生容器22的上部内壁还设置有自由伸缩杆15，自由伸缩杆15上固定有高清防雾摄像机16。

透水板底座7上设置有与底座盛水容器5相连通的带刻度观水管33。试验土样29周向外壁用自由伸缩的橡皮膜30包裹，试验土样29顶部和底部裸露不被橡皮膜30包裹，试验土样29底部设置在透水板底座7上，试验土样29底部和透水板底座7之间设置有滤纸或透水石8。

试验发生容器22的底部设置有垂直光滑金属杆27，试验土样29的顶部设置有自由升降板28，自由升降板28平放于试验土样29顶表面，垂直光滑金属杆27穿过自由升降板28上开设的贯穿孔。垂直光滑金属杆27的顶部设置有垂向电子位移计25，垂向电子位移计25用于检测自由升降板28的升降位移。

优选的垂直光滑金属杆27分布在试验土样29的四周，每个垂直光滑金属杆27顶部均设置有检测自由升降板28的升降位移的垂向电子位移计25。贯穿孔与垂直光滑金属杆27个数一致，且均匀分布在自由升降板28四周。垂直光滑金属杆27穿过自由升降板28上对应的贯穿孔。

试验土样29不同的水平高度布设有含水率-温度传感器11。

试验土样29水平径向方向布置径向电子位移计3。

垂向电子位移计25、径向电子位移计3和含水率-温度传感器11分别与数据储存器14连接，数据储存器14与数据处理计算机12连接。

试验发生容器22内低温实验环境由冷冻压缩机23提供，通过冷气输入管道31进入冷气出口26，作用于试验土样29上表面。

试验土样29正上方为降雨漏斗21，其通过降雨进水管道20与带刻度水箱18连接，并通过降雨强度控制阀门19和第二止水阀门17控制降雨。

试验土样29上表面安装高清防雾摄像机16，通过自由伸缩杆15调节高清防雾摄像机16水平位置。

试验土样29底部的底座盛水容器5一侧的液压活塞供水管道2通过液压活塞1控制地下水水位波动频率和幅度，且通过第一止水阀门4控制液压活塞供水管道2与底座盛水容器5的连通，底座盛水容器5另一侧通过底部排水通道止水阀门9控制与排水容器10的连通情况。

实施例2：

模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的方法，利用实施例1所述的模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的装置，包括以下步骤：

步骤1、制备试验土样29，用橡皮膜30包裹，试验土样29顶部和底部裸露不被橡皮膜30包裹。将已包裹好橡皮膜30的试验土样放置于铺设透水石的透水板底座7上。将含水率-温度传感器11均匀布置在试验土样29不同高度处，含水率-温度传感器11与数据储存器14连接。试验土样29顶部安装垂向电子位移计25，垂向电子位移计25用于监测自由升降板28的升降位移，自由升降板28上的贯穿孔套在垂直光滑金属杆27上，试验土样29的径向方向安装径向电子位移计3，径向电子位移计3通过数据储存器14将数据传输至数据处理计算机12。

步骤2、试验土样29正上方安装降雨漏斗21，降雨漏斗21通过降雨进水管道20与带刻度水箱18连接，并通过降雨强度控制阀门19和第二止水阀门17调节降雨强度，将降雨强度设定为小雨、中雨、大雨、暴雨四个降雨强度档位。

步骤3、试验发生容器22内的一侧安装高清防雾摄像机16，通过自由伸缩杆15调节高清防雾摄像机16位置。在试验发生容器22内的另一侧安装冷气输入管道31和冷气出口26，冷气出口位于试验土样29正上方，通过冷冻压缩机23控制制冷温度和制冷时间。

步骤4、底座盛水容器5一侧与液压活塞供水管道2相连接，另一侧与排水容器10相连接。打开第一止水阀门4同时关闭底部排水通道止水阀门9，通过控制液压活塞调控地下水位波动幅度和波动频率。关闭第一止水阀门4并打开底部排水通道止水阀门9，可以排出沿土样裂隙和孔隙渗透出的自由液态水。

步骤5、采用数字图像处理技术处理高清防雾摄像机16拍摄的试验土样29的顶部表面裂隙生成的图片，并处理实验过程中径向电子位移计3采集的径向位移、垂向电子位移计25采集的垂向位移、温度-湿度计32采集的温度和含水率等数据，以此分析复杂工况对土样表面裂隙网络结构、含水率、温度梯度、胀缩变形的影响。

实施例3：

模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的方法，利用实施例1所述的模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的装置，模拟降雨工况的试验方法，包括以下步骤：

步骤1、制备试验土样29，并将试验土样29周向外壁预先用可自由伸缩的橡皮膜30包裹周围，橡皮膜30的顶部和底部裸露。将底部透水板底座7铺设透水石，将预先制备的试验土样29放置于透水石8上，根据需要在试验土样29内部不同高度安装含水率-温度传感器11，含水率-温度传感器11与数据储存器14连接，读取含水率-温度传感器11的初始读数。将试验土样29固定，把自由升降板28安装到垂直光滑金属杆27上，自由升降板28与试验土样29顶面接触，在垂直光滑金属杆27与自由升降板28接触处涂抹润滑油。安装径向电子位移计3和垂向电子位移计25，径向电子位移计3与试验土样29外的橡皮膜30接触，垂向电子位移计25监测自由升降板28的升降位移，径向电子位移计3和垂向电子位移计25与数据储存器14连接，数据储存器14读取径向电子位移计3和垂向电子位移计25的初始读数。同时将高清防雾摄像机16和冷气出口26移至降雨漏斗21喷洒范围外。

步骤2、提前校订降雨强度，通过降雨强度控制阀门19和第二止水阀门17调节降雨强度，将降雨强度分为小雨、中雨、大雨、暴雨四挡，将降雨强度控制阀门19拨至某一降雨工况所需档，关闭第一止水阀门4且将底部排水通道止水阀门9打开。

步骤3、由于降雨工况复杂多变，可根据实验需要，设定降雨工况的降雨强度、降雨时长、降雨次数、间隔时间等，读取不同降雨工况下径向电子位移计3和垂向电子位移计25的读数变化，绘制位移变化曲线，计算并绘制在不同降雨工况下土体体积膨胀率、收缩率随时间变化曲线。

步骤4、含水率-温度传感器11记录不同降雨工况下，试验土样29不同高度处含水率随时间的变化曲线。

步骤5、设定多次降雨工况，每隔一段时间，用高清防雾摄像机16拍摄试验土样29的上表面，记录不同时刻试验土样29的上表面裂隙网纹，采用数字图像处理技术处理试验土样29的上表面裂隙图片，分析不同降雨工况对土样表面裂隙产生、发展的影响。

步骤6、针对不同试验土样，设定多种降雨工况，重复上述步骤3、步骤4、步骤5，得到不同种类土样在复杂降雨工况下的土体体积膨胀率、收缩率、裂隙演化、含水率变化等多个分析指标。该装置通过简单控制便可以实现多种降雨工况的模拟，对于复杂工况下土样的室内模拟和实验数据分析起到很好的集成作用。

实施例4：

模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的方法，利用实施例1所述的模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的装置，模拟开放环境下土体冻融，包括以下步骤：

步骤1、制备试验土样29，并将试验土样29预先用橡皮膜30包裹，试验土样29顶部和底部裸露，并放置于铺好滤纸的透水板底座7上。将含水率-温度传感器11均匀布置在不同高度的试验土样29中并读取含水率-温度传感器11初始读数。自由升降板28安装到垂直光滑金属杆27，自由升降板28与试验土样29的顶面接触，在垂直光滑金属杆27与自由升降板28接触处涂抹润滑油。安装垂向电子位移计25，垂向位移计25用于监测自由升降板28的升降位移，读取垂向位移计25的初始读数。

步骤2、关闭第一止水阀门4，开启底部排水通道止水阀门9，保持底座盛水容器5和排水容器10中的液面始终保持在刚刚没过滤纸的高度，当液面下降，可适当添加液态自由水。试验发生容器22外部保持室温恒定。

步骤3、将冷气出口26移至试验土样29正上方，开启冷冻压缩机23，通过控制冷冻压缩机23的功率控制冷气温度。根据季冻土实验、周冻土实验、日冻土实验的需要，设定不同冻结温度、冻结时长、冻融次数等，以此模拟季冻土、周冻土、日冻土等不同的冻土工况。

步骤4、通过含水率-温度传感器11记录针对不同冻土工况的实验过程中试验土样29的不同高度处的温度-时间变化，通过垂向电子位移计25记录实验过程中试验土样29的垂向形变过程。将高清防雾摄像机16移至试验土样29上方拍摄试验土样29的上表面图片，记录不同时刻试验土样29的上表面裂隙网纹，采用数字图像处理技术处理试验土样29的上表面裂隙图片，分析不同冻土工况对试验土样29的上表面裂隙产生、发展的影响。

步骤5、试验土样29的顶部发生冻结过程中，受土颗粒中毛细力的牵引作用，试验土样29底部的地下水会发生一定程度的水分迁移作用，含水率-温度传感器11记录实验过程中试验土样29不同高度处的含水率和温度。

步骤6、针对不同试验土样，设定多种冻土工况，重复上述步骤1、步骤2、步骤3、步骤4,、步骤5，得到不同种类试验土样在复杂冻土工况下的胀缩变形、裂隙演化、水分迁移规律等。

实施例5：

模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的方法，利用实施例1所述的模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的装置，模拟地下水水位升降，包括以下步骤：

步骤1、制备试验土样29，并将试验土样29预先用橡皮膜30包裹，橡皮膜30包裹的试验土样29顶部和底部裸露，放置于铺好透水石8的透水板底座7上。将含水率-温度传感器11均匀布置在试验土样29的不同高度处并通过数据存储器14读取含水率-温度传感器11的初始读数。自由升降板28安装到垂直光滑金属杆27上，自由升降板28与试验土样顶面接触，在垂直光滑金属杆27与自由升降板28接触处涂抹润滑油。安装垂向电子位移计25和径向电子位移计3，垂向电子位移计25监测自由升降板28的升降位移，通过数据存储器14读取垂向电子位移计25和径向电子位移计3初始读数。

步骤2、关闭底部排水通道止水阀门9，打开第一止水阀门4，通过控制液压活塞1控制自由液态水6在试验土样29中的水位升降幅度及升降速率，进而模拟地下水位波动工况，通过带刻度观水管33观察试验土样29中水位变化。

步骤3、将高清防雾摄像机16移至试验土样29正上方，控制自由液态水6在试验土样29中的水位升降幅度及升降速率，拍摄试验土样29的上表面，采用数字图像处理技术分析试验土样29的上表面裂隙形成和发展规律，记录自由液态水6在试验土样29中的水位升降幅度及升降速率对试验土样29的上表面裂隙形成的影响。

步骤4、通过垂向电子位移计25和径向电子位移计3记录模拟地下水位波动工况中试验土样29径向和横向位移计读数变化，并计算土体膨胀收缩率，分析水位升降幅度、升降速率与土体膨胀收缩率之间的关系。

通过含水率-温度传感器11记录并绘制模拟地下水位波动工况中试验土样29不同高度处含水率变化曲线，分析水位升降幅度、升降速率对土中含水率的影响。

步骤5、针对不同试验土样，设定多种水位波动工况，重复上述步骤1、步骤2、步骤3、步骤4，得到不同种类土样在复杂水位波动工况下的胀缩变形、裂隙演化、水分运移规律等。

实施例6：

模拟土体在复杂环境条件下胀缩和水分迁移的方法，可以根据实验需要同时模拟实施例2-5的一种或多种工况的组合，具体操作和步骤可参考上述实施例2、实施例3、实施例4、实施例5。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。