CN102590477B - 一种开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置，属于在室内进行的一种模拟地基填土开放式冻胀试验所需要的试验器材。包括冻胀试验釜、水桶和连通管，上端开口的冻胀试验釜内装满试样，试样底部放置透水石，连通管一端连通冻胀试验釜的底部，另一端连通水桶的底部，水桶内腔为圆柱形，圆柱形内腔的中心线竖直向下，水桶内径满足公式，式中d为水桶内径，k为水桶上所连接弹簧的系数，ρ水为水桶内水的密度，g为试验所在地的重力加速度，水桶正上方连接有弹簧，弹簧的顶端固定，水桶内腔中心线穿过弹簧中心。本发明涉及的这种自动补水装置，可以不受大气压和外环境温度的影响，长期、稳定、可靠的为开放式冻胀试验提供恒压水源。

Description

一种开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置
技术领域
本发明涉及一种开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置，属于在室内进行的模拟地基填土开放式冻胀试验所需要的试验器材。
技术背景
开放式冻胀试验模拟现场地基土的冻结方式，顶端为冷端，底端为有水源补给的暖端，并且水源的水位要和试样底面保持平齐。试验过程中，试样自上而下发生冻结，水分则在温度和水势等的作用下向冷端迁移。
有人根据马略特瓶的工作原理，设计了马略特补水装置。一旦试样底端的液面高度下降，马略特瓶中的水则自动补给，使得试验釜内的试样底端液面和空心玻璃管内的液面始终保持一致。但是玻璃管内的水位取决于大气压和马略特瓶中的空气压力是否稳定，假定外界大气压为P0，马略特瓶中的液面与管中液面高差为H，马略特瓶中的空气压力为P1，则高差H=（P0- P1）/（ρ水g），ρ水为水的密度，g为试验当地的重力加速度。外界大气压P0随着天气和季节的变化而变化，马略特瓶中的空气压力为P1则随着室温的变化而改变，因此高差H也将发生变化。同时玻璃管内的液面将发生变化，试验釜内的试样底端液面高度也将改变。冻胀试验所需要的补水量尽管总量比较小，水位变化一般也都在毫米量级，但即便是下降1mm的水位也可能会阻断冻胀试样的补水通道，从而导致试验的失败。大气压变化而导致的水位变化势必增加了试验中的控制难度，甚至可能导致错误的试验结果。对于开放式冻胀试验而言，要确保开放式冻胀试验的成功，目前急需要一套能够稳定、可靠补水的试验装置。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种新的装置，能够解决水头不稳、受气温和外部环境气压影响大的缺点。同时，该装置无需外部的能源消耗，可以长期、稳定、可靠的为开放式冻胀试验提供恒压水源。
为解决以上技术问题，本发明提供一种开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置，包括冻胀试验釜、水桶和连通管，上端开口的冻胀试验釜内装满试验，底部放置透水石，连通管一端连通冻胀试验釜的底部，另一端连通水桶的底部，其特征在于，所述水桶内腔为圆柱形，圆柱形内腔的中心线竖直向下，水桶内径满足公式                                                ，式中d为水桶内径，k为水桶上所连接弹簧的系数，为水桶内水的密度，g为试验所在地的重力加速度，水桶正上方连接有弹簧，弹簧的顶端固定，水桶内腔中心线穿过弹簧中心。
进一步地，所述弹簧经过老化处理。
进一步地，所述重力加速度g值如果以m/s2为单位，所测值应满足小数点后至少四位的精度要求。
本发明涉及的这种自动补水装置，可以不受大气压和外环境温度的影响，长期、稳定、可靠的为开放式冻胀试验提供恒压水源。
附图说明
图1是马略特补水装置示意图；
图2是本发明一种开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置示意图；
1-试验釜；2-试样底端液面；3-弹簧；4-水桶；5-水液面；6-连通管； 7-马略特瓶；8-两端开口的管子。
具体实施方式
试验釜1为非封闭的容器，里面装满试样，在试样的底端是透水石。试验时，水能透过透水石到达试样底端。如图1所示，此图为马略特补水装置示意图，利用马略特瓶7与试验釜1之间的液面高度差H实现供水。马略特瓶7中的玻璃管为两端开口的管子8，一旦试样底端液面2的高度下降，马略特瓶7中的液体则自动补给，最终使得试验釜内1的试样底端液面和马略特瓶7内的水液面5保持一致。但是马略特瓶7内的水液面5高度是否稳定取决于大气压和马略特瓶7中的空气压力是否稳定，只有在假定马略特瓶7中的气压和外界气压恒定的情况下，马略特瓶7的水液面5高度才是恒定的。事实上，无论是大气压还是瓶中气体的压力都会发生变化，这种变化将导致马略特瓶7水液面5高度的变化，并进而影响到试验釜1内的试样底端液面2高度，影响试验结果。
如图2所示，此图为开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置，包括冻胀试验釜1、水桶4和连通管6，冻胀试验釜1内部放置试样，试样底部放置透水石，连通管6一端连通冻胀试验釜1的底部，另一端连通水桶4的底部。水桶4内腔为圆柱形，圆柱形内腔的中心线竖直向下。此种结构为保证水液面5下降的高度能够满足公式ΔH=4V/（），式中d为水桶4内径，V为水桶4内水减少的体积，ΔH为水桶4的水液面5下降的高度。弹簧3的顶端应固定，以发挥弹簧3的弹力功能；弹簧3经过老化处理，主要是为了使弹簧3能更好的发挥弹性力，使弹簧3的伸缩量满足：ΔL=，其中ΔL为伸长量；为水的密度；V为流出水的体积；g为试验所在地的重力加速度；K为弹簧3的弹性系数。所要求的重力加速度值应为当地的准确值，如果以m/s2为单位，所给值应当满足小数点后四位的精度要求。以此来保证d值的准确性，进而控制试验釜1内的水位高度。
在供水装置调试完毕后，水桶4内的水液面5应与试样底端保持同一高度，这一操作可以通过调整弹簧3顶端的固定位置来实现。连通管6为软质管，主要在调节液面高度时，要调节弹簧3固定的高度，由于弹簧3固定的高度在变化过程中必定会导致连通管6的上下串动，所以最好使用软质管。
如果桶内水液面5的下降幅度等于弹簧3的收缩量，即ΔH=ΔL，那么水桶4内的水液面5高度将保持恒定，从而可以为开放式冻胀试验提供恒压水源。根据上面的分析，在ΔH=ΔL的条件下，水桶的内径d需满足如下条件：
，式中d为水桶内径，k为水桶上所连接弹簧的系数，为水桶内水的密度，g为试验所在地的重力加速度。由此，只要水桶4内径满足此公式，便可使桶内水液面5下降的幅度与弹簧3的收缩量相等，也就可以保证冻胀试验釜1可以有持续恒定的水源供应，此时冻胀试验釜1内试样底部液面2与水桶内水液面5在同一水平面上。
本发明提供的一种开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置，能够解决水头不稳，受气温和外部环境气压影响大的缺点。同时，该装置无需外部的能源消耗，便可长期、稳定、可靠的为开放式冻胀试验提供恒压水源。
本发明所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的限制，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够作出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置，包括冻胀试验釜、水桶和连通管，上端开口的冻胀试验釜内装满试样，试样底部放置透水石，连通管一端连通冻胀试验釜的底部，另一端连通水桶的底部，其特征在于，所述水桶内腔为圆柱形，圆柱形内腔的中心线竖直向下，水桶内径满足公式                                                ，式中d为水桶内径，k为水桶上所连接弹簧的系数，ρ 水 为水桶内水的密度，g为试验所在地的重力加速度，水桶正上方连接有弹簧，弹簧的顶端固定，水桶内腔中心线穿过弹簧中心；所述重力加速度g值如果以m/s2为单位，所测值应当满足小数点后至少四位的精度要求。
2.根据权利要求1所述的一种开放冻胀实验系统的机械式自动补水装置，其特征在于，所述弹簧经过老化处理。
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