CN104062218A - 一种土工模型试验快速饱和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土工模型试验快速饱和装置，该装置是将模型试验箱与密封饱和箱合二为一的抽真空饱和装置，包括饱和液混合桶(1)、饱和液进液管(6)、液体泵(7)、空气出气管(27)、密封气液分离桶(31)、真空泵(35)及模型试验箱，饱和液混合桶(1)通过饱和液进液管(6)依次连接液体泵(7)和模型试验箱的进液口，模型试验箱出气口则通过空气出气管(27)依次连接密封气液分离桶(31)和真空泵(35)。与现有技术相比，本发明装置饱和速度快且可控、饱和效果好、造价低且不受模型试验尺寸限制，同时，该装置还可用于渗流模型试验和测定土体渗透系数特别是碎石土、砂卵石土等大颗粒土体的渗透系数。

Description

一种土工模型试验快速饱和装置

技术领域

本发明涉及一种土工模型试验快速饱和装置，可用于对土工模型快速饱和、模拟渗流试验及测定土体渗流系数。

背景技术

土工模型试验是岩土工程研究的基本手段之一，在试验中不可避免的要对土工模型进行饱和，而模型土样的饱和度对实验结果影响很大。一般情况下饱和液只有一种组份为脱气饱和液，特殊情况下，如利用离心试验研究在地震荷载下的岩土体性质变化时，需要利用动力粘滞性系数较高的液体来模拟原型中的受力情况，因此在这种情况下需用多种组份配置粘滞性饱和液。目前有三种常用的饱和方法：饱和液体中雨落法形成饱和土工模型法、土工模型底部充饱和液饱和法、抽真空饱和法。

然而，饱和液体中雨落法形成饱和土工模型法仅适用于砂土，而且难以形成高密实度土体。而土工模型底部充饱和液饱和法则难以检测其饱和效果，如果饱和液充入速度过快，空气不能及时排出，会造成大部分气体密闭于土体中；如果饱和液充入速度较慢，则耗时较长，同时，对于深度较大的土工模型需用高压充饱和液，这样会不可避免地对饱和液注入口附近的土体产生局部渗流破坏。虽然，抽真空饱和法的饱和速度快、效果好，但一般需另外制作密封饱和箱，其造价较高、搬运移动不便，并不适用于大体积模型试验，同时，在搬运过程中不可避免地会对土体造成一定程度的扰动。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种饱和速度快且可控、饱和效果好、造价低且不受模型试验尺寸限制的土工模型试验快速饱和装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种土工模型试验快速饱和装置，该装置包括饱和液混合桶、饱和液进液管、液体泵、空气出气管、密封气液分离桶、真空泵及模型试验箱，所述的饱和液混合桶通过饱和液进液管依次连接液体泵和模型试验箱的进液口，所述的模型试验箱出气口则通过空气出气管依次连接密封气液分离桶和真空泵。

所述饱和液混合桶的一侧壁设有至少两个开口，用于连接不同饱和液组分进液管，在饱和液混合桶的另一侧壁下方设有一开口，用于连接饱和液进液管；所述的饱和液混合桶上方设有搅拌电动机，该搅拌电动机的动力转动轴与设置在饱和液混合桶中的搅拌棒相连接。

所述的模型试验箱中放置有模型土，该模型试验箱包括上盖板、底板、前面板、后面板、左面板及右面板，所述的上盖板通过固定螺栓与前面板、后面板、左面板及右面板相连接，上盖板与前面板、后面板、左面板及右面板的连接处设有密封橡胶圈。

所述的模型试验箱内左右两端分别设有饱和液渗入夹舱和抽气夹舱，所述饱和液渗入夹舱的上方通过饱和液竖向进液管与模型试验箱中的饱和液进液管相连通，饱和液渗入夹舱与模型土之间设有饱和液渗入夹舱开孔板，所述抽气夹舱的上方通过竖向抽气管与模型试验箱中的空气出气管相连通，抽气夹舱与模型土之间设有抽气夹舱开孔板。

所述的饱和液渗入夹舱中垂直设有至少两层饱和液渗入夹舱肋板，防止饱和液渗入夹舱在模型土侧向压力作用下变形，所述饱和液渗入夹舱肋板上等间距设有饱和液渗入夹舱肋板连通孔，以使饱和液渗入夹舱内液面等高，保证土体各部分在均匀的渗流压力下饱和；所述的饱和液渗入夹舱开孔板上等间距设有饱和液渗入孔，饱和液可由此渗入模型土体中，该饱和液渗入孔上设有钢丝网，以避免冲刷土体颗粒和防止土体颗粒进入饱和液渗入夹舱。

所述的抽气夹舱中垂直设有至少两层抽气夹舱肋板，防止抽气夹舱在模型土侧向压力作用下变形，所述抽气夹舱肋板上等间距设有抽气夹舱肋板连通孔，以使夹舱内气压相同，保证土体各部分气体在均匀的压力差下被抽出，所述的抽气夹舱开孔板上等间距设有空气抽出孔，模型土体中的空气由此被抽出，该空气抽出孔上设有细不锈钢钢丝网，以避免局部气压过高和防止土体颗粒进入抽气夹舱。

所述的前面板与饱和液渗入夹舱、抽气夹舱相接触的位置处均设有透明液位观测管及液位测量标尺，所述前面板的左、右两端的上方还分别设有模型试验箱进气管。

所述的饱和液进液管沿液体泵至模型试验箱一段依次设有阀门、液体流量表及液压表。

所述的空气出气管沿真空泵至密封气液分离桶一段依次设有阀门、真空压力表及气体流量表。

所述的密封气液分离桶的底部还设有泄液管，该泄液管上设有阀门。

对于绝大多数土体而言，其水平渗透性远大于竖向渗透性，因此从土体侧面对土体进行渗透饱和，饱和速度要远远大于从底部充水渗透饱和法，同时，为防止侧向渗流饱和时，土体中气体被封闭于土体内，在饱和前和饱和过程中对土体进行真空抽气，可提高土体饱和效果和速度。本发明就是根据这一原理，提供了一种将模型试验箱与密封饱和箱合二为一的抽真空饱和装置，该装置饱和速度快且可控、饱和效果好、造价低且不受模型试验尺寸限制，同时，该装置还可用于渗流模型试验和测定碎石土、砂卵石土等大颗粒土体的渗透系数。

试验时，饱和液的不同组份经管路进入饱和液混合桶，进行充分搅拌，饱和液搅拌均匀后被液体泵抽入进液管，可通过设置在饱和液进液管上的液体压力表、液体流量表监测饱和液压力及流量，并可通过阀门来调节饱和液的流量和压力。饱和液进入模型试验箱后，经竖向进液管流入饱和液渗入夹舱，该饱和液渗入夹舱中的靠近土体的饱和液渗入夹舱开孔板上设有大量饱和液渗入孔，饱和液由此渗入土体。饱和液渗入孔上设有细不锈钢钢丝网，以避免冲刷土体颗粒和防止土体颗粒进入饱和液渗入夹舱。在饱和液渗入夹舱内，还设有饱和液渗入夹舱肋板，用以防止饱和液渗入夹舱在土体侧向压力下变形，同时饱和液渗入夹舱肋板上设有饱和液渗入夹舱肋板连通孔，用以使饱和液渗入夹舱内液面等高，保证土体各部分在均匀的渗流压力下饱和。抽气夹舱内的空气经由竖向抽气管进入空气出气管，然后进入密封气液分离桶，随气体被抽出的饱和液在重力作用下留在密封气液分离桶的底部，积累过多时可由泄液管排出，并回收再利用。分离饱和液后的气体重新被真空泵抽入空气出气管，最后排入大气。设置在出气管上的真空压力表、气体流量表可监测气体压力及流量，同时通过设置在出气管上的阀门可以调节抽出气体的流量和压力。

本发明能配置不同成分均匀混合的饱和液，并对土工模型进行饱和，能调节饱和液流量、压力，使饱和液渗入夹舱内液面等高，保证土体各部分在均匀的渗流压力下饱和，能将可能抽出的饱和液分离，并回收再利用，能调节抽出气体的流量和压力，使抽气夹舱内气压相同，保证土体各部分气体在均匀的压力差下被抽出；能观测饱和液在土体中的液位高度，无需在土体中埋深管线。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1.无需制作密封饱和箱；

2.能配置不同成分均匀混合的饱和液，并对土工模型进行饱和；

3.饱和液水平渗入土体，饱和速度快；

4.饱和速度可控制；

5.无需在土体中埋深管线，对土体扰动小；

6.能将可能随气体抽出的饱和液分离并回收再利用；

7.能观测饱和液在土体中的液位高度；

8.能进行渗流模拟实验；

9.能测定土体渗透系数，特别是碎石土、砂卵石土等大颗粒土体的渗透系数。

附图说明

图1为一种土工模型试验快速饱和装置总体三维结构示意图；

图2为一种土工模型试验快速饱和装置试验过程时的三维结构示意图；

图3为夹舱开孔板平面图；

图4为模型试验箱横截面图；

图5为夹舱肋板平面图；

图中标记说明：

1-饱和液混合桶、2-饱和液组分a进液管、3-饱和液组分b进液管、4-搅拌电动机、5-搅拌棒、6-饱和液进液管、7-液体泵、8-堵头、9-阀门、10-液体流量表、11-液压表、12-前面板、13-透明液位观测管、14-液位测量标尺、15-模型试验箱进气管、16-密封橡胶圈、17-上盖板、18-固定螺栓、19-底板、20-后面板、21-左面板、22-右面板、23-模型土、24-饱和液竖向进液管、25-饱和液渗入夹舱、26-饱和液渗入孔、27-空气出气管、28-竖向抽气管、29-抽气夹舱、30-空气抽出孔、31-密封气液分离桶、32-泄液管、33-气体流量表、34-真空压力表、35-真空泵、36-钢丝网、37-饱和液渗入夹舱开孔板、38-抽气夹舱开孔板、39-饱和液渗入夹舱肋板、40-抽气夹舱肋板、41-饱和液渗入夹舱肋板连通孔、42-抽气夹舱肋板连通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1～2所示，一种土工模型试验快速饱和装置，该装置包括饱和液混合桶1、饱和液进液管6、液体泵7、空气出气管27、密封气液分离桶31、真空泵35及模型试验箱，所述的饱和液混合桶1通过饱和液进液管6依次连接液体泵7和模型试验箱的进液口，所述的模型试验箱出气口则通过空气出气管27依次连接密封气液分离桶31和真空泵35。饱和液混合桶1的一侧壁设有两个开口，用于连接饱和液组分a2进液管和饱和液组分b3进液管，在饱和液混合桶1的另一侧壁下方设有一开口，用于连接饱和液进液管6；所述的饱和液混合桶1上方设有搅拌电动机4，该搅拌电动机4的动力转动轴与设置在饱和液混合桶1中的搅拌棒5相连接。所述的模型试验箱中放置有模型土23，该模型试验箱包括上盖板17、底板19、前面板12、后面板20、左面板21及右面板22，所述的上盖板17通过固定螺栓18与前面板12、后面板20、左面板21及右面板22相连接，上盖板17与前面板12、后面板20、左面板21及右面板22的连接处设有密封橡胶圈16。所述的模型试验箱内左右两端分别设有饱和液渗入夹舱25和抽气夹舱29，所述饱和液渗入夹舱25的上方通过饱和液竖向进液管24与模型试验箱中的饱和液进液管6相连通，饱和液渗入夹舱25与模型土23之间设有饱和液渗入夹舱开孔板37，所述抽气夹舱29的上方通过竖向抽气管28与模型试验箱中的空气出气管27相连通，抽气夹舱29与模型土23之间设有抽气夹舱开孔板38。所述的前面板12与饱和液渗入夹舱25、抽气夹舱29相接触的位置处均设有透明液位观测管13及液位测量标尺14，所述前面板12的左、右两端的上方还分别设有模型试验箱进气管15。

如图3～5所示，所述的饱和液渗入夹舱25中垂直设有七层饱和液渗入夹舱肋板39，防止饱和液渗入夹舱25在模型土23侧向压力作用下变形，所述饱和液渗入夹舱肋板39上等间距设有饱和液渗入夹舱肋板连通孔41，以使饱和液渗入夹舱25内液面等高，保证土体各部分在均匀的渗流压力下饱和；所述的饱和液渗入夹舱开孔板37上等间距设有饱和液渗入孔26，饱和液可由此渗入模型土23中，该饱和液渗入孔26上设有细不锈钢钢丝网36，以避免冲刷土体颗粒和防止土体颗粒进入饱和液渗入夹舱25。抽气夹舱29中垂直设有七层抽气夹舱肋板40，防止抽气夹舱29在模型土23侧向压力作用下变形，所述抽气夹舱肋板40上等间距设有抽气夹舱肋板连通孔42，以使抽气夹舱29内气压相同，保证土体各部分气体在均匀的压力差下被抽出，所述的抽气夹舱开孔板38上等间距设有空气抽出孔30，模型土23中的空气由此被抽出，该空气抽出孔30上设有细不锈钢钢丝网36，以避免局部气压过高和防止土体颗粒进入抽气夹舱29。饱和液进液管6沿液体泵7至模型试验箱一段依次设有阀门9、液体流量表10及液压表11。空气出气管27沿真空泵35至密封气液分离桶31一段依次设有阀门9、真空压力表34及气体流量表33。在饱和液进液管6和空气出气管27转接的地方设有堵头8。密封气液分离桶31的底部还设有泄液管32，该泄液管32上设有阀门9。

模型土23饱和前，用固定螺栓18将模型箱上盖板17固定，并关闭模型试验箱进气管15阀门9使模型箱密封。在模型箱前面板12设置的两个透明液位观测管13和液位测量标尺14；透明液位观测管13是一个两端分别与密封模型箱上、下两端相连通的封闭中空透明有机玻璃管，这样就能够随时通过液位测量标尺14观测到饱和液在密封模型箱中的液位高度。模型箱密封后，首先关闭饱和液进液管6阀门9，对整个模型箱和模型土23进行抽真空排气，待真空度稳定后，打开饱和液进液管6阀门9，抽入一定量的饱和液后关闭饱和液进液管6阀门9，待抽气夹舱29与饱和液渗入夹舱25两侧的透明液位观测管13内液位稳定后，再打开饱和液进液管6阀门9抽入一定量的饱和液后，并关闭饱和液进液管6阀门9，如此循环直至两侧的透明液位观测管13内液位超过模型试验箱内模型土23预设饱和高度且稳定后，同时关闭饱和液进液管6和空气出气管27上的阀门9，打开模型试验箱进气管15阀门9，待模型试验箱内外气压平衡后打开其上盖板17，进行模型试验。

土体饱和时，饱和液组分a和饱和液组分b分别经饱和液组分a2进液管和饱和液组分b3进液管进入饱和液混合桶1，进行充分搅拌，饱和液搅拌均匀后被液体泵7抽入饱和液进液管6，可通过设置在饱和液进液管6上的液体压力表11、液体流量表10监测饱和液压力及流量，并可通过阀门9来调节饱和液的流量和压力。饱和液进入模型试验箱后，经饱和液竖向进液管24流入饱和液渗入夹舱25，该饱和液渗入夹舱25中靠近模型土23一侧设置的饱和液渗入夹舱开孔板37上设有大量饱和液渗入孔26，饱和液由此渗入模型土23。饱和液渗入孔26上设有细不锈钢钢丝网36，以避免冲刷土体颗粒和防止土体颗粒进入饱和液渗入夹舱25。在饱和液渗入夹舱25内，还设有饱和液渗入夹舱肋板39，用以防止饱和液渗入夹舱25在土体侧向压力下变形，同时饱和液渗入夹舱肋板39上设有饱和液渗入夹舱肋板连通孔41，用以使饱和液渗入夹舱25内液面等高，保证土体各部分在均匀的渗流压力下饱和。抽气夹舱29内的空气经由竖向抽气管28进入空气出气管27，然后进入密封气液分离桶31，随气体被抽出的饱和液在重力作用下留在密封气液分离桶31的底部，积累过多时可由泄液管32排出，并回收再利用。分离饱和液后的气体重新被真空泵35抽入空气出气管27，排入大气。设置在空气出气管27上的真空压力表34、气体流量表33可监测气体压力及流量，同时通过设置在空气出气管27上的阀门9可以调节抽出气体的流量和压力。

Claims (10)

1.一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，该装置包括饱和液混合桶(1)、饱和液进液管(6)、液体泵(7)、空气出气管(27)、密封气液分离桶(31)、真空泵(35)及模型试验箱，所述的饱和液混合桶(1)通过饱和液进液管(6)依次连接液体泵(7)和模型试验箱的进液口，所述的模型试验箱出气口则通过空气出气管(27)依次连接密封气液分离桶(31)和真空泵(35)。

2.根据权利要求1所述的一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，所述饱和液混合桶(1)的一侧壁设有至少两个开口，用于连接不同饱和液组分进液管，在饱和液混合桶(1)的另一侧壁下方设有一开口，用于连接饱和液进液管(6)；所述的饱和液混合桶(1)上方设有搅拌电动机(4)，该搅拌电动机(4)的动力转动轴与设置在饱和液混合桶(1)中的搅拌棒(5)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，所述的模型试验箱中放置有模型土(23)，该模型试验箱包括上盖板(17)、底板(19)、前面板(12)、后面板(20)、左面板(21)及右面板(22)，所述的上盖板(17)通过固定螺栓(18)与前面板(12)、后面板(20)、左面板(21)及右面板(22)相连接，上盖板(17)与前面板(12)、后面板(20)、左面板(21)及右面板(22)的连接处设有密封橡胶圈(16)。

4.根据权利要求1所述的一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，所述的模型试验箱内左右两端分别设有饱和液渗入夹舱(25)和抽气夹舱(29)，所述饱和液渗入夹舱(25)的上方通过饱和液竖向进液管(24)与所述饱和液进液管(6)相连通，饱和液渗入夹舱(25)与模型土(23)之间设有饱和液渗入夹舱开孔板(37)，所述抽气夹舱(29)的上方通过竖向抽气管(28)与所述空气出气管(27)相连通，抽气夹舱(29)与模型土(23)之间设有抽气夹舱开孔板(38)。

5.根据权利要求4所述的一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，所述的饱和液渗入夹舱(25)中垂直设有至少两层饱和液渗入夹舱肋板(39)，该饱和液渗入夹舱肋板(39)上等间距设有饱和液渗入夹舱肋板连通孔(41)，所述的饱和液渗入夹舱开孔板(37)上等间距设有饱和液渗入孔(26)，该饱和液渗入孔(26)上设有钢丝网(36)。

6.根据权利要求4所述的一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，所述的抽气夹舱中(29)垂直设有至少两层抽气夹舱肋板(40)，该抽气夹舱肋板(40)上等间距设有抽气夹舱肋板连通孔(42)，所述的抽气夹舱开孔板(38)上等间距设有空气抽出孔(30)，该空气抽出孔(30)上设有钢丝网(36)。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，所述的前面板(12)与饱和液渗入夹舱(25)、抽气夹舱(29)相接触的位置处均设有透明液位观测管(13)及液位测量标尺(14)，所述前面板(12)的左、右两端的上方还分别设有模型试验箱进气管(15)。

8.根据权利要求1所述的一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，所述的饱和液进液管(6)沿液体泵(7)至模型试验箱一段依次设有阀门(9)、液体流量表(10)及液压表(11)。

9.根据权利要求1所述的一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，所述的空气出气管(27)沿真空泵(35)至密封气液分离桶(31)一段依次设有阀门(9)、真空压力表(34)及气体流量表(33)。

10.根据权利要求1所述的一种土工模型试验快速饱和装置，其特征在于，所述的密封气液分离桶(31)的底部还设有泄液管(32)，该泄液管(32)上设有阀门(9)。