CN106290801B - 土体饱和度控制的设备及方法 - Google Patents

土体饱和度控制的设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明为土体饱和度控制的设备及方法。土体饱和度控制的设备，包括用于封装试验土体的密封试验箱以及用于密封试验箱开口的密封箱盖，密封试验箱内腔包括处于底部的土体区域以及处于土体区域上部的空气区域，密封试验箱上设有用于根据密封试验箱内外空气温度和内腔空气湿度改变空气区域的真空度以改变空气区域内的露点温度的露点温度控制机构。

Description

土体饱和度控制的设备及方法
技术领域
本发明涉及土木工程土工试验技术领域，尤其涉及一种土体饱和度控制的设备。另外还涉及一种保持非饱和土饱和度恒定的新的试验方法。
背景技术
天然土体是一种复杂的三相材料体系，其中土颗粒形成固体土骨架，土骨架空隙之间充满了液体和气体，当骨架之间的空隙全部为液体充满，则形成饱和土；如果土体内部的孔隙部分被液体充满，则为非饱和土。非饱和土是一种由土颗粒及不相混溶流体(如水—气、水—油、水—污染物等)组成的非均质多孔介质材料，它广泛分布在土质边坡、土石坝、路基填土、垃圾填埋场及干旱——半干旱地区之中。随着国民经济对交通需求不断提高，公路、铁路建设日益扩大，细粒土(粉质土和粘质土)、膨胀土、黄土及湿陷性黄土等非饱和土作为路基材料也逐渐增多。近些年来，随着我国经济的快速发展以及人类社会改造活动的加剧，越来越多与非饱和土有关的工程问题有待解决。
修筑在非饱和土地区的路基工程、水利工程及市政工程等，由于受到诸如气候等因素影响，浅层非饱和土工程性质产生变化，表现为构筑工程中水、热分布变化。这种变化对工程稳定性有重大影响，常导致路基工程出现沉陷、纵胀、水沟失陷等病害，水利工程出现冻胀、塌岸、砌体开裂等病害，市政工程出现冻胀、沉陷、网裂等病害。病害原因是土中含水量增大产生湿陷，强度降低，冻融使土自身体积变化，阴阳面上水、热差异引起变形差异等，影响浅层非饱和土工程稳定性主要指标是含水量和温度。
为了准确掌握具有某种土体饱和度的非饱和土对路基工程、水利工程等工程稳定性的影响，人们需要以该非饱和土为实验对象进行土体固结、粘弹性等水力参数的试验。在进行土体的各项试验过程当中，由于环境温度的变化会导致土体中水分的流失，从而导致土体饱和度发生变化，影响试验结果的准确性。因此，在实验过程中保持土体饱和度恒定就显得非常重要。
为了保持土体饱和度恒定，现阶段土体相关实验保持土体水分主要通过人工或者机器增加空气湿度，将空气湿度保持在一定范围内，从而调节土体的含水率。现有技术中一般采用直接向试验土体中添加水分以保持土体饱和度的做法。但是，这种做法具有较大的随意性，土体饱和度不够稳定，从而不利于获得准确的试验结果。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种土体饱和度控制的设备及方法，以解决现有技术中保持土体饱和度的随意性，土体饱和度不够稳定，不利于获得准确的试验结果的技术问题。
为了实现上述技术目的，本发明专利的技术方案是：一种土体饱和度控制的设备，包括用于封装试验土体的密封试验箱以及用于密封试验箱开口的密封箱盖，密封试验箱内腔包括处于底部的土体区域以及处于土体区域上部的空气区域，密封试验箱上设有用于根据密封试验箱内外空气温度和内腔空气湿度改变空气区域的真空度以改变空气区域内的露点温度的露点温度控制机构。
进一步地，露点温度控制机构包括装于空气区域内的内部温度传感器、内部湿度传感器、内部真空度传感器以及真空泵；温度控制机构还包括装于密封箱盖外的外部温度传感器以及控制器；控制器联接内部温度传感器、内部湿度传感器、内部真空度传感器、外部温度传感器以及真空泵。
进一步地，内部温度传感器、内部湿度传感器、内部真空度传感器以及真空泵安装在密封箱盖的内表面上，外部温度传感器以及控制器安装在密封箱盖的外表面上。
进一步地，内部温度传感器、内部湿度传感器、内部真空度传感器、真空泵、外部温度传感器以及真空泵为整体封装的组合结构，内部温度传感器和内部湿度传感器的触头以及真空泵的输出端均朝向空气区域布设；外部温度传感器的触头朝向密封试验箱外布设。
进一步地，密封箱盖转动连接于密封试验箱上；密封箱盖与密封试验箱之间设有密封连接件，或者密封箱盖与密封试验箱之间设有密封环且通过连接件连接固定。
进一步地，空气区域面积大于土体区域面积。
进一步地，空气区域面积是土体区域面积的2倍～4倍。
本发明专利的另一技术方案是：一种土体饱和度控制方法，采用上述土体饱和度控制的设备，包括以下步骤：将试验土体装进密封试验箱内；将内部真空度传感器、内部温度传感器和内部湿度传感器预先安设在密封箱盖下方；在与内部真空度传感器、内部温度传感器和内部湿度传感器相联接的控制器上设定需要达到的空气湿度；控制器通过密封试验箱内的内部湿度传感器和内部温度传感器反馈的数据，以及根据控制器内置设定的空气露点温度所对应的空气压强和空气温度，控制真空泵对密封试验箱内的空气进行抽真空；由于密封试验箱内空气达到了露点温度，所以空气湿度会保持不变，从而使试验土体的含水率保持与空气湿度一致。
进一步地，内部湿度传感器监控密封试验箱内空气湿度变化，内部温度传感器监控密封试验箱内空气温度变化，控制器对温度和真空度的变化进行调整，使密封试验箱内空气达到所设定的理论露点温度，从而达到空气湿度的设定值。
本发明的有益技术效果是：
本发明土体饱和度控制的设备，采用密封试验箱与密封箱盖结合形成密封的试验空间；在密封试验箱内腔中的土体区域中填入试验土体，在密封箱盖上装上露点温度控制机构，露点温度控制机构根据密封试验箱内外空气温度和内腔空气湿度改变空气区域的真空度以改变空气区域内的露点温度，从而避免密封试验箱内空气以及试验土体中的冷凝发生。利用空气压力和露点温度的对应关系，使用真空泵对空气的压力进行控制，从而达到控制露点温度，进而控制空气湿度，从而控制土体含水率的过程。能够持续保持土体饱和度的恒定性，提高试验的准确程度。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例的土体饱和度控制的设备的结构示意图。
图例说明：
其中，1、密封试验箱；101、土体区域；102、空气区域；2、密封箱盖；3、露点温度控制机构；301、内部温度传感器；302、内部湿度传感器；303、内部真空度传感器；304、真空泵；305、外部温度传感器；306、控制器。
具体实施方式
下面对本发明技术内容的进一步说明，但并非对本发明实质内容的限制。
图1是本发明实施例的土体饱和度控制的设备的结构示意图。如图1所示，本实施例的土体饱和度控制的设备，包括用于封装试验土体的密封试验箱1以及用于密封试验箱1开口的密封箱盖2，密封试验箱1内腔包括处于底部的土体区域101以及处于土体区域101上部的空气区域102，密封试验箱1上设有用于根据密封试验箱1内外空气温度和内腔空气湿度改变空气区域102的真空度以改变空气区域102内的露点温度的露点温度控制机构3。本发明土体饱和度控制的设备，采用密封试验箱1与密封箱盖2结合形成密封的试验空间；在密封试验箱1内腔中的土体区域101中填入试验土体，在密封箱盖2上装上露点温度控制机构3，露点温度控制机构3根据密封试验箱1内外空气温度和内腔空气湿度改变空气区域102的真空度以改变空气区域102内的露点温度，从而避免密封试验箱1内空气以及试验土体中的冷凝发生。利用空气压力和露点温度的对应关系，使用真空泵304对空气的压力进行控制，从而达到控制露点温度，进而控制空气湿度，从而控制土体含水率的过程。能够持续保持土体饱和度的恒定性，提高试验的准确程度。
本发明土体饱和度控制的设备，采用全新的一种思路来实现土体水分饱和度的恒定。当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点温度与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。在100％的相对湿度时，周围环境的温度就是露点温度。露点温度越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥，露点温度不受温度影响，但受压力影响。如果外部空气的温度低于密封箱这种封闭空间的内部温度，则密封箱内部的表面形成水分。另一方面，如果外部空气的温度高于密封箱内部温度，则水分直接在密封箱内的土体表面形成。在这种情况下，就可以通过改变密封箱内部的真空度，从而改变露点温度来避免冷凝发生。它的原理就是利用空气压力和露点温度的对应关系，使用真空泵对空气的压力进行控制，从而达到控制露点温度，进而控制空气湿度，从而控制土体含水率的过程。
如图1所示，本实施例中，露点温度控制机构3包括装于空气区域102内的内部温度传感器301、内部湿度传感器302、内部真空度传感器303以及真空泵304。温度控制机构还包括装于密封箱盖2外的外部温度传感器305以及控制器306。控制器306联接内部温度传感器301、内部湿度传感器302、内部真空度传感器303、外部温度传感器305以及真空泵304。
如图1所示，本实施例中，内部温度传感器301、内部湿度传感器302、内部真空度传感器303以及真空泵304安装在密封箱盖2的内表面上。外部温度传感器305以及控制器306安装在密封箱盖2的外表面上。
如图1所示，本实施例中，内部温度传感器301、内部湿度传感器302、内部真空度传感器303、真空泵304、外部温度传感器305以及真空泵304为整体封装的组合结构。内部温度传感器301和内部湿度传感器302的触头以及真空泵304的输出端均朝向空气区域102布设。外部温度传感器305的触头朝向密封试验箱1外布设。
如图1所示，本实施例中，密封箱盖2转动连接于密封试验箱1上。可选地，密封箱盖2与密封试验箱1之间设有密封连接件。可选地，密封箱盖2与密封试验箱1之间设有密封环且通过连接件连接固定。保证密封试验箱1的密封性，保证试验准确度。
如图1所示，本实施例中，空气区域102面积大于土体区域101面积。从而保证空气真空度控制可以改变密封试验箱1内的露点温度。
如图1所示，本实施例中，空气区域102面积是土体区域101面积的2倍～4倍。从而保证空气真空度控制可以改变密封试验箱1内的露点温度，并且保证调节的效果。
本实施例的土体饱和度控制方法，采用上述土体饱和度控制的设备，包括以下步骤：将试验土体装进密封试验箱1内；将内部真空度传感器303、内部温度传感器301和内部湿度传感器302预先安设在密封箱盖2下方；在与内部真空度传感器303、内部温度传感器301和内部湿度传感器302相联接的控制器306上设定需要达到的空气湿度；控制器306通过密封试验箱1内的内部湿度传感器302和内部温度传感器301反馈的数据，以及根据控制器306内置设定的空气露点温度所对应的空气压强和空气温度，控制真空泵304对密封试验箱1内的空气进行抽真空；由于密封试验箱1内空气达到了露点温度，所以空气湿度会保持不变，从而使试验土体的含水率保持与空气湿度一致。
本实施例中，内部湿度传感器302监控密封试验箱1内空气湿度变化。内部温度传感器301监控密封试验箱1内空气温度变化。控制器306对温度和真空度的变化进行调整，使密封试验箱1内空气达到所设定的理论露点温度，从而达到空气湿度的设定值。
实施时，土体饱和度控制方法，首先将试验土体装进密封试验箱1内；然后将内部真空度传感器303、内部温度传感器301和内部湿度传感器302预先安设在密封箱盖2下方；紧接着在与内部真空度传感器303、内部温度传感器301和内部湿度传感器302相联接的控制器306上设定需要达到的空气湿度。控制器306通过密封试验箱1内内部湿度传感器302和内部温度传感器301反馈的数据，根据控制器306内置设定的空气露点温度所对应的空气压强和空气温度，操控真空泵304对密封试验箱1内的空气进行抽真空。内部湿度传感器302监控密封试验箱1内空气湿度变化，内部温度传感器301监控密封试验箱1内空气温度变化，控制器306对温度和真空度的变化进行调整，使密封试验箱1内空气达到所设定的理论露点温度，从而达到空气湿度的设定值。由于密封试验箱1内空气达到了露点温度，所以空气湿度会保持不变，从而使土体的含水率保持与空气湿度一致。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种土体饱和度控制的设备，包括用于封装试验土体的密封试验箱(1)以及用于所述密封试验箱(1)开口的密封箱盖(2)，
其特征在于，
所述密封试验箱(1)内腔包括处于底部的土体区域(101)以及处于所述土体区域(101)上部的空气区域(102)，
所述密封试验箱(1)上设有用于根据所述密封试验箱(1)内外空气温度和内腔空气湿度改变空气区域(102)的真空度以改变所述空气区域(102)内的露点温度的露点温度控制机构(3)；
所述密封箱盖(2)转动连接于所述密封试验箱(1)上；
所述密封箱盖(2)与所述密封试验箱(1)之间设有密封连接件，或者
所述密封箱盖(2)与所述密封试验箱(1)之间设有密封环且通过连接件连接固定；
所述空气区域(102)面积大于所述土体区域(101)面积。
2.根据权利要求1所述的土体饱和度控制的设备，其特征在于，
所述露点温度控制机构(3)包括装于所述空气区域(102)内的内部温度传感器(301)、内部湿度传感器(302)、内部真空度传感器(303)以及真空泵(304)；
所述露点温度控制机构还包括装于密封箱盖(2)外的外部温度传感器(305)以及控制器(306)；
所述控制器(306)联接所述内部温度传感器(301)、所述内部湿度传感器(302)、所述内部真空度传感器(303)、所述外部温度传感器(305)以及所述真空泵(304)。
3.根据权利要求2所述的土体饱和度控制的设备，其特征在于，
所述内部温度传感器(301)、所述内部湿度传感器(302)、所述内部真空度传感器(303)以及所述真空泵(304)安装在所述密封箱盖(2)的内表面上，
所述外部温度传感器(305)以及所述控制器(306)安装在所述密封箱盖(2)的外表面上。
4.根据权利要求3所述的土体饱和度控制的设备，其特征在于，
所述内部温度传感器(301)、所述内部湿度传感器(302)、所述内部真空度传感器(303)、所述真空泵(304)、所述外部温度传感器(305)以及所述真空泵(304)为整体封装的组合结构，
所述内部温度传感器(301)和所述内部湿度传感器(302)的触头以及所述真空泵(304)的输出端均朝向所述空气区域(102)布设；
所述外部温度传感器(305)的触头朝向所述密封试验箱(1)外布设。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的土体饱和度控制的设备，其特征在于，
所述空气区域(102)面积是所述土体区域(101)面积的2倍～4倍。
6.一种土体饱和度控制方法，其特征在于，
采用权利要求1至5中任一项所述的土体饱和度控制的设备，
包括以下步骤：
将试验土体装进密封试验箱(1)内；
将内部真空度传感器(303)、内部温度传感器(301)和内部湿度传感器(302)预先安设在密封箱盖(2)下方；
在与内部真空度传感器(303)、内部温度传感器(301)和内部湿度传感器(302)相联接的控制器(306)上设定需要达到的空气湿度；
控制器(306)通过密封试验箱(1)内的内部湿度传感器(302)和内部温度传感器(301)反馈的数据，以及根据控制器(306)内置设定的空气露点温度所对应的空气压强和空气温度，控制真空泵(304)对密封试验箱(1)内的空气进行抽真空；
由于密封试验箱(1)内空气达到了露点温度，所以空气湿度会保持不变，从而使试验土体的含水率保持与空气湿度一致。
7.根据权利要求6所述的土体饱和度控制方法，其特征在于，
内部湿度传感器(302)监控密封试验箱(1)内空气湿度变化，内部温度传感器(301)监控密封试验箱(1)内空气温度变化，控制器(306)对温度和真空度的变化进行调整，使密封试验箱(1)内空气达到所设定的理论露点温度，从而达到空气湿度的设定值。
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