CN106645260B - 一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统，是由支撑平台、控制平台、称量平台、供排水装置以及控温装置等构成。其特点是本发明能够自动持续稳定地对试验土样进行供排水，避免了试验机运行震动对供排水的影响，并且能够对供水水位进行自由调节，保证试验过程中供排水的持续性。同时，通过控温器来控制试验过程中供水水温与控温板温度同步，并保持水温稳定，能够准确自动地测量和采集冻融过程中水分的供排量，保证了试验结果的精确性。

Description

一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统

技术领域

本发明涉及一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统，具体是指在土体有压冻融试验中进行自动供排水以及供排水量的自动测量系统。利用本系统可完成对试验土样供水水位高低的自由调节，实现在试验过程中自动持续供排水以及供排水量的精确测量，同时能够保证供水过程中水温与控温板温度同步，并保持水温稳定，提高了试验效率，是进行土体有压冻融试验的一种有效供排水装置。

背景技术

含水多孔介质在冻融过程中的水分迁移会引起水分的重分布，由迁移水冻结形成的离散冰透镜体会造成介质含水量的不均匀分布，而融化又会引起土体的排水固结。因此，水分迁移使原本相关的水、热、力相互作用变得更加复杂。在寒区，许多工程病害与冻融过程中的水分迁移密切相关，往往由于土体冻胀会对工程造成破坏，而水分迁移冻结又是产生冻胀的重要原因，在有水分补给条件下的冻胀问题更是不容忽视，因此针对这些问题开展相关研究对预防及整治寒区工程冻害具有很重要的现实意义。这些研究主要通过单向有压冻融试验（顶板正负温交替变化、底板补水并保持正温）来完成。为得到需要的研究结果，在有压冻融试验中，准确、持续以及方便水位调节的供排水装置是必不可少。但在以往有压冻融试验装置中，通常只是设计了供水装置，忽视了对排水的测量。而且，供水装置往往直接安装于整个试验系统中，这样在试验机工作的情况下，由于箱体内控温装置的运行造成箱体的不规则震动，导致供水的不稳定；同时，由于供水装置容水量较小，在试验过程中需要不断地给供水装置加水，加水过程导致补水中断，致使得到的供水数据波动性很大，进而对试验结果产生很大的误差。此外，由于不同试验对供水水位的要求不一，在试验过程中对水位的精确调节也非常重要，而以往的供水装置由于不能自由升降，水位高度不能准确调节，给水位高度的调节带来诸多不便；而且，由于试验过程中环境温度的日变化会使得所补给的水分的温度产生很大的变化，不能保证水温与控温板温度同步，并保持水温的稳定，从而对土样的控温产生影响。

因此，为了达到对土体有压冻融试验自动持续稳定供排水的目的，克服现有试验过程中试验机震动对供排水及测量精度的影响，确保供水水温与控温板温度同步，并保持水温稳定，实现试验过程中水位高度的方便、准确调节，设计一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统是非常有必要的，其为土体冻融研究提供技术支撑。

发明内容

在土体有压冻融试验过程中，为了对土样进行稳定准确的供排水，并且能够准确自动测量水分供排量，本发明提供了一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统。该系统可自动持续稳定地对试验土样进行供排水，便捷地调整试样中的供水水位，有效避免由于箱体内控温装置运行所造成箱体不规则震动对供排水的影响，控制水温与控温板温度同步，并保持水温稳定，实现了供排水量数据的自动化采集。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统，主要是由支座、手旋螺栓、推拉杆、上支撑面、托架、1＃高精度质量传感器、升降导轨、接触杆、固定横板、纵向切口细铁管、下瓶塞、供水软管、水位测试导管、空气进口、玻璃管支架、玻璃管、软管接头、软管、阀门、供水玻璃瓶、玻璃瓶塞、2＃高精度质量传感器、玻璃瓶底座、3＃高精度质量传感器、排水玻璃瓶、三通压力控制阀、控温器、防冻液、导液管、导液管接口、控温套管、隔热保温材料、控温底板、水热传感器、可加压控温顶板、土样桶、数据采集引线、数据采集仪、电子计算机组成。

供水装置的结构特征是：带玻璃瓶塞的供水玻璃瓶的出水口通过软管上的阀门和软管接头与玻璃管管口连通，玻璃瓶底座用于支撑供水玻璃瓶，2＃高精度质量传感器用于称量供水玻璃瓶以及其内水的质量，玻璃管装有水位测试导管，水位测试导管有空气进口，玻璃管的下瓶塞连有纵向切口细铁管，并由固定横板控制其稳定性，纵向切口细铁管横向与供水软管相连，供水软管中间接有三通压力控制阀，靠近试验箱的一侧的供水软管周围螺旋盘绕着控温套管，供水软管的末端与控温底板相连，从供水软管出来的水可以通过控温底板进入土样，进行试验供水；控温套管的外侧包裹着隔热保温材料，控温套管的两端接在导液管接口，通过导液管与控温器连通后，利用防冻液进行循环控温；固定横板底部的接触杆）与1＃高精度质量传感器相触，玻璃管置放在玻璃管支架上；升降导轨的内部嵌入玻璃管支架两侧，并由固定横板控制其稳定性，玻璃管支架通过升降导轨两边的轨道进行升降，玻璃管支架的下部与托架铆接，托架与推拉杆和手旋螺栓相连，推拉杆和手旋螺栓穿过上支撑面螺纹孔，置于上支撑面与支座焊接的一平滑方形铁框中。

排水装置的结构特征是：与三通压力控制阀竖向相连的排水玻璃瓶底部装有3＃高精度质量传感器，可对排水玻璃瓶及排出的水分进行称量。

上述的三通压力控制阀由硅膜压力传感器、过程连接杆、黄铜压紧环、电动机、月牙形阀门、压力控制器、继电器弹簧、电磁铁、衔铁、触点及电池组E1和电池组E2组成。硅膜压力传感器由过程连接杆与黄铜压紧环固定，并且通过螺栓固定在管壁内侧，两侧各设置一个，之后通过引线与压力控制器和正负极相反的两对电池组E1和电池组E2相连。电磁继电器由继电器弹簧、电磁铁、衔铁、触点组成，电磁继电器通过引线与电动机相连，衔铁与压力控制器相连，电动机再与月牙形阀门相连。

自动供排水系统与试验机相连，试验机包括试验箱、控温底板、水热传感器、可加压控温顶板、土样桶。土样桶内的土样中埋设有水热传感器，土样桶的上部为带有变形传感器的可加压控温顶板，下部为控温底板，控温底板上面有小孔隙，水分可以通过小孔进入土样。1＃高精度质量传感器、2＃高精度质量传感器3＃高精度质量传感器及水热传感器和变形传感器的数据采集引线与数据采集仪相连，数据采集仪再与电子计算机相连。

本发明的主要优点和产生的有益效果是：

1、本发明通过旋转手旋螺栓就可以控制整个供水平台的高度，方便试验过程中供水装置水位高度的调节，其工作原理明确、易于操作。

2、本发明能够自动持续稳定地对试验进行供排水，避免由于箱体内控温装置运行所造成箱体不规则震动对供排水的影响，保证了试验过程中供排水的稳定性，并且在供排水过程中可以控制水温与控温板温度同步，并保持水温稳定。

3、本发明能够通过压力来调节阀门位置，从而可以准确及时地对试验土样进行供水和排水，可以将该系统应用于冻融循环试验以及固结排水试验中。

4、本发明能够准确自动地测量冻融过程中水分的供排量，避免人工读数带来的误差，既节省人工，又可以保证试验结果的准确。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中三通压力控制阀结构示意图。

图3是试验中采用已有供水装置获得的累积供水量随时间变化曲线。

图4是试验中采用本发明获得的累积供排水量随时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明再做进一步的说明：

如图1-2所示，一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统，是由支座1、手旋螺栓2、推拉杆3、上支撑面4、托架5、1＃高精度质量传感器6、升降导轨7、接触杆8、固定横板9、纵向切口细铁管10、下瓶塞11、供水软管12、水位测试导管13、空气进口14、玻璃管支架15、玻璃管16、软管接头17、软管18、阀门19、供水玻璃瓶20、玻璃瓶塞21、2＃高精度质量传感器22、玻璃瓶底座23、3＃高精度质量传感器24、排水玻璃瓶25、三通压力控制阀26、控温器27、防冻液28、导液管29、导液管接口30、控温套管31、隔热保温材料32、控温底板33、水热传感器34、可加压控温顶板35、土样桶36、试验箱37、数据采集引线38、数据采集仪39、电子计算机40组成。

给土样桶36中的土样供水是由带玻璃瓶塞21的供水玻璃瓶20出水口通过软管18、阀门19和软管接头17与玻璃管16管口连通，软管18通过扎带紧密捆绑在供水玻璃瓶20的出水口上，玻璃瓶底座23用于支撑供水玻璃瓶20，2＃高精度质量传感器22置于供水玻璃瓶20底部，用于称量供水玻璃瓶20以及其内水的质量。玻璃管16装有水位测试导管13，水位测试导管13有空气进口14，玻璃管16的下瓶塞11连有纵向切口细铁管10，纵向切口细铁管10上的固定横板9控制其稳定性。纵向切口细铁管10的下部与接触杆8横向面积较大的上部相连，而接触杆8）向面积较小的下部与1＃高精度质量传感器6相触，1＃高精度质量传感器6称量通往供水软管12的供水量。纵向切口细铁管10有两个作用，其一用于支撑玻璃管（16），其二用于导出并保护供水软管12。纵向切口细铁管10居于固定横板9中，玻璃管16置放在玻璃管支架15上，玻璃管16从凸出的带圆形切口的铁片中穿过，由铁片控制其稳定性，并始终保持其处于竖向状态。升降导轨7的内部居于玻璃管支架15两侧，并由固定横板9控制其稳定性。玻璃管支架15的下部与水平前凸的托架5铆接，托架5与相连的推拉杆3和手旋螺栓2在上支撑面4上相铰接，推拉杆3为螺纹状，并穿过上支撑面4螺纹孔，置于上支撑面4与支座1焊接一平滑的4cm厚的方形铁框中，由上支撑面4与支座1共同组成该装置的支撑平台。转动手旋螺栓2，推拉杆3可自由旋转，其在玻璃管支架15上下可调行程范围为0~35cm，推动玻璃管支架15通过升降导轨7两边的轨道进行升降。

纵向切口细铁管10的横向与供水软管12相连，供水软管12中间接有三通压力控制阀26，靠近试验箱的一侧的供水软管12周围螺旋盘绕着控温套管31，供水软管12的末端与控温底板33相连，从供水软管12出来的水可以通过控温底板33进入土样，进行试验供水。控温套管31外侧包裹着隔热保温材料32，隔热保温材料32为聚氨酯、聚苯乙烯，保温材料厚度为5cm~10 cm，用于对所供水分进行控温，使其与土样底板的温度相同，控温套管31可为铜、或铝等导热性能良好的金属材料，壁厚为1 mm~3 mm。土样桶36的土样中埋设有水热传感器34，土样桶36的上部为带有变形传感器的可加压控温顶板35，下部为控温底板33，控温底板33上面有小孔隙，水分可以通过小孔进入土样。1＃高精度质量传感器6、2＃高精度质量传感器22、3＃高精度质量传感器24及水热传感器34和变形传感器的数据采集引线38分别与数据采集仪39相连，数据采集仪39再与电子计算机40相连。

上述的三通压力控制阀26是一个由压力控制的T形三通装置，它由硅膜压力传感器41、过程连接杆42、黄铜压紧环43、电动机44、月牙形阀门45、压力控制器46、继电器弹簧47、电磁铁48、衔铁49、触点50及电池组E1 51和电池组E2 52组成。硅膜压力传感器41由过程连接杆42与黄铜压紧环43固定，并且通过螺栓固定在管壁内侧，两侧各设置一个，用来分别测量两侧的水压，之后通过引线连接在压力控制器46上，压力控制器46可以对两侧的压力进行分析，从而发出不同的瞬间闭合电信号。电磁继电器由继电器弹簧47、电磁铁48、衔铁49、触点50组成，衔铁49与压力控制器46相连，电磁铁48与电动机44相连，电动机44再与月牙形阀门45相连，最后将压力控制器46和电动机44连接在正负极相反的两对电池组E151和电池组E2 52上，共同组成两个控制电路。电动机44通过正转与反转拉动拉杆从而对月牙形阀门45进行控制，使其处于不同的位置。

实施过程中，先根据试验方案在试验箱37内的土样桶36中装好所需高度的土样和水热传感器34，然后堵住空气进口14，打开软管18上的阀门21，并打开玻璃瓶塞19向供水玻璃瓶20及玻璃管16中加蒸馏水，最后使水位至供水玻璃瓶20容积的80％~90%，盖住玻璃瓶塞19。再通过挤压供水软管12的方式将里面的空气排出，接下来旋转手旋螺栓2使推拉杆3上下运动，上下可调范围为0~35cm，使玻璃管支架15通过升降导轨7两边的轨道进行升降，直至液面出现在水位测试导管13的底部，说明此时供水装置中的水位与土样桶36中土样的下底面相平齐。之后将导液管29与导液管接口30相连接，试验开始后开启外部控温器27，防冻液28通过导液管接口30进入控温套管31进行循环控温。最后将1＃高精度质量传感器6、2＃高精度质量传感器22、3＃高精度质量传感器24和水热传感器34及变形传感器的数据采集引线38与数据采集仪39相连，数据采集仪39再与电子计算机40相连，由数据采集仪39和电子计算机40完成土体冻融过程中数据的自动化采集。

试验开始后，由于土体孔隙的毛细作用以及土样中温度梯度的作用，会使得两侧压力P₁大于P₂时，此时压力控制器46会产生一个瞬间闭合的正向（向上）电信号，回路E₁中的电磁铁48会将衔铁49吸到触点50上，电路E₁闭合，电动机44通过正转拉动拉杆使得月牙形阀门45处于 b位置，此时对试验土样进行供水试验，瞬时通电完成阀门旋转后，电路断开；当土样融化时，两侧压力P₁小于P₂时，压力控制器46会产生一个瞬间闭合的负向（向下）电信号，回路E₂中的电磁铁48同样会将衔铁49吸到触点50上，电路E₂闭合，电动机44通过反转拉动拉杆使得月牙形阀门45从 b位置转动到 a位置，此时对试验土样进行排水试验，瞬时通电完成阀门旋转后，电路断开。

测试实例

本发明采用的土样为直径10cm，高度为11cm的土柱进行单向有压冻结供排水试验。所选取的土样为青藏高原粉质黏土，粒径 d≤2 mm，初始质量含水率为22%。开放系统单向有压冻结：顶板温度-3℃，底板温度+3℃，箱体温度+3℃，顶板压力100kPa，外部控温器控制温度为+3℃。试验前按上述实施方式调节玻璃管内水位高度与试样底部在同一高度处，试验开始时先使土样在+3℃的环境中恒温24h，待土样温度稳定后对其加压固结24h，待压力充分稳定后按预设的顶、底板温度进行单向有压冻结，试验总用时96h。

图3为采用已有供水装置获得的累积供水量随时间变化曲线（不具有排水测量功能），图4为本发明在该工况下累积供排水量随时间变化曲线。两图相比，图3曲线数据的离散性特别大，表明供水过程很不稳定，这是由于箱体内控温装置运行所造成箱体不规则震动对供水产生的影响，并且装置不具有排水测量功能，缺失排水过程曲线。而图4曲线数据基本无离散性，其供排水过程均十分稳定。图4中AB段为土样加压后的排水固结过程，此时土样中孔隙水压力P₂大于供水管的压力P₁，水分从土样中排出；BC段为对土样的供水过程，该过程中由于冻结作用，土样内孔隙水压力减小，甚至出现负压，导致土样中孔隙水压力P₂小于供水管的压力P₁，水分被压入土样。

通过以上分析，该试验系统原理明确，操作简单，在试验过程中可方便进行水位高度的调节，能够自动稳定地对试验进行供排水，避免了由于箱体内控温装置运行所造成箱体不规则震动对供排水的影响，保证了试验过程供排水的稳定性。并且能够对试验土样进行长时间的持续供排水，在供排水过程中可以控制供水水温与控温板温度同步，保证试验过程中供水的持续性及水温的稳定性。

Claims (3)

1.一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统，是由支座（1）、手旋螺栓（2）、推拉杆（3）、上支撑面（4）、托架（5）、1＃高精度质量传感器（6）、升降导轨（7）、接触杆（8）、固定横板（9）、纵向切口细铁管（10）、下瓶塞（11）、供水软管（12）、水位测试导管（13）、空气进口（14）、玻璃管支架（15）、玻璃管（16）、软管接头（17）、软管（18）、阀门（19）、供水玻璃瓶（20）、玻璃瓶塞（21）、2＃高精度质量传感器（22）、玻璃瓶底座（23）、3＃高精度质量传感器（24）、排水玻璃瓶（25）、三通压力控制阀（26）、控温器（27）、防冻液（28）、导液管（29）、导液管接口（30）、控温套管（31）、隔热保温材料（32）、数据采集引线（38）、数据采集仪（39）、电子计算机（40）组成；

供水装置的结构特征是：带玻璃瓶塞（21）供水玻璃瓶（20）的出水口通过软管（18）上的阀门（19）和软管接头（17）与玻璃管（16）管口连通，玻璃瓶底座（23）用于支撑供水玻璃瓶（20），2＃高精度质量传感器（22）用于称量供水玻璃瓶（20）以及其内水的质量，玻璃管（16）装有水位测试导管（13），水位测试导管（13）有空气进口（14），玻璃管（16）的下瓶塞（11）连有纵向切口细铁管（10），并由固定横板（9）控制其稳定性，纵向切口细铁管（10）横向与供水软管（12）相连，供水软管（12）中间接有三通压力控制阀（26），靠近试验箱的一侧的供水软管（12）周围螺旋盘绕着控温套管（31），供水软管（12）的末端与控温底板（33）相连，从供水软管（12）出来的水可以通过控温底板（33）进入土样，进行试验供水；控温套管（31）的外侧包裹着隔热保温材料（32），控温套管（31）的两端接在导液管接口（30），通过导液管（29）与控温器（27）连通后，利用防冻液（28）进行循环控温；固定横板（9）底部的接触杆（8）与1＃高精度质量传感器（6）相触，玻璃管（16）置放在玻璃管支架（15）上；升降导轨（7）的内部嵌入玻璃管支架（15）两侧，并由固定横板（9）控制其稳定性，玻璃管支架（15）通过升降导轨（7）两边的轨道进行升降，玻璃管支架（15）的下部与托架（5）铆接，托架（5）与推拉杆（3）和手旋螺栓（2）相连，推拉杆（3）和手旋螺栓（2）穿过上支撑面（4）螺纹孔，置于上支撑面（4）与支座（1）焊接的一平滑方形铁框中；

排水装置的结构特征是：与三通压力控制阀（26）竖向相连的排水玻璃瓶（25）底部装有3＃高精度质量传感器（24），可对排水玻璃瓶（25）及排出的水分进行称量；

上述的三通压力控制阀（26）由硅膜压力传感器（41）、过程连接杆（42）、黄铜压紧环（43）、电动机（44）、月牙形阀门（45）、压力控制器（46）、继电器弹簧（47）、电磁铁（48）、衔铁（49）、触点（50）及电池组E1（51）和电池组E2（52）组成；压力控制器（46）和电动机（44）连接在正负极相反的两对电池组E1（51）和电池组E2 （52）上，共同组成两个控制电路；电动机（44）通过正转与反转拉动拉杆从而对月牙形阀门（45）进行控制，使其处于不同的位置；

硅膜压力传感器（41）由过程连接杆（42）与黄铜压紧环（43）固定，并且通过螺栓固定在管壁内侧，管壁内的两侧各设置一个，之后每个硅膜压力传感器（41）通过引线与压力控制器（46）和正负极相反的两对电池组E1（51）和电池组E2（52）相连；

电磁继电器由继电器弹簧（47）、电磁铁（48）、衔铁（49）、触点（50）组成，电磁继电器通过引线与电动机（44）相连，衔铁（49）与压力控制器（46）相连，电动机（44）再与月牙形阀门（45）相连；

自动供排水系统与试验机相连，试验机包括试验箱（37）、控温底板（33）、水热传感器（34）、可加压控温顶板（35）、土样桶（36）；

土样桶（36）内的土样中埋设有水热传感器（34），土样桶（36）的上部为带有变形传感器的可加压控温顶板（35），下部为控温底板（33），控温底板（33）上面有小孔隙，水分可以通过小孔进入土样；

1＃高精度质量传感器（6）、2＃高精度质量传感器（22）、3＃高精度质量传感器（24）及水热传感器（34）和变形传感器的数据采集引线（38）与数据采集仪（39）相连，数据采集仪（39）再与电子计算机（40）相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统，推拉杆（3）为螺纹状，并可自由旋转，上下可调范围为0 ~ 35cm。

3.根据权利要求1所述的一种用于土体有压冻融试验的自动供排水系统，其特征是三通压力控制阀（26）为一T形的三通装置，月牙形阀门（45）通过电动机（44）的正反转来调整其位置，实现月牙形阀门（45）位置。

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