CN107449888B

CN107449888B - 一种多功能土壤崩解实验装置

Info

Publication number: CN107449888B
Application number: CN201710659188.4A
Authority: CN
Inventors: 曹晓龙; 林俊杰; 何立平; 张帅
Original assignee: Chongqing Three Gorges University
Current assignee: Chongqing Three Gorges University
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2037-08-04
Also published as: CN107449888A

Abstract

本发明涉及一种多功能土壤崩解实验装置。它包括密封箱（1），数字监测系统、升降系统和盛样系统等部件组成。其结构设计巧妙，便于组装、调节和使用，实现了单一或复合条件下土壤崩解过程的高仿真动态模拟，尤其是巧妙地实现了多种模拟因素无规则、简易、快速地切换。

Description

一种多功能土壤崩解实验装置

技术领域

本发明属于岩土地质工程技术领域，涉及一种研究土壤崩解特性及评价土壤水土保持能力的新型试验仪器，尤其涉及一种多功能土壤崩解实验装置。

背景技术

土壤崩解是土体浸泡后发生碎散崩溃、塌落或强度减弱的现象(黄土高原水土流失与治理模式[M].蒋定生.北京:中国水利水电出版社,1997:60)，其机制可能为水分子进入土体空隙中挤压气体，内部应力集中，使土体自身斥力超过吸力，造成土体崩落瓦解(重塑黄土崩解特性试验研究[J].高建伟,余宏明,钱玉智,李科.长江科学院院报,2014,31(10):146-150+155.)。土壤崩解机制与土壤侵蚀的发生过程密切相关，是土壤侵蚀发生的必要条件之一(干湿交替对黄土崩解速度的影响[J].王健,马璠,张鹏辉,等.土壤学报,2015,52(6):1273－1279.)，是评价土壤侵蚀及水土流失严重程度的一项重要土壤物理指标。评价土壤崩解性主要使用三个指标：崩解时间、崩解特征和崩解速度，这三个指标能够客观全面的表现土体的崩解过程(李广杰.工程地质学:吉林大学出版社,2004)。在岩土工程科学研究、教学实践及生产领域，对岩土工程试验中物理力学指标进行测定时，需要研究土壤试样的崩解性，通常需要使用土壤崩解测试装置对土壤的崩解性能进行测试。

目前，通常采用的土壤崩解实验装置种类较多，但其大多功能单一，崩解面与真实环境下崩解面不一致，干湿循环等条件的模拟也与实际不符，另外还存在无法实现模拟水压条件、坡度条件、浸水条件水流冲刷等多种单一或复合条件，分别对土体崩解特性影响的测试，更无法采用同一实验装置对同一测试土体，实现水压条件、坡度条件、浸水条件水流冲刷等多种模拟因素进行切换测试，以测试土体在多种模拟因素切换下其崩解特性(如中国专利CN 103792333 B、CN 203705436 U等)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能土壤崩解实验装置，其结构设计巧妙，便于组装和调节，可以实现模拟单一或复合条件下土壤崩解的动态过程，也可以巧妙地实现多因素无规则切换高仿真模拟。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种多功能土壤崩解实验装置，其特征在于：包括密封箱，数字监测系统、升降系统和盛样系统；所述数字监测系统由监测器、数据线、电脑主机及显示器组成；所述升降系统包括底座，支架，升降杆，转轴，旋转横杆，电机，凸轮和轨道卡槽；所述密封箱的一侧面透明，且箱内设有所述底座；所述底座上分别设有所述监测器、固定连接有所述支架；所述监测器通过数据线与所述电脑主机连通；所述支架上连接有升降杆，升降杆上端设有转轴；所述转轴处设有所述旋转横杆，且旋转横杆可围绕升降杆的轴向自由旋转；所述旋转横杆上分别设有轨道卡槽、电机；所述轨道卡槽为对应的两个，且所述电机位于两个轨道卡槽之间；所述电机上设有所述凸轮；所述盛样系统由矩形方框、固定杆、刻度盘、连接杆、崩解盒组成；所述矩形方框一侧边上设有所述固定杆；所述固定杆的下部分别设有刻度盘和连接杆；所述连接杆上设有所述崩解盒；所述矩形方框卡在两个轨道卡槽之间，且矩形方框内侧设有所述凸轮；所述监测器上部设有水槽，该水槽的一侧面透明；所述崩解盒内放置试样，且崩解盒置于所述水槽内液面以下。

作为进一步优化，上述多功能土壤崩解实验装置，还包括有气压稳压泵、气压表；所述气压稳压泵与上述密封箱连通，且气压稳压泵与密封箱之间的连接管上设有所述气压表。

作为进一步优化，上述多功能土壤崩解实验装置，还包括有流量泵、阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、流量计Ⅰ、流量计Ⅱ和喷头；上述水槽为由中部设置的隔板分隔而成的双格水槽，且其隔板高度低于水槽外壁高度；所述双格水槽中的第一格水槽底部设有进水孔，第二格水槽底部设有出水孔，且第二格水槽内中部设有透水滤膜；所述出水孔与所述流量泵连通；所述流量泵分别与所述阀门Ⅰ、所述阀门Ⅱ连通；所述阀门Ⅰ与流量计Ⅰ连通，流量计Ⅰ还与喷头连通；所述阀门Ⅱ与流量计Ⅱ连通，流量计Ⅱ还与所述进水孔连通；上述崩解盒设于所述第一格水槽内。

作为进一步优化，上述监测器可选择为电子天平或者应力感应器。

作为进一步优化，上述刻度盘可选择为半圆形刻度盘，且刻度盘弧面上的刻度按照从90°渐变至0°，后再从0°渐变至90°的规律均匀设置。

作为进一步优化，上述密封箱设有密封盖，且密封盖的下部设有密封圈，密封盖与密封箱采用螺栓连接，且连接螺栓不少于四个。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种多功能土壤崩解实验装置，其结构设计巧妙，便于组装、调节和使用，实现了单一或复合条件下土壤崩解过程的高仿真动态模拟，尤其是巧妙地实现了多种模拟因素无规则、简易、快速地切换。具体来说，它实现了高仿真模拟土壤在坡度变化、水压变化、干湿循环、水流冲刷、雨淋等单一条件或复合条件中土壤崩解过程的动态模拟，实时监测了崩解土壤质量、状态等变化情况，尤其是高仿真模拟了土壤在以上多种模拟因素无规则切换条件下的变化情况，更真实准确的测定了土壤的崩解特性。

附图说明

图1为本发明实施例1中所述多功能土壤崩解实验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1中所述多功能土壤崩解实验装置中崩解盒的结构示意图。

图3为图1的A-A剖视图。

图4为本发明实施例2中所述多功能土壤崩解实验装置的结构示意图。

图5为本发明实施例2中所述多功能土壤崩解实验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行具体描述，在此指出以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如说明书附图1、2和3所示，一种多功能土壤崩解实验装置，包括密封箱1，数字监测系统、升降系统和盛样系统；其中，数字监测系统由电子天平2、数据线、电脑主机3及显示器组成；升降系统包括底座4，支架5，升降杆6，转轴7，旋转横杆8，电机9，凸轮10和轨道卡槽11；密封箱1的一侧面透明，且箱内设有底座4；底座4上分别设有电子天平2、固定连接有支架5；电子天平2通过数据线与电脑主机3连通；支架5上连接有升降杆6，升降杆6上端设有转轴7；转轴7处设有旋转横杆8，且旋转横杆8可围绕升降杆6的轴向自由旋转；旋转横杆8上分别设有轨道卡槽11、电机9；轨道卡槽11为对应的两个，且电机9位于两个轨道卡槽11之间；电机9上设有凸轮10；盛样系统由矩形方框12、固定杆13、刻度盘14、连接杆15、崩解盒16组成；矩形方框12一侧边上设有固定杆13；固定杆13的下部分别设有刻度盘14和连接杆15；该刻度盘14为半圆形刻度盘，且刻度盘14弧面上的刻度按照从90°渐变至0°，后再从0°渐变至90°的规律均匀设置；连接杆15的连接点位于半圆形刻度盘14的圆心处，且连接杆15相对于固定杆13可调节转动；连接杆15上固定连接有崩解盒16；矩形方框12卡在两个轨道卡槽11之间，且矩形方框12内侧设有凸轮10；电子天平2上部设有单格水槽17；崩解盒16内放置试样，且崩解盒16置于水槽17内液面以下。本例中的密封箱1，其正面由耐高压塑钢透明材料制成，密封箱两侧和顶部设把手；其水槽17由耐高压塑钢透明材料制成。

在应用本例中的多功能土壤崩解实验装置进行干湿循环模拟测试时：先开启数字监测系统，其主要作用是实现各环境条件下，对崩解容器质量的实时测定，并对数据动态化处理分析，其具体操作为打开电脑主机3与显示器，调试并检测电子天平2的工作状况；然后在一侧面为透明的水槽17中注入适量体积水，将事先准备好的土壤试样放置于崩解盒16内，崩解盒16再置于水槽17中，该水槽17的主要作用是提供土壤崩解的模拟场所，用以观察监测土壤动态崩解状态和过程；其固定杆13下部设置的连接杆15，可参照刻度盘14上的刻度根据需要精确调节旋转至所需坡度，进而实现了自然坡度模拟；通过启动旋转横杆8上的电机9，带动了凸轮10转动，由于凸轮10设于矩形方框12内侧，凸轮10的转动进而带动了矩形方框12在轨道卡槽11内做升降运动，从而使得崩解盒16相对于水槽17做升降运动，这样既实现了对崩解盒16高度的调整，又实现了干湿条件的循环交替模拟，而且通过调节凸轮10的速度控制了干湿循环频率；其实验数据通过数据线实时传输到电脑主机3中，分析并存储实时数据，直至完成土壤崩解的干湿循环模拟试验。此外，本例中的崩解盒还可根据实验需要设置成不同的样式。

实施例2

如说明书附图4和5所示，一种多功能土壤崩解实验装置，包括密封箱1，气压稳压泵18、气压表19、流量泵20、阀门Ⅰ21、阀门Ⅱ22、流量计Ⅰ23、流量计Ⅱ24和喷头25，数字监测系统、升降系统和盛样系统；其中，数字监测系统由电子天平2、数据线、电脑主机3及显示器组成；升降系统包括底座4，支架5，升降杆6，转轴7，旋转横杆8，电机9，凸轮10和轨道卡槽11；密封箱1的一侧面透明，且箱内设有底座4；底座4上分别设有电子天平2、固定连接有支架5；电子天平2通过数据线与电脑主机3连通；支架5上连接有升降杆6，升降杆6上端设有转轴7；转轴7处设有旋转横杆8，且旋转横杆8可围绕升降杆6的轴向自由旋转；旋转横杆8上分别设有轨道卡槽11、电机9；轨道卡槽11为对应的两个，且电机9位于两个轨道卡槽11之间；电机9上设有凸轮10；盛样系统由矩形方框12、固定杆13、刻度盘14、连接杆15、崩解盒16组成；矩形方框12一侧边上设有固定杆13；固定杆13的下部分别设有刻度盘14和连接杆15；该刻度盘14为半圆形刻度盘，且刻度盘14弧面上的刻度按照从90°渐变至0°，后再从0°渐变至90°的规律均匀设置；连接杆15的连接点位于半圆形刻度盘14的圆心处，且连接杆15相对于固定杆13可调节转动；连接杆15上固定连接有崩解盒16；矩形方框12卡在两个轨道卡槽11之间，且矩形方框12内侧设有凸轮10；电子天平2上部设有双格水槽17，该水槽17的一侧面透明；崩解盒16内放置试样，且崩解盒16置于水槽17内液面以下；气压稳压泵18与密封箱1连通，且气压稳压泵18与密封箱1之间的连接管上设有气压表19；其双格水槽17由中部设置的隔板26分隔而成为双格，且隔板26的高度低于水槽17外壁的高度；双格水槽17中的第一格水槽底部设有进水孔27，第二格水槽底部设有出水孔28，且第二格水槽内中部设有透水滤膜29；出水孔28与流量泵20连通；流量泵20分别与阀门Ⅰ21、阀门Ⅱ22连通；阀门Ⅰ21与流量计Ⅰ23连通，流量计Ⅰ23还与喷头25连通；阀门Ⅱ22与流量计Ⅱ24连通，流量计Ⅱ24还与进水孔27连通；崩解盒16设于第一格水槽内；其密封箱1设有密封盖30，且密封盖30的下部设有密封圈，密封盖30与密封箱1采用四个螺栓连接。此外，本例中的气压稳压泵18，还可增设常规的设智能电子调压稳压系统。

在应用本例中的多功能土壤崩解实验装置进行模拟测试时，它除了具有实施例1中的多功能土壤崩解实验装置的全部功能外，还可实现坡度条件、干湿循环条件、水压条件、水流冲刷条件、雨淋条件等单一条件或复合条件的模拟，以及多种模拟因素无规则切换。

例如，模拟水压条件时，先开启、调试并检测数据监测系统；后将密封箱1密封，再启动密封箱1外部的气压稳压泵18，调至一个固定压力，读取读数，稳定30分钟，观察气压泵稳压情况，泄压，启盖；然后在水槽17中注入适量体积水，将事先准备好的试样置于崩解盒16内，调至所需坡度，盖上密封盖30封闭密封箱1，加压至设计压力(用气压模拟实际水淹条件下的水压变化)，透过密封箱1透明的一侧观察试样浸没情况、崩解状态过程，并将数据实时传输到电脑中，分析并存储实时数据，直至完成土壤崩解的水压模拟试验。

模拟水流冲刷条件时，先开启、调试并检测数据监测系统；然后在水槽17中注入适量体积水，将事先准备好的试样置于崩解盒16内，调至所需坡度，启动流量泵20、阀门Ⅱ22，关闭阀门Ⅰ21，设定流速后开始实验，实验数据通过数据线实时传输到电脑中，分析并存储实时数据，直至完成土壤崩解的水流冲刷模拟试验。

模拟雨淋条件时，先开启、调试并检测数据监测系统；然后在水槽17中注入适量体积水，将事先准备好的试样置于崩解盒16内，调至所需坡度，启动流量泵20、阀门Ⅰ21、喷头25，关闭阀门Ⅱ22，并调节升降杆6到实验所需高度，设定流速后开始实验，实验数据通过数据线实时传输到电脑中，分析并存储实时数据，直至完成土壤崩解的水流冲刷模拟试验。其喷头25的水量大小通过流量泵20调节。

当同时模拟水流冲刷、雨淋条件时，则只需在模拟水流冲刷条件或者在模拟雨淋条件时，同时开启启动流量泵20、阀门Ⅰ21、阀门Ⅱ22和喷头25即可实现共同作用，而且雨淋和水流冲刷模拟也可随意切换。

不难看出本例中的多功能土壤崩解实验装置，不仅可以实现单一环境条件的模拟，还可以实现多因素共同影响条件的模拟，而且可以实现多种模拟因素无规则切换，使土壤崩解特性更接近真实值。

Claims

1.一种多功能土壤崩解实验装置，其特征在于：包括密封箱（1），数字监测系统、升降系统和盛样系统；所述数字监测系统由监测器（2）、数据线、电脑主机（3）及显示器组成；所述升降系统包括底座（4），支架（5），升降杆（6），转轴（7），旋转横杆（8），电机（9），凸轮（10）和轨道卡槽（11）；所述密封箱（1）的一侧面透明，且箱内设有所述底座（4）；所述底座（4）上分别设有所述监测器（2）、固定连接有所述支架（5）；所述监测器（2）通过数据线与所述电脑主机（3）连通；所述支架（5）上连接有升降杆（6），升降杆（6）上端设有转轴（7）；所述转轴（7）处设有所述旋转横杆（8），且旋转横杆（8）可围绕升降杆（6）的轴向自由旋转；所述旋转横杆（8）上分别设有轨道卡槽（11）、电机（9）；所述轨道卡槽（11）为对应的两个，且所述电机（9）位于两个轨道卡槽（11）之间；所述电机（9）上设有所述凸轮（10）；所述盛样系统由矩形方框（12）、固定杆（13）、刻度盘（14）、连接杆（15）、崩解盒（16）组成；所述矩形方框（12）一侧边上设有所述固定杆（13）；所述固定杆（13）的下部分别设有刻度盘（14）和连接杆（15）；所述连接杆（15）上设有所述崩解盒（16）；所述矩形方框（12）卡在两个轨道卡槽（11）之间，且矩形方框（12）内侧设有所述凸轮（10）；所述监测器（2）上部设有水槽（17），该水槽（17）的一侧面透明；所述崩解盒（16）内放置试样，且崩解盒（16）置于所述水槽（17）内液面以下。

2.如权利要求1所述多功能土壤崩解实验装置，其特征在于：它还包括有气压稳压泵（18）、气压表（19）；所述气压稳压泵（18）与所述密封箱（1）连通，且气压稳压泵（18）与密封箱（1）之间的连接管上设有所述气压表（19）。

3.如权利要求1或2所述多功能土壤崩解实验装置，其特征在于：它还包括有流量泵（20）、阀门Ⅰ（21）、阀门Ⅱ（22）、流量计Ⅰ（23）、流量计Ⅱ（24）和喷头（25）；所述水槽（17）为由中部设置的隔板（26）分隔而成的双格水槽，且其隔板（26）高度低于水槽（17）外壁高度；所述双格水槽中的第一格水槽底部设有进水孔（27），第二格水槽底部设有出水孔（28），且第二格水槽内中部设有透水滤膜（29）；所述出水孔（28）与所述流量泵（20）连通；所述流量泵（20）分别与所述阀门Ⅰ（21）、所述阀门Ⅱ（22）连通；所述阀门Ⅰ（21）与流量计Ⅰ（23）连通，流量计Ⅰ（23）还与喷头（25）连通；所述阀门Ⅱ（22）与流量计Ⅱ（24）连通，流量计Ⅱ（24）还与所述进水孔（27）连通；所述崩解盒（16）设于所述第一格水槽内。

4.如权利要求1或2所述多功能土壤崩解实验装置，其特征在于：所述监测器（2）为电子天平或者应力感应器；所述刻度盘（14）为半圆形刻度盘，且刻度盘（14）弧面上的刻度按照从90°渐变至0°，后再从0°渐变至90°的规律均匀设置；所述密封箱（1）设有密封盖（30），且密封盖（30）的下部设有密封圈，密封盖（30）与密封箱（1）采用螺栓连接，且连接螺栓不少于四个。

5.如权利要求3所述多功能土壤崩解实验装置，其特征在于：所述监测器（2）为电子天平或者应力感应器；所述刻度盘（14）为半圆形刻度盘，且刻度盘（14）弧面上的刻度按照从90°渐变至0°，后再从0°渐变至90°的规律均匀设置；所述密封箱（1）设有密封盖（30），且密封盖（30）的下部设有密封圈，密封盖（30）与密封箱（1）采用螺栓连接，且连接螺栓不少于四个。