CN108248904B - 一种均质饱和砂样制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种均质饱和砂样制备方法，包括以下步骤：将去除气体的水放入砂样容器中；通过调节砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离来调节砂样孔隙比；通过螺旋输送机均质采集砂砾，将采集的砂砾通过砂砾喷头放入砂样容器中。本发明通过均质采集砂砾，从而使得制备的砂样保持均质，本发明再通过去除水中的气体，使得在水中放入砂砾时，不会产生气泡，从而使得制备的砂砾饱和。
Description
技术领域
本发明涉及一种砂样制备方法，特别是一种均质饱和砂样制备方法。
背景技术
砂样制备装置通常是为了用来制备砂样研究实际施工环境的土壤性质，便于根据土壤性质做出相应的准备措施，提高突发情况的应急能力和保证施工的进程。但是现有砂样制备装置制备的砂样无法保证均质和饱和，这样就无法很好地反应实际土壤的性质，砂样无法实现均质是因为在采集砂砾的时候没有均质采集，砂样无法实现饱和的原因是因为采集以后的砂砾在泡入水中时，水中含有气体，使得制备的砂样产生气泡，无法饱和。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种均质饱和砂样制备方法，通过均质采集砂砾使得砂样均质，再通过去除水中的气体，使得砂砾泡入水中时不会产生气泡，从而使得砂样饱和。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：一种均质饱和砂样制备方法，包括以下步骤：
将去除气体的水放入砂样容器中；
通过调节砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离来调节砂样孔隙比；
通过螺旋输送机均质采集砂砾，将采集的砂砾通过砂砾喷头放入砂样容器中。
进一步，所述除气体水是将水中的气体去除后的水，这样可以防止砂砾放入水中时产生气泡，从而防止制备的砂样含有气泡，也可以使得制备的砂样更加饱和。
进一步，不同深度的土壤具有不同的孔隙比，这主要是因为不同深度的土壤层，其所承受的压力不同，通过调节砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离，从而调节砂砾的降落高度，砂砾的降落高度决定砂砾的降落速度，砂砾的降落速度决定砂砾着陆时对底下砂砾的冲击力，通过调节砂砾的着陆冲击力来模拟不同深度土壤层所承受的压力，从而形成该深度的砂砾孔隙比。
进一步，越深的土壤层，其所承受的压力越大，模拟所需的冲击力也就越大，砂砾的降落高度也就越高。
进一步，砂样容器下方设置有升降装置，砂砾喷头固定在螺旋输送机的出口，砂砾喷头伸入砂样容器中，砂样容器与升降装置固定在一起，通过升降装置调整砂样容器的高度，从而调整砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离。砂砾喷头是用于排出砂砾的一种出砂装置。
进一步，砂砾喷头的出砂面积与砂样容器的底面面积相同，确保砂砾喷头出砂的时候，砂砾可以均匀喷洒在砂样容器的底部。
进一步，孔隙比是指砂砾之间的空隙体积和砂砾体积的比值，砂砾受到的压力越大，其孔隙比越小。
进一步，砂砾放置于砂箱中，螺旋输送机安装在砂箱底部，砂箱设置有用于去除砂砾中气体的气体去除装置。砂箱设置有用于保持砂箱内干燥的干燥装置。
进一步，所述螺旋输送机包括螺旋轴和多个螺旋叶片，螺旋轴穿过螺旋叶片将所有螺旋叶片串连起来，相邻螺旋叶片与螺旋叶片之间形成用于运输砂砾的凹槽，螺旋输送设备入口的第1个凹槽的容积为1×N，螺旋输送设备入口的第A个凹槽的容积为A×N，N为第一个凹槽的容积。砂砾之所以无法均质采集是因为现有的螺旋输送设备的砂砾输送凹槽的容积均是一样的，使得只有第一凹槽上方的土壤被采集从而下降，其它凹槽上方的土壤并没有被采集，也没有下降的情况，之所以出现这种情况是因为所有凹槽的容积都一样，使得当第一凹槽内的砂砾传输到后面的凹槽时，后面的凹槽已经装满，无法接收来自上方的砂砾，因此只有第一凹槽上方的砂砾被采集，使得采集的砂砾无法均质。而本发明使得螺旋输送设备入口的第1个凹槽的容积为1×N，螺旋输送设备入口的第A个凹槽的容积为A×N，从而使得第一个凹槽只接收其上方下来的N砂砾，而第二个凹槽接收来自第一个凹槽的N砂砾和来自其上方的N砂砾，后面的凹槽依次类推，因此所有凹槽上方的土壤被均质采集，从而使得砂样均质。
进一步，螺旋叶片半径和螺旋轴半径满足以下关系式：
其中R为螺旋叶片半径，单位为米；r为螺旋轴半径单位为米；ν为存储箱内砂样的下落速度，单位为米/分；b为砂样存储箱的宽度，单位为米；l为以螺旋入口为参考点螺旋叶片当前的位置，单位为米；n为螺旋的转动速度，单位为转/分；t为螺旋的螺距，单位为米；R(l)为l位置处的螺旋叶片的半径，单位为米；r(l)为l点处的螺旋轴半径，单位为米。假定螺旋轴半径r(l)为常量r，则可以得出
此时螺旋轴半径不变，螺旋叶片越靠近螺旋输送机的出口，该螺旋叶片的半径越大。本发明通过数学模型对各种参数进行量化分析得出上述公式，利于螺旋输送机的设计和使用。
本发明一共有三种选择，第一种是固定螺旋轴的半径，改变螺旋叶片的半径；第二种是固定螺旋叶片的半径，改变螺旋轴的半径；第三种是同时改变螺旋叶片和螺旋轴的半径。本发明的公式推导如下：V(l)为螺旋输送机l位置处的输送量，V(l+Δl)为螺旋输送机l+Δl处的输送量。故
V(l+Δl)＝V(l)+ν·Δl·b (1)
将公式(1)整理后得出如下公式(2)，
公式(2)两边取极限后得，
由公式(3)可以推导出，
根据螺旋输送机的几何结构可以得出，
V(l)＝π·[R2(l)-r2(l)]·n·t (5)
由公式(4)、(5)可以得出，
假定螺旋轴半径r(l)为常量r，则公式(6)可转化为，
公式(7)变量分离后，变为公式(8)，
对公式(8)积分后可以推导出公式(9)
其中，R为螺旋叶片半径，单位为米；r为螺旋轴半径单位为米；ν为存储箱内砂样的下落速度，单位为米/分；b为砂样存储箱的宽度，单位为米；l为以螺旋入口为参考点螺旋叶片当前的位置，单位为米；n为螺旋的转动速度，单位为转/分；t为螺旋的螺距，单位为米；R(l)为l位置处的螺旋叶片的半径，单位为米；r(l)为l点处的螺旋轴半径，单位为米。公式(9)为固定螺旋轴半径以后推出的螺旋叶片半径的变化公式，也可以固定螺旋叶片半径由公式(6)推出螺旋轴半径的变化公式。砂砾放在存储箱中，螺旋输送机从存储箱中均质采集砂砾。
本发明的有益效果是：本发明是一种均质饱和砂样制备方法，本发明通过均质采集砂砾，从而使得制备的砂样保持均质，本发明再通过去除水中的气体，使得在水中放入砂砾时，不会产生气泡，从而使得制备的砂砾饱和。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的流程框图；
图2是螺旋输送机在存储箱中的结构示意图。
具体实施方式
图1是本发明的流程框图，图2是螺旋输送机在存储箱1中的结构示意图，如图1和图2所示，一种均质饱和砂样制备方法，包括以下步骤：
A，将去除气体的水放入砂样容器中；
B，通过调节砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离来调节砂样孔隙比；
C，通过螺旋输送机均质采集砂砾，将采集的砂砾通过砂砾喷头放入砂样容器中。
具体而言，本发明通过均质采集砂砾，从而使得制备的砂样保持均质，本发明再通过去除水中的气体，使得在水中放入砂砾时，不会产生气泡，从而使得制备的砂砾饱和。
具体而言，所述除气体水是将水中的气体去除后的水，这样可以防止砂砾放入水中时产生气泡，从而防止制备的砂样含有气泡，也可以使得制备的砂样更加饱和。不同深度的土壤具有不同的孔隙比，这主要是因为不同深度的土壤层，其所承受的压力不同，通过调节砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离，从而调节砂砾的降落高度，砂砾的降落高度决定砂砾的降落速度，砂砾的降落速度决定砂砾着陆时对底下砂砾的冲击力，通过调节砂砾的着陆冲击力来模拟不同深度土壤层所承受的压力，从而形成该深度的砂砾孔隙比。
具体而言，越深的土壤层，其所承受的压力越大，模拟所需的冲击力也就越大，砂砾的降落高度也就越高。砂样容器下方设置有升降装置，砂砾喷头固定在螺旋输送机的出口，砂砾喷头伸入砂样容器中，砂样容器与升降装置固定在一起，通过升降装置调整砂样容器的高度，从而调整砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离。砂砾喷头是用于排出砂砾的一种出砂装置。砂砾喷头的出砂面积与砂样容器的底面面积相同，确保砂砾喷头出砂的时候，砂砾可以均匀喷洒在砂样容器的底部。孔隙比是指砂砾之间的空隙体积和砂砾体积的比值，砂砾受到的压力越大，其孔隙比越小。砂砾放置于砂箱中，螺旋输送机安装在砂箱底部，砂箱设置有用于去除砂砾中气体的气体去除装置。砂箱设置有用于保持砂箱内干燥的干燥装置。
具体而言，所述螺旋输送机包括螺旋轴2和多个螺旋叶片3，螺旋轴2穿过螺旋叶片3将所有螺旋叶片3串连起来，相邻螺旋叶片3与螺旋叶片3之间形成用于运输砂砾的凹槽，螺旋输送设备入口的第1个凹槽的容积为1×N，螺旋输送设备入口的第A个凹槽的容积为A×N。砂砾之所以无法均质采集是因为现有的螺旋输送设备的砂砾输送凹槽的容积均是一样的，使得只有第一凹槽上方的土壤被采集从而下降，其它凹槽上方的土壤并没有被采集，也没有下降的情况，之所以出现这种情况是因为所有凹槽的容积都一样，使得当第一凹槽内的砂砾传输到后面的凹槽时，后面的凹槽已经装满，无法接收来自上方的砂砾，因此只有第一凹槽上方的砂砾被采集，使得采集的砂砾无法均质。而本发明使得螺旋输送设备入口的第1个凹槽的容积为1×N，螺旋输送设备入口的第A个凹槽的容积为A×N，N为第一个凹槽的容积，从而使得第一个凹槽只接收其上方下来的N砂砾，而第二个凹槽接收来自第一个凹槽的N砂砾和来自其上方的N砂砾，后面的凹槽依次类推，因此所有凹槽上方的土壤被均质采集，从而使得砂样均质。
具体而言，螺旋叶片3半径和螺旋轴2半径满足以下关系式：
其中R为螺旋叶片3半径，单位为米；r为螺旋轴2半径单位为米；ν为存储箱1内砂样的下落速度，单位为米/分；b为砂样存储箱1的宽度，单位为米；l为以螺旋入口为参考点螺旋叶片3当前的位置，单位为米；n为螺旋的转动速度，单位为转/分；t为螺旋的螺距，单位为米；R(l)为l位置处的螺旋叶片3的半径，单位为米；r(l)为l点处的螺旋轴2半径，单位为米。假定螺旋轴2半径r(l)为常量r，则可以得出
此时螺旋轴2半径不变，螺旋叶片3越靠近螺旋输送机的出口，该螺旋叶片3的半径越大。本发明通过数学模型对各种参数进行量化分析得出上述公式，利于螺旋输送机的设计和使用。
本发明一共有三种选择，第一种是固定螺旋轴2的半径，改变螺旋叶片3的半径；第二种是固定螺旋叶片3的半径，改变螺旋轴2的半径；第三种是同时改变螺旋叶片3和螺旋轴2的半径。本发明的公式推导如下：V(l)为螺旋输送机l位置处的输送量，V(l+Δl)为螺旋输送机l+Δl处的输送量。故
V(l+Δl)＝V(l)+ν·Δl·b (1)
将公式(1)整理后得出如下公式(2)，
公式(2)两边取极限后得，
由公式(3)可以推导出，
根据螺旋输送机的几何结构可以得出，
V(l)＝π·[R2(l)-r2(l)]·n·t (5)
由公式(4)、(5)可以得出，
假定螺旋轴2半径r(l)为常量r，则公式(6)可转化为，
公式(7)变量分离后，变为公式(8)，
对公式(8)积分后可以推导出公式(9)
其中，R为螺旋叶片3半径，单位为米；r为螺旋轴2半径单位为米；ν为存储箱1内砂样的下落速度，单位为米/分；b为砂样存储箱1的宽度，单位为米；l为以螺旋入口为参考点螺旋叶片3当前的位置，单位为米；n为螺旋的转动速度，单位为转/分；t为螺旋的螺距，单位为米；R(l)为l位置处的螺旋叶片3的半径，单位为米；r(l)为l点处的螺旋轴2半径，单位为米。公式(9)为固定螺旋轴2半径以后推出的螺旋叶片3半径的变化公式，也可以固定螺旋叶片3半径由公式(6)推出螺旋轴2半径的变化公式。砂砾放在存储箱1中，螺旋输送机从存储箱1中均质采集砂砾。
本发明的第一种实施例是通过改变螺旋叶片3的半径，固定螺旋轴2的半径来实现凹槽容积的调节。这种实施方案在实现均质采集砂砾的前提下，对原有设备的改造小、改造成本低、容易实施、不用担心对原有设备产生过多的影响。
本发明的第二种实施例是通过改变螺旋轴2的半径，固定螺旋叶片3的半径来实现凹槽容积的调节，由于螺旋叶片3的半径为螺旋输送机的采集半径，所以当螺旋叶片3的半径固定时，螺旋输送机的采集半径也就固定了。这样就可以将螺旋输送机的采集半径固定为最大采集半径，从而使得采集面积达到最大，而第一种实施方案由于其螺旋叶片3的半径不断改变，从而导致螺旋输送机的采集半径不断改变，因此其采集半径不可能维持最大，采集面积不可能维持最大。因此本发明的第二种实施方案与第一种实施方案相比不但提高了采集效率，而且进一步保证了砂砾采集均质。
本发明的第三种实施例是通过同时改变螺旋叶片3半径和螺旋轴2半径来实现凹槽容积的调节。第三种实施例可以有效中和第一种实施例和第二种实施例的优点和缺点，大大加强了螺旋输送机的实用性。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种均质饱和砂样制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将去除气体的水放入砂样容器中；
通过调节砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离来调节砂样孔隙比；
通过螺旋输送机均质采集砂砾，将采集的砂砾通过砂砾喷头放入砂样容器中；所述螺旋输送机包括螺旋轴和多个螺旋叶片，螺旋轴穿过螺旋叶片将所有螺旋叶片串连起来，相邻螺旋叶片与螺旋叶片之间形成用于运输砂砾的凹槽，螺旋输送设备入口的第1个凹槽的容积为1×N，螺旋输送设备入口的第A个凹槽的容积为A×N，N为第一个凹槽的容积；所述螺旋叶片半径和螺旋轴半径满足以下关系式：
其中R为螺旋叶片半径，单位为米；r为螺旋轴半径单位为米；ν为存储箱内砂样的下落速度，单位为米/分；b为砂样存储箱的宽度，单位为米；l为以螺旋入口为参考点螺旋叶片当前的位置，单位为米；n为螺旋的转动速度，单位为转/分；t为螺旋的螺距，单位为米；R(l)为l位置处的螺旋叶片的半径，单位为米；r(l)为l点处的螺旋轴半径，单位为米。
2.根据权利要求1所述的一种均质饱和砂样制备方法，其特征在于：通过调节砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离来调节砂砾的降落速度，进而调节砂砾着陆时对底下砂砾的冲击力，从而调节砂样的孔隙比。
3.根据权利要求2所述的一种均质饱和砂样制备方法，其特征在于：砂样容器下方设置有升降装置，砂砾喷头固定在螺旋输送机的出口，砂砾喷头伸入砂样容器中，砂样容器与升降装置固定在一起，通过升降装置调整砂样容器的高度，从而调整砂样容器的底部与砂砾喷头之间的距离。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种均质饱和砂样制备方法，其特征在于：砂砾喷头的出砂面积与砂样容器的底面面积相同。
5.根据权利要求1所述的一种均质饱和砂样制备方法，其特征在于：孔隙比是指砂砾之间的空隙体积和砂砾体积的比值，砂砾受到的压力越大，其孔隙比越小。
6.根据权利要求1所述的一种均质饱和砂样制备方法，其特征在于：当螺旋轴半径r(l)为常量r时，螺旋叶片半径和螺旋轴半径满足以下关系式
螺旋叶片越靠近螺旋输送机的出口，该螺旋叶片的半径越大。
7.根据权利要求1所述的一种均质饱和砂样制备方法，其特征在于：砂砾放置于砂箱中，螺旋输送机安装在砂箱底部，砂箱设置有用于去除砂砾中气体的气体去除装置。
8.根据权利要求7所述的一种均质饱和砂样制备方法，其特征在于：砂箱设置有用于保持砂箱内干燥的干燥装置。
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