CN108303303A - 一种可调节土样饱和程度的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调节土样饱和程度的装置，包括饱和容器、称重系统、压力喷雾系统以及与称重系统、压力喷雾系统无线相连的控制系统；称重系统设于饱和容器内，包括电子秤、与电子秤上端固接的支架和设于支架上端的透水板，透水板可相对支架所在轴旋转；压力喷雾系统包括设置于透水板一侧的雾化喷头以及与之相连通的导水软管、导气软管，雾化喷头设于导轨上，且可沿导轨上下移动定位，雾化喷头前端向透水板方向延伸有一角度可调的喷嘴，雾化喷头后端设有雾化度调节阀。本发明还提供了一种可调节土样饱和程度的装置的使用方法。本发明的优点在于：结构简单、使用方便、省时省力，且能在实现按需调节饱和度的基础上减小试验过程对试样的破坏。

Description

一种可调节土样饱和程度的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及土工试验领域，尤其涉及一种可调节土样饱和程度的装置及其使用方法。

背景技术

降雨以及水位变化对土体力学特性的影响是不可逆的，在实验室试验过程中，通常采用干湿循环的实验方法来模拟地表浅层、路堤、边坡以及库区堤坝承受由水位升降或降雨-蒸发过程引起的干湿循环的影响。干湿循环是指某种物质在反复干燥、湿润状态下进行某种指标的试验过程。研究干湿循环条件下土的力学特性无论对设计新的土工结构还是评价已有土工结构的安全稳定性都具有重要的现实意义。

例如，实验室采用“烘干-饱水-烘干”过程来近似模拟三峡库区消落带典型岩石受降雨以及库区水位反复升降引起库区消落带内的岩石往往处于干湿周期交替的状态，这种干湿周期交替作用(物理、化学、力学)比长期浸泡对岩石(体)的劣化要严重，属于“疲劳损伤”，是随循环次数累积性发展的(即每次效应并不显著，多次重复可使效应非线性累积增大)，直到达到边坡稳定的临界状态，促使地质灾害的发生。此外，干湿循环对于土体剪切特性、抗剪强度、临界循环应力和动强度等土力学特性都有一定的影响。

顾名思义，干湿循环需要经历干燥、饱和过程交替进行。目前，干燥过程有成熟、完善的操作方法以及装置，此过程可利用烘箱实现在不同温度、不同运行时间干燥到任意含水率的智能化控制。因此，干燥过程可精细化操作。然而，现阶段饱和的过程受试验装置限制往往不能满足广大研究人员根据试验需要进行精细化操作的需求，其表现出如下问题：

(1)中国专利CN201220526431.8，此土样饱和调节装置只有一个喷头从一个固定角度对土样进行喷水饱和，极易对试样表面产生冲刷作用，且不能实现喷洒均匀以及按需调节。

(2)中国专利201710100231.3，此装置虽可实现对三轴试样的饱和，但结构复杂，且需要连接的接口较多，步骤冗长，需要先进行二氧化碳的饱和，再更换为抽气换水饱和。

(3)现阶段的土样饱和过程主要是采用真空饱和法，操作方法如下：首先需要准备试样的饱和器，将装好试件的饱和器放入真空缸内，盖口涂一层凡士林，以防漏气；关闭阀门，开动抽气机，抽除缸内及土中气体；当真空压力达到-101.325(一个负大气压力值)后，稍微开启管夹，使清水从引水管徐徐注入真空缸内。在注水过程中，应调节管夹，使真空压力表上的数值基本上保持不变。待饱和器完全淹没水中后，即停止抽气，将引水管自水缸中抽出，令空气进入真空缸内，静待8h以上，借大气压力使试件饱和。该方法的缺点在于：

①整套真空饱和装置复杂

包括真空缸与抽气机，这两个装置包含多达3个开关；且真空缸与顶部盖子需要紧密连接，形成真空环境，这意味着需要凡士林等密封材料来涂抹连接处；抽气机需要定期更换机油来保证机器的正常运转。

②真空饱和过程复杂

首先需要将实验试样装入与之匹配的饱和器中；然后将饱和器放入真空缸，进入抽真空阶段，持续时间不小于1h；最后是注水过程，借大气压力试样饱和的时间不少于8h。

③真空饱和条件苛刻

抽气饱和需要与试样外形匹配的饱和器。饱和器能保证在注水过程中，空气压入的水柱不会冲坏试样，防止试样变形阻碍后续的试验正常进行。尤其对于异形的试样，例如抗拉试样，往往没有与之相匹配的饱和器来盛样，使得异形试样的饱和过程难以进行，一些列的干湿循环过程就无法实现。

④试验结果单一

本装置只能使试样完全饱和，并不能对试样的最终饱和度进行精确的控制。

⑤费时，费力

整个试验过程长达9个小时，对试验研究学者来说，饱和过程往往会影响后续实验的正常进行。费力：试验过程中需要人为的介入来注入水。这一系列的过程往往会导致试样抽取真空的时间以及试样泡水饱和的时间会因人为因素有些许不同，而初始条件不一样的试样组别往往会导致试验结果的较大出入，影响试验的精确。

据此，目前急需一种结构简单、使用方便、省时省力，且能在实现按需调节饱和度的基础上最大程度地减小试验过程对试样破坏的土样饱和度调节装置及其相应使用方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、使用方便、省时省力，且能在实现按需调节饱和度的基础上最大程度地减小试验过程对试样破坏的土样饱和度调节装置及其使用方法。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种可调节土样饱和程度的装置，包括饱和容器、称重系统、压力喷雾系统以及与称重系统、压力喷雾系统无线相连的控制系统；所述称重系统设置于饱和容器内，包括置于饱和容器底面的电子秤、与电子秤上端固接的支架以及设于支架上端且用于放置试样的透水板，透水板可相对支架所在轴旋转；所述压力喷雾系统包括设置于透水板一侧的雾化喷头以及与之相连通的导水软管、导气软管，雾化喷头设置于竖置的导轨上，且可沿导轨上下移动定位，雾化喷头前端向透水板方向延伸有一角度可调的喷嘴，雾化喷头后端则安装有雾化度调节阀。

作为本发明的优选方式之一，所述饱和容器具体为一开口向上的容器，饱和容器底面呈3°倾角坡面，饱和容器上端盖设有一顶端带有出气孔的圆锥形容器盖。

作为本发明的优选方式之一，所述坡面下端设有与外界连通的排水槽。

作为本发明的优选方式之一，所述支架具体为空心支架，支架的空腔内设有置物杆；所述置物杆向上延伸至透水板下端并与之固接，置物杆下端则继续延伸至与一电机的转轴相接；所述透水板可以置物杆所在轴线为旋转轴，于水平平面内旋转运动。

作为本发明的优选方式之一，所述透水板具有不同的尺寸和孔径规格。

作为本发明的优选方式之一，所述透水板具体为开有上下贯通开孔的圆板，所述圆板的尺寸规格具体为39.1mm直径、50mm直径或61.8mm直径，相应尺寸规格圆板上的开孔的孔径规格则分别对应为10mm直径、13mm直径、16mm直径。

作为本发明的优选方式之一，所述导水软管、导气软管分别呈螺旋形沿饱和容器四周内壁自下而上分布，且分布至靠近雾化喷头处则分别延伸出一支相应的转接导水软管、转接导气软管以连接雾化喷头；所述导水软管、导气软管的另一端则分别与导水管、导气管相连，且连接处还分别设有导水管电磁阀、导气管电磁阀。

作为本发明的优选方式之一，所述导水管依次连接液压调节器和液体压力表、液体过滤器以及液体开关阀，并在打开液体开关阀后与水箱相连通；所述导气管末端依次连通空气调节器和气体压力表、空气过滤器以及空气开关阀，并在打开空气开关阀后与外界大气相连通。

作为本发明的优选方式之一，所述导轨上的雾化喷头具体为三个，三个雾化喷头沿导轨上下依次竖直分布；所述雾化喷头上设有滑动圆槽口，喷嘴上设有上下贯通式滑动球，滑动圆槽口套设在滑动球上，使雾化喷头和喷嘴之间形成球绞连接。

作为本发明的优选方式之一，所述控制系统具体包括一带有显示屏与输入界面的控制器，所述控制器无线连接饱和容器内的称重系统、压力喷雾系统。

作为本发明的优选方式之一，所述控制器可单独调节最终质量以及实时显示试样质量，并具有清零、提示功能。

作为本发明的优选方式之一，所述饱和容器内设有彼此独立分隔的四个仓室，每个仓室内分别设有一个称重系统与压力喷雾系统；所述控制器无线连接饱和容器内的四个称重系统、四个导水管电磁阀以及四个导气管电磁阀。

一种可调节土样饱和程度的装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)准备压力喷雾系统

①打开压力喷雾系统中控制液体、空气的相应的液体开关阀、空气开关阀，并分别调节好对应的液压调节器、空气调节器及相应压力表；

②根据试验以及土样的形状初步调节每个雾化喷头的雾化程度，再对土样进行试喷，最后再对每个雾化喷头的雾化程度、高度以及角度进行二次精细调节；

(2)准备称重系统

①选择与试验土样下底面同样大小合适的透水板；

②通过控制系统控制清零电子秤，确认透水板可匀速自转，再将土样置于透水板上，并在控制系统的输入界面上设置目标质量；

(3)试验过程

①通过控制系统操作导水软管、导气软管处的导水管电磁阀、导气管电磁阀打开，并通过开启电机使称重系统开始自转，此时，雾化喷头开始对土样进行饱和湿润；

②土样的饱和湿润过程中，通过控制系统的显示屏对土样的质量进行实时监控，当目标质量与实时显示的质量的大小相等时，控制系统便自动关闭各电磁阀关闭相应雾化喷头；

(4)结束

当控制系统的显示屏显示的试样质量处于稳定状态，则整个喷雾饱和湿润过程结束，取出试样。

本发明相比现有技术的优点在于：

(1)结构简单、使用方便；

(2)本发明采用雾化喷头，不仅喷洒均匀，还以一种对试样的冲击力较小的方式使试样受水湿润，另外，透水板可实现自转保证试样侧面的受水均匀，下侧雾化喷头的水雾可经透水板的开孔对试样底部进行喷水湿润，保证了试样底部的受水均匀，可有效避免人力喷雾导致的试样受水面不均匀、喷水距离无法保证的缺陷；

(3)本发明的雾化喷头高度可调，喷嘴角度可调，雾化程度可调，对试样的适用性较高；可有效防止对试样外表面的冲刷，避免产生不可逆的损害；此外，精确的喷雾位置、方向结合较好的雾化效果，可保证试样在喷雾的过程中，水分依靠试样的吸力作用实时的渗入试样以保证试样的含水率尽可能的均匀，防止在试样表面产生水流，从而对试样的完整性造成影响；

(4)本发明采用自动称量系统，且通过控制系统实现对试样喷雾效果的实时监测，雾化喷头的自动启停功能可保证每个实验试样的一致性；

(5)本发明通过调整透水板的大小规格即可实现对任意外形试样的饱和；

(6)本发明的容器盖形状以及容器底面的倾角均有助于水流迅速排出；

(7)本发明的智能化程度高，全自动，试验过程不需要人为控制，只需提前计算好试样的最终质量，即可以在一定时间后得到相应含水率的试样，整体过程省时、省力。

附图说明

图1是实施例1中可调节土样饱和程度的装置的正视剖切结构示意图；

图2是实施例1中可调节土样饱和程度的装置的去容器盖后的俯视结构示意图；

图3是实施例1中称重系统的结构示意图；

图4是实施例1中容器盖的结构示意图；

图5是实施例1中压力喷雾系统的结构示意图。

图中：1为饱和容器，11为仓室，12为坡面，13为排水槽，14为容器盖，141为出气孔，2为称重系统，21为电子秤，22为支架，23为透水板，24为置物杆，3为压力喷雾系统，31为雾化喷头，311为喷嘴，312为雾化度调节阀，32为导水软管，321为导水管，322为导水管电磁阀，323为液压调节器，324为液体压力表，325为液体过滤器，326为液体开关阀，327为水箱，33为导气软管，331为导气管，332为导气管电磁阀，333为空气调节器，334为气体压力表，335为空气过滤器，336为空气开关阀，34为导轨，4为控制系统，41为控制器，42为显示屏，43为输入界面，5为试样。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1-5所示，本实施例的一种可调节土样饱和程度的装置，结构简单、使用方便，包括饱和容器1、称重系统2、压力喷雾系统3以及与称重系统2、压力喷雾系统3无线相连的控制系统4。

饱和容器1具体为一开口向上的容器，容器内部被隔板分隔为四个彼此独立的仓室11，其中，每个仓室11内均分别设有一个称重系统2与压力喷雾系统3；该饱和容器1的底面设计为一个呈3°倾角的坡面12，坡面12下端设有与外界连通的排水槽13，该底面的倾角设计利于水流经排水槽13排出装置外；此外，饱和容器1的上端还盖设有一容器盖14，容器盖14顶端带有出气孔141，隔板于仓室11内向上延伸至与容器盖14底面相抵接；为了便于在容器盖14上形成的水珠沿容器盖14流向容器壁，本实施例的容器盖14还进一步表现为圆锥形。

称重系统2设置于饱和容器1的每个仓室11内，包括置于饱和容器1底面的电子秤21、与电子秤21上端固接的支架22以及设于支架22上端且用于放置试样5的透水板23；其中，支架22具体为空心支架，支架22的空腔内设有置物杆24，置物杆24向上延伸至透水板23下端并与之固接，置物杆24下端则继续延伸至与一电机(图中未标示)的转轴相接；在电机的驱动下，透水板23可以置物杆24所在轴线为旋转轴实现自转；透水板23具体为开有上下贯通开孔的圆板，其具有不同的尺寸和孔径规格(透水板23的尺寸规格具体为39.1mm直径、50mm直径或61.8mm直径，相应尺寸规格透水板23上的开孔的孔径规格则分别对应为10mm直径、13mm直径、16mm直径)，通过调整透水板23的尺寸大小以及孔径规格可实现对任意外形试样5的饱和。

压力喷雾系统3同样设置于饱和容器1的每个仓室11内，包括设置于透水板23一侧的雾化喷头31以及与之相连通的导水软管32、导气软管33；导水软管32、导气软管33分别呈螺旋形沿饱和容器1四周内壁自下而上螺旋状分布，且分布至靠近雾化喷头31处则分别延伸出一支相应的转接导水软管(图中未标示)、转接导气软管(图中未标示)以连接雾化喷头31；导水软管32、导气软管33的另一端则分别与导水管321、导气管331相连，且连接处还分别设有导水管电磁阀322、导气管电磁阀332；进一步地，导水管321再依次连接液压调节器323和液体压力表324、液体过滤器325和液体开关阀326，并在打开液体开关阀326后与水箱327相连通；导气管331末端则依次连通空气调节器333和气体压力表334、空气过滤器335和空气开关阀336，并在打开空气开关阀336后与外界大气相连通。

每个仓室内11的雾化喷头31具体为三个，三个雾化喷头31沿竖置的导轨34上下依次分布，且三者均可沿导轨34上下移动定位，雾化喷头31的前端向透水板23方向延伸有一角度可调的喷嘴311，雾化喷头31后端则安装有雾化度调节阀312；其中，雾化喷头31上设有滑动圆槽口(图中未标示)，喷嘴311上设有上下贯通式滑动球(图中未标示)，滑动圆槽口套设在滑动球上，使雾化喷头31和喷嘴311之间形成球绞连接。

控制系4具体包括一带有显示屏42与输入界面43的控制器41，控制器41无线连接饱和容器1内的四个称重系统2、四个导水管电磁阀322以及四个导气管电磁阀332，其中，显示屏42用以显示称重系统2中电子秤21的显示结果，输入界面43用以输入预期的土样最终目标质量以及开关电磁阀的指示，因此，该控制器41可单独调节试样5最终质量、实时显示试样5质量以及操作电磁阀开关；此外，该控制器41还具有清零、提示功能，同时能自动执行以下指令：当显示屏42显示的试样5的实时质量与预先设置的最终目标质量的大小相等时，自动调节电磁阀关闭相应仓室11的三个雾化喷头31。

本装置的使用方法：

(1)准备压力喷雾系统3

①打开压力喷雾系统3中控制液体、空气的相应的液体开关阀326、空气开关阀336，并分别调节好对应的液压调节器323、空气调节器333及相应压力表(液体压力表324、气体压力表334)；

②根据试验以及土样的形状初步调节每个雾化喷头31的雾化程度，再对土样进行试喷，最后再对每个雾化喷头31的雾化程度、高度以及角度(调节各个仓室11内相应的三个雾化喷头31的高度、角度，使其分别指向试样5的上、中、下三个位置)进行二次精细调节；

(2)准备称重系统2

①选择与试验土样下底面同样大小合适的透水板23；

②通过控制系统4控制清零电子秤21，确认透水板23可匀速自转，再将土样置于透水板23上，并在控制系统4的输入界面43上设置目标质量；

(3)试验过程

①通过控制系统4操作导水管电磁阀322、导气管电磁阀332打开，并通过开启电机使称重系统2开始自转，此时，雾化喷头31开始对土样进行饱和湿润；

②土样的饱和湿润过程中，通过控制系统4的显示屏42对土样的质量进行实时监控，当目标质量与实时显示的质量的大小相等时，控制系统4便自动关闭各电磁阀关闭相应雾化喷头31；

(4)结束

当控制系统4的显示屏42显示的试样质量处于稳定状态，则整个喷雾饱和湿润过程结束，取出试样5。

本实施例装置的有益之处在于：

(1)结构简单、使用方便；

(2)采用雾化喷头31，不仅喷洒均匀，还以一种对试样5的冲击力较小的方式使试样5受水湿润，另外，透水板23可实现自转保证试样5侧面的受水均匀，下侧雾化喷头31的水雾可经透水板23的开孔对试样5底部进行喷水湿润，保证了试样5底部的受水均匀，可有效避免人力喷雾导致的试样5受水面不均匀、喷水距离无法保证的缺陷；

(3)本装置的雾化喷头31高度可调，喷嘴311角度可调，雾化程度可调，对试样5的适用性较高；可有效防止对试样5外表面的冲刷，避免产生不可逆的损害；此外，精确的喷雾位置、方向结合较好的雾化效果，可保证试样5在喷雾的过程中，水分依靠试样5的吸力作用实时的渗入试样5以保证试样5的含水率尽可能的均匀，防止在试样5表面产生水流，从而对试样5的完整性造成影响；

(4)采用自动称量系统，且通过控制系统4实现对试样5喷雾效果的实时监测，雾化喷头31的自动启停功能可保证每个实验试样5的一致性；

(5)本装置通过调整透水板23的大小规格即可实现对任意外形试样5的饱和；

(6)本装置的容器盖14形状以及容器底面的倾角均有助于水流迅速排出；

(7)本装置智能化程度高，全自动，试验过程不需要人为控制，只需提前计算好试样5的最终质量，即可以在一定时间后得到相应含水率的试样5，整体过程省时、省力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调节土样饱和程度的装置，其特征在于，包括饱和容器、称重系统、压力喷雾系统以及与称重系统、压力喷雾系统无线相连的控制系统；所述称重系统设置于饱和容器内，包括置于饱和容器底面的电子秤、与电子秤上端固接的支架以及设于支架上端且用于放置试样的透水板，透水板可相对支架所在轴旋转；所述压力喷雾系统包括设置于透水板一侧的雾化喷头以及与之相连通的导水软管、导气软管，雾化喷头设置于竖置的导轨上，且可沿导轨上下移动定位，雾化喷头前端向透水板方向延伸有一角度可调的喷嘴，雾化喷头后端则安装有雾化度调节阀。

2.根据权利要求1所述的可调节土样饱和程度的装置，其特征在于，所述饱和容器具体为一开口向上的容器，饱和容器底面呈3°倾角坡面，饱和容器上端盖设有一顶端带有出气孔的圆锥形容器盖。

3.根据权利要求2所述的可调节土样饱和程度的装置，其特征在于，所述坡面下端设有与外界连通的排水槽。

4.根据权利要求1所述的可调节土样饱和程度的装置，其特征在于，所述支架具体为空心支架，支架的空腔内设有置物杆；所述置物杆向上延伸至透水板下端并与之固接，置物杆下端则继续延伸至与一电机的转轴相接；所述透水板可以置物杆所在轴线为旋转轴，于水平平面内旋转运动。

5.根据权利要求1所述的可调节土样饱和程度的装置，其特征在于，所述导水软管、导气软管分别呈螺旋形沿饱和容器四周内壁自下而上分布，且分布至靠近雾化喷头处则分别延伸出一支相应的转接导水软管、转接导气软管以连接雾化喷头；所述导水软管、导气软管的另一端则分别与导水管、导气管相连，且连接处还分别设有导水管电磁阀、导气管电磁阀。

6.根据权利要求5所述的可调节土样饱和程度的装置，其特征在于，所述导水管依次连接液压调节器和液体压力表、液体过滤器以及液体开关阀，并在打开液体开关阀后与水箱相连通；所述导气管末端依次连通空气调节器和气体压力表、空气过滤器以及空气开关阀，并在打开空气开关阀后与外界大气相连通。

7.根据权利要求1所述的可调节土样饱和程度的装置，其特征在于，所述导轨上的雾化喷头具体为三个，三个雾化喷头沿导轨上下依次竖直分布；所述雾化喷头上设有滑动圆槽口，喷嘴上设有上下贯通式滑动球，滑动圆槽口套设在滑动球上，使雾化喷头和喷嘴之间形成球绞连接。

8.根据权利要求1所述的可调节土样饱和程度的装置，其特征在于，所述控制系统具体包括一带有显示屏与输入界面的控制器，所述控制器无线连接饱和容器内的称重系统、压力喷雾系统。

9.根据权利要求5所述的可调节土样饱和程度的装置，其特征在于，所述饱和容器内设有彼此独立分隔的四个仓室，每个仓室内分别设有一个称重系统与压力喷雾系统；所述控制器无线连接饱和容器内的四个称重系统、四个导水管电磁阀以及四个导气管电磁阀。

10.根据权利要求1-9任一项所述的可调节土样饱和程度的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)准备压力喷雾系统

①打开压力喷雾系统中控制液体、空气的相应的液体开关阀、空气开关阀，并分别调节好对应的液压调节器、空气调节器及相应压力表；

②根据试验以及土样的形状初步调节每个雾化喷头的雾化程度，再对土样进行试喷，最后再对每个雾化喷头的雾化程度、高度以及角度进行二次精细调节；

(2)准备称重系统

①选择与试验土样下底面同样大小合适的透水板；

②通过控制系统控制清零电子秤，确认透水板可匀速自转，再将土样置于透水板上，并在控制系统的输入界面上设置目标质量；

(3)试验过程

①通过控制系统操作导水软管、导气软管处的导水管电磁阀、导气管电磁阀打开，并通过开启电机使称重系统开始自转，此时，雾化喷头开始对土样进行饱和湿润；

②土样的饱和湿润过程中，通过控制系统的显示屏对土样的质量进行实时监控，当目标质量与实时显示的质量的大小相等时，控制系统便自动关闭各电磁阀关闭相应雾化喷头；

(4)结束

当控制系统的显示屏显示的试样质量处于稳定状态，则整个喷雾饱和湿润过程结束，取出试样。