CN108689444A - 一种土工模型试验大量无气水快速制备装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土工模型试验大量无气水快速制备装置及其制备方法，该装置包括无气水制备主体和抽真空部分；无气水制备主体包括无气水制备罐体、加热底座、带搅拌的顶盖；抽真空部分包括抽真空中转装置和带真空压力控制阀的真空泵；本发明采用带搅拌的顶盖，在加热过程中对无气水制备罐体内水进行搅拌，有利于对水进行均匀加热及水中气体快速排出，在停止加热后继续搅拌，提高水体的降温效率；抽真空中转装置向无气水制备罐体内提供稳定的负压环境并防止空气进入无气水制备罐体；本发明通过加热底座、搅拌器和带真空压力控制阀的真空泵协同作用，对无气水制备罐体内水进行负压条件下的搅拌和加热，有效地实现大体量无气水的高效、快速制备。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程的室内土工模型试验技术领域，尤其涉及一种土工模型试验大量无气水快速制备装置及其制备方法。
背景技术
室内土工模型试验是按照原型岩土工程根据一定比尺设计的模型上进行的试验，是岩土工程领域中一种重要的研究手段，主要用于检验各类理论分析和数值计算的结果，以及指导实际工程的设计和施工。
当前大量的室内土工模型试验涉及地下水问题，一般认为地下水位以下的土体是饱和的，理论上应对室内土工模型试验中地下水位以下的试验土体进行饱和处理。
已有的研究表明，饱和土相关的室内土工模型试验中土体的饱和性对试验测试结果具有重要影响，当地下水位以下土体中存在气泡时，特别在孔隙水压力传感器周围的气泡，将直接影响孔隙水压力传感器读数的准确性。事实上，向土工模型试验箱中待饱和的土体通入无气水进行饱和，一方面向室内土工模型试验土体通入无气水可直接提高试验土体的饱和度，避免天然水中气泡对孔隙水压力传感器测试结果的影响；另一方面无气水具有较好的气体溶解性，当无气水经过土颗粒间孔隙时可带走土体中的微小气泡，能有效地避免试验土体中出现水包气的现象。由此可见，采用无气水对试验土体进行饱和的方法既能显著提高试验土体的饱和效率，也能最大程度地提高试验土体的饱和度。
然而，由于现有的土工(单元体)试验无气水制备量一般为几升～十几升，无法满足土工模型试验(例如离心机或常重力模型试验)土体饱和所需的大体量(几十升～上千升)无气水的持续快速供应，仍无法实现通过无气水对室内土工模型试验的土体进行充分饱和。因此，亟需研发适用于土工模型试验饱和所需的大量无气水高效制备装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种土工模型试验大量无气水快速制备装置及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种土工模型试验大量无气水快速制备装置，包括无气水制备主体和抽真空部分；所述无气水制备主体包括无气水制备罐体、加热底座、带搅拌的顶盖；所述无气水制备罐体置于加热底座上；所述带搅拌的顶盖置于无气水制备罐体上方，通过橡胶圈密封连接；所述带搅拌的顶盖安装有搅拌器、电机、进水/气阀门和出气阀门；所述无气水制备罐体底部安装有出水阀门；所述无气水制备罐体、加热底座和带搅拌的顶盖通过拉杆紧密连接；
所述抽真空部分包括抽真空中转装置和带真空压力控制阀的真空泵；所述抽真空中转装置包括有机玻璃圆筒、有机玻璃底座、进气/进水阀、负压表、盖帽、抽真空阀门、通气口；所述有机玻璃圆筒通过橡皮圈与盖帽密封连接；所述有机玻璃圆筒的底部与有机玻璃底座连接，有机玻璃底座安装有进气/进水阀和负压表；进气/进水阀通过气管连接带搅拌的顶盖的出气阀门；所述盖帽上具有通气口并设置有抽真空阀门，通过通气口连接真空泵。
进一步地，所述无气水制备罐体、带搅拌的顶盖和拉杆为不锈钢材质；所述无气水制备罐体的容积根据土工模型试验所需无气水的体量确定。
进一步地，所述无气水制备罐体与加热底座采用固定连接；采用四个拉杆，四个拉杆一端固定于加热底座，另一端分别穿过带搅拌的顶盖四个角点处的螺栓孔，并通过螺栓对称地安装固定。
进一步地，所述带搅拌的顶盖与搅拌器、电机为密封连接；所述搅拌器的叶片安装于1/2无气水制备罐体高度处；所述搅拌器和电机采用耐高温耐腐蚀材质。
一种土工模型试验大量无气水快速制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将拉杆穿过带搅拌的顶盖四个角点上的螺栓孔后，把带搅拌的顶盖水平地固定在加热底座上的无气水制备罐体的顶部，通过橡胶圈将带搅拌的顶盖与无气水制备罐体密封连接，并通过拧紧拉杆上的螺栓将无气水制备罐体、加热底座和带搅拌的顶盖紧密连接；
(2)打开进水/气阀门和出气阀门，关闭出水阀门，通过进水/气阀门向无气水制备罐体内注水；待注水完成后，关闭进水/气阀门；
(3)通过气管连接无气水制备主体顶部的出气阀门和抽真空中转装置底部的进气/进水阀，再将抽真空中转装置顶部的通气口与带真空压力控制阀的真空泵连接；在有机玻璃圆筒内注入无气水后，通过橡皮圈将有机玻璃圆筒与盖帽密封连接；将真空压力控制阀关闭，打开进气/进水阀、抽真空阀门；打开带真空压力控制阀的真空泵，调节真空压力控制阀保持-50kPa负压向无气水制备罐体抽真空；而后，打开加热底座的加热开关，打开电机开关启动搅拌器，对无气水制备罐体内的水进行负压条件下的搅拌加热；
(4)待无气水制备罐体内水沸腾5min后，关闭加热底座的加热开关，动态调节真空压力控制阀使得带真空压力控制阀的真空泵保持-60kPa负压，协同搅拌器继续工作；
(5)待无气水制备罐体内水的温度降至常温时，关闭电机开关，搅拌器停止工作，关闭出气阀门后，关闭带真空压力控制阀的真空泵和进气/进水阀，无气水制备罐体内的无气水制备完成；
(6)取用无气水制备罐体内的无气水时，打开进水/气阀门，通过无气水制备罐体底部的出水阀门排出制备完成的无气水。
进一步地，向所述无气水制备罐体内注水后的水位线应高于搅拌器叶片，且低于最高水位线。
进一步地，所述无气水制备罐体的外壁1/2罐体高度处设有温度计，用于读取加热和冷却过程中罐体(水)的温度；所述无气水制备罐体内水加热至沸腾的判别标准为：无气水制备罐体外壁温度计的示数恒定不变。
进一步地，所述无气水制备罐体内制备完成的无气水可随用随取，通过关闭进水/气阀门和出水阀门可将剩余待用无气水直接储存于无气水制备罐体内。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明中采用加热底座对无气水制备罐体内水进行加热直至煮沸，由于水温越高气体的溶解度越低，同时沸腾后无气水制备罐体内水体剧烈扰动，溶解在水中的气体能够有效排除。因此，对无气水制备罐体内水加热直至沸腾将有利于水中气体的快速排出，有效地提高无气水的制备效率；
2、本发明中搅拌器的叶片设置于1/2无气水制备罐体高度处，在无气水制备过程中对无气水制备罐体内水进行持续搅拌，具有如下优点：(1)在加热过程中，对无气水制备罐体内水进行搅拌，有利于无气水制备罐体内大体量的水均匀受热，避免受热不均的危害，并提高加热效率；(2)在停止加热后，对无气水制备罐体内水继续搅拌，一方面对无气水制备罐体内水体进行扰动，有助于水中气体的持续排出，另一方面有利于无气水制备罐体内水体均匀散热，在一定程度上提高水体的降温效率。
3、本发明中采用带真空压力控制阀的真空泵在无气水制备过程中对无气水制备罐体进行持续抽真空，具有如下优点：(1)在加热过程中，对无气水制备罐体内水进行抽真空，一方面，负压环境有利于无气水制备罐体内水中气体的排出；另一方面，负压条件下无气水制备罐体内加热的水能够快速沸腾，提高无气水的制备效率；(2)在停止加热后，对无气水制备罐体内水继续抽真空使得无气水制备罐体内水中气体的持续排出，避免降温过程中空气重新溶解于无气水制备罐体内水中以及抽真空中转装置有机玻璃圆筒内的无气水倒流入无气水制备罐体内，同时抽真空带走高温水汽，提高无气水的制备效率和水体的降温效率。
4、本发明中加热底座、搅拌器和带真空压力控制阀的真空泵协同作用，对无气水制备罐体内水进行负压条件下的搅拌和加热，有效地实现大体量无气水的高效、快速制备，较之传统土工(单元体)试验制备几升～十几升的无气水需要24h以上，具有显著优势。
5、本发明中无气水制备罐体的外壁1/2罐体高度处设有温度计，不仅可在无气水制备过程中测定无气水制备罐体内水的温度，还能用于高温预警，避免实验人员高温灼伤。
6、本发明中抽真空中转装置有助于向无气水制备罐体内提供稳定的负压环境并防止空气进入无气水制备罐体，同时，避免加热后的高温水汽直接进入并损伤真空压力控制阀和真空泵，在一定程度上对真空压力控制阀和真空泵起到保护作用。
7、本发明中的无气水制备罐体的容积、加热底座的功率、搅拌器的叶片尺寸、电机的功率、抽真空中转装置的尺寸和真空泵的功率根据土工模型试验所需无气水的制备量和制备速度确定，具有通用性，装置简洁、易于实现。
附图说明
图1是本发明土工模型试验大量无气水快速制备装置示意图；
图2(a)是带搅拌器的顶盖示意图；
图2(b)是带搅拌的顶盖俯视图；
图3(a)是抽真空中转装置的分解示意图；
图3(b)是抽真空中转装置的正视图；
图3(c)是抽真空中转装置的俯视图；
图中：无气水制备主体1、无气水制备罐体1-1、加热底座1-2、带搅拌的顶盖1-3、搅拌器1-4、电机1-5、进水/气阀门1-6、出气阀门1-7、出水阀门1-8、拉杆1-9、气管1-10、抽真空中转装置2、有机玻璃圆筒2-1、有机玻璃底座2-2、进气/进水阀2-3、负压表2-4、盖帽2-5、抽真空阀门2-6、通气口2-7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种土工模型试验大量无气水快速制备装置，包括无气水制备主体1和抽真空部分；所述无气水制备主体1包括无气水制备罐体1-1、加热底座1-2、带搅拌的顶盖1-3；所述无气水制备罐体1-1置于加热底座1-2上；所述带搅拌的顶盖1-3置于无气水制备罐体1-1上方，通过橡胶圈密封连接；所述带搅拌的顶盖1-3安装有搅拌器1-4、电机1-5、进水/气阀门1-6和出气阀门1-7；所述无气水制备罐体1-1底部安装有出水阀门1-8；所述无气水制备罐体1-1、加热底座1-2和带搅拌的顶盖1-3通过拉杆1-9紧密连接；带搅拌的顶盖1-3的具体结构如图2(a)、图2(b)所示。
所述抽真空部分包括抽真空中转装置2和带真空压力控制阀的真空泵；所述抽真空中转装置2包括有机玻璃圆筒2-1、有机玻璃底座2-2、进气/进水阀2-3、负压表2-4、盖帽2-5、抽真空阀门2-6、通气口2-7；所述有机玻璃圆筒2-1通过橡皮圈与盖帽2-5密封连接；所述有机玻璃圆筒2-1的底部与有机玻璃底座2-2连接，有机玻璃底座2-2安装有进气/进水阀2-3和负压表2-4；进气/进水阀2-3通过气管1-10连接带搅拌的顶盖1-3的出气阀门1-7；所述盖帽2-5上具有通气口2-7并设置有抽真空阀门2-6，通过通气口2-7连接真空泵；真空中转装置2的具体结构如图3(a)-图3(c)所示。
进一步地，所述无气水制备罐体1-1、带搅拌的顶盖1-3和拉杆1-9为不锈钢材质；所述无气水制备罐体1-1的容积根据土工模型试验所需无气水的体量确定。
进一步地，所述无气水制备罐体1-1与加热底座1-2采用固定连接；采用四个拉杆1-9，四个拉杆1-9一端固定于加热底座1-2，另一端分别穿过带搅拌的顶盖1-3四个角点处的螺栓孔，并通过螺栓对称地安装固定。
进一步地，所述带搅拌的顶盖1-3与搅拌器1-4、电机1-5为密封连接；所述搅拌器1-4的叶片安装于1/2无气水制备罐体1-1高度处；所述搅拌器1-4和电机1-5采用耐高温耐腐蚀材质。
一种土工模型试验大量无气水快速制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将拉杆1-9穿过带搅拌的顶盖1-3四个角点上的螺栓孔后，把带搅拌的顶盖1-3水平地固定在加热底座1-2上的无气水制备罐体1-1的顶部，通过橡胶圈将带搅拌的顶盖1-3与无气水制备罐体1-1密封连接，并通过拧紧拉杆1-9上的螺栓将无气水制备罐体1-1、加热底座1-2和带搅拌的顶盖1-3紧密连接；
(2)打开进水/气阀门1-6和出气阀门1-7，关闭出水阀门1-8，通过进水/气阀门1-6向无气水制备罐体1-1内注水；待注水完成后，关闭进水/气阀门1-6；
(3)通过气管1-10连接无气水制备主体1顶部的出气阀门1-7和抽真空中转装置2底部的进气/进水阀2-3，再将抽真空中转装置2顶部的通气口2-7与带真空压力控制阀的真空泵连接；在有机玻璃圆筒2-1内注入无气水后，通过橡皮圈将有机玻璃圆筒2-1与盖帽2-5密封连接；将真空压力控制阀关闭，打开进气/进水阀2-3、抽真空阀门2-6；打开带真空压力控制阀的真空泵，调节真空压力控制阀保持-50kPa负压向无气水制备罐体1-1抽真空；而后，打开加热底座1-2的加热开关，打开电机1-5开关启动搅拌器1-4，对无气水制备罐体1-1内的水进行负压条件下的搅拌加热；
(4)待无气水制备罐体1-1内水沸腾5min后，关闭加热底座1-2的加热开关，动态调节真空压力控制阀使得带真空压力控制阀的真空泵保持-60kPa负压，协同搅拌器1-4继续工作；
(5)待无气水制备罐体1-1内水的温度降至常温时，关闭电机1-5开关，搅拌器1-4停止工作，关闭出气阀门1-7后，关闭带真空压力控制阀的真空泵和进气/进水阀2-3，无气水制备罐体1-1内的无气水制备完成；
(6)取用无气水制备罐体1-1内的无气水时，打开进水/气阀门1-6，通过无气水制备罐体1-1底部的出水阀门1-8排出制备完成的无气水。
进一步地，向所述无气水制备罐体1-1内注水后的水位线应高于搅拌器1-4叶片，且低于最高水位线。
进一步地，所述无气水制备罐体1-1的外壁1/2罐体高度处设有温度计，用于读取加热和冷却过程中罐体(水)的温度；所述无气水制备罐体1-1内水加热至沸腾的判别标准为：无气水制备罐体1-1外壁温度计的示数恒定不变。
进一步地，所述无气水制备罐体1-1内制备完成的无气水可随用随取，通过关闭进水/气阀门1-6和出水阀门1-8可将剩余待用无气水直接储存于无气水制备罐体1-1内。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种土工模型试验大量无气水快速制备装置，其特征在于：包括无气水制备主体(1)和抽真空部分；所述无气水制备主体(1)包括无气水制备罐体(1-1)、加热底座(1-2)、带搅拌的顶盖(1-3)；所述无气水制备罐体(1-1)置于加热底座(1-2)上；所述带搅拌的顶盖(1-3)置于无气水制备罐体(1-1)上方，通过橡胶圈密封连接；所述带搅拌的顶盖(1-3)安装有搅拌器(1-4)、电机(1-5)、进水/气阀门(1-6)和出气阀门(1-7)；所述无气水制备罐体(1-1)底部安装有出水阀门(1-8)；所述无气水制备罐体(1-1)、加热底座(1-2)和带搅拌的顶盖(1-3)通过拉杆(1-9)紧密连接；
所述抽真空部分包括抽真空中转装置(2)和带真空压力控制阀的真空泵；所述抽真空中转装置(2)包括有机玻璃圆筒(2-1)、有机玻璃底座(2-2)、进气/进水阀(2-3)、负压表(2-4)、盖帽(2-5)、抽真空阀门(2-6)、通气口(2-7)；所述有机玻璃圆筒(2-1)通过橡皮圈与盖帽(2-5)密封连接；所述有机玻璃圆筒(2-1)的底部与有机玻璃底座(2-2)连接，有机玻璃底座(2-2)安装有进气/进水阀(2-3)和负压表(2-4)；进气/进水阀(2-3)通过气管(1-1)(0)连接带搅拌的顶盖(1-3)的出气阀门(1-7)；所述盖帽(2-5)上具有通气口(2-7)并设置有抽真空阀门(2-6)，通过通气口(2-7)连接真空泵。
2.根据权利要求1所述的一种土工模型试验大量无气水快速制备装置，其特征在于：所述无气水制备罐体(1-1)、带搅拌的顶盖(1-3)和拉杆(1-9)为不锈钢材质；所述无气水制备罐体(1-1)的容积根据土工模型试验所需无气水的体量确定。
3.根据权利要求1所述的一种土工模型试验大量无气水快速制备装置，其特征在于：所述无气水制备罐体(1-1)与加热底座(1-2)采用固定连接；采用四个拉杆(1-9)，四个拉杆(1-9)一端固定于加热底座(1-2)，另一端分别穿过带搅拌的顶盖(1-3)四个角点处的螺栓孔，并通过螺栓对称地安装固定。
4.根据权利要求1所述的一种土工模型试验大量无气水快速制备装置，其特征在于：所述带搅拌的顶盖(1-3)与搅拌器(1-4)、电机(1-5)为密封连接；所述搅拌器(1-4)的叶片安装于1/2无气水制备罐体(1-1)高度处；所述搅拌器(1-4)和电机(1-5)采用耐高温耐腐蚀材质。
5.一种土工模型试验大量无气水快速制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将拉杆(1-9)穿过带搅拌的顶盖(1-3)四个角点上的螺栓孔后，把带搅拌的顶盖(1-3)水平地固定在加热底座(1-2)上的无气水制备罐体(1-1)的顶部，通过橡胶圈将带搅拌的顶盖(1-3)与无气水制备罐体(1-1)密封连接，并通过拧紧拉杆(1-9)上的螺栓将无气水制备罐体(1-1)、加热底座(1-2)和带搅拌的顶盖(1-3)紧密连接；
(2)打开进水/气阀门(1-6)和出气阀门(1-7)，关闭出水阀门(1-8)，通过进水/气阀门(1-6)向无气水制备罐体(1-1)内注水；待注水完成后，关闭进水/气阀门(1-6)；
(3)通过气管(1-10)连接无气水制备主体(1)顶部的出气阀门(1-7)和抽真空中转装置(2)底部的进气/进水阀(2-3)，再将抽真空中转装置(2)顶部的通气口(2-7)与带真空压力控制阀的真空泵连接；在有机玻璃圆筒(2-1)内注入无气水后，通过橡皮圈将有机玻璃圆筒(2-1)与盖帽(2-5)密封连接；将真空压力控制阀关闭，打开进气/进水阀(2-3)、抽真空阀门(2-6)；打开带真空压力控制阀的真空泵，调节真空压力控制阀保持-50kPa负压向无气水制备罐体(1-1)抽真空；而后，打开加热底座(1-2)的加热开关，打开电机(1-5)开关启动搅拌器(1-4)，对无气水制备罐体(1-1)内的水进行负压条件下的搅拌加热；
(4)待无气水制备罐体(1-1)内水沸腾5min后，关闭加热底座(1-2)的加热开关，动态调节真空压力控制阀使得带真空压力控制阀的真空泵保持-60kPa负压，协同搅拌器(1-4)继续工作；
(5)待无气水制备罐体(1-1)内水的温度降至常温时，关闭电机(1-5)开关，搅拌器(1-4)停止工作，关闭出气阀门(1-7)后，关闭带真空压力控制阀的真空泵和进气/进水阀(2-3)，无气水制备罐体(1-1)内的无气水制备完成；
(6)取用无气水制备罐体(1-1)内的无气水时，打开进水/气阀门(1-6)，通过无气水制备罐体(1-1)底部的出水阀门(1-8)排出制备完成的无气水。
6.根据权利要求5所述的一种土工模型试验大量无气水快速制备方法，其特征在于：向所述无气水制备罐体(1-1)内注水后的水位线应高于搅拌器(1-4)叶片，且低于最高水位线。
7.根据权利要求5所述的一种土工模型试验大量无气水快速制备方法，其特征在于：所述无气水制备罐体(1-1)的外壁1/2罐体高度处设有温度计，用于读取加热和冷却过程中罐体的温度；所述无气水制备罐体(1-1)内水加热至沸腾的判别标准为：无气水制备罐体(1-1)外壁温度计的示数恒定不变。
8.根据权利要求5所述的一种土工模型试验大量无气水快速制备方法，其特征在于：所述无气水制备罐体(1-1)内制备完成的无气水可随用随取，通过关闭进水/气阀门(1-6)和出水阀门(1-8)可将剩余待用无气水直接储存于无气水制备罐体(1-1)内。
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- 2018-07-28 CN CN201810849917.7A patent/CN108689444A/zh active Pending
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