CN109115665A - 一种多仓饱和试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多仓饱和试验装置，包括多个压力室、围压控制器、顶部反压控制器以及底部反压控制器，顶部反压控制器和底部反压控制器均由压力控制器和与压力控制器相连的隔离器组成，隔离器内部被耐腐蚀薄膜分成压力段和介质段两部分空间，压力段与压力控制器相连通，介质段内盛装渗透试验介质液体，多个压力室通过压力管道与围压控制器的压力输出口相连，顶部反压控制器的压力输出口通过压力管道与压力室内的顶部反压管道连通，底部反压控制器的压力输出口通过压力管道与压力室内的底部反压管道连通。本发明将压力控制器与隔离器进行改良结合，实现控制器隔离器一体化操作，解决了因溶液腐蚀皮圈造成的漏水问题。
Description
技术领域
本发明属于渗透试验领域，涉及一种渗透试验设备，具体涉及一种测量土壤渗透系数的多仓饱和试验装置。
背景技术
土壤的渗透性能特征是当今一个全球性的研究热点，目前主要用在环境污染、垃圾填埋场等领域，与此同时人们一直以来也在寻找防渗效果佳又有利于生态环境的材料，例如土工合成材料膨润土垫GCL，其常运用于湖泊中生态防渗。考虑到所处的溶液环境要求，在常规的土工实验室研究GCL中有效成分膨润土的渗透性能时，常要考虑不同浓度的溶液对土壤渗透性的影响，但考虑到溶液腐蚀性问题，会加装隔离器装置，同时就增加管线的连接及补充溶液时的不便，尤其是在测定渗透系数之前，反压饱和阶段尤为重要，溶液的腐蚀性问题，增加的管线造成气泡问题导致的试验误差问题，以及完成一组试验耗费时间长等都给室内试验研究带来了阻力。
现有技术中饱和渗透试验一般采用GDS全自动环境岩土渗透仪，例如上海理工大学张洪达关于膨润土防水毯渗透性能实验研究(山西建筑，第42卷第36期，2016年12月，200-2-1页)，压力室为有机玻璃制成的罩体，通过上下两端的顶盖以及锚固杆相连组成密封的压力室，压力室内试验上下均依次设置滤纸、透水石和传压板，并套上乳胶薄膜通过橡皮筋捆扎在试样底座上，采用三个GDS数字/压力控制器，一个利用管道与压力室顶部相连施加围压，一个通过管道与试验顶部传压板相连施加顶部反压力，第三个与试验底部传压板相连施加底部反压力，能完成膨润土防水毯渗透性能实验研究，但是该装置存在一个问题，就是GDS数字/压力控制器直接与渗透液接触，不少酸碱渗透液具有较强腐蚀性，而GDS数字/压力控制器本身，特别是其内运动的活塞是一个精密密封部件，用于酸碱介质渗透试验会导致GDS数字/压力控制器密封失效而损坏，因此该试验测试范围有限，因此为了满足试验需要，急需研发出一款能防腐蚀，测试范围广泛的渗透仪。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的GDS全自动环境岩土渗透仪在反压饱和阶段的缺陷，即溶液对控制器皮圈的腐蚀造成反压力控制器无法盛装溶液的问题。
本发明的第二个目的在于解决反复的管线拆装造成的接头耗损以及气泡问题。
本发明的第三个目的在于减少了多个围压控制器的使用，降低了成本。
本发明的第四个目的在于在同一时间可以进行多个试样的反压饱和，有效的节省了时间。
本发明采用以下的技术方案：
一种多仓饱和试验装置，其特征在于：包括用于进行饱和渗透试验的多个压力室、为压力室提供围压的围压控制器、为压力室内试样顶部提供压力的顶部反压控制器以及为压力室内试样底部提供压力的底部反压控制器，所述顶部反压控制器和底部反压控制器结构一样，均由压力控制器和与压力控制器相连的隔离器组成，所述隔离器为中空的密封容器，其内部被耐腐蚀薄膜分成压力段和介质段两部分空间，所述压力段与压力控制器相连通，压力段上设有进水或排气口，所述介质段内盛装渗透试验介质液体，介质段上设有作为压力输出口的介质液体进出口，多个压力室通过压力管道与围压控制器的压力输出口相连，顶部反压控制器的压力输出口通过压力管道与压力室内的顶部反压管道连通，底部反压控制器的压力输出口通过压力管道与压力室内的底部反压管道连通。
作为改进，所述隔离器分两段式制造，压力段采用便于排气观察的透明材料制造，介质段采用耐腐蚀材料制造，两段之间端口对接将耐腐蚀薄膜夹住，并通过锚固杆固定相连，耐腐蚀薄膜将两段分成两个独立的空间，同时还在端口处起到密封作用，同时由于耐腐蚀薄膜柔韧易变形能在两段之间传递压力。
作为改进，所述耐腐蚀薄膜为橡胶隔膜。
作为改进，所述压力段采用有机玻璃制作成筒体，有机玻璃筒体一端密封固定在底座上，另一端为敞开端，所述介质段为不锈钢制成的筒体，不锈钢筒体一端密封固定在底座上，另一端为敞开端，两个筒体敞开端将耐腐蚀薄膜夹在中间对接，并在两个底座之间通过锚固杆紧固，组成完整的隔离器。
作为改进，所述不锈钢筒体在敞开端做成内径渐变的喇叭形，所述有机玻璃筒体的敞开端外径小于喇叭形开口处的不锈钢筒体内径，且大于喇叭形最小处的不锈钢筒体内径，以保证在连接处良好密封。
作为改进，所述压力控制器均为GDS数字/压力控制器。
作为改进，所述压力控制器包括步进电机、活塞缸、螺母、推进丝杆和设于活塞缸内的活塞，螺母通过轴承安装在活塞缸的缸体上，螺母设设有与其固定相连且同轴的中空齿轮，所述推进丝杆前端与活塞固定相连，后端伸出活塞缸的缸体外并依次从螺母和中空齿轮内穿过，推进丝杆与螺母螺纹配合，中空齿轮与步进电机通过齿轮传动相连，活塞缸远离推进丝杆一端设有与隔离器压力段相连通的前端出口。
作为改进，所述压力控制器包括控制器和压力传感器，压力传感器设于活塞缸前端出口处，压力传感器、控制器及步进电机之间电连接，通过压力传感器反馈控制活塞缸前端出口处的压力。
作为改进，所述压力传感器设于隔离器的介质段上介质液体或排气口处。
作为改进，所述压力控制器的活塞缸前端出口与隔离器的压力段通过螺口相连、卡扣相连或者设置为一体结构相连通，所述围压控制器包括压力控制器和与压力控制器的输出口连通的缓冲容器，所述缓冲容器上设有多个带阀门的压力分配口。
所述的GDS数字/压力控制器是实现在饱和过程中充当压力源的目的，围压控制器给压力室施加围压，上下反压控制器给压力室上下传压板施加压力。橡胶隔膜安置在隔离器内，柔韧变形传递压力，并隔断溶液与纯水，从而达到压力控制器与隔离器一体化；同时在纯水端及介质溶液端分别连接控制阀门，并与PTFE管连接；
所述的隔离器的不锈钢筒体是实现盛放酸碱或腐蚀性溶液，避免因溶液腐蚀密封皮圈造成控制器漏水的目的；
所述的橡胶隔膜是实现隔离纯水与溶液，形成两个彼此相互隔开的分离室，并能在其中传递水压力的目的；
所述的标准渗透压力室是实现装置土样，在密闭的水环境中进行试样的饱和的目的；
所述的聚四氟乙烯PTFE管是实现连接控制器与压力室，传递压力的目的。
本发明中所述的压力控制器实现了与隔离器进行连接组合，解决了压力控制器因密封皮圈问题，只能装纯水而无法装酸碱或腐蚀性溶液，必须通过PTFE管连接隔离器进行饱和的问题。
本发明中所述隔离器的有机玻璃筒体还可额外连接一根带不锈钢阀门的PTFE管，解决有机玻璃筒体内的排水吸水问题。
本发明中所述围压控制器连接多根PEFE管，实现同一个围压控制器多多仓同时施加压力。
本发明中所述围压控制器及反压力控制器的每根PTFE管都设置单独的不锈钢控制阀门，连接的阀门有效减少了因管道拆卸造成的气泡问题，并能起到对各个压力室相互之间不影响的作用。
本发明产生的效果：本发明将GDS全自动环境岩土渗透仪的反压力控制器与隔离器进行连接结合，实现控制器隔离器一体化操作，解决了因溶液腐蚀皮圈造成的漏水问题。本发明将围压控制器与反压力控制器进水口进行改良，减少因进水排水拆卸管线造成的气泡问题。本发明利用PTFE连接管将多组压力室与GDS围压控制器进行连接，实现多仓同时进行饱和，有效的节约了时间，提高了室内试验的效率。
基于GDS压力控制器的多仓饱和装置，有效的解决了反压力控制器无法盛装酸碱及腐蚀性溶液的问题，以及能够同时进行多组不同溶液的反压饱和，减少了围压控制器的数量，并且加装的控制阀门能够有效减少气泡的产生，更好的将除气水压入土样之中，从而使试样孔隙水压力升高，待孔隙水压力提高到一定程度时，土样中的残余空气将会在压力作用下溶解在水中，从而更好的实现土样的饱和。但涉及到对反压力控制器及围压控制器成模前的改进，增大了密封性的要求和工厂制作的难度。
附图说明
图1是本发明多仓饱和装置整体结构示意图；
图2本发明单个压力室连接关系示意图；
图3是本发明顶部反压控制器结构示意图；
图4为隔离器侧视图；
图5为围压控制器结构示意图。
1-围压控制器，2-加压控制阀，3-PTFE连接管，4-压力室，5-顶部反压控制器，6-橡胶隔膜，7-不锈钢筒体，8-进水或排气口，9-底部反压控制器，10-底部反压管道，11-顶部反压管道，12-压力室底部进水口，13-压力室围压加压口，14-压力室顶部排气口，15-锚固杆，16-压力控制器底座，17-控制器控制面板，18-有机玻璃筒体，19-步进电机，20-壳体，21-驱动齿轮，22-中空齿轮，23-螺母，24-推进丝杆，25-缓冲容器，26-活塞，27-不锈钢筒体底座，28-介质液体进出口，29-不锈钢隔离器侧面锚固螺丝，30-不锈钢隔离器侧壁锚固螺栓，31-压力室有机玻璃罩，32-压力室样品装置中心，33-缓冲容器底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行举例说明，需要指出的是本发明中所有压力管道均可采用PTFE(聚四氟乙烯)管道，也可以采用其他压力管道，为了便于操作和试验连接，本实施例中均采用PTFE管道。
如图1所示，一种多仓饱和试验装置，包括用于进行饱和渗透试验的多个压力室4、为压力室4提供围压的围压控制器1、为压力室4内试样顶部提供压力的顶部反压控制器5以及为压力室4内试样底部提供压力的底部反压控制器9，所述顶部反压控制器5和底部反压控制器9结构一样(图3为顶部反压控制器5示意图)，均由压力控制器和与压力控制器相连的隔离器组成，所述隔离器为中空的密封容器，其内部被耐腐蚀薄膜分成压力段和介质段两部分空间，所述压力段与压力控制器相连通，压力段上设有进水或排气口8，所述介质段内盛装渗透试验介质液体，介质段上设有作为压力输出口的介质液体进出口28，多个压力室4通过压力管道与围压控制器1的压力输出口相连，顶部反压控制器5的压力输出口通过压力管道与压力室4内的顶部反压管道11连通，底部反压控制器9的压力输出口通过压力管道与压力室4内的底部反压管道10连通。
如图2至图4所示，所述隔离器分两段式制造，所述压力段采用有机玻璃制作成筒体，有机玻璃筒体18一端密封固定在底座上，另一端为敞开端，所述介质段为不锈钢制成的筒体，不锈钢筒体7一端密封固定(焊接)在底座上，另一端为敞开端，两个筒体敞开端将橡胶隔膜6夹在中间对接，并在两个底座之间通过锚固杆15紧固，组成完整的隔离器，有机玻璃筒体18上设有带阀门的进水或排气口8，更优的进水或排气口8可以设置在有机玻璃筒体18的高点处；不锈钢筒体7靠底座端设有介质液体进出口28，介质液体进出口28上设有加压控制阀2，所述加压控制阀2也采用不锈钢制成，与不锈钢筒体底座27采用焊接相连或者一体结构，解决了盛装溶液时，腐蚀密封皮圈的问题，不锈钢筒体7和有机玻璃筒体18均可独立的进出液体，相互隔离，互不影响，同时不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，其密封仅仅需要一个耐腐蚀的橡胶隔膜6密封，因此有可以的解决密封失效问题，并且可以使得渗透试验的流体介质范围更广，通过更换橡胶隔膜6可以适应更多的腐蚀性液体的渗透试验；同时本发明在各个压力控制器的加压口设置阀门，极大的减少了管线的拆装造成的接头的损耗以及气泡问题。
如图5所示，本发明围压控制器1包括压力控制器和与压力控制器的压力输出口相连通的缓冲容器25，缓冲容器25上设有多个压力分配口，每个压力分配口上均设有一个加压控制阀2。
需要指出的是：压力段还可采用其他便于排气观察的透明材料制造，介质段还可采用其他耐腐蚀材料制造，两段之间端口对接将耐腐蚀薄膜夹住，并通过锚固杆15固定相连，耐腐蚀薄膜将两段分成两个独立的空间，同时还在端口处起到密封作用，同时由于橡胶隔膜6柔韧易变形能在两段之间传递压力。
需要指出的是：所述橡胶隔膜6还可以替换成其他柔性好的耐腐蚀薄膜。
作为一种更优实施例，所述不锈钢筒体7在敞开端做成内径渐变的喇叭形，所述有机玻璃筒体的敞开端外径小于喇叭形开口处的不锈钢筒体7内径，且大于喇叭形最小处的不锈钢筒体7内径，以保证在连接处良好密封。
本实施例中所述压力控制器均可采用GDS数字/压力控制器，也可采用定制压力控制器，其结构如下：
如图4和图5所示，所述压力控制器包括步进电机19、活塞缸、螺母23、推进丝杆24、设于活塞缸内的活塞26、控制器和压力传感器，螺母23通过轴承安装在活塞缸的缸体上，螺母23侧面设设有与其固定相连且同轴的中空齿轮22，所述推进丝杆24前端与活塞26固定相连，后端伸出活塞缸的缸体外并依次从螺母23和中空齿轮22内穿过，推进丝杆24与螺母23螺纹配合，中空齿轮22与步进电机19通过齿轮传动相连，具体为步进电机19的输出轴上固定有驱动齿轮21，所述驱动齿轮21与中空齿轮22相啮合安装，步进电机19安装在壳体20内；活塞缸远离推进丝杆24一端设有前端出口，活塞缸的前端出口与隔离器的压力段(或者缓冲容器25)既可以为一体结构连通，也可以采用分体式结构连通，压力传感器设于活塞缸前端出口处，压力传感器、控制器(单片机或者PLC控制器)及步进电机19之间电连接，控制器(单片机或者PLC控制器)安装在压力控制器底座16内，通过压力传感器反馈控制活塞缸前端出口处的压力，更优的所述压力传感器设于隔离器的介质段上介质液体或排气口处。
所述活塞缸的前端出口与隔离器的玻璃筒体可以通过螺口相连、卡扣相连或者设置为一体结构，活塞缸的前端出口与缓冲容器25可以通过螺口相连、卡扣相连或者设置为一体结构，所述缓冲容器25上的每个压力分配口上均设有一个加压控制阀2。
整个顶部反压控制器5的压力控制器和其相应的隔离器一起固定安装在一个压力控制器底座16上，整个底部反压控制器9的压力控制器和其相应的隔离器也一起固定安装在一个压力控制器底座16上，围压控制器1的压力控制器和与其相应的缓冲容器25也安装在一个压力控制器底座16上。
所述压力室4为现有技术中饱和渗透试验常规压力室4，压力室4顶部设有压力室顶部排气口14和压力室围压加压口13，压力室4底部设有分别与下部传压板和上部传压板连通的底部反压管道10和顶部反压管道11，压力室4底部还设有压力室底部进水口12，所述压力室底部进水口12、底部反压管道10和顶部反压管道11上均设有用于开关的控制阀门。更优的还可以在缓冲容器25、隔离器的有机玻璃筒体18以及不锈钢筒体7上设置排气阀。
本发明使用方法如下：
连接各个装置前，拧开压力室4侧面锚固杆15，取下压力室有机玻璃罩31，将一块透水石放在压力室样品装置中心32处，在样品底座是依次放置下部传压板和下部透水石，透水石上面依次铺上滤纸、试样和滤纸，套上乳胶薄膜，用橡皮筋将乳胶膜固定在试样底座上，然后在试样顶部依次上部透水石和上部传压板，放好后用橡皮筋将乳胶膜和上部传压板固定，装上压力室有机玻璃罩31，装上压力室4侧面锚固杆15，并拧紧上部螺栓(此部分压力室结构可参考背景技术中现有技术部分)；
通过压力室底部进水口12向压力室4注纯水，此时关闭底部反压管道10上的阀门与顶部反压管道11上的阀门，同时将一根PTFE连接管3与压力室顶部排气口14连接，待水位漫过压力室顶部排气口14时，取下PTFE连接管3，并关闭压力室底部进水口12的阀门；
先将围压控制器1通电，打开围压控制器1其中一个加压控制阀2门，通过控制器控制面板17控制围压控制器1的步进电机19动作，通过加压控制阀2往围压控制器1的缓冲容器25中吸水，通过排气阀排气，最终装满缓冲容器25，然后将四个加压控制阀2通过PTFE连接管3分别接到各个压力室4的压力室围压加压口13，即完成了围压控制器1与四个压力室4的连接，当通过围压控制器1的控制器控制面板17给压力室4施加围压时，同时打开四个加压控制阀2即可同时给四个压力室4施加相同压力，当需要拆卸其中一个压力室4时，只需要关闭对应的加压控制阀2，不会影响其他几个压力室4；
因四组压力室4的顶部反压控制器5和底部反压控制器9均相同，所以取一组进行说明，其他几组为同样操作。将顶部反压控制器5与底部反压控制器9通电，通过控制器控制面板17将纯水从进水或排气口8吸入充满有机玻璃筒体18和活塞缸(有机玻璃筒体吸水和排气要反复交替操作直至充满或者是通过活塞缸与有机玻璃筒体18可拆卸结构使得有机玻璃筒体18内充满水)，同时由于橡胶隔膜6可以在隔离器内变形传递压力作用，在有机玻璃筒体18吸满水后，再通过介质液体进出口28将酸碱或腐蚀性溶液(渗透试验介质)吸入，充满不锈钢筒体7。按照上述步骤，将顶部反压控制器5与底部反压控制器9的有机玻璃筒体18和不锈钢筒体7分别充满水和介质溶液，将顶部反压控制器5的介质液体进出口28通过PTFE连接管3与相应压力室4的顶部反压管道11连接，将底部反压控制器9通过PTFE连接管3与相应压力室4的底部反压管道10连接，即完成了顶部反压控制器5、底部反压控制器9与压力室4的连接，四组压力室4按照相同方式连接。
管路连接好后，打开围压控制器1出口端部的4个加压控制阀2，打开4个顶部反压控制器5与4个底部反压控制器9出口端部的加压控制阀2，检查关闭4个顶部反压控制器5与底部反压控制器9的有机玻璃筒体18上进水或排气口8的阀门，打开压力室4底部反压管道10和顶部反压管道11的阀门。通过围压控制器1的控制器控制面板17，给压力室4施加一个恒定的周围压力，通过顶部反压控制器5与底部反压控制器9的控制器控制面板17，给试样顶部和底部施加一个小于围压的恒定压力，保持48小时，完成多个试样在不同溶液环境下的多仓同时饱和过程，当其中任意一个压力控制器需要补充水或者溶液时，只需要通过关闭对应的加压控制阀2，不会影响其他仓的饱和情况。
本实施例中，压力室4采用现有技术中的GDS全自动环境岩土渗透仪的渗透仓。
应当指出，本发明中为明确的部分均可由现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种多仓饱和试验装置，其特征在于：包括用于进行饱和渗透试验的多个压力室、为压力室提供围压的围压控制器、为压力室内试样顶部提供压力的顶部反压控制器以及为压力室内试样底部提供压力的底部反压控制器，所述顶部反压控制器和底部反压控制器结构一样，均由压力控制器和与压力控制器相连的隔离器组成，所述隔离器为中空的密封容器，其内部被耐腐蚀薄膜分成压力段和介质段两部分空间，所述压力段与压力控制器相连通，压力段上设有进水或排气口，所述介质段内盛装渗透试验介质液体，介质段上设有作为压力输出口的介质液体进出口，多个压力室通过压力管道与围压控制器的压力输出口相连，顶部反压控制器的压力输出口通过压力管道与压力室内的顶部反压管道连通，底部反压控制器的压力输出口通过压力管道与压力室内的底部反压管道连通。
2.如权利要求1所述一种多仓饱和试验装置，其特征在于：所述隔离器分两段式制造，压力段采用便于排气观察的透明材料制造，介质段采用耐腐蚀材料制造，两段之间端口对接将耐腐蚀薄膜夹住，并通过锚固杆固定相连，耐腐蚀薄膜将两段分成两个独立的空间，同时还在端口处起到密封作用，同时由于耐腐蚀薄膜柔韧易变形能在两段之间传递压力。
3.如权利要求2所述一种多仓饱和试验装置，其特征在于：所述耐腐蚀薄膜为橡胶隔膜。
4.如权利要求3所述一种多仓饱和试验装置，其特征在于：所述压力段采用有机玻璃制作成筒体，有机玻璃筒体一端密封固定在底座上，另一端为敞开端，所述介质段为不锈钢制成的筒体，不锈钢筒体一端密封固定在底座上，另一端为敞开端，两个筒体敞开端将耐腐蚀薄膜夹在中间对接，并在两个底座之间通过锚固杆紧固，组成完整的隔离器。
5.如权利要求4所述一种多仓饱和试验装置，其特征在于：所述不锈钢筒体在敞开端做成内径渐变的喇叭形，所述有机玻璃筒体的敞开端外径小于喇叭形开口处的不锈钢筒体内径，且大于喇叭形最小处的不锈钢筒体内径，以保证在连接处良好密封。
6.如权利要求1至5任意一项所述一种多仓饱和试验装置，其特征在于：所述压力控制器均为GDS数字/压力控制器。
7.如权利要求1至5任意一项所述一种多仓饱和试验装置，其特征在于：所述压力控制器包括步进电机、活塞缸、螺母、推进丝杆和设于活塞缸内的活塞，螺母通过轴承安装在活塞缸的缸体上，螺母设设有与其固定相连且同轴的中空齿轮，所述推进丝杆前端与活塞固定相连，后端伸出活塞缸的缸体外并依次从螺母和中空齿轮内穿过，推进丝杆与螺母螺纹配合，中空齿轮与步进电机通过齿轮传动相连，活塞缸远离推进丝杆一端设有与隔离器压力段相连通的前端出口。
8.如权利要求7所述一种多仓饱和试验装置，其特征在于：所述压力控制器包括控制器和压力传感器，压力传感器设于活塞缸前端出口处，压力传感器、控制器及步进电机之间电连接，通过压力传感器反馈控制活塞缸前端出口处的压力。
9.如权利要求8所述一种多仓饱和试验装置，其特征在于：所述压力传感器设于隔离器的介质段上介质液体或排气口处。
10.如权利要求8所述一种多仓饱和试验装置，其特征在于：所述压力控制器的活塞缸前端出口与隔离器的压力段通过螺口相连、卡扣相连或者设置为一体结构相连通，所述围压控制器包括压力控制器和与压力控制器的输出口连通的缓冲容器，所述缓冲容器上设有多个带阀门的压力分配口。
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