CN110108615A - 一种用于粗粒土的渗透坡降试验机及其试验控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于粗粒土的渗透坡降试验机及其试验控制方法，该渗透坡降试验机包括操作台和背板，操作台上设置有垂直渗透仪，垂直渗透仪的筒体连通有进水管，进水管连接有升降水箱，升降水箱通过升降装置驱动沿设置于背板上的垂直滑轨上下滑动，滑轨上每隔1cm设置有弧形限位槽，弧形定位槽底部安装有永磁铁，升降水箱面向滑轨的一侧内置有端部呈圆弧形的定位柱，定位柱内部设置有与永磁铁磁性吸附的第一信号部和第二信号部，升降装置连接有到位提示灯，第一信号部与第二信号部接入到位提示灯的控制回路，当第一信号部与第二信号部接通时，到位提示灯闪烁。本发明的优点是方便对设备进行操作，减小检测过程中产生的误差，提高检测结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术的技术领域，尤其是涉及一种用于粗粒土的渗透坡降试验机及其试验控制方法。
背景技术
土的渗透性和渗流问题的研究已成为土力学和岩土工程领域的一个重要和有实际意义的课题，它和人类生活密切相关，涉及到的领域有：水利、建筑、交通、采矿、石油、农业和环境等。渗流会引起土体的渗透变形，直接影响土工建筑物和地基的稳定和安全 ；同时渗流会造成水量损失而降低工程效益。渗透变形、渗透破坏其相关评价是实际工程中结构设计和稳定分析中的一个基本项目，直接关系到工程设计的安全可靠及经济合理。室内渗透试验是验证渗透变形计算方法和揭示渗透力形成的物理机制的重要手段之一。对于水利工程而言，堆石坝是目前应用广泛的高坝坝型之一，保证大坝各分区的 渗透稳定性是堆石坝设计施工的关键课题之一，而通过对各类坝料进行渗透破坏试验，得到其破坏坡降，是研究大坝渗透稳定性的重要手段。
渗透坡降试验涉及细粒土的渗透坡降试验和粗粒土的渗透坡降试验，在粗粒土的渗透坡降试验中，其试验方法采用渗透水从下向上，主要用于测定粗粒土在渗流水通过时，试样的垂直渗透系数和细颗粒随渗流逐渐流失的临界坡降（管涌）以及土体整体浮动时的破坏坡降（流土）。在试验中，需要使用到供水设备向垂直渗透仪中进行供水，供水设备一般包括一个供水箱和提升架，通过提升架能够逐步提升供水箱的高度从而能够完成试样饱和渗透检测，但是现有技术中，供水箱的提升架结构较为简单，在检测过程中，供水箱的高度提升伴随整个试验，对于试验结果的准确性有着较大影响，仅仅凭借人工手动以及目视去控制供水箱地升降有着较大的误差。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于粗粒土的渗透坡降试验机，其优点是方便操作，减小检测过程中产生的误差，提高检测结果的准确性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于粗粒土的渗透坡降试验机，包括操作台和位于操作台上的背板，所述操作台上设置有垂直渗透仪，所述垂直渗透仪的筒体的侧壁上从下之上依次连通有进水管、下水位管、中水位管、上水位管，以及出水管，所述下水位管、中水位管，以及上水位管均与设置在背板上的测压管连接，所述进水管连接有升降水箱，所述升降水箱通过升降装置驱动沿设置于背板上的垂直滑轨上下滑动，所述垂直滑轨上设置有刻度尺，所述滑轨上每隔1cm设置有弧形限位槽，所述弧形定位槽底部安装有永磁铁，所述升降水箱面向滑轨的一侧内置有端部呈圆弧形的定位柱，所述定位柱内部设置有与永磁铁磁性吸附的第一信号部和第二信号部，所述升降装置连接有到位提示灯，所述第一信号部与第二信号部接入到位提示灯的控制回路，当第一信号部与第二信号部接通时，所述到位提示灯闪烁。
通过采用上述技术方案，滑轨上设置弧形限位槽，并且配合永磁铁，能够当升降水箱移动至所需高度时，磁性吸引升降水箱上的定位柱，使得定位柱的端部进入弧形限位槽中，避免升降水箱升降不到位的问题，而且，定位柱的端部呈圆弧形，从而能够保证当升降水箱的定位柱能够脱离滑轨表面的弧形定位槽继续升降；定位柱内部设置有第一信号部和第二信号部，其能够连接到位提示灯，一旦升降水箱升至指定位置后，定位柱与弧形限位槽抵触，使得第一信号部和第二信号部接通，使得到位提示灯闪烁，提示试验人员升降水箱已经到位，保证试验的准确性、有效性。
本发明进一步设置为：所述升降水箱的背侧构造形成有安装孔，所述定位柱嵌合于所述安装孔内，所述安装孔内设置有回复弹簧，所述回复弹簧的一端固定连接于安装孔底部，回复弹簧的另一端固定连接于定位柱的尾端。
通过采用上述技术方案，定位柱通过设置的回复弹簧能够自动缩回，当升降水箱从一个指定点到达另一个指定点时，定位柱会从弧形定位槽内滑出，此时弹簧的回复力驱动定位柱缩回，使得第一信号部和第二信号部脱离滑轨的表面，从而使得到位提示灯停止闪烁。
本发明进一步设置为：所述升降装置包括固定轴承座、转动连接在固定轴承座上的摇杆、连接于摇杆端部的放线盘、设置于背板顶端的定滑轮，以及绕过定滑轮，一端与升降水箱连接，一端缠绕在放线盘上的牵引绳。
通过采用上述技术方案，采用手动方式对升降水箱进行驱动，通过摇杆、定滑轮，以及放线盘的组合作为升降装置，在实际的操作过程中，升降水箱的升降更加的稳定、而且操作精确度较高。
本发明进一步设置为：所述升降水箱一侧设置有U形管，所述U形管与所述刻度尺错位设置。
通过采用上述技术方案，通过设置的U形管能够准确地了解水箱内的水位，并且通过刻度尺可以观察水箱内水位的高度。
本发明进一步设置为：所述背板上设置有计时器。
通过采用上述技术方案，由于在试验中，每一次的升降水箱的提升一级测读都需要经过固定的时间，因此，通过背板上的计时器，实验人员能够及时记录时间。
本发明进一步设置为：所述升降水箱内设置有热电偶，以用于对升降水箱内的水进行加热。
通过采用上述技术方案，对于试验中用水，对于检测结果也会有较大的影响，水中含气对渗透系数的影响主要由于水中气体分离，形成气泡堵塞图的空隙，致使渗透系数逐渐降低，因此试验中一般使用无气水，最少是用实际作用于土中的天然水，而且升降水箱内的水温应该高于室温3-4度，主要目的是避免试验水进入土试样中会因温度升高二分解出气泡，对试验结果造成影响，导致试验失败，通过设置的热电偶能够对升降水箱内的试验水进行加热，从而满足上述条件。
本发明进一步设置为：所述升降水箱内设置有第一温度传感器，所述背板上设置有第二温度传感器，所述热电偶受控于所述第一温度传感器和第二传感器，当第一温度传感器检测到的温度小于第二温度传感器检测到的温度，且第一温度传感器与第二温度传感器的实时温度差值小于预设温度差值阈值时，所述热电偶开启。
通过采用上述技术方案，热电偶采用自动控制，其通过第一温度传感器和第二温度传感器能够实时地检测试验水温度和室温，从而根据对比进行自动开启和关闭，从而随时调节升降水箱内试验水的温度。
本发明的另一个目的是提供一种试验控制方法，该方法的优点是减小检测过程中产生的误差，提高检测结果的准确性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种试验控制方法，利用用于粗粒土的渗透坡降试验机执行以下步骤，该步骤包括：
步骤一、填入试样；
步骤二、饱和试样：升降装置驱动升降水箱向上运动，同时观察U形管内的水位，使得升降水箱内的水位略高于试样的底面，然后慢速驱动升降水箱向上运动，当定位柱被永磁铁吸引至弧形限位槽内时，第一信号部与第二信号部接通到位提示灯的控制回路，到位提示灯闪烁，停止驱动；随着试样水位的上升，待水溢出出水管为止，使得试样充分浸润饱和，此时各个测压管的水位应与上水位管的水位齐平；
步骤三、开始试验：按照设定好的渗透初始坡降、递增值，逐次驱动升降水箱上升，每次升降需满足预设条件，待水流稳定后，测记各个测压管的水位，同时使用量筒测度出水管的渗水量；在每一级的水头下，测读次数大于等于三次，每次测读时间间隔为10min-20min，同时测读进水管和出水管的温度；取读数接近的三次平均值作为试验值。
本发明进一步设置为：在步骤一之后，步骤三之前，还包括：
步骤二、水温检测：第一温度传感器检测升降水箱内的水的温度，第二温度传感器检测室内的温度，当第一温度传感器与第二温度传感器的温度差值小于预设温度差值阈值时，热电偶开启对升降水箱内的水进行加热；当温度差值大于或等于阈值温度差值时，热电偶关闭。
本发明进一步设置为：每次升降的预设条件为：每次升高升降水箱后，应使出水管水流出流30min—50min。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
1、通过设置的定位柱（内含第一信号部和第二信号部），以及开设在滑轨上的弧形限位槽，另配合到位提示灯，能够实现对升降水箱高度的准确控制，辅助试验人员对升降水箱进行操作，减轻了试验人员的人为误差，提高了测定结果的准确性；
2、通过在升降水箱内设置的热电偶以及第一温度传感器，并且配合背板上的第二温度传感器能够控制水箱内的试验水的温度，从而保证进入垂直渗透仪内试样中的试验水会产生气泡，有利于保证试验的成功和准确性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的升降水箱和滑轨的配合示意图。
图中，1、操作台；2、背板；3、筒体；4、金属多孔透水板；5、进水管；6、下水位管；7、中水位管；8、上水位管；9、测压管；10、升降水箱；11、滑轨；12、滑槽；13、供水管；14、储水箱；15、潜水泵；16、升降装置；161、轴承座；162、摇杆；163、放线盘；164、定滑轮；165、牵引绳；17、弧形限位槽；18、永磁铁；19、安装孔；20、定位柱；21、到位提示灯；22、第一信号部；23、第二信号部；24、回复弹簧；25、热电偶；26、第一温度传感器；27、第二温度传感器；28、U形管；29、刻度尺；10、计时器。
具体实施方式
参照图1和图2，为本发明公开的一种用于粗粒土的渗透坡降试验机，包括操作台1，操作台1为矩形状，其内部形成腔室，操作台1具有一水平操作台1面，操作台1面上远离操作工位的一侧设置有垂直于操作台1面的背板2。
操作台1面靠右一侧设置有垂直渗透仪，垂直渗透仪具有内部中部的圆柱形筒体3、筒体3内依次安装有两个金属多孔透水板4，试样分层装填，筒体3的一侧且位于筒体3底部的位置设置有进水管5，筒体3相对于进水管5的另一侧从下至上依次设置有下水位管6、中水位管7，以及上水位管8，背板2上设置有并排的三个测压管9，三个测压管9一对一的与下水位管6、中水位管7，以及上水位管8连通，其中上水位管8用于检测溢水压力。
操作台1面靠左一侧设置有升降水箱10，升降水箱10呈矩形状，用于装载试验水，背板2上设置有竖直的截面呈“工”字形的滑轨11，升降水箱10面向滑轨11的一侧设置有与滑轨11嵌合的滑槽12。升降水箱10的底部中心连接有供水管13，供水管13与放置在操作台1的腔室内的储水箱14连通，具体的，储水箱14内设置有潜水泵15，潜水泵15与供水管13连接，以用于及时向升降水箱10内部进行供水。
升降水箱10通过升降装置16驱动沿滑轨11竖直方向上下滑动升降，并且根据试验需求，其需要在滑轨11上每隔一定时间进行固定距离的移动，例如：当进行饱和试样以及试验时，需要调节升降水箱10的高度，使升降水箱10的水位略高于试样的底面，再缓慢升降水箱10，每提升1㎝，应稳定10min后再提升升降水箱10，随试样的水位的上升，待水溢出出水管为止，使试样充分浸润饱和。因此，在滑轨11的表面每隔1cm的位置开设有弧形限位槽17，该弧形限位槽17的底部安装有永磁铁18，该永磁铁18可以封装在滑轨11内部；升降水箱10的侧面构造形成有圆柱形的安装孔19，安装孔19内插接有一个定位柱20，定位柱20的端部呈圆弧形，从而使得定位柱20能够进入到弧形限位槽17中定位，并且能够在强制外力的情况下可以自由与弧形限位槽17脱离。
操作台1面上设置有到位提示灯21，以用于当升降水箱10每达到指定位置后进行指示，定位柱20的内部设置有第一信号部22和第二信号部23，第一信号部22与第二信号部23接入到位提示灯21的控制回路中，当第一信号部22与第二信号部23接通时，到位提示灯21发出闪烁。
第一信号部22和第二信号部23采用能够被磁铁吸附的金属或者合金。定位柱20通过一端与其尾端固定连接，一端与安装孔19的孔底固定连接的回复弹簧24在安装孔19自由伸缩；在不受任何外力的情况下，定位柱20与安装孔19的口口齐平；滑轨11的对应位置处开设有通孔以供定位柱20穿出通孔，当升降水箱10升至指定高度时，定位柱20被磁铁吸引，从而使得定位柱20的端部接触在弧形限位槽17的表面，进而第一信号部22和第二信号部23形成完整回路，接通到位提示灯21。需要说明的是，磁铁对于定位柱20的磁吸力永远大于回复弹簧24对定位柱20的回复力。
升降装置16包括固定轴承座161、摇杆162、放线盘163、定滑轮164，以及牵引绳165，固定轴承座161安装在操作台1面上，摇杆162与固定轴承座161有盈配合，放线盘163固定连接在摇杆162的端部，定滑轮164连接在背板2上且位于升降水箱10的正上方，牵引绳165一端连接放线盘163，另一端绕过定滑轮164连接在升降水箱10的上端部。通过驱动摇杆162，带动放线盘163的收放线，从而能够控制升降水箱10的升降。
为了能够观察升降水箱10内的水位高度，升降水箱10的一侧设置有U形管28，滑轨11的一侧设置有刻度尺29，U形管28与刻度尺29错位设置。
进一步的，在进行试验时，经常需要观察试验时间以及记录测读时间，在背板2上设置有计时器10。
升降水箱10的内部设置有热电偶25和第一温度传感器26，背板2上设置有第二温度传感器27，热电偶25受第一温度传感器26和第二温度传感器27的控制而开启和关闭。第一温度传感器26用于检测升降水箱10内的试验水的温度，第二温度传感器27用于检测室温，当检测到试验水的温度小于室温时，且当试验水的温度与室温的温度差值小于预设温度差值阈值时，热电偶25开启，对试验水进行加热，当温度差值大于或者等于阈值温度差值阈值时，热电偶25关闭。这里的温度差值阈值为设定为3-4摄氏度。
本发明的另一个实施例还公开了一种试验控制方法，利用上述的用于粗粒土的渗透坡降试验机来执行该控制方法，该控制方法包括以下步骤：
步骤一、填入试样；
步骤二、水温检测：第一温度传感器26检测升降水箱10内的水的温度，第二温度传感器27检测室内的温度，当第一温度传感器26与第二温度传感器27的温度差值小于预设温度差值阈值时，热电偶25开启对升降水箱10内的水进行加热；当温度差值大于或等于阈值温度差值时，热电偶25关闭。
步骤三、饱和试样：升降装置16驱动升降水箱10向上运动，同时观察U形管28内的水位，使得升降水箱10内的水位略高于试样的底面，然后慢速驱动升降水箱10向上运动，当定位柱20被永磁铁18吸引至弧形限位槽17内时，第一信号部22与第二信号部23接通到位提示灯21的控制回路，到位提示灯21闪烁，停止驱动；随着试样水位的上升，待水溢出出水管为止，使得试样充分浸润饱和，此时各个测压管9的水位应与上水位管8的水位齐平；
步骤四、开始试验：按照设定好的渗透初始坡降、递增值，逐次驱动升降水箱10上升，每次升降需满足预设条件，每次升高升降水箱10后，应使出水管水流出流30min—50min，待水流稳定后，测记各个测压管9的水位，同时使用量筒测度出水管的渗水量；在每一级的水头下，测读次数大于等于三次，每次测读时间间隔为10min-20min，同时测读进水管5和出水管的温度；取读数接近的三次平均值作为试验值。
在试验的同时，应该绘制渗透坡降与渗流速度的关系曲线。按照公式计算式样实际干密度、孔隙率；按照公式计算各级水头下的渗透坡降和渗流流速；按照公式计算粗粒土的渗透系数；根据渗透坡降和渗流速度的关系曲线的斜率开始变化，并观察到细颗粒开始跳动或被水流带出时，认为该试样达到了临界坡降，按照公式计算临界坡降；根据渗透坡降与渗流速度的关系曲线，随着水头的逐步加大，细粒被冲走，渗透流量变大，当水头增加到试样失去抗渗强度，该坡降陈维试样的破坏坡降，按照公式计算破坏坡降。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于粗粒土的渗透坡降试验机，其特征在于，包括操作台(1)和位于操作台(1)上的背板(2)，所述操作台(1)上设置有垂直渗透仪，所述垂直渗透仪的筒体(3)的侧壁上从下之上依次连通有进水管(5)、下水位管(6)、中水位管(7)、上水位管(8)，以及出水管，所述下水位管(6)、中水位管(7)，以及上水位管(8)均与设置在背板(2)上的测压管(9)连接，所述进水管(5)连接有升降水箱(10)，所述升降水箱(10)通过升降装置（16）驱动沿设置于背板(2)上的垂直滑轨(11)上下滑动，所述垂直滑轨(11)上设置有刻度尺(29)，所述滑轨(11)上每隔1cm设置有弧形限位槽(17)，所述弧形定位槽底部安装有永磁铁(18)，所述升降水箱(10)面向滑轨(11)的一侧内置有端部呈圆弧形的定位柱(20)，所述定位柱(20)内部设置有与永磁铁(18)磁性吸附的第一信号部(22)和第二信号部(23)，所述升降装置（16）连接有到位提示灯（21），所述第一信号部(22)与第二信号部(23)接入到位提示灯（21）的控制回路，当第一信号部(22)与第二信号部(23)接通时，所述到位提示灯（21）闪烁。
2.根据权利要求1所述的用于粗粒土的渗透坡降试验机，其特征在于：所述升降水箱(10)的背侧构造形成有安装孔(19)，所述定位柱(20)嵌合于所述安装孔(19)内，所述安装孔(19)内设置有回复弹簧(24)，所述回复弹簧(24)的一端固定连接于安装孔(19)底部，回复弹簧(24)的另一端固定连接于定位柱（20）的尾端。
3.根据权利要求1所述的用于粗粒土的渗透坡降试验机，其特征在于：所述升降装置（16）包括固定轴承座(161)、转动连接在固定轴承座(161)上的摇杆(162)、连接于摇杆(162)端部的放线盘(163)、设置于背板(2)顶端的定滑轮(164)，以及绕过定滑轮(164)，一端与升降水箱(10)连接，一端缠绕在放线盘(163)上的牵引绳(165)。
4.根据权利要求1所述的用于粗粒土的渗透坡降试验机，其特征在于：所述升降水箱(10)一侧设置有U形管(28)，所述U形管(28)与所述刻度尺(29)错位设置。
5.根据权利要求1所述的用于粗粒土的渗透坡降试验机，其特征在于：所述背板(2)上设置有计时器(10)。
6.根据权利要求1所述的用于粗粒土的渗透坡降试验机，其特征在于：所述升降水箱(10)内设置有热电偶(25)，以用于对升降水箱(10)内的水进行加热。
7.根据权利要求6所述的用于粗粒土的渗透坡降试验机，其特征在于：所述升降水箱(10)内设置有第一温度传感器(26)，所述背板(2)上设置有第二温度传感器(27)，所述热电偶(25)受控于所述第一温度传感器(26)和第二传感器，当第一温度传感器(26)检测到的温度小于第二温度传感器(27)检测到的温度，且第一温度传感器(26)与第二温度传感器(27)的实时温度差值小于预设温度差值阈值时，所述热电偶(25)开启。
8.一种试验控制方法，其特征在于：利用与权利要求1-7任意一项所述的用于粗粒土的渗透坡降试验机执行以下步骤，该步骤包括：
步骤一、填入试样；
步骤二、饱和试样：升降装置（16）驱动升降水箱（10）向上运动，同时观察U形管（28）内的水位，使得升降水箱（10）内的水位略高于试样的底面，然后慢速驱动升降水箱（10）向上运动，当定位柱（20）被永磁铁（18）吸引至弧形限位槽（17）内时，第一信号部（22）与第二信号部（23）接通到位提示灯（21）的控制回路，到位提示灯（21）闪烁，停止驱动；随着试样水位的上升，待水溢出出水管为止，使得试样充分浸润饱和，此时各个测压管（9）的水位应与上水位管（8）的水位齐平；
步骤三、开始试验：按照设定好的渗透初始坡降、递增值，逐次驱动升降水箱（10）上升，每次升降需满足预设条件，待水流稳定后，测记各个测压管（9）的水位，同时使用量筒测度出水管的渗水量；在每一级的水头下，测读次数大于等于三次，每次测读时间间隔为10min-20min，同时测读进水管（5）和出水管的温度；取读数接近的三次平均值作为试验值。
9.根据权利要求8所述的试验控制方法，其特征在于：在步骤一之后，步骤三之前，还包括：
步骤二、水温检测：第一温度传感器（26）检测升降水箱（10）内的水的温度，第二温度传感器（27）检测室内的温度，当第一温度传感器（26）与第二温度传感器（27）的温度差值小于预设温度差值阈值时，热电偶（25）开启对升降水箱（10）内的水进行加热；当温度差值大于或等于阈值温度差值时，热电偶（25）关闭。
10.根据权利要求9所述的试验控制方法，其特征在于：每次升降的预设条件为：每次升高升降水箱（10）后，应使出水管水流出流30min—50min。
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