CN111077056A - 一种可施加反压的出流收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可施加反压的出流收集装置，包括腔体、传感器、参照管、压差传感器和气压供给装置，所述腔体包括外筒、内筒、托盘和漏斗，外筒顶端设有用于盖合在外筒上的顶板，该顶板上开设有出流液入渗口和腔体通气孔，所述内筒、托盘和漏斗分别设置于外筒内，托盘设置于传感器上，托盘位于内筒中，漏斗通过支架设置于外筒中，漏斗通过导管与顶板上的出流液入渗口连接并相贯通，腔体底板入水口与内筒相贯通，参照管的上端分别与腔体通气孔和气压供给装置连接，参照管的下端通过压差传感器与腔体底板连通孔连接；使用时，顶板上的出流液入渗口与渗透装置连接。本发明可以实现反压的加载、出流细颗粒质量的测量以及出流液体积的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验装置，特别是一种与渗透装置连接的可施加反压的出流收集装置。
背景技术
在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒之间形成的孔隙间发生流失，称为土体的渗蚀现象。与一般的土体渗透系数测量试验相似，目前用于获取土体的渗蚀发展信息的仪器主要有刚性璧渗透仪器以及柔性璧仪器，其中柔性璧仪器以在三轴装置基础上改装的三轴渗流装置为主。由于需要实现土体的渗流，三轴仪腔体底板通常需要开孔，因此通常采用先通二氧化碳，再注入无气水的方法进行试样的饱和。然而，这种方法的饱和效果难以保证，进而会对试验的结果带来干扰。
为了研究土体在渗流作用下的渗蚀表现特性，文献《A Stress-controlledErosion Apparatus for Studying Internal Erosion in Soils》提出一种可以通过三轴渗流装置获取土体在竖向渗流作用下的渗蚀发展信息的方法。在该装置中，三轴腔体底部开孔，并通过先通二氧化碳、再注入无气水的方式对土体进行饱和，但试样的饱和度（B值）仅为0.85，远远没有达到国内外规范的要求。
中国发明专利CN201110133687.2采用水头饱和的方法对试样进行饱和，但饱和较大型的试样需要的时间久，同时饱和度效果难以保证。中国发明专利CN201710317454.5以及CN201320645550.X都提出了一种出流收集装置，但是该装置不是密闭结构，无法实现反压的施加。
综上所述，由于现在的装置无法实现反压的加载，因此土体的饱和效果难以保证，土体所需要的饱和时间较长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种与渗透装置连接的可施加反压的出流收集装置。
解决上述技术问题的技术方案是：一种可施加反压的出流收集装置，包括腔体、传感器、参照管、压差传感器和气压供给装置，所述腔体包括外筒、内筒、托盘和漏斗，外筒顶端设有用于盖合在外筒上的顶板，该顶板上开设有出流液入渗口和腔体通气孔，所述内筒、托盘和漏斗分别设置于外筒内，内筒为上、下端开口结构，该内筒的下端固定于外筒的底部，内筒的下端与外筒的底部密封连接，内筒和外筒之间形成腔室，所述托盘为上端开口、底部设有滤网的筒状结构，托盘通过螺杆设置于传感器上，托盘位于内筒中，漏斗通过支架设置于外筒中，漏斗的下端位于托盘内，漏斗的上端高于内筒上端，漏斗通过导管与顶板上的出流液入渗口连接并相贯通，外筒的底部开设有腔体底板排水孔、腔体底板入水口和腔体底板连通孔，腔体底板入水口与内筒相贯通，腔体底板排水孔和腔体底板连通孔分别与内筒和外筒之间形成的腔室相贯通，参照管的上端分别与腔体通气孔和气压供给装置连接，参照管的下端通过压差传感器与腔体底板连通孔连接，传感器设置于顶板上并位于腔体内；使用时，顶板上的出流液入渗口与渗透装置连接。
本发明的进一步技术方案是：气压供给装置为高势位马氏瓶或者空压机。
所述传感器为压力传感器或者称重传感器。
所述传感器通过螺栓设置于顶板上。
所述托盘通过螺杆设置于腔体内，螺杆一端通过螺纹连接设置于传感器上，托盘底部开设有螺纹孔，托盘通过螺纹孔与螺杆螺纹连接设置于螺杆上。
一种可施加反压的出流收集装置的使用方法为：
A.打开出流液入渗口，关闭腔体通气孔，通过腔体底板的入水口将水灌入内筒中，内壁内的水溢出至内筒和外筒之间形成的腔室中，当腔室中液面高度达到3-10cm时，停止注水，关闭出腔体底板的入水口，此时漏斗底部位于托盘壁液面下5cm，同时保证连接漏斗以及出流液入渗口的导管底端在托盘璧液面一下5cm；打开腔体顶板的出流液入渗口上的阀门，在出流液入渗口外侧接一根导管，关闭腔体顶板的通气孔，打开腔体底板的入水口阀门，继续灌水，直到有水连续地从出流液入渗口上的导管外端排出，将导管与三轴渗透装置出流孔相连；
B．向参照管中注入一定量的水，随后将参照管顶部的连通孔与气压供给装置通过导管相连；
C．当气压供给装置开始运作后，打开腔体通气孔，打开三轴渗流装置出水口的阀门，实现反压的加载；
D．检测三轴渗流装置中土体的饱和度；土体饱和度满足要求后，记录下此时压差传感器以及压力传感器的示数；
E. 三轴渗流装置中土样开始进行固结时，记录压差传感器以及压力传感器的示数，并与初始读数进行对比，可以获取土体出流液体积以及颗粒流失质量。
外筒内径为196mm，所述内筒内径为100mm。
托盘的侧壁高度为80mm至120mm，内筒的上端比托盘的上端高10mm至20mm。
气压供给装置提供的气压力量程为0~15kPa。
所述滤网选取的孔径为0.075mm。
由于采用上述技术方案，本发明之一种可施加反压的出流收集装置，具有以下有益效果：
1.相较于现有技术，本发明通过气压供给装置，先是施加稳定的气压力，随后气压通过通气孔进入到出流收集装置中，气压将内筒壁内的水挤压到连接出流液入渗口与漏斗之间的导管内，随着导管内液面的上升，使得与三轴渗流装置连接的导管充满了水，即位于出流收集装置内部的导管以及外部与三轴渗流装置的导管由于充满了水，气压能挤压位于内筒内部以及内筒壁和外筒壁之间的水，而内筒内部的水又与导管相通，因此实现了气压到水压的转化。
2.本发明通过设置滤网，使得出流液中的颗粒会落在滤网上，进而引起压力传感器的示数变化。由于内筒内部充满水，一旦渗滤液从试样内部流出，多余的液体变化落到内筒壁与外筒壁之间，从而引起内筒壁与外筒壁之间的水位的变化，进一步的由于参照管内部水位静止，因此这部分水位的变化可以通过压差传感器测得，从而反算出出流液体积。
3. 本发明可以实现反压的加载、出流细颗粒质量的测量以及出流液体积的测量，从而解决三轴渗流试验过程中土体饱和度不足进而对试验结果造成干扰的问题。本发明提供的可施加反压的出流收集装置，不仅可以根据需要设置不同的反压，保证了土体的饱和效果，缩短了土体所需要的饱和时间，还能获取渗流过程中出流细颗粒质量以及出流液体积的变化信息。
下面，结合说明书附图和具体实施例对本发明之一种可施加反压的出流收集装置的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1： 本发明之一种可施加反压的出流收集装置的结构示意图。
在上述附图中，各标号说明如下：
1-腔体顶板，101-出流液入渗口阀门，103-通气孔阀门，2-外筒壁，3-内筒壁， 4-腔体底板，41-排水孔阀门，43-入水口阀门，45-连通孔阀门，5-托盘，51-滤网，6-参照管，61-参照管连通孔阀门，7-漏斗，8-传感器，81-螺杆，9-腔体，10-低势位马氏瓶，11-高势位马氏瓶，12-压差传感器，13-支架。
具体实施方式
一种可施加反压的出流收集装置，包括腔体、传感器、参照管、压差传感器和气压供给装置，所述腔体包括外筒、内筒、托盘和漏斗，外筒顶端设有用于盖合在外筒上的顶板，该顶板上开设有出流液入渗口和腔体通气孔，所述内筒、托盘和漏斗分别设置于外筒内，内筒为上、下端开口结构，该内筒的下端通过焊接等方式固定于外筒的底部，内筒的下端与外筒的底部密封连接，内筒的上端低于外筒上端，内筒和外筒之间形成腔室，所述托盘为上端开口、底部设有滤网的筒状结构，托盘通过螺杆设置于传感器上，托盘位于内筒中，托盘的上端低于内筒上端，漏斗通过支架设置于外筒中，漏斗的下端位于托盘内，即漏斗的下端低于托盘上端，漏斗的上端高于内筒上端，并低于外筒上端，漏斗通过导管与顶板上的出流液入渗口连接并相贯通，外筒的底部开设有腔体底板排水孔、腔体底板入水口和腔体底板连通孔，腔体底板入水口与内筒相贯通，腔体底板排水孔和腔体底板连通孔分别与内筒和外筒之间形成的腔室相贯通，参照管的上端通过导管分别与腔体通气孔和气压供给装置连接，参照管的下端通过导管通过压差传感器与腔体底板连通孔连接，传感器设置于顶板上并位于腔体内。使用时，顶板上的出流液入渗口通过导管与渗透装置连接。气压供给装置为高势位马氏瓶或者空压机。所述传感器为压力传感器或者称重传感器。所述传感器通过螺栓设置于顶板上。所述托盘通过螺杆设置于腔体内，螺杆一端通过螺纹连接设置于传感器上，托盘底部开设有螺纹孔，托盘通过螺纹孔与螺杆螺纹连接设置于螺杆上。托盘的底板为相互交叉的十字结构支撑架，螺纹孔开设与交叉的中部，滤网放置于支撑架上，安装时，螺杆穿过漏斗。外筒内径为196mm，所述内筒内径为100mm。托盘的侧壁高度为80mm至120mm，内筒的上端高出托盘的上端10mm至20mm。气压供给装置提供的气压力量程为0~15kPa。所述滤网选取的孔径为0.075mm。
一种可施加反压的出流收集装置的使用方法为：
A.打开出流液入渗口，关闭腔体通气孔103，通过腔体底板的入水口将水灌入内筒中，内壁内的水溢出至内筒和外筒之间形成的腔室中，当腔室中液面高度达到3-10cm时，停止注水，关闭出腔体底板的入水口43，此时漏斗底部位于托盘壁液面下5cm，同时保证连接漏斗以及出流液入渗口101的导管底端在托盘璧液面一下5cm；打开腔体顶板的出流液入渗口上的阀门，在出流液入渗口外侧接一根导管，关闭腔体顶板的通气孔，打开腔体底板的入水口阀门，继续灌水。直到有水连续地从出流液入渗口上的导管外端排出，将导管与三轴渗透装置出流孔相连；
B．向参照管中注入一定量的水，随后将参照管顶部的连通孔与气压供给装置通过导管相连；
C．当气压供给装置开始运作后，打开腔体通气孔。打开三轴渗流装置出水口的阀门，实现反压的加载；
D．检测三轴渗流装置中土体的饱和度；土体饱和度满足要求后，记录下此时压差传感器以及压力传感器的示数；
E. 三轴渗流装置中土样开始进行固结时，记录压差传感器以及压力传感器的示数，并于初始读数进行对比，可以获取土体出流液体积以及颗粒流失质量。
实验中所使用的水为实验用水，例如为无气水或者蒸馏水。
具体实施例：一种可实现反压加载的出流收集装置，包括腔体、压力传感器、压差传感器、漏斗、内筒、外筒、托盘、滤网、参照管以及气压供给装置，腔体的顶板开设有出流液入渗口以及通气孔，腔体的底板开设有侧部排水口、入水口以及连通孔。所述压力传感器通过螺栓固定在腔体顶板朝向腔体内部一侧的端面上，所述压力传感器底部安装有螺杆。所述漏斗通过支架设置于腔体内，漏斗顶部开设孔洞以允许安装在压力传感器底部的螺杆穿过，托盘的底部为镂空型构造（托盘的底板为相互交叉的十字结构支撑架），托盘底部开设有螺纹孔，托盘通过螺纹孔与设于压力传感器底部的螺杆连接，即托盘底部通过十字型板与压力传感器上的螺杆进行连接。内筒的筒壁安置在所述托盘和支撑漏斗的支架之间，内筒壁与腔体底板连接并密封，内筒壁与外筒壁存在一定高差，内筒壁顶部位于外筒壁顶部之下。所述漏斗底部开口位于所述托盘顶部之下，漏斗顶部开设孔洞，漏斗顶部与腔体顶板的出流液入渗口通过导管连接。所述导管底部位于内筒壁顶部之下。所述参照管底部与压差传感器连通孔通过导管相连，所述参照管顶部开设连通孔，所述腔体底板连通孔与压差传感器连通孔之间通过导管相连。所述气压供给装置包括两个马氏瓶，所述两个马氏瓶之间保持一定高差，所述位于高处的马氏瓶底部与位于低处的马氏瓶底部通过导管相连。进一步改进，施加给试样的反压可以通过改变所述气压供给系统中两个马氏瓶之间的高差来实现。所述腔体与腔体顶板之间设有密封圈，所述腔体与腔体底板之间设有密封圈。所述腔体内径为196mm，所述内筒壁内径为100mm。所述导管的孔径为6~8mm。进一步优选，所述导管的孔径为6mm。所述滤网选取的孔径为0.075mm。
一种可施加反压的出流收集装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：打开腔体顶板的通气孔，通过腔体底板的入水口，将无气水灌入内筒，直至内筒内的水溢出至内筒壁和外筒壁之间的腔室中，当腔室中的液面高度达到3cm左右停止注水，关闭入水口阀门。
步骤二：打开腔体顶板的出流液入渗口上的阀门，在出流液入渗口外侧接一根导管，关闭腔体顶板的通气孔，打开腔体底板的入水口阀门，继续灌水。直到有水连续地从出流液入渗口上的导管外端排出，将导管与三轴渗透装置出流孔相连。
步骤三：向参照管注入一定量无气水，随后将参照管顶部的连通孔和腔体顶部的通气孔分别与位于低位势的马氏瓶出气孔通过导管相连。
步骤四：当气压供给装置开始运作后，打开腔体顶板的通气孔，打开三轴渗流装置出水口阀门，实现反压的加载。
步骤五：反压施加一段时间后，检测三轴渗流装置内土体饱和度；
步骤六：三轴渗流装置内土体饱和度满足要求后，记录下此时压差传感器以及压力传感器的示数；
步骤七：三轴渗流装置内土样开始进行固结，记录压差传感器以及压力传感器的示数，并于初始读数进行对比，可以获取土体出流液体积以及颗粒流失质量。
参见附图，一种可以施加反压的出流收集装置，其包括出流收集腔体9以及气压供给装置，所述出流收集腔体9包括腔体顶板1、腔体底板4、压力传感器8、漏斗7、外筒壁2、内筒璧3、托盘5、滤网51以及螺杆81。所述压力传感器8通过螺栓螺纹连接固定在腔体顶板1的下方，所述螺杆81通过螺栓螺纹连接固定在压力传感器8的下方，所述托盘5通过螺纹连接固定在螺杆81上，所述滤网51通过胶体粘结等的方式固定在所述托盘5的底部，所述漏斗7通过螺栓和支架固定在所述内筒璧3的上方，所述漏斗7顶部开设导管孔，所述导管孔与腔体顶板1的出流液入渗口阀门101通过导管连接，所述漏斗7中间留用孔洞，允许螺杆81穿过，所述内筒璧3的顶部位于所述托盘5的顶部之下，所述漏斗7底部位于所述托盘5的顶部之下，所述参照管6位于所述腔体9的右侧，所述压差传感器12分别通过导管与参照管6的底部以及腔体底板连通孔阀门45连接，所述参照管6顶部分别和腔体顶板通气孔阀门103以及低势位马氏瓶10通过导管连接，低势位马氏瓶10与高势位马氏瓶11通过导管连接。所述高势位马氏瓶11位于低势位马氏瓶10的上方，两者之间存在一定高差。内筒璧3的顶部高出托盘5顶部10mm至20mm，作为优选方式，高差为10mm。滤网51位于托盘5的底部，托盘5的高度为80mm至120mm，试验时，出流液中的颗粒流入托盘5中，托盘5的壁高选择可以保证出流颗粒发生充分沉淀，最终落在滤网上，作为优选方式，托盘5高度选择为100mm。
所述压差传感器12用于测量内筒壁与外筒璧之间的水压力与参照管内部水压力之差，利用水压力差可以反算出出流液体积变化。所述气压供给装置包括低势位马氏瓶10和高势位马氏瓶11，通过改变两个马氏瓶之间的高差可以实现不同气压力的施加，所能提供的气压力量程为0~15kPa，控制精度为0.01kPa，本实施例也可以采用其他气压供给装置，如空压机，只需要保证其量程及精度符合要求即可。所述压力传感器8用于获取托盘5中的质量变化情况。在本实例中，作为一种优选方式，所述压力传感器8具备可防水的功能，也可以采用其他压力传感器，如称重传感器等，只需要保证其量程及精度符合要求即可。所述压差传感器12用于内筒壁3至外筒壁2之间的水压力与参照管6水压力之差。所用压差传感器量测范围是0~2.5kPa，也可以采用其他传感器对内筒壁3至外筒壁2之间的水压力变化进行量测，如孔隙水压力传感器，只需要保证其量程及精度符合要求即可。
一种可以施加反压的出流收集装置，其操作步骤如下：
步骤一：打开腔体顶板的通气孔阀门103。通过所述腔体底板的入水口43，将无气水灌入内筒内，直至内筒壁3内的水溢出至内筒壁3与外筒壁2之间的腔室内，当液面高度达到3cm左右停止注水，关闭入水口阀门43；
步骤二：在出流液入渗口外侧接一根导管，打开腔体顶板的出流液入渗口阀门101，关闭腔体顶板的通气孔阀门103，打开入水口阀门43，继续灌水。直到有水连续地从导管外端排出，将导管与三轴渗透装置出流孔相连；漏斗底部位于托盘壁液面下5cm。
步骤三：向参照管6注入一定量无气水，随后将参照管顶部的连通孔61分别与腔体顶部的通气孔阀门103和位于低位势的马氏瓶10出气孔通过导管相连；
步骤四：当气压供给装置开始运作后，打开腔体顶板通气孔阀门103，打开三轴渗流装置出水口阀门，实现反压的加载；
步骤五：反压施加一段时间后，检测三轴渗流装置中土体饱和度；
步骤六：三轴渗流装置中土体饱和度满足要求后，记录下此时压差传感器12以及压力传感器8的示数；
步骤七：三轴渗流装置中土样开始进行固结，记录压差传感器12以及压力传感器8的示数，并于初始读数进行对比，可以获取土体出流液体积以及颗粒流失质量。
Claims (10)
1.一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：包括腔体、传感器、参照管、压差传感器和气压供给装置，所述腔体包括外筒、内筒、托盘和漏斗，外筒顶端设有用于盖合在外筒上的顶板，该顶板上开设有出流液入渗口和腔体通气孔，所述内筒、托盘和漏斗分别设置于外筒内，内筒为上、下端开口结构，该内筒的下端固定于外筒的底部，内筒的下端与外筒的底部密封连接，内筒和外筒之间形成腔室，所述托盘为上端开口、底部设有滤网的筒状结构，托盘通过螺杆设置于传感器上，托盘位于内筒中，漏斗通过支架设置于外筒中，漏斗的下端位于托盘内，漏斗的上端高于内筒上端，漏斗通过导管与顶板上的出流液入渗口连接并相贯通，外筒的底部开设有腔体底板排水孔、腔体底板入水口和腔体底板连通孔，腔体底板入水口与内筒相贯通，腔体底板排水孔和腔体底板连通孔分别与内筒和外筒之间形成的腔室相贯通，参照管的上端与气压供给装置连接，参照管的下端通过压差传感器与腔体底板连通孔连接，传感器设置于顶板上并位于腔体内；使用时，顶板上的出流液入渗口与渗透装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：气压供给装置为高势位马氏瓶或者空压机。
3.根据权利要求1所述的一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：所述传感器为压力传感器或者称重传感器。
4.根据权利要求1所述的一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：所述传感器通过螺栓设置于顶板上。
5.根据权利要求1所述的一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：所述托盘通过螺杆设置于腔体内，螺杆一端通过螺纹连接设置于传感器上，托盘底部开设有螺纹孔，托盘通过螺纹孔与螺杆螺纹连接设置于螺杆上。
6.根据权利要求1所述的一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：出流收集装置的使用方法为：
A.打开出流液入渗口，关闭腔体通气孔，通过腔体底板的入水口将水灌入内筒中，内壁内的水溢出至内筒和外筒之间形成的腔室中，当腔室中液面高度达到3-10cm时，停止注水，关闭出腔体底板的入水口，此时漏斗底部位于托盘壁液面下5cm，同时保证连接漏斗以及出流液入渗口的导管底端在托盘璧液面一下5cm；打开腔体顶板的出流液入渗口上的阀门，在出流液入渗口外侧接一根导管，关闭腔体顶板的通气孔，打开腔体底板的入水口阀门，继续灌水，直到有水连续地从出流液入渗口上的导管外端排出，将导管与三轴渗透装置出流孔相连；
B．向参照管中注入一定量的水，随后将参照管顶部的连通孔与气压供给装置通过导管相连；
C．当气压供给装置开始运作后，打开腔体通气孔，打开三轴渗流装置出水口的阀门，实现反压的加载；
D．检测三轴渗流装置中土体的饱和度；土体饱和度满足要求后，记录下此时压差传感器以及压力传感器的示数；
E. 三轴渗流装置中土样开始进行固结时，记录压差传感器以及压力传感器的示数，并与初始读数进行对比，可以获取土体出流液体积以及颗粒流失质量。
7.根据权利要求5所述的一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：外筒内径为196mm，所述内筒内径为100mm。
8.根据权利要求6所述的一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：托盘的侧壁高度为80mm至120mm，内筒的上端比托盘的上端高10mm至20mm。
9.根据权利要求5所述的一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：气压供给装置提供的气压力量程为0~15kPa。
10.根据权利要求5所述的一种可施加反压的出流收集装置，其特征在于：所述滤网选取的孔径为0.075mm。
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