CN111929346A - 一种多功能电渗实验仪器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种多功能电渗实验仪器及其使用方法，仪器包括箱体、电子秤及挂架，箱体置于电子秤上，挂架置于箱体顶部，箱体内设有物料腔室，挂架用于安装电压、温度、位移测量设备，物料腔室正面设有取样孔且左右两侧为透水隔离板，渗水由量杯收集，透水隔离板内侧插装电极板。方法为：一、重力排水实验：制备物料，仪器组装及物料装填，排水量测量，含水率测量，仪器清理；二、电渗排水实验：制备物料，仪器组装及物料装填，排水量测量，物料水平及竖直位移测量，电极板通电，记录物料质量损失，直至电渗排水结束并断开电极板通电，记录电渗排水实验总时长，含水率测量，仪器清理，重复电渗排水实验，区别为在电渗排水实验总时长范围内任取实验结束时间点。

Description

一种多功能电渗实验仪器及其使用方法

技术领域

本发明属于电渗实验技术领域，特别是涉及一种多功能电渗实验仪器及其使用方法。

背景技术

我国人口众多，对土地资源的需求量极大，随着沿海城市逐渐加快发展的脚步，城市经济稳步提升，城市人口密度越来越大，土地资源出现严重短缺问题，为了应对人口激增、土地资源短缺的问题，沿海城市借助邻近海域的优势开展围海造地工程是城市发展的必然结果。我国当前应用的围海造地技术多为吹填造地法，造地过程中需要大量的土、砂、石等材料。我国海岸线总长约1.8万千米，由于长期的搬运和沉积作用，海岸线周围及沿海河流中下游地区广泛分布着海相淤泥，可为造地和新造土地上建筑物地基处理提供丰富的材料。

海相淤泥的主要工程特点是粘粒含量高、渗透性差，含水率高、压缩性大、抗剪强度很低，由海相淤泥吹填形成的工程地基普遍属于软土地基，地基强度不大且承载能力弱，不能直接用于工程建筑，必须要对其进行相应的地基处理，才能进行下一步的工程施工。

针对软土地基的处理，一般思路是通过堆载预压法和真空预压法等传统的方法进行排水固结，传统方法在取得一定加固效果的同时也逐渐显露出一些问题，主要表现在堆载预压法中的分级加载重量受到低强度的限制，容易因为地基承载力不足引起失稳破坏，而且堆载材料的来源和运输也是一个难点。而真空预压法的排水速率与土体的水力渗透系数息息相关，对高粘粒、低渗透性的海相淤泥来说，排水和固结速率往往较低，直接导致工期过长，此外真空预压法对施工现场要求较高，加固后地基承载力没有特别明显地提高。

为此，近些年电渗法开始逐渐兴起，其主要过程是在预加固土体中通入直流电，在电场作用下，土体内带电粒子有向着相反符号电极运动的趋势，带电粒子运动中会拖拽水分子一同运动，以此促进水分排出，达到排水固结的效果。由于排水速率快且与粘粒粒径无关，且固结的实质是在土体中产生了负孔隙水压力，不会出现堆载造成的地基失稳，对于高塑性、低渗透性的细颗粒土来说，电渗法具有工期短、设备安装方便等优点，较适用于软土地基的处理，所以在各种软土的处理中越来越受到重视。

电渗过程是俄国科学家于1807年发现的，20世纪30年代开始将电渗应用于实际加固工程，此后电渗法的室内实验、现场实验和工程实例不断得到丰富和发展，并积累了大量经验和成果。例如，通过研究发现低含盐量、低电导率软土的电渗处理能耗更低，电渗法在减少地基土含水率的同时，可成倍提高土的抗剪强度。有学者将电渗加固后的土体作浸水处理，发现浸水不影响加固后土体的压缩特性。前人研究证实了电渗法对软土地基加固的有效性，但也发现了电渗法在实际应用中存在的不足，主要包括：①、电渗中会出现阳极腐蚀，同时电极和试验土体会逐渐脱开，使电极与土体之间产生较大电阻，从而引发电压损失，最终导致电渗后期能耗显著增加；②、电渗中土体内各点变形和强度会逐渐变化，导致土体变形和强度的不均匀性。

首先，通过对电渗中存在的阳极腐蚀问题分析可知，阳极腐蚀是一个随电渗进行逐渐发展的过程，若能获取电渗各阶段电极的腐蚀质量，得到电极腐蚀随时间的演化规律，然后在此基础上继续研究，就有望搞清楚电极腐蚀的影响因素与特点，进而想办法对电极腐蚀量进行控制。因此，电渗实验设备应该具备测量试验各时期电极腐蚀量的功能。

再有，对于电渗中的电极与土体脱开的问题，其与土体变形有直接关系，而土体变形是由土体内含水率变化引起的，土体内变形和强度的不均匀性，从根本上讲也根源于土体内各点含水率变化不同。由此可见，在电渗实验中，土体内含水率变化过程的分析与理解是电渗相关问题研究的关键一环，若能深入理解电渗中含水率的变化机理，就可在此基础上研究出安排与控制含水率分布的途径，则有可能找到电极脱开和变形、强度分布不均匀等问题的解决方案。要实现这方面的研究，需要设计出能够测量电渗中土体内含水率随时间演化规律的电渗实验仪器。

由前面的论述可知，对电极腐蚀量随时间的变化和含水率时空演化规律的测量，应是电渗实验设备中应该具备的重要功能，但目前已有的相关电渗实验设备只能完成排水量、电压、电流等基本内容的测量，不能测量电极腐蚀量随时间的变化和含水率时空演化规律。此外，对于试验土体含水率变化的原因，一个是电渗中水由负极处渗出，二是蒸发失水，而现有的电渗实验设备仅仅能够对电极渗水进行测量，并未对蒸发量进行测量。因此，为了保证对水的流失总量进行详细测量，电渗实验设备应该具备准确测量蒸发失水量的能力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多功能电渗实验仪器及其使用方法，既能够实现排水量、电压、电流等基本内容的测量，还可以实现电极腐蚀量随时间的变化、含水率时空演化规律、水蒸发量随时间的变化等内容的测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多功能电渗实验仪器，包括箱体、电子秤及挂架；所述箱体设置在电子秤上，所述挂架设置在箱体顶部，挂架与箱体之间采用可拆卸式连接结构；所述挂架用于安装电压测量探针、探针式温度计或位移测量机构；所述箱体为长方体结构且采用无顶式布局，箱体采用透明材料制造，箱体内部分为物料腔室、第一排水腔室及第二排水腔室，物料腔室位于箱体的正中间，物料腔室与第一排水腔室之间由第一透水隔板进行分隔，物料腔室与第二排水腔室之间由第二透水隔板进行分隔；在所述物料腔室内侧与第一透水隔板相邻的箱体上开设有第一电极插槽，在第一电极插槽内插装有第一电极板；在所述物料腔室内侧与第二透水隔板相邻的箱体上开设有第二电极插槽，在第二电极插槽内插装有第二电极板；所述第一电极板和第二电极板相平行，第一电极板和第二电极板分别与直流电源的正负极相连接；所述第一电极板和第二电极板与箱体底板之间均留有排水间隙；与所述物料腔室正对的一个箱体侧立面上开设有若干取样孔，若干取样孔呈矩阵式分布，每个取样孔上均安装有封孔板；在所述第一排水腔室底部的箱体底板上设有第一排水孔，在第一排水孔下方设置有第一量杯；在所述第二排水腔室底部的箱体底板上设有第二排水孔，在第二排水孔下方设置有第二量杯。

所述挂架的本体上设置有若干竖直方向的测量插孔，若干测量插孔呈矩阵式分布，测量插孔用于插装电压测量探针或探针式温度计；当测量插孔插装电压测量探针时，电压测量探针共为两根，两根电压测量探针分别与电压表的正负极相连接；当所述挂架位于箱体顶部时，在所述第一排水腔室和第二排水腔室所在侧的挂架边部设置有水平位移测量机构固定卡扣，在所述取样孔对侧的挂架边部设置有竖直位移测量机构固定卡扣。

所述位移测量机构包括千分尺及激光发射器，所述激光发射器铰接在千分尺的活动测杆顶部，激光发射器的中轴线与千分尺的活动测杆的中轴线相垂直。

所述封孔板边沿铰接在箱体上，且铰接点对侧的箱体上设置有锁紧门栓，锁紧门栓一端铰接在箱体上，锁紧门栓另一端安装有压紧螺钉；所述封孔板与取样孔之间的扣合接触面采用阶梯式结构，在取样孔的扣合接触面上设置有密封胶条。

所述取样孔配套有取样器，所述取样器包括手柄及取样筒，手柄内部内置有电动机，电动机的启动按键设置在手柄外表面；所述取样筒的根部与电动机的电机轴同轴固连在一起，在取样筒的筒口边沿设有用于取样旋进的锯齿结构；在所述取样筒与手柄之间设有取样深度限位架，取样深度限位架位于取样筒根部外侧且固连在手柄顶端。

所述的多功能电渗实验仪器的使用方法，包括如下步骤：

(一)、仅开展重力排水实验

步骤一：制备物料

在搅拌容器内分别加入称重好的干物料和水，并在搅拌容器内对干物料和水进行充分的混合和搅拌，之后封闭搅拌容器并静置24小时，直到制备出具有设定含水率的物料；

步骤二：仪器组装及物料装填

步骤①：将箱体放置到电子秤上，并将箱体与电子秤进行临时固定，然后对电子秤进行调平；

步骤②：将第一量杯放置到第一排水孔下方，将第二量杯放置到第二排水孔下方；

步骤③：将第一电极板插入第一电极插槽内，将第二电极板插入第二电极插槽内；

步骤④：将制备好的物料全部倒入物料腔室内；

步骤⑤：将挂架放置到物料腔室上方的箱体顶部并进行固定，然后在所有的测量插孔内插入电压测量探针或探针式温度计，使电压测量探针或探针式温度计的测量针插入下方的物料中；

步骤三：排水量测量

以物料倒入物料腔室的时刻作为起始时刻，每隔20分钟记录一次第一量杯和第二量杯中的水量，直到重力排水结束；

步骤四：含水率测量

步骤①：将电压测量探针或探针式温度计从挂架上移除，然后将挂架从箱体上移除；

步骤②：以从上至下、从左至右的顺序依次开启所有的封孔板，然后利用取样器从取样孔中完成物料取样，取样结束后再重新关闭封孔板；

步骤③：利用烘干法对所有取出物料的含水率进行测量，并最终获取含水率的空间分布情况；

步骤五：仪器清理

步骤①：将第一电极板从第一电极插槽内拔出，将第二电极板从第二电极插槽内拔出，然后将第一电极板和第二电极板清洗干净后晾干备用；

步骤②：将箱体从电子秤上移开，清除箱体内剩余的物料，将箱体清洗干净后晾干备用；

(二)、开展电渗排水实验

步骤一：制备物料

在搅拌容器内分别加入称重好的干物料和水，并在搅拌容器内对干物料和水进行充分的混合和搅拌，之后封闭搅拌容器并静置24小时，直到制备出具有设定含水率的物料；

步骤二：仪器组装及物料装填

步骤①：将箱体放置到电子秤上，并将箱体与电子秤进行临时固定，然后对电子秤进行调平；

步骤②：将第一量杯放置到第一排水孔下方，将第二量杯放置到第二排水孔下方；

步骤③：先对第一电极板和第二电极板进行称重，再将第一电极板插入第一电极插槽内，将第二电极板插入第二电极插槽内，然后将第一电极板与第二电极板与直流电源的正负极连接在一起，此时的直流电源暂不启动；

步骤④：将制备好的物料全部倒入物料腔室内；

步骤⑤：将挂架放置到物料腔室上方的箱体顶部并进行固定，然后在所有的测量插孔内插入电压测量探针或探针式温度计，使电压测量探针或探针式温度计的测量针插入下方的物料中；

步骤⑥：在挂架上所有的水平位移测量机构固定卡扣和竖直位移测量机构固定卡扣内均插入位移测量机构，使左侧的水平位移测量机构固定卡扣处的激光发射器发出的激光光束垂直照射在第一电极板内侧上边线上，使右侧的水平位移测量机构固定卡扣处的激光发射器发出的激光光束垂直照射在第二电极板内侧上边线上，使竖直位移测量机构固定卡扣处的激光发射器发出的激光光束垂直于箱体侧立面照射在物料上表面的侧边线上；

步骤三：排水量测量

以物料倒入物料腔室的时刻作为起始时刻，每隔20分钟记录一次第一量杯和第二量杯中的水量，直到重力排水结束；

步骤四：物料水平及竖直位移测量

当重力排水结束后，物料腔室内的物料会产生沉降，并使物料产生水平位移和竖直位移；此时，对于物料左侧水平位移的测量，需要将激光光束的照射点从第一电极板内侧上边线上移动到同侧的物料上表面的侧边线上，移动距离通过千分尺进行测量；对于物料右侧水平位移的测量，需要将激光光束的照射点从第二电极板内侧上边线上移动到同侧的物料上表面的侧边线上，移动距离通过千分尺进行测量；对于物料竖直位移的测量，需要将激光光束的照射点移动到发生了沉降后的物料上表面的侧边线上，移动距离通过千分尺进行测量；

步骤五：先开启直流电源，给第一电极板与第二电极板通电，然后将电子秤的读数清零，此时电渗排水启动，通过电子秤实时记录重量变化，并且每隔30分钟记录一次电渗排水量、电压、温度、物料水平位移和物料竖直位移，直到电渗排水结束，并关闭直流电源，同时记录下电渗排水实验的总时长；

步骤六：含水率测量

步骤①：将电压测量探针或探针式温度计从挂架上移除，将所有的位移测量机构从挂架上移除，然后将挂架从箱体上移除；

步骤②：以从上至下、从左至右的顺序依次开启所有的封孔板，然后利用取样器从取样孔中完成物料取样，取样结束后再重新关闭封孔板；

步骤③：利用烘干法对所有取出物料的含水率进行测量，并最终获取含水率的空间分布情况；

步骤七：仪器清理

步骤①：将第一电极板从第一电极插槽内拔出，将第二电极板从第二电极插槽内拔出，然后将第一电极板和第二电极板清洗干净，再对第一电极板和第二电极板进行称重，而第一电极板和第二电极板的质量损失就是电渗作用下的电极腐蚀量，称重结束后备用；

步骤②：将箱体从电子秤上移开，清除箱体内剩余的物料，将箱体清洗干净后晾干备用；

步骤八：重复步骤一至步骤七，区别在于，不以电渗排水结束的时间点作为实验结束的时间点，而是需要在电渗排水实验总时长范围内任意设定实验结束的时间点，进而用以获取电渗排水实验中不同时间点处的含水率空间分布规律。

本发明的有益效果：

本发明的多功能电渗实验仪器及其使用方法，既能够实现排水量、电压、电流等基本内容的测量，还可以实现电极腐蚀量随时间的变化、含水率时空演化规律、水蒸发量随时间的变化等内容的测量。

附图说明

图1为本发明的一种多功能电渗实验仪器的结构示意图；

图2为本发明的与挂架配装后的箱体俯视图；

图3为本发明在进行物料水平位移测量时的仪器局部结构示意图；

图4为本发明在进行物料竖直位移测量时的仪器局部结构示意图；

图5为本发明在进行电压测量时的仪器局部结构示意图；

图6为本发明在进行温度测量时的仪器局部结构示意图；

图7为本发明位于取样孔与封孔板处(关闭状态)的仪器局部结构示意图；

图8为本发明位于取样孔与封孔板处(开启状态)的仪器局部结构示意图；

图9为本发明的取样器的结构示意图；

图10为本发明实施中的重力排水下排水量随时间的变化曲线图；

图11为本发明实施中的重力排水下含水率的空间分布规律曲线图；

图12为本发明实施中的电渗排水下含水率随时间的变化曲线图；

图13为本发明实施中的电渗排水下排水量随时间的变化曲线图；

图14为本发明实施中的电渗排水下电极腐蚀量随时间的变化曲线图；

图15为本发明实施中的电渗排水下物料水平位移随时间的变化曲线图；

图16为本发明实施中的电渗排水下物料竖直位移随时间的变化曲线图；

图17为本发明实施中的电渗排水下物料内各部分电压随时间的变化曲线图；

图18为本发明实施中的电渗排水下正极附近和负极附近有效电压随时间的变化曲线图；

图19为本发明实施中的电渗排水下物料内温度随时间的变化曲线图；

图20为本发明实施中的电渗排水下蒸发量随时间的变化曲线图；

图中，1—箱体，2—电子秤，3—挂架，4—物料腔室，5—第一排水腔室，6—第二排水腔室，7—第一透水隔板，8—第二透水隔板，9—第一电极插槽，10—第一电极板，11—第二电极插槽，12—第二电极板，13—取样孔，14—封孔板，15—第一排水孔，16—第一量杯，17—第二排水孔，18—第二量杯，19—测量插孔，20—电压测量探针，21—探针式温度计，22—水平位移测量机构固定卡扣，23—竖直位移测量机构固定卡扣，24—千分尺，25—激光发射器，26—锁紧门栓，27—压紧螺钉，28—密封胶条，29—手柄，30—取样筒，31—启动按键，32—取样深度限位架，33—物料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～9所示，一种多功能电渗实验仪器，包括箱体1、电子秤2及挂架3；所述箱体1设置在电子秤2上，所述挂架3设置在箱体1顶部，挂架3与箱体1之间采用可拆卸式连接结构；所述挂架3用于安装电压测量探针20、探针式温度计21或位移测量机构；所述箱体1为长方体结构且采用无顶式布局，箱体1采用透明材料制造，箱体1内部分为物料腔室4、第一排水腔室5及第二排水腔室6，物料腔室4位于箱体1的正中间，物料腔室4与第一排水腔室5之间由第一透水隔板7进行分隔，物料腔室4与第二排水腔室6之间由第二透水隔板8进行分隔；在所述物料腔室4内侧与第一透水隔板7相邻的箱体1上开设有第一电极插槽9，在第一电极插槽9内插装有第一电极板10；在所述物料腔室4内侧与第二透水隔板8相邻的箱体1上开设有第二电极插槽11，在第二电极插槽11内插装有第二电极板12；所述第一电极板10和第二电极板12相平行，第一电极板10和第二电极板12分别与直流电源的正负极相连接；所述第一电极板10和第二电极板12与箱体1底板之间均留有排水间隙；与所述物料腔室4正对的一个箱体1侧立面上开设有若干取样孔13，若干取样孔13呈矩阵式分布，每个取样孔13上均安装有封孔板14；在所述第一排水腔室5底部的箱体1底板上设有第一排水孔15，在第一排水孔15下方设置有第一量杯16；在所述第二排水腔室6底部的箱体1底板上设有第二排水孔17，在第二排水孔17下方设置有第二量杯18。

所述挂架3的本体上设置有若干竖直方向的测量插孔19，若干测量插孔19呈矩阵式分布，测量插孔19用于插装电压测量探针20或探针式温度计21；当测量插孔19插装电压测量探针20时，电压测量探针20共为两根，两根电压测量探针20分别与电压表的正负极相连接；当所述挂架3位于箱体1顶部时，在所述第一排水腔室5和第二排水腔室6所在侧的挂架3边部设置有水平位移测量机构固定卡扣22，在所述取样孔13对侧的挂架3边部设置有竖直位移测量机构固定卡扣23。

所述位移测量机构包括千分尺24及激光发射器25，所述激光发射器25铰接在千分尺24的活动测杆顶部，激光发射器25的中轴线与千分尺24的活动测杆的中轴线相垂直。

所述封孔板14边沿铰接在箱体1上，且铰接点对侧的箱体1上设置有锁紧门栓26，锁紧门栓26一端铰接在箱体1上，锁紧门栓26另一端安装有压紧螺钉27；所述封孔板14与取样孔13之间的扣合接触面采用阶梯式结构，在取样孔13的扣合接触面上设置有密封胶条28。

所述取样孔13配套有取样器，所述取样器包括手柄29及取样筒30，手柄29内部内置有电动机，电动机的启动按键31设置在手柄29外表面；所述取样筒30的根部与电动机的电机轴同轴固连在一起，在取样筒30的筒口边沿设有用于取样旋进的锯齿结构；在所述取样筒30与手柄29之间设有取样深度限位架32，取样深度限位架32位于取样筒30根部外侧且固连在手柄29顶端。

所述的多功能电渗实验仪器的使用方法，包括如下步骤：

(一)、仅开展重力排水实验

步骤一：制备物料

在搅拌容器内分别加入称重好的干物料和水，并在搅拌容器内对干物料和水进行充分的混合和搅拌，之后封闭搅拌容器并静置24小时，直到制备出具有设定含水率的物料；

步骤二：仪器组装及物料装填

步骤①：将箱体1放置到电子秤2上，并将箱体1与电子秤2进行临时固定，然后对电子秤2进行调平；

步骤②：将第一量杯16放置到第一排水孔15下方，将第二量杯18放置到第二排水孔17下方；

步骤③：将第一电极板10插入第一电极插槽9内，将第二电极板12插入第二电极插槽11内；

步骤④：将制备好的物料全部倒入物料腔室4内；

步骤⑤：将挂架3放置到物料腔室4上方的箱体1顶部并进行固定，然后在所有的测量插孔19内插入电压测量探针20或探针式温度计21，使电压测量探针20或探针式温度计21的测量针插入下方的物料中；

步骤三：排水量测量

以物料倒入物料腔室4的时刻作为起始时刻，每隔20分钟记录一次第一量杯16和第二量杯18中的水量，直到重力排水结束；具体的，如图10所示，为仅在重力排水下的排水量随时间的变化曲线，从图中可以看出，开始时排水速度较快，随着时间的增加，排水速度逐渐减小，直到完全停止；

步骤四：含水率测量

步骤①：将电压测量探针20或探针式温度计21从挂架3上移除，然后将挂架3从箱体1上移除；

步骤②：以从上至下、从左至右的顺序依次开启所有的封孔板14，然后利用取样器从取样孔13中完成物料取样，取样结束后再重新关闭封孔板14；具体的，本实施例中，取样孔13的数量为20个，每个取样孔处的封孔板14上均印有编号，从上至下共分成4排，每一排共设有5个；在取样时，先从最上方第一排取样孔13开始取样，并且最先开启第一排最左侧的第一个封孔板14，然后利用取样器完成第一次取样，依次类推，直到完成第一排所有取样孔13的取样工作；当第一排取样孔13的取样工作完成后，再开设第二排取样孔13的取样，同样依照从左至右的顺序进行，依次类推，直到完成剩下两排取样孔13的取样工作；对于取样器的使用方法，当封孔板14开启后，按下启动按键31，使手柄29内置的电动机启动，并带动取样筒30旋转，此时将取样筒30对准取样孔13并插入物料中，借助取样筒30筒口处的锯齿结构以及一定的压力，就可以使取样筒30顺利旋入物料内，直到取样深度限位架32顶靠到箱体1表面，取样筒30无法进行深入，然后松开启动按键31，取样筒30停止旋转，之后缓慢的将装有物料的取样筒30从物料中拔出，则取样结束；

步骤③：利用烘干法对所有取出物料的含水率进行测量，并最终获取含水率的空间分布情况；具体的，如图11所示，为仅在重力排水下含水率的空间分布规律曲线，从图中可以看出，物料内部含水率随深度的增加而增大，这是物料内部水分在重力作用下的一种调整，不管在什么高度，含水率的分布特点都是中间高、两边低，这也是两侧排水的结果；

步骤五：仪器清理

步骤①：将第一电极板10从第一电极插槽9内拔出，将第二电极板12从第二电极插槽11内拔出，然后将第一电极板10和第二电极板12清洗干净后晾干备用；

步骤②：将箱体1从电子秤2上移开，清除箱体1内剩余的物料，将箱体1清洗干净后晾干备用；

(二)、开展电渗排水实验

步骤一：制备物料

在搅拌容器内分别加入称重好的干物料和水，并在搅拌容器内对干物料和水进行充分的混合和搅拌，之后封闭搅拌容器并静置24小时，直到制备出具有设定含水率的物料；

步骤二：仪器组装及物料装填

步骤①：将箱体1放置到电子秤2上，并将箱体1与电子秤2进行临时固定，然后对电子秤2进行调平；

步骤②：将第一量杯16放置到第一排水孔15下方，将第二量杯18放置到第二排水孔17下方；

步骤③：先对第一电极板10和第二电极板12进行称重，再将第一电极板10插入第一电极插槽9内，将第二电极板12插入第二电极插槽11内，然后将第一电极板10与第二电极板12与直流电源的正负极连接在一起，此时的直流电源暂不启动；

步骤④：将制备好的物料全部倒入物料腔室4内；

步骤⑤：将挂架3放置到物料腔室4上方的箱体1顶部并进行固定，然后在所有的测量插孔19内插入电压测量探针20或探针式温度计21，使电压测量探针20或探针式温度计21的测量针插入下方的物料中；

步骤⑥：在挂架3上所有的水平位移测量机构固定卡扣22和竖直位移测量机构固定卡扣23内均插入位移测量机构，使左侧的水平位移测量机构固定卡扣22处的激光发射器25发出的激光光束垂直照射在第一电极板10内侧上边线上，使右侧的水平位移测量机构固定卡扣22处的激光发射器25发出的激光光束垂直照射在第二电极板12内侧上边线上，使竖直位移测量机构固定卡扣23处的激光发射器25发出的激光光束垂直于箱体1侧立面照射在物料上表面的侧边线上，具体如图3、4所示；

步骤三：排水量测量

以物料倒入物料腔室4的时刻作为起始时刻，每隔20分钟记录一次第一量杯16和第二量杯18中的水量，直到重力排水结束；

步骤四：物料水平及竖直位移测量

当重力排水结束后，物料腔室4内的物料会产生沉降，并使物料产生水平位移和竖直位移；此时，对于物料左侧水平位移的测量，需要将激光光束的照射点从第一电极板10内侧上边线上移动到同侧的物料上表面的侧边线上，移动距离通过千分尺24进行测量；对于物料右侧水平位移的测量，需要将激光光束的照射点从第二电极板12内侧上边线上移动到同侧的物料上表面的侧边线上，移动距离通过千分尺24进行测量；对于物料竖直位移的测量，需要将激光光束的照射点移动到发生了沉降后的物料上表面的侧边线上，移动距离通过千分尺24进行测量；具体的，由于物料沉降可能并不均匀，因此沉降后的物料上面可能是不平整的，因此本实施例中用于测量物料竖直位移的位移测量机构数量为5个，5个位移测量机构等间距分布，并将5个位移测量机构测得的位移数据求取平均值，并将该平均值作为物料最终的竖直位移数据；对于水平位移来说，也存在不均匀的情况，但在测量水平位移时，如果物料上表面的侧边线并不平直，可以在该条侧边线上均匀的取三个点，通过转动激光发射器25，使激光光束分别照射到这三个点位上，并分别测量出三个点位的位移距离，最终求取平均值，并将该平均值作为物料最终的水平位移数据；另外，在进行物料的水平位移和竖直位移测量时，由于位移都是指一个面的位移，而实际测量时都用线的位移来替代，因此，水平位移和竖直位移的测量数据必然是存在一定误差的，为此应该予以修正；其中，水平位移的修正公式为x＝x₁(1-0.311e^-t/55366.5)，竖直位移的修正公式为y＝y₁(1+0.032e^{t /79352.7})，式中，x₁为实测的水平位移，x为修正后的水平位移，y₁为实测的竖直位移，y为修正后的竖直位移，t为时间；

步骤五：先开启直流电源，给第一电极板10与第二电极板12通电，然后将电子秤2的读数清零，此时电渗排水启动，通过电子秤2实时记录重量变化，并且每隔30分钟记录一次电渗排水量、电压、温度、物料水平位移和物料竖直位移，直到电渗排水结束，并关闭直流电源，同时记录下电渗排水实验的总时长；具体的，在本实施例中，第一电极板10作为正极，第二电极板12作为负极，挂架3上共设置有9个测量插孔19，9个测量插孔19分别记为测点1-1、测点1-2、测点1-3、测点2-1、测点2-2、测点2-3、测点3-1、测点3-2及测点3-3；在进行电压测量时，需要用到的是电压测量探针20，通过分别测量第一电极板10与测点1-1、测点2-1、测点3-1间的电压，就可以得到作为正极的第一电极板10处产生的电压损失，最终取三个测点的平均值作为正极的电压损失值；同理，通过分别测量第二电极板12与测点1-3、测点2-3、测点3-3间的电压，就可以得到作为负极的第二电极板12处产生的电压损失，最终取三个测点的平均值作为负极的电压损失值；通过分别测量测点1-1与测点1-3、测点2-1与测点2-3、测点3-1与测点3-3之间的电压，可以得到三个有效电压值，为了深入分析有效电压的特点，将有效电压分为两个部分，分别是正极附近的有效电压和负极附近的有效电压，其中正极附近的有效电压可以通过分别测量测点1-1与测点1-2、测点2-1与测点2-2、测点3-1与测点3-2之间的电压来获取，并取三个电压的平均值作为正极附近的有效电压值；同理，负极附近的有效电压可以通过分别测量测点1-2与测点1-3、测点2-2与测点2-3、测点3-2与测点3-3之间的电压来获取，并取三个电压的平均值作为负极附近的有效电压值；在进行温度测量来说，需要利用的探针式温度计21，且仅需要利用测点2-1、测点2-2、测点2-3这三个测点即可，并分别记录下这三个测点处的温度数据；在进行电渗排水量测量时，可以发现只有作为负极的第二电极板12一侧所在的第二量杯18中有水存在，而作为正极的第一电极板10一侧所在的第一量杯16没有水存在，说明电渗作用改变了水的流动方向；

步骤六：含水率测量

步骤①：将电压测量探针20或探针式温度计21从挂架3上移除，将所有的位移测量机构从挂架3上移除，然后将挂架3从箱体1上移除；

步骤②：以从上至下、从左至右的顺序依次开启所有的封孔板14，然后利用取样器从取样孔13中完成物料取样，取样结束后再重新关闭封孔板14，具体的操作方式与重力排水实验完全相同；

步骤③：利用烘干法对所有取出物料的含水率进行测量，并最终获取含水率的空间分布情况；

步骤七：仪器清理

步骤①：将第一电极板10从第一电极插槽9内拔出，将第二电极板12从第二电极插槽11内拔出，然后将第一电极板10和第二电极板12清洗干净，再对第一电极板10和第二电极板12进行称重，而第一电极板10和第二电极板12的质量损失就是电渗作用下的电极腐蚀量，称重结束后备用；

步骤②：将箱体1从电子秤2上移开，清除箱体1内剩余的物料，将箱体1清洗干净后晾干备用；

步骤八：重复步骤一至步骤七，区别在于，不以电渗排水结束的时间点作为实验结束的时间点，而是需要在电渗排水实验总时长范围内任意设定实验结束的时间点，进而用以获取电渗排水实验中不同时间点处的含水率空间分布规律；具体的，如图12所示，为电渗排水下含水率随时间的变化曲线，从图中可以看出，电渗过程中各测点的含水率都是在下降的，但靠近正极的测点含水率下降较快，靠近负极的测点含水率下降的较慢；另外，电渗过程中含水率仍然随深度的增加而增加，但各点间含水率的差距在逐渐增大；电渗结束后，含水率最大值出现在最靠近负极且最深的测点处，含水率最小值出现在最靠近正极且最浅的测点处；具体的，在重复实验的过程中，还可以分别获取电渗排水下排水量随时间的变化曲线、电渗排水下电极腐蚀量随时间的变化曲线、电渗排水下物料水平位移随时间的变化曲线、电渗排水下物料竖直位移随时间的变化曲线、电渗排水下物料内各部分电压随时间的变化曲线、电渗排水下正极附近和负极附近的有效电压随时间的变化曲线、电渗排水下物料内温度随时间的变化曲线以及电渗排水下蒸发量随时间的变化曲线。

如图13所示，为电渗排水下排水量随时间的变化曲线，从图中可以看出，电渗开始的时候排水速度较快，随着时间的增加，排水速度逐渐减慢，直至排水停止。

如图14所示，为电渗排水下电极腐蚀量随时间的变化曲线，电渗时虽然同时用到了正极和负极，但发生腐蚀的只有正极，而负极在电渗全过程的质量保持不变，因此电极腐蚀量仅指正极的腐蚀量，从图中可以看出，电极腐蚀在开始比较快，随着时间的增加，腐蚀增速逐渐变慢，到实验快要结束时，腐蚀量基本不变；可见，腐蚀量的变化趋势与排水量完全吻合，说明二者之间存在对应关系，即电极腐蚀速度越快，则排水速度越快；反之，电极腐蚀速度越慢，则排水速度越慢。

如图15所示，为电渗排水下物料水平位移随时间的变化曲线，从图中可以看出，在实验全程，正极处的水平位移值始终大于负极处的水平位移，且正极处的水平位移在开始时增加较快，随着时间的增加，水平位移的增加速度逐渐减慢，到最后增加速度趋近于零；而负极处的水平位移在开始时增加的就很缓慢，然后增加速度逐渐增大，到最后增加速度又趋近于零。

如图16所示，为电渗排水下物料竖直位移随时间的变化曲线，从图中可以看出，各测点竖直位移变化趋势相同，均是开始时增加速度较快，随着时间的增加，竖直位移的增加速度逐渐减慢，到最后增加速度趋近于零；再有，越靠近正极的测点，则竖直位移越大，越靠近负极的测点，则竖直位移越小；正极附近的竖直位移较大的原因，是由于正极附近含水率降低幅度较大，失水较多，所以沉降量较大，而负极附近失水量相对较少，竖直沉降量较小，因而竖直位移也就较小。

如图17所示，为电渗排水下物料内各部分电压随时间的变化曲线，从图中可以看出，有效电压随着时间的增加逐渐减小，正极和负极的电压损失随着时间的增加而增大，且正极的电压损失大于负极的电压损失；另外，各部分电压变化特点均是先快后慢。

如图18所示，为电渗排水下正极附近和负极附近的有效电压随时间的变化曲线，从图中可以看出，正极附近的有效电压始终大于负极附近的有效电压，出现该结果的原因，是由于正极附近的含水率越来越小，则电阻就越来越大，而串联电路中两点间的电压与电阻成正比；另外，正极附近和负极附近的有效电压的变化趋势基本相同。

如图19所示，为电渗排水下物料内温度随时间的变化曲线，从图中可以看出，物料内部各测点温度是存在差别的，与正极较近的测点温度稍高一些，与正极较远的测点温度要稍低一些，温度的变化趋势为开始时温度上升很快，然后上升速度逐渐慢下来，但在实验全过程中，温度值并没有稳定，且一直在上升，并且测点1与测点2的温度差值大于测点2与测点3的温度差值。

如图20所示，为电渗排水下蒸发量随时间的变化曲线，从图中可以看出，蒸发速度在开始时很慢，随着时间的增加，蒸发速度逐渐增加，又经过一段时间后，蒸发速度逐渐减小，但实验全过程中蒸发速度都没有变为零；蒸发量的变化出现该结果的原因，是由于蒸发过程与温度有关，实验开始时，试验物料温度较低，因此蒸发速度缓慢，但随着时间的增加，物料温度越来越高，因此蒸发速度也会越来越快，但随着物料内部的水分越来越少，大部分水分都在物料底部而非表面，因此蒸发变得越来越困难，便导致蒸发速度也越来越小。具体的，蒸发量完全通过计算方式获得，在每一时刻，都可以通过电子秤2获取实验中物料损失的总质量，而损失的这部总质量由电渗排水量和蒸发量两部分构成，物料损失的总质量和电渗排水量可以在实验中直接测量，利用物料损失的总质量减去电渗排水量，就可以得到同一时刻的蒸发量了。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种多功能电渗实验仪器，其特征在于：包括箱体、电子秤及挂架；所述箱体设置在电子秤上，所述挂架设置在箱体顶部，挂架与箱体之间采用可拆卸式连接结构；所述挂架用于安装电压测量探针、探针式温度计或位移测量机构；所述箱体为长方体结构且采用无顶式布局，箱体采用透明材料制造，箱体内部分为物料腔室、第一排水腔室及第二排水腔室，物料腔室位于箱体的正中间，物料腔室与第一排水腔室之间由第一透水隔板进行分隔，物料腔室与第二排水腔室之间由第二透水隔板进行分隔；在所述物料腔室内侧与第一透水隔板相邻的箱体上开设有第一电极插槽，在第一电极插槽内插装有第一电极板；在所述物料腔室内侧与第二透水隔板相邻的箱体上开设有第二电极插槽，在第二电极插槽内插装有第二电极板；所述第一电极板和第二电极板相平行，第一电极板和第二电极板分别与直流电源的正负极相连接；所述第一电极板和第二电极板与箱体底板之间均留有排水间隙；与所述物料腔室正对的一个箱体侧立面上开设有若干取样孔，若干取样孔呈矩阵式分布，每个取样孔上均安装有封孔板；在所述第一排水腔室底部的箱体底板上设有第一排水孔，在第一排水孔下方设置有第一量杯；在所述第二排水腔室底部的箱体底板上设有第二排水孔，在第二排水孔下方设置有第二量杯。

2.根据权利要求1所述的一种多功能电渗实验仪器，其特征在于：所述挂架的本体上设置有若干竖直方向的测量插孔，若干测量插孔呈矩阵式分布，测量插孔用于插装电压测量探针或探针式温度计；当测量插孔插装电压测量探针时，电压测量探针共为两根，两根电压测量探针分别与电压表的正负极相连接；当所述挂架位于箱体顶部时，在所述第一排水腔室和第二排水腔室所在侧的挂架边部设置有水平位移测量机构固定卡扣，在所述取样孔对侧的挂架边部设置有竖直位移测量机构固定卡扣。

3.根据权利要求1所述的一种多功能电渗实验仪器，其特征在于：所述位移测量机构包括千分尺及激光发射器，所述激光发射器铰接在千分尺的活动测杆顶部，激光发射器的中轴线与千分尺的活动测杆的中轴线相垂直。

4.根据权利要求1所述的一种多功能电渗实验仪器，其特征在于：所述封孔板边沿铰接在箱体上，且铰接点对侧的箱体上设置有锁紧门栓，锁紧门栓一端铰接在箱体上，锁紧门栓另一端安装有压紧螺钉；所述封孔板与取样孔之间的扣合接触面采用阶梯式结构，在取样孔的扣合接触面上设置有密封胶条。

5.根据权利要求1所述的一种多功能电渗实验仪器，其特征在于：所述取样孔配套有取样器，所述取样器包括手柄及取样筒，手柄内部内置有电动机，电动机的启动按键设置在手柄外表面；所述取样筒的根部与电动机的电机轴同轴固连在一起，在取样筒的筒口边沿设有用于取样旋进的锯齿结构；在所述取样筒与手柄之间设有取样深度限位架，取样深度限位架位于取样筒根部外侧且固连在手柄顶端。

6.权利要求1所述的多功能电渗实验仪器的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

(一)、仅开展重力排水实验

步骤一：制备物料

在搅拌容器内分别加入称重好的干物料和水，并在搅拌容器内对干物料和水进行充分的混合和搅拌，之后封闭搅拌容器并静置24小时，直到制备出具有设定含水率的物料；

步骤二：仪器组装及物料装填

步骤①：将箱体放置到电子秤上，并将箱体与电子秤进行临时固定，然后对电子秤进行调平；

步骤②：将第一量杯放置到第一排水孔下方，将第二量杯放置到第二排水孔下方；

步骤③：将第一电极板插入第一电极插槽内，将第二电极板插入第二电极插槽内；

步骤④：将制备好的物料全部倒入物料腔室内；

步骤⑤：将挂架放置到物料腔室上方的箱体顶部并进行固定，然后在所有的测量插孔内插入电压测量探针或探针式温度计，使电压测量探针或探针式温度计的测量针插入下方的物料中；

步骤三：排水量测量

以物料倒入物料腔室的时刻作为起始时刻，每隔20分钟记录一次第一量杯和第二量杯中的水量，直到重力排水结束；

步骤四：含水率测量

步骤①：将电压测量探针或探针式温度计从挂架上移除，然后将挂架从箱体上移除；

步骤②：以从上至下、从左至右的顺序依次开启所有的封孔板，然后利用取样器从取样孔中完成物料取样，取样结束后再重新关闭封孔板；

步骤③：利用烘干法对所有取出物料的含水率进行测量，并最终获取含水率的空间分布情况；

步骤五：仪器清理

步骤①：将第一电极板从第一电极插槽内拔出，将第二电极板从第二电极插槽内拔出，然后将第一电极板和第二电极板清洗干净后晾干备用；

步骤②：将箱体从电子秤上移开，清除箱体内剩余的物料，将箱体清洗干净后晾干备用；

(二)、开展电渗排水实验

步骤一：制备物料

在搅拌容器内分别加入称重好的干物料和水，并在搅拌容器内对干物料和水进行充分的混合和搅拌，之后封闭搅拌容器并静置24小时，直到制备出具有设定含水率的物料；

步骤二：仪器组装及物料装填

步骤①：将箱体放置到电子秤上，并将箱体与电子秤进行临时固定，然后对电子秤进行调平；

步骤②：将第一量杯放置到第一排水孔下方，将第二量杯放置到第二排水孔下方；

步骤③：先对第一电极板和第二电极板进行称重，再将第一电极板插入第一电极插槽内，将第二电极板插入第二电极插槽内，然后将第一电极板与第二电极板与直流电源的正负极连接在一起，此时的直流电源暂不启动；

步骤④：将制备好的物料全部倒入物料腔室内；

步骤⑤：将挂架放置到物料腔室上方的箱体顶部并进行固定，然后在所有的测量插孔内插入电压测量探针或探针式温度计，使电压测量探针或探针式温度计的测量针插入下方的物料中；

步骤⑥：在挂架上所有的水平位移测量机构固定卡扣和竖直位移测量机构固定卡扣内均插入位移测量机构，使左侧的水平位移测量机构固定卡扣处的激光发射器发出的激光光束垂直照射在第一电极板内侧上边线上，使右侧的水平位移测量机构固定卡扣处的激光发射器发出的激光光束垂直照射在第二电极板内侧上边线上，使竖直位移测量机构固定卡扣处的激光发射器发出的激光光束垂直于箱体侧立面照射在物料上表面的侧边线上；

步骤三：排水量测量

以物料倒入物料腔室的时刻作为起始时刻，每隔20分钟记录一次第一量杯和第二量杯中的水量，直到重力排水结束；

步骤四：物料水平及竖直位移测量

当重力排水结束后，物料腔室内的物料会产生沉降，并使物料产生水平位移和竖直位移；此时，对于物料左侧水平位移的测量，需要将激光光束的照射点从第一电极板内侧上边线上移动到同侧的物料上表面的侧边线上，移动距离通过千分尺进行测量；对于物料右侧水平位移的测量，需要将激光光束的照射点从第二电极板内侧上边线上移动到同侧的物料上表面的侧边线上，移动距离通过千分尺进行测量；对于物料竖直位移的测量，需要将激光光束的照射点移动到发生了沉降后的物料上表面的侧边线上，移动距离通过千分尺进行测量；

步骤五：先开启直流电源，给第一电极板与第二电极板通电，然后将电子秤的读数清零，此时电渗排水启动，通过电子秤实时记录重量变化，并且每隔30分钟记录一次电渗排水量、电压、温度、物料水平位移和物料竖直位移，直到电渗排水结束，并关闭直流电源，同时记录下电渗排水实验的总时长；

步骤六：含水率测量

步骤①：将电压测量探针或探针式温度计从挂架上移除，将所有的位移测量机构从挂架上移除，然后将挂架从箱体上移除；

步骤②：以从上至下、从左至右的顺序依次开启所有的封孔板，然后利用取样器从取样孔中完成物料取样，取样结束后再重新关闭封孔板；

步骤③：利用烘干法对所有取出物料的含水率进行测量，并最终获取含水率的空间分布情况；

步骤七：仪器清理

步骤①：将第一电极板从第一电极插槽内拔出，将第二电极板从第二电极插槽内拔出，然后将第一电极板和第二电极板清洗干净，再对第一电极板和第二电极板进行称重，而第一电极板和第二电极板的质量损失就是电渗作用下的电极腐蚀量，称重结束后备用；

步骤②：将箱体从电子秤上移开，清除箱体内剩余的物料，将箱体清洗干净后晾干备用；

步骤八：重复步骤一至步骤七，区别在于，不以电渗排水结束的时间点作为实验结束的时间点，而是需要在电渗排水实验总时长范围内任意设定实验结束的时间点，进而用以获取电渗排水实验中不同时间点处的含水率空间分布规律。

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