CN112540026B - 温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置及其应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置及其应用系统，包括天平、放置于天平上的冷浴循环水汽分离收集及监测装置，冷浴循环水汽分离收集及监测装置具有顶盖、底座和双腔体，顶盖与双腔体上部刚性连接，双腔体下部固定在底座上，双腔体包括腔体外壁和腔体内通道，腔体内通道包括上部的双螺旋圆管和下部的储水腔体，双螺旋圆管与储水腔体之间密封连接。该装置可以用于高温气体的水蒸气收集和隔离，防止高温气体中的水蒸气进入气压控制系统，损伤电子元件，并且可以配置在温控非饱和三轴试验仪器外部，用于监测高温条件下试样水分的蒸发量，进而完善不同温度条件下非饱和土体持水特性及土水特征曲线的测定。

Description

温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置及其应用系统

技术领域

本发明涉及一种土工测试配套装置，特别涉及一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置及基于该装置的大型温控非饱和土土水特征曲线测试系统。

背景技术

实际工程中土体通常处于变化的温度场作用下，如能源桩、海底油气管线、供暖管线周边土体以及公路路基等长期处于变化的温度场下，并且温度变化会对土体的静动力学特性产生较大的影响，因此掌握和了解温度对于土体力学特性的影响十分必要，需要开展大量控温室内单元体试验并对其加以分析研究。与此同时，自然条件下与大气接触的近地面土体大多处于非饱和状态，对于非饱和土体而言，长期经受日夜更替及季节交替引起的温度变化会导致土体的含水率也在无时不刻地发生着变化，因而测定不同温度条件下非饱和土体的土水特征曲线，对掌握温度对非饱和土体持水特性的影响有着重要的意义。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明针对由于温度升高必然导致土体中孔隙水蒸发量的增加，极大的影响了试验中试样含水率测量的准确性。同时，高温条件下过多的水蒸气进入气压控制装置极易影响电子元件的使用寿命，提供了一种可以收集并隔离水蒸气、适用于测定不同温度条件下非饱和土体水分蒸发量的测试配套装置，该装置不仅可以收集和隔离高温条件下试样中孔隙水蒸发产生的水蒸气，保护气压控制装置，而且可以监测不同温度条件下土体内部孔隙水的蒸发量，完善不同温度条件下非饱和土体土水特征曲线的测定。

为此，本发明提供了一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，包括天平和放置于天平上的冷浴循环水汽分离收集及监测装置，所述冷浴循环水汽分离收集及监测装置包括设有两个通孔的顶盖、设有L型排水通道的底座和双腔体，所述双腔体包括腔体外壁和腔体内通道，所述腔体内通道包括两根螺旋圆管和设有两个通孔的储水腔体，两根螺旋圆管的上端与顶盖的两个通孔密封连接，下端与储水腔体的两个通孔密封连接，其中，一根螺旋圆管的下端设有隔水透气膜；储水腔体固定于底座上，储水腔体底部设有与底座L型排水通道对应的排水孔。所述腔体外壁上下两端分别与顶盖和底座密封连接。腔体外壁设有用于循环冷却水进出的进水口和出水口。所述双腔体内还设有用于监测循环冷却水温度的温度传感器。

进一步的，所述顶盖为金属材质，所述温度传感器设置于两根螺旋圆管之间，顶端固定在顶盖上。

进一步的，所述底座为金属材质，所述底座通过螺口和密封圈与腔体外壁下部密封连接，所述L型排水通道连通底座顶面和侧面，所述L型排水通道侧面开口处设置有阀门。

进一步的，所述双腔体包括腔体外壁和腔体内通道，均采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质，其中腔体外壁无色透明，便于观测内部水汽变化，腔体内通道整体为淡蓝色，便于区分内外腔体位置，其中，所述双腔体的外腔室为腔体外壁内侧、腔体内通道外侧、顶盖下部和底座上部之间形成的封闭区域，所述双腔体的内腔室为双螺旋圆管内部以及与其下部连通的储水腔体内部形成的封闭区域。所述进水口与排水口分别连接外部的冷浴循环器的出液口和进液口，使得装置外腔室和外部冷浴循环器之间形成闭合液体回路，外部冷浴循环器可以根据设定温度对循环液进行降温，并通过内部循环器完成与装置外腔室之间的液体循环，对装置内腔室中通过的水蒸气进行降温冷凝，所述外腔室内部的温度传感器与外部冷浴循环器相连，用于监测循环液体的温度，并将数据实时反馈给冷浴循环器，完成温度补偿，实现循环液温度的精准控制。

进一步地，所述隔水透气膜为双层EPTFE隔水透气膜。所述双螺旋圆管由两根螺旋圆管组成，包括一根进气管和一根排气管，所述排气管下端与储水腔体连接处具有双层EPTFE隔水透气膜，所述双螺旋圆管与储水腔体之间通过卡口和密封圈密封连接，所述储水腔体底部中心具有排水通孔，下端通过螺口和密封圈与底座中心的排水通道密封连接，当底座排水通道阀门关闭时，所述进气管、储水腔体和排气管之间形成排气通路。所述双层EPTFE隔水透气膜为膨体聚四氟乙烯(expanded PTFE)材质，由聚四氟乙烯树脂经拉伸等特殊加工方法制成，理化性质极其稳定，具有轻薄、耐用、防水、防风等特点，由其经过特殊工艺制成的隔水透气膜可以有效的阻隔液体的通过，保证试验水分蒸发量测定的准确性，同时又兼顾透气性，进而保证气体通过本装置后气压不会产生较大的变化，进一步保证温控试验的安全性以及高温条件下非饱和土体土水特征曲线测定的准确性。

进一步地，所述天平精度为0.0001g。

进一步地，还包括与天平连接的外置计算机，用于对天平读数进行实时监测和记录。

进一步的，本发明还提供了一种包含所述温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置的温控非饱和土土水特征曲线测试系统，将本发明装置设置于温控非饱和三轴仪内部气压控制装置和试样内部气压通道之间，内腔室进气管与试样内部气压通道相连，排气管与非饱和三轴仪内部气压控制装置连通。具体地，所述系统还包括温控非饱和三轴仪，其中，所述温控非饱和三轴仪中的试样顶部金属顶帽的出气口与所述温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置中顶盖的其中一通孔相连，顶盖的另一通孔与气压控制装置相连。

本发明所述的高进气值陶土板为进气值大于1bar，根据所研究的土体的基质吸力范围，以凝灰岩粗颗粒土为例，优选为1.5bar。

进一步地，所述温控非饱和三轴仪主要包括三轴仪、置于三轴仪内的非饱和土温控装置，所述非饱和土温控装置包括一个镶嵌有高进气值陶土板的非饱和试样底座、一个连接在非饱和试样底座上的内压力腔室、用于控制内压力腔室温度的温度控制装置、气压控制装置、水压控制装置和用于密封试样的金属顶帽；其中，水压控制装置通水压控制装置过外部水压管与陶土板下部相连，用于控制试样水压。金属顶帽上设有出气口。

进一步地，所述温控装置包括设置于内压力腔室内壁面的螺旋铜管、与螺旋铜管连接的加热制冷浴槽循环器和控温介质，控温介质为水、油等。

本发明的有益效果是：本发明鉴于现有三轴试验技术的不足，针对温度升高导致试样孔隙水蒸发量的增加，影响试样含水率控制的准确性，以及高温条件下过多的水蒸气进入气压控制装置影响电子元件的使用寿命的问题，提供了一种可以收集并隔离水蒸气、适用于测定不同温度条件下非饱和土体水分蒸发量的测试配套装置，该装置不仅可以收集和隔离高温条件下非饱和试样中孔隙水蒸发产生的水蒸气，保护气压控制装置，而且可以监测不同温度条件下土体内部孔隙水的蒸发量，完善不同温度条件下非饱和土体土水特征曲线的测定。

附图说明

图1为本发明中一种大型温控非饱和土土水特征曲线测试系统的结构示意图；

图2为图1中一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置的剖面结构示意图；

图3为图1中一种冷浴循环水汽分离收集及监测装置的俯视结构示意图；

图中，天平1、冷浴循环水汽分离收集及监测装置2、顶盖3、底座4、双腔体5、腔体外壁6、腔体内通道7、双螺旋圆管8、储水腔体9、卡口10、密封圈11、进气通孔12、排气通孔13、PT100温度传感器14、导线通孔15、螺口16、排水通道17、阀门18、进水口19、排水口20、冷浴循环器21、进气管22、排气管23、非饱和土温控装置24、非饱和试样底座25、温控内压力腔室26、气压控制装置27、水压控制装置28、试样29、金属顶帽30、双层EPTFE隔水透气膜31。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明提供的一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，包括天平1和放置于天平上的冷浴循环水汽分离收集及监测装置2，所述冷浴循环水汽分离收集及监测装置2具有顶盖3、底座4和双腔体5，所述顶盖3与双腔体5上部刚性连接，所述双腔体5下部通过螺口和密封橡胶圈固定在底座4上，所述双腔体5包括腔体外壁6和腔体内通道7，所述腔体外壁6为上下开口式圆管结构，所述腔体内通道7包括上部的双螺旋圆管8和下部的设有两个通孔的储水腔体9，所述双螺旋圆管8与储水腔体9的通孔之间通过卡口10和密封圈11密封连接。

所述腔体外壁6上部与顶盖3刚性连接，所述顶盖3为金属材质，顶盖3内部对称设置有进气通孔12和排气通孔13，所述进气通孔12和排气通孔13上部上具有螺口，可以安装软管快插口与外部气压管连接，所述进气通孔12和排气通孔13下部与双螺旋圆管8之间通过卡口10和密封圈11密封连接，所述顶盖3还设置有PT100温度传感器14的导线通孔15，并且PT100温度传感器14通过螺口16和密封圈11固定于顶盖3下部，导线经过导线通孔15从顶盖3上部延伸出装置外部。

所述底座4为金属材质，所述底座4通过螺口16和密封圈11与腔体外壁6下部密封连接，所述底座4内部具有排水通道17，连通底座顶面和侧面，所述排水通道17侧面开口处设置有阀门18。

所述双腔体5包括腔体外壁6和腔体内通道7，均采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质，其中腔体外壁6无色透明，便于观测内部水汽变化，腔体内通道7整体为淡蓝色，便于区分内外腔体位置，其中，所述双腔体5的外腔室为腔体外壁6内侧、腔体内通道7外侧、顶盖3下部和底座4上部之间形成的封闭区域，所述双腔体的内腔室为双螺旋圆管8内部以及与其下部连通的储水腔体9内部形成的封闭区域。

所述腔体外壁6下部通过螺口16和密封圈11与底座4密封连接，所述腔体外壁6上侧和下侧依此设置有进水口19和排水口20，与装置外腔室连通，进水口19与排水口20分别连接外部的冷浴循环器21的出液口和进液口，使得装置外腔室和外部冷浴循环器21之间形成闭合液体回路，进而实现装置外腔室内降温液体的循环。

所述双螺旋圆管由两根螺旋圆管8组成，包括一根进气管22和一根排气管23，所述排气管23下端与储水腔体9连接处具有双层EPTFE隔水透气膜31，所述双螺旋圆管8、储水腔体9之间通过卡口10和密封圈11密封连接，所述储水腔体9底部中心具有排水通孔，下端通过螺口16和密封圈11与底座4中心的排水通道17密封连接，当底座排水通道阀门18关闭时，所述进气管22、储水腔体9和排气管23之间形成排气通路。

本发明的温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置可用于高精度非饱和土体土水特征曲线的测定，即在非饱和大三轴仪中接入本发明的温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，具体地，所述非饱和大三轴仪的出气口与所述温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置中顶盖的其中一通孔相连，顶盖的另一通孔与气压控制装置相连。

作为一优选方案，如图1所示，本实施例提供了一种大型温控非饱和土土水特征曲线测试系统，(其中，直径150mm,高度300mm圆柱体试样)，置于大三轴仪内的非饱和温控装置24主要包括一个镶嵌有高进气值陶土板的非饱和试样底座25、一个连接在非饱和试样底座25上的温控内压力腔室26、气压控制装置27和水压控制装置28，陶土板下部通过外部水压管与水压控制装置28相连，用于控制试样内部水压，试样29套装橡胶膜后置于非饱和试样底座25上，顶部安装金属顶帽30，试样29密封后整体置于温控内压力腔室26内部，然后往温控内压力腔室26内部注满硅油，浸没试样29，温控内压力腔室26内壁设置有螺旋铜管，螺旋铜管连接外部加热制冷浴槽循环器，通过在螺旋铜管内循环的控温循环液对硅油温度进行调节，进而间接控制浸没在硅油内试样29的温度。此外，冷浴循环水汽分离收集及监测装置2的进气通孔12通过外部气压管与试样顶部的金属顶帽30连接，排气通孔13通过外部气压管与气压控制装置27相连，依靠轴平移技术可精确控制试样内部的基质吸力，并且所述冷浴循环水汽分离收集及监测装置2放置于一个天平1上，天平精度为0.0001g，天平1连接外置计算机，可以对试样内部水分的蒸发量进行实时监测和记录。

试验中，温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置需要在非饱和三轴试验开始前完成调试。首先需设定外部冷浴循环器的温度(可控温度范围为0℃～50℃，控制精度为±0.5℃。设定温度一般略低于室温5℃为宜，防止装置外部水汽凝结影响测定结果)，并进行装置外腔室内降温液体的循环，需要保证外腔室被液体充满，不出现气泡。当外腔室内循环液温度达到设定温度后，再将冷浴循环水汽分离收集及监测装置2置于天平1上，并在非饱和三轴试验的试样内部气压加载稳定后对天平1进行置零。试验过程中保证底座排水通道阀门18关闭，并通过天平1连接的外置计算机实时记录冷凝水质量，进而得到试验过程中试样的蒸发量。

非饱和土土水特征曲线的测定需要逐级增加(或降低)土体内部的基质吸力，在每一级基质吸力条件下等待土体排水稳定，记录排水量，进而计算出当前基质吸力下试样内部的含水率，由此得到试样含水率(或饱和度)与基质吸力的关系，即土水特征曲线。依靠本仪器进行非饱和土土水特征曲线测定时，不仅需要在一定基质吸力下等待试样内部排水稳定，还需等待冷浴循环水汽分离收集及监测装置2测得的冷凝水含量稳定后，将试样内部排水量与冷凝水含量相加，计算出对应基质吸力下试样内部的含水率，进而降低孔隙水因高温蒸发所导致的测量试验误差。

试验结束后，打开底座排水通道阀门18收集冷凝水称重，即可完成蒸发总量的复核。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，其特征是：包括天平和放置于天平上的冷浴循环水汽分离收集及监测装置，所述冷浴循环水汽分离收集及监测装置包括设有两个通孔的顶盖、设有L型排水通道的底座和双腔体，所述双腔体包括腔体外壁和腔体内通道，所述腔体内通道包括两根螺旋圆管和设有两个通孔的储水腔体，两根螺旋圆管的上端与顶盖的两个通孔密封连接，下端与储水腔体的两个通孔密封连接，两根螺旋圆管一根为进气管，一根为排气管，排气管下端与储水腔体连接处具有隔水透气膜；储水腔体固定于底座上，储水腔体底部设有与底座L型排水通道对应的排水孔；所述腔体外壁上下两端分别与顶盖和底座密封连接；腔体外壁内侧、腔体内通道外侧、顶盖下部和底座上部之间形成的封闭区域为外腔室，所述双腔体的内腔室为双螺旋圆管内部以及与其下部连通的储水腔体内部形成的封闭区域为内腔室；腔体外壁的上侧和下侧分别设有用于循环冷却水进出的进水口和出水口；所述双腔体内还设有用于监测循环冷却水温度的温度传感器；所述进气管与非饱和三轴仪的试样内部气压通道相连，排气管与非饱和三轴仪的内部气压控制装置连通。

2.根据权利要求1所述的一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，其特征是：所述顶盖为金属材质，所述温度传感器设置于两根螺旋圆管之间，顶端固定在顶盖上。

3.根据权利要求1所述的一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，其特征是：所述底座为金属材质，所述底座通过螺口和密封圈与腔体外壁下部密封连接，所述L型排水通道侧面开口处设置有阀门。

4.根据权利要求1所述的一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，其特征是：所述腔体外壁和腔体内通道，均采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质，其中腔体外壁无色透明，腔体内通道整体为淡蓝色。

5.根据权利要求1所述的一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，其特征是：所述隔水透气膜为双层EPTFE隔水透气膜。

6.根据权利要求1所述的一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，其特征是：所述天平精度为0.0001g。

7.根据权利要求1所述的一种温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，其特征是：还包括与天平连接的外置计算机，用于对天平读数进行实时监测和记录。

8.一种温控非饱和土土水特征曲线测试系统，其包括权利要求1-7任一项所述温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置，其特征是：所述系统还包括温控非饱和三轴仪，其中，所述温控非饱和三轴仪中的试样顶部金属顶帽的出气口与所述温控非饱和三轴仪水汽分离收集及监测装置中顶盖上对应的进气管通孔相连，顶盖上对应的排气管通孔与气压控制装置相连。

9.根据权利要求8所述的温控非饱和土土水特征曲线测试系统，其特征是：所述温控非饱和三轴仪主要包括三轴仪、置于三轴仪内的非饱和土温控装置，所述非饱和土温控装置包括一个镶嵌有高进气值陶土板的非饱和试样底座、一个连接在非饱和试样底座上的内压力腔室、用于控制内压力腔室温度的温度控制装置、气压控制装置、水压控制装置和用于密封试样的金属顶帽；其中，水压控制装置通过外部水压管与陶土板下部相连，用于控制试样水压；金属顶帽上设有出气口。

10.根据权利要求9所述的温控非饱和土土水特征曲线测试系统，其特征是：所述温控装置包括设置于内压力腔室内壁面的螺旋铜管、与螺旋铜管连接的加热制冷浴槽循环器和控温介质。

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