CN112945721B - 一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置及其补液方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置，包括取液罐、补液罐以及电控中心，所述取液罐包括取液罐罐体、取液罐入液口、取液罐废液排出口以及取液罐浓度计，所述补液罐包括补液罐罐体、补液罐药品盒、补液罐离子水入液口、补液罐出液口以及补液罐浓度计，所述电控中心用于电路控制取液罐和补液罐。一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置一方面取样检测剪切盒中的酸碱度的变化，然后及时补足溶液，使得饱和的条件保持动态恒定。另一方面保证温度的恒定减少误差。

Description

一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置及其补液方法

技术领域

本发明涉及一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置。

背景技术

直剪实验是一种重要的土木实验，直剪实验将试样放入剪切盒内，上盒固定，下盒可沿水平方向滑动。首先施加垂直压力，然后对剪切盒的下盒逐级施加水平力，直至试样被剪坏。本试验由于简单易行，是测定土的抗剪强度的常用方法。

一般直剪时，采用饱和盒做饱和直剪试验，但是在实验过程中溶液浓度会发生变化，且没有补充损失的溶剂，不能确保还原试验的设计工况要求。在做饱和慢剪试验时，往往时间跨度长，溶液易蒸发流失导致试样的剪切环境发生变化，影响试验结果。

一般在做饱和土的蠕变直剪试验时，采用的方法是用带饱和盒的直剪流变仪器来试验，但是剪切盒槽里面的用来保持饱和环境的溶液浓度在实验过程中会发生变化，且没有效的补充损失的溶剂，不能确保整个试验中水环境的稳定，影响试验结果的准确性。

直剪流变试验通常采用ZLB型号的带饱和盒的直剪流变仪器来试验，当考虑溶液浓度对土体流变行为影响时，该仪器无法满足监测溶液浓度，及时保持溶液浓度恒定的条件。

发明内容

本发明提出一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置解决了现有技术中存在的以上问题。该装置针对酸碱环境下的饱和直剪试验，试验中溶液的浓度变化需要保持动态平衡，需要及时补充不同浓度的溶液来维持指定的浓度值。

本发明的技术方案是这样实现的：一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置，包括取液罐、补液罐以及电控中心，所述取液罐包括取液罐罐体、取液罐入液口、取液罐废液排出口以及取液罐浓度计，所述补液罐包括补液罐罐体、补液罐药品盒、补液罐离子水入液口、补液罐出液口以及补液罐浓度计，所述电控中心用于电路控制取液罐和补液罐。

进一步，所述取液罐设置在补液罐的下方，且所述取液罐与所述补液罐一体成型。

进一步，所述取液罐入液口的入液前方设有取液罐入液口单向泵，所述取液罐入液口后方依次设有取液罐入液口流量计、取液罐入液口过滤器、取液罐二次沉淀盒，所述取液罐二次沉淀盒上设有取液罐沉淀盒出液口。

进一步，所述取液罐罐体上还设有取液罐气口、取液罐保温层、取液罐温度计、取液罐罐壁水位计、废液集中盒以及加热管一。

进一步，所述补液罐出液口上设有补液罐的出液口流量计、补液罐的出液口单向泵，所述补液罐罐体上设有补液罐保温层、补液罐气口、补液罐温度计、补液罐壁水位计、补液罐废液排出口以及加热管二。

进一步，所述补液罐上还设有补液罐搅拌器，补液罐搅拌器设置在补液罐入液口的后方，所述补液罐罐本体上设有三通排液管，三通排液管一端连接补液罐入液口，另外两端分别连接补液罐药品入液口、补液罐离子水入液口，补液罐离子水入液口设置在补液罐药品盒下方。

进一步，所述取液罐入液口用于连接剪切装置的溶液入液口，所述补液罐出液口用于连接剪切装置的剪切盒，所述剪切装置包括法向位移百分表、湿球温度计、上盖、传压板、剪切上盒、剪切下盒、剪切盒导轨、量力环、单向气泵、溶液入液口、水位开关，所述剪切上盒紧靠在剪切下盒的上方，所述溶液入液口设置在剪切下盒上，所述传压板设置在剪切上盒上方，所述剪切盒导轨设置在剪切下盒的下方，所述传压板上设有向位移百分表、湿球温度计、上盖、量力环，单向气泵设置在剪切盒的入液口上，水位开关设置在溶液入液口上。

所述的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置的补液方法，包括以下步骤：步骤一，取液罐从剪切盒中取液，测定取液罐中溶液的浓度值是否有变化，如果浓度值没有变化，静置装置；如果浓度值变化，补液罐配置指定浓度溶液至设定水位，将取液罐样本溶液排除，将补液罐配置好的溶液输送到直剪装置，并且取液罐从剪切盒中取液；灌至直剪装置和取样罐的设定水位；步骤二，循环步骤一。

进一步，整个实验过程控制取液罐、补液罐以及直剪装置的剪切盒内的溶液温度在20到40℃，步骤一中取液罐从剪切盒中取液，当取液罐设置水位到达后停止取液。

本发明的有益效果为：一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置一方面取样检测剪切盒中的浓度变化，然后及时补足溶液，使得饱和的条件保持动态恒定。另一方面保证温度的恒定减少误差。本发明适用于饱和直剪试验的溶液补充装置方便易行，通过电控中心电动控制，设置参数方便，两个罐体的设置精巧，参考滴定瓶，设置上科学合理，补液方便，能够有效的补充溶液，及时补充不同浓度的溶液来维持指定的浓度值，保证了剪切盒中溶液的动态平衡。本发明的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置的补液方法，操作简便，误差小，流程简便，操作精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置的立体结构示意图。

图2为直剪装置的剖面图；

图3为本发明一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置的补液流程图。

附图中：1-取液罐Ⅰ罐、2-补液罐Ⅱ罐、3-补液罐的出液口流量计、4-补液罐的出液口单向泵、5-补液罐出液口(可装卸)、6-补液罐保温层、7-补液罐浓度计预留口、8-补液罐气口(有冷却功能)、9-补液罐温度计预留口、11-补液罐壁水位计、12-补液罐废液排出口、13-补液罐数据采集和分配线路、14-补液罐药品入液口(带流量计和单向泵)、15-补液罐去离子水入液口(带流量计和单向泵)、16-补液罐药品盒、17-电控中心、18-数据线路、19-取液罐沉淀盒出液口、20-取液罐入液口单向泵、21-取液罐入液口过滤器、22-取液罐入液口流量计、23-取液罐入液口(可装卸)、24-取液罐二次沉淀盒、25-取液罐保温层、 26-取液罐浓度计预留口、27-取液罐气口(有冷却功能)、28-取液罐温度计预留口、29-取液罐罐壁水位计、30-取液罐废液排出口、31-取液罐数据采集和分配线路、32-废液集中盒、33-加热管一、34-加热管二、35-补液罐搅拌器、36- 补液罐入液口、37-法向位移百分表、38-湿球温度计、39-上盖、40-传压板、41- 剪切上盒、42-剪切下盒、43-剪切盒导轨、44-量力环、45-三通排液管、46-单向气泵、47-溶液入液口、48-水位开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置，包括取液罐1、补液罐2以及电控中心17，所述取液罐1包括取液罐罐体、取液罐入液口20、取液罐废液排出口30以及取液罐浓度计，所述补液罐2包括补液罐罐体、补液罐药品盒16、补液罐离子水入液口15、补液罐出液口5以及补液罐浓度计，所述电控中心17用于电路控制取液罐1和补液罐2。

所述取液罐1设置在补液罐2的下方，且所述取液罐1与所述补液罐2一体成型。

所述取液罐入液口23的入液前方设有取液罐入液口单向泵20，所述取液罐入液口后方依次设有取液罐入液口流量计22、取液罐入液口过滤器21、取液罐二次沉淀盒24，所述取液罐二次沉淀盒24上设有取液罐沉淀盒出液口19。

所述取液罐罐体上还设有取液罐气口27、取液罐保温层25、取液罐温度计、取液罐罐壁水位计29、废液集中盒32以及加热管一33。

所述补液罐出液口5上设有补液罐的出液口流量计3、补液罐的出液口单向泵4，所述补液罐罐体上设有补液罐保温层6、补液罐气口8、补液罐温度计、补液罐壁水位计11、补液罐废液排出口12以及加热管二34。

所述补液罐2上还设有补液罐搅拌器35，补液罐搅拌器35设置在补液罐入液口的后方，所述补液罐罐本体上设有三通排液管45，三通排液管一端连接补液罐入液口，另外两端分别连接补液罐药品入液口14、补液罐离子水入液口15，补液罐离子水入液口15设置在补液罐药品盒16下方。

所述取液罐入液口23用于连接剪切装置的溶液入液口47，所述补液罐出液口5用于连接剪切装置的剪切盒，所述剪切装置包括法向位移百分表37、湿球温度计38、上盖39、传压板40、剪切上盒41、剪切下盒42、剪切盒导轨43、量力环44、单向气泵46、溶液入液口47、水位开关48，所述剪切上盒41紧靠在剪切下盒42的上方，所述溶液入液口47设置在剪切下盒42上，所述传压板 40设置在剪切上盒41上方，所述剪切盒导轨43设置在剪切下盒42的下方，所述传压板40上设有向位移百分表37、湿球温度计38、上盖39、量力环44，单向气泵46设置在剪切盒的入液口上，水位开关48设置在溶液入液口47上。

所述的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置的补液方法，包括以下步骤：步骤一，取液罐从剪切盒中取液，测定取液罐中溶液的浓度值是否有变化，如果浓度值没有变化，静置装置；如果浓度值变化，补液罐配置指定浓度溶液至设定水位，将取液罐样本溶液排除，将补液罐配置好的溶液输送到直剪装置，并且取液罐从剪切盒中取液；灌至直剪装置和取样罐的设定水位；步骤二，循环步骤一。

整个实验过程控制取液罐、补液罐以及直剪装置的剪切盒内的溶液温度在 20到40℃，温度通过湿球温度计读取，数据会传输到电控中心，步骤一中取液罐从剪切盒中取液，当取液罐设置水位到达后停止取液。

适用于饱和直剪试验的溶液补充装置与剪切装置的剪切盒的工作原理如下：剪切盒的溶液入液口47设置在盒的槽深的中间高度处，考虑到槽的下部一般会有溶质沉淀，也主要因为试验中需要知道的是剪切面附近的水环境，使其保持恒定。通过如下装置来实现要求：

适用于饱和直剪试验的溶液补充装置包括取液罐1设置在装置的下半部分和补液罐2设置在装置的上半部分，取液罐1包括取液罐罐体、取液管、水位计29、温度计28以及浓度计26探针，所述罐体上设有气孔27，入液口23。取液通道依次设置有入口阀、设置水位开关、电磁阀、单向泵、流量计、出口阀，入口阀直接没入剪切盒槽中，在使用时先设定取液罐1的水位，当取液罐设置水位到达后，水位开关48呈关闭状态，此时整个装置开始检测取液罐1的浓度值，还需设定目标浓度值，符合浓度值，补水罐1则不会工作，如果不符合，这时补水罐1就会启动，通过内部的计算，首先自动调制需要的浓度的溶液，然后打开管口14、15调制。

设置一整体式一口出三联排液管45，将补液罐2中的调制均匀的溶液传输通过直剪仪饱和盒具上方保湿区顶部的气孔由单向气泵46导入到直剪盒(图2 所示)中，确保样本此时能在试验要求中指定的水环境下饱和状态下工作。

对于剪切盒的取液处统一设置在每个整盒的下半盒前段。这样做，是因为在此处有一个原本设计上露出的孔洞，故保留原来设计，在此基础上接入取液管。

取液罐1下端接通废液采集区32，装置排出的有害废液在针对性的统一处理。补液罐上端接去离子水管15，上方安装溶质，存放药品，为药品盒16，药品统一调制成特定浓度的溶液装入盒中，罐体内部多种溶液为了让其均匀混合，在补液罐2的内部设置了一个电磁转子35，起到充分搅拌混合的作用。出药口 14和去离子水管道15设置流量计。

设置一个电机控制中心17用以控制每个开关的通闭状态，确保协同工作。电控中心还包括但不限于，如计算浓度作用，分配流量计数额的作用，控制水泵(4和20)和搅拌器35工作的作用。电控中心17具有浓度计的职能，调节温度的职能以及电器协同运作的职能。

取液罐1设置在300mL左右，补液罐2也可设置为1L最为合适。罐身都设置有保温层6，罐子上的盖子都设计有总共三个插口，中间处可用来插入浓度计的传感器26，左右一个是下压式气口8，另一个是温度计口9。

工作时，浓度计的传感器26先测出从剪切盒抽出的溶液的浓度值，温度控制在试验要求温度，进一步对浓度做出鉴定，如果浓度无变化，则补液罐2不工作，如果浓度与初始值有较为明显的变化，一般差距为±1时，补液罐2则开始工作，当补液罐2存至设定水位(该水位视剪切盒存水量和取液罐2水量而定)后，关闭补液罐2的入液口，此时，取液罐1排出内部的样本溶液，待排完后，关闭该取液罐1的排液口，此时取样罐1的入液口打开。进一步的，补液罐2将溶液通过特殊管道灌入ZLB三联流变仪器的剪切盒中，待灌至剪切盒和取样罐1的设定水位后，补液罐2关闭出液口，多余溶液从废液口12排出，一并排到废液区32，完成一次循环。(见图1)

上文设计的所有罐体以及管道线路都将在封装好的盒体中完成，其中含有所有的组合部分如管道、液罐等都可正常拆卸，可以适当更换用来满足不同试验的需求。这个装置将挂载在ZLB三联流变仪器的侧方，配合仪器使用。

温度控制上一般保证能控制在20到40℃，使整个装置在这个温度范围中恒定一个值工作。保证浓度测定误差减小。

流程如下：

在试验开始时剪切下盒42中注满指定浓度的溶液，维持剪切盒的饱和水环境。

阶段一：准备阶段，在这一状态中，盒内的温度湿度由上盖的湿球温度计 38来观察，由装置的电控中心17调控。在对剪切盒温度调节之前，首先需要从剪切下盒中将溶液导入到取液罐1中，通过φ8mm内径的管道(该管道一头连接下盒的抽水口，另一口接上取液罐的入液口23，入液口的端头安装有带流量计抽水电磁阀22、20)，当溶液进入取液罐1时，要先经过一个过滤沉淀盒24 再使得溶液进入取液罐1。该步骤要使得剪切盒和取液罐1的内部溶液浓度值保持一致。取样罐1的液面到达人为设定值后，将不再从剪切下盒抽取溶液，开始温度调节，剪切盒和取液罐的温度在循环过程中保持一致，一同调节。

阶段二：判断阶段，判断溶液的浓度值的变化，土壤会和溶液发生反应，在电控中心上设定后，补液罐安装有浓度计31、温度计27(插入盖上的预留口)、水位计29(设定在桶侧)，凭借以上测量仪器提供的数据，开始补充溶质。

阶段三：操作阶段，该阶段是当浓度值发生改变了，为了保证动态平衡期间会适当的打开取液罐的废液口30来保证水位不变，补液口开闭由电控中心17 按照水位计29的数据来适当调控，作用在废液口30上安装的电磁阀。计算缺失的溶质后，传递数据到补液罐2的各个开关的带流量计抽水电磁阀，补液罐2 工作时，罐侧的两个管道打开，一个药品管口14是连接药品罐的，使用φ8mm 的耐腐蚀管道(针对不同溶液可更换)，一个去离子水管口15接入去离子水出水口，使用φ8mm的软管，管头开关处设置“水锤”缓冲泵36。于罐中2在搅拌器35的工作下充分混合，补液罐2同样设置有浓度计7，温度计8，水位计 11。当到达需要容积后装置开始循环，罐中的溶液会经过出液口5上φ8mm的管子，由管口上带流量计抽水电磁阀3控制到达剪切下盒，这个时候剪切下盒的溶液又会与取液罐1的溶液相通，当溶液保持到指定浓度值(误差不超过0.05) 后，循环停止，过程中始终是调整溶液的浓度值。

阶段四：停止阶段，此时补液罐的出液口5先关闭，该罐2的废液口12打开放出多余溶液。取液罐1的废液口30关闭，整个装置静置，补液罐内配置溶液待用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于饱和直剪试验的溶液补充装置，其特征在于：包括取液罐、补液罐以及电控中心，所述取液罐包括取液罐罐体、取液罐入液口、取液罐废液排出口以及取液罐浓度计，所述补液罐包括补液罐罐体、补液罐药品盒、补液罐离子水入液口、补液罐出液口以及补液罐浓度计，所述电控中心用于电路控制取液罐和补液罐；所述取液罐入液口用于连接剪切装置的溶液入液口，所述补液罐出液口用于连接剪切装置的剪切盒，所述剪切装置包括法向位移百分表、湿球温度计、上盖、传压板、剪切上盒、剪切下盒、剪切盒导轨、量力环、单向气泵、溶液入液口、水位开关，所述剪切上盒紧靠在剪切下盒的上方，所述溶液入液口设置在剪切下盒上，所述传压板设置在剪切上盒上方，所述剪切盒导轨设置在剪切下盒的下方，所述传压板上设有向位移百分表、湿球温度计、上盖、量力环，单向气泵设置在剪切盒的入液口上，水位开关设置在溶液入液口上。

2.如权利要求1所述的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置，其特征在于：所述取液罐设置在补液罐的下方，且所述取液罐与所述补液罐一体成型。

3.如权利要求1所述的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置，其特征在于：所述取液罐入液口的入液前方设有取液罐入液口单向泵，所述取液罐入液口后方依次设有取液罐入液口流量计、取液罐入液口过滤器、取液罐二次沉淀盒，所述取液罐二次沉淀盒上设有取液罐沉淀盒出液口。

4.如权利要求3所述的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置，其特征在于：所述取液罐罐体上还设有取液罐气口、取液罐保温层、取液罐温度计、取液罐罐壁水位计、废液集中盒以及加热管一。

5.如权利要求1所述的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置，其特征在于：所述补液罐出液口上设有补液罐的出液口流量计、补液罐的出液口单向泵，所述补液罐罐体上设有补液罐保温层、补液罐气口、补液罐温度计、补液罐壁水位计、补液罐废液排出口以及加热管二。

6.如权利要求5所述的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置，其特征在于：所述补液罐上还设有补液罐搅拌器，补液罐搅拌器设置在补液罐入液口的后方，所述补液罐罐本体上设有三通排液管，三通排液管一端连接补液罐入液口，另外两端分别连接补液罐药品入液口、补液罐离子水入液口，补液罐离子水入液口设置在补液罐药品盒下方。

7.如权利要求1-6任一所述的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置的补液方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，取液罐从剪切盒中取液，测定取液罐中溶液的浓度值是否有变化，如果浓度值没有变化，静置装置；如果浓度值变化，补液罐配置指定浓度溶液至设定水位，将取液罐样本溶液排除，将补液罐配置好的溶液输送到直剪装置，并且取液罐从剪切盒中取液；灌至直剪装置和取样罐的设定水位；步骤二，循环步骤一。

8.如权利要求7所述的适用于饱和直剪试验的溶液补充装置的补液方法，其特征在于：整个实验过程控制取液罐、补液罐以及直剪装置的剪切盒内的溶液温度在20到40℃，步骤一中取液罐从剪切盒中取液，当取液罐设置水位到达后停止取液。