CN112964524A - 一种室内土样饱和装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内土样饱和装置及应用，用于解决现有的真空饱和法存在饱和过程耗时长、试验工作量大、饱和度计算准确性不高、试验成本高以及人为因素影响比较大的问题；包括饱和桶、空气压缩器、数据采集存储处理器和实时控制系统；饱和桶包括高压室、土样放置室和低压室，土样放置室的内部安装有饱和器，高压室通过饱和器与低压室贯通连接；高压室和低压室内均填充有水，高压室和低压室内部的水中均放置有气囊，采用的是压差饱和，相较传统的真空饱和而言，饱和速度快，饱和过程耗时短，对于特定土体而言，压差越大饱和越快，通过压差的设置即可以实现对饱和时间的控制，解决了传统真空饱和法饱和过程耗时长的难题。

Description

一种室内土样饱和装置及应用

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，具体为一种室内土样饱和装置及应用。

背景技术

目前世界上很多国家，都在进行大量的工程建设活动，工程建设前必须对地基土体有足够的了解。室内试验是了解土体性质的主要方法之一，很多室内试验在进行试验之前先要对土体进行饱和。如何对不同土体进行快速、高效、高质量的饱和，是在进行其他室内试验前首先要解决的问题。

目前，土样饱和主要采用真空饱和法。真空饱和法是将含土样的饱和器置于盛水的饱和桶内，然后对封闭的饱和桶抽真空，在真空环境中土样内的空气会溢出到饱和桶中，饱和桶内的水会渗入土样中，这样就可以达到土样饱和的目的。该方法虽然能够对土样进行饱和，但饱和过程耗时长、尤其对于黏性土更是如此；饱和度的计算需要用到土体的其他指标，如含水率和颗粒比重，因此做饱和试验之前先要测定这些指标，这无疑会增加试验工作量和耗时，而且这些指标测定的准确与否会直接影响饱和度计算的准确性，从而影响到土样的饱和；该方法在饱和完后需要测定土样含水率并计算饱和度，每测试一次土样就会报废，如果饱和试样采用的是取样成本比较高的原状样，这无疑会增加试验成本；最后，该方法试验过程自动化程度很低，人为因素影响比较大，这也会直接影响试验的饱和。

因此，亟需开发一种新型室内土样饱和装置以对土样进行进行快速、高效、高质量的饱和。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决现有的真空饱和法存在饱和过程耗时长、试验工作量大、饱和度计算准确性不高、试验成本高以及人为因素影响比较大的问题，而提出一种室内土样饱和装置及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种室内土样饱和装置，包括饱和桶、饱和器、空气压缩器、数据采集存储处理器和实时控制系统；

所述饱和桶包括高压室、土样放置室和低压室，土样放置室的内部安装有饱和器，高压室通过饱和器与低压室贯通连接；高压室和低压室内均填充有水，高压室和低压室内部的水中均放置有气囊，气囊通过气管与饱和桶外部的空气压缩器连接；

所述高压室和低压室上均安装有水压传感器，两个水压传感器分别用于实时监测高压室和低压室的水压得到水压数据并并将水压数据实时传递到数据采集存储处理器进行存储处理；采集存储处理器与实时控制系统连接，实时控制系统还与空气压缩器连接，用于控制空气压缩器，通过空气压缩器控制气囊的大小实时控制高压室和低压室的水压；

所述高压室和低压室的顶部均设有排气孔，高压室和低压室的底部均设有排进水孔，排进水孔用于实现高压室和低压室的注水和排水。

所述饱和器为三片分离式不锈钢片，通过箍环将三片分离式不锈钢片组成一个整体的不锈钢空心圆柱。

所述不锈钢空心圆柱的两侧为透水石，透水石和不锈钢空心圆柱间及透水石和土样放置室两侧壁间均用橡胶垫圈密封。

所述饱和器包括多个形状和规格，饱和器通过螺栓和橡胶垫圈固定在土样放置室内。

一种室内土样饱和装置在土样饱和中的应用；

包括：

将土样置于相应规格的饱和器内后，将饱和器固定于土样放置室内；设置高压室和低压室的压力，通过空气压缩器配合水压传感器、数据采集存储处理器和实时控制系统对高压室和低压室分别施加压力；

当达到设置的压力后关闭空气压缩器，开始计时并对土样进行饱和，数据采集存储处理器记录并保存压差降为零所需要的时间，或者记录并且保存经过一固定时间后的压差；

停止饱和，通过实时控制系统打开空气压缩器，配合水压传感器、数据采集存储处理器和实时控制系统，调整高压室和低压室的压力，使其达到设置值，然后关闭空气压缩器，开始饱和，记录并保存饱和时间或者饱和后的压差；

按照调整压力-进行饱和并记录时间或压差-调整压力的步骤反复进行；当最后三次所记录的时间或者压差基本相同时，则土样已经达到饱和；饱和后，实时控制系统卸掉高压室和低压室的压力，然后进行排水，最后取出饱和器内带橡皮膜的土样以备后续试验使用。

包括以下步骤：

步骤一：土样安装：根据实际试验及相关规范的要求确定所需土样的直径和高度，对于重塑土样采用重塑土样制备器进行制备，对于原状土样采用切土器切削得到，在土样外侧套入相应规格的橡皮膜，将三片分离式不锈钢片按顺序固定在土样侧面，通过箍环将三片分离式不锈钢片固定成一个整体圆柱，圆柱两侧安装透水石，透水石和圆柱间、透水石和土样放置室两侧壁间均用橡胶垫圈密封，以保证高压室内的水能并且只能沿着圆柱形土样的轴向流向低压室内；

步骤二：压力室注水：打开高压室和低压室顶部的排气孔，从位于高压室和低压室底部的排进水孔向高压室和低压室注入纯净水，当排气孔有水溢出时，关闭排气孔和排进水孔，此时，高压室和低压室注满水；

步骤三：压力设置值确定：低压室的压力设置值取一较小的值，具体表现为：取20kPa，高压室的压力设置值等于低压室的压力设置值加初始压差；初始压差由土体渗透性、土样高度和试验所允许的耗时确定，且初始压差与土体渗透性、土样高度和试验所允许的耗时成正比；

步骤四：加压：将低压室和高压室的压力设置值输入实时控制系统，并且开始试验，空气压缩器通过气囊向高压室和低压室加压，同时，水压传感器将室内压力实时传递给数据采集存储处理器，并且通过实时控制系统对室内压力进行实时控制，当室内压力达到设置值时，实时控制系统关闭空气压缩器；

步骤五：饱和：空气压缩器全部关闭，开始计时并对土样进行饱和，数据采集存储处理器记录并保存高压室和低压室的压差降为零所需要的时间，或记录并且保存经过一固定时间后高压室和低压室的压差，记录完成时该级土样饱和完成；

步骤六：压力调整：上一级土样饱和完成后，实时控制系统立即打开空气压缩器，配合水压传感器、数据采集存储处理器和实时控制系统，对高压室和低压室的压力进行调整，当室内压力达到设置值时，实时控制系统自动关闭空气压缩器；

步骤七：饱和度判断：反复重复步骤五和步骤六，直至最后三次所记录的时间或者压差基本相同时，认定土样已经达到饱和；

步骤八：卸压：土样达到饱和时，实时控制系统自动将高压室和低压室的水压降低；

步骤九：高压室和低压室的室内卸压完成后，依次打开排气孔和排进水孔进行完全排水；

步骤十：取样：排水完成后，取出饱和器内带橡皮膜的土样以备后续试验使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用的是压差饱和，相较传统的真空饱和而言，饱和速度快，饱和过程耗时短，对于特定土体而言，压差越大饱和越快，通过压差的设置即可以实现对饱和时间的控制，解决了传统真空饱和法饱和过程耗时长的难题。

2.本发明饱和与否的判断标准是最后三次所记录的时间或者压差是否基本相同，而不是像传统的真空饱和那样，先通过试验测定土体的其他指标，再换算得出饱和度，新方法的试验工作量小、饱和度恒量更加直观准确，解决了传统真空饱和法试验工作量大、饱和度计算准确性不高的难题。

3.本发明不需要直接计算饱和度，不像传统的真空饱和那样，测定土样含水率并计算饱和度，土样会报废，新方法只需要实时判定最后三次所记录的时间或者压差是否基本相同即可，可以减少土样的使用量，尤其对于原状样而言取样成本是比较高的，新方法可以降低试验成本，从而解决了传统真空饱和法试验成本高的弊端。

4.本发明除了试样安装、注水和排水外，其余试验步骤均是自动完成的，自动化程度比较高，可以极大限度的减小人为误差的影响，解决了传统真空饱和法人为因素影响比较大的不足。

5.本发明是一套可拆卸、重复利用的装置，结构组成较为简单，维护使用十分方便。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施室内土样饱和装置示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，一种室内土样饱和装置，包括：

高压室1、土样放置室2和低压室3组成了饱和桶4，高压室1内水只能通过饱和器5中的土样流入低压室3内，气囊6置于高压室1和低压室3内的水中，空气压缩器7与气囊6相连接，以实现向气囊6充气或排气，从而控制高压室1和低压室3的水压力；

水压传感器8直接与高压室1、低压室3相连，能够对高压室1和低压室3的水压进行实时监测，数据采集存储处理器9与水压传感器8相连，水压数据能够实时传递到数据采集存储处理器9进行存储处理，实时控制系统10与数据采集存储处理器9相连，实时控制系统10与空气压缩器7相连，能实现对高压室1和低压室3水压的实时控制；

高压室1和低压室3的顶部均设有排气孔11，底部均设有排进水孔12，可以实现对高压室1和低压室3分别进行注水和排水；

一种室内土样饱和装置的应用，包括以下步骤：

(1)土样安装：根据实际试验及相关规范的要求确定所需土样的直径和高度，对于重塑土样可以采用重塑土样制备器进行制备，对于原状土样可以采用切土器切削得到，在土样外侧套入相应规格的橡皮膜，将三片分离式不锈钢片按顺序固定在土样侧面，通过箍环将三片分离式不锈钢片固定成一个整体圆柱，圆柱两侧安装透水石，透水石和圆柱间、透水石和土样放置室两侧壁间均用橡胶垫圈密封，以保证高压室1内的水能并且只能沿着圆柱形土样的轴向流向低压室3内；

(2)压力室注水：打开高压室1和低压室3顶部的排气孔，从位于高压室1和低压室3底部的排进水孔向高压室1和低压室3注入纯净水，当排气孔11有水溢出时，关闭排气孔11和排进水孔12，此时，高压室1和低压室3注满水；

(3)压力设置值的确定：低压室3的压力设置值可以取一较小的值，如20kPa，高压室1的压力设置值等于低压室3的压力设置值加初始压差；初始压差的确定主要考虑土体渗透性、土样高度、试验所允许的耗时；当需要对土样进行快速饱和、土体渗透性差、土样高度比较大时可以将初始压差适当取大些，反之，可将初始压差适当取小；

(4)加压：将低压室3和高压室1的压力设置值输入实时控制系统10，并且开始试验，空气压缩器7通过气囊6向高压室1和低压室3加压，同时，水压传感器8将室内压力实时传递给数据采集存储处理器9，并且通过实时控制系统10对室内压力进行实时控制；当室内压力达到设置值时，实时控制系统10关闭空气压缩器7；

(5)饱和：空气压缩器7关闭时，开始计时并对土样进行饱和，数据采集存储处理器9记录并保存高压室1和低压室3的压差降为零所需要的时间，或者记录并且保存经过一固定时间后高压室1和低压室3的压差，记录完成时该级土样饱和完成；

(6)压力调整：上一级土样饱和完成后，实时控制系统10会立即打开空气压缩器7，配合水压传感器8、数据采集存储处理器9和实时控制系统10，对高压室1和低压室3的压力进行调整，当室内压力达到设置值时，实时控制系统10会自动关闭空气压缩器7；

(7)饱和度判断：反复重复第(5)(6)步直至最后三次所记录的时间或者压差基本相同时可以近似认为土样已经达到饱和；

(8)卸压：土样达到饱和时，实时控制系统10会自动将高压室1和低压室3的水压降低；

(9)排水：室内卸压完成后，依次打开排气孔11和排进水孔12进行完全排水；

(10)取样：排水完成后，取出饱和器5内带橡皮膜的土样以备后续试验使用；

需要说明的是：本发明的应用不局限于渗透系数小的黏性土，其他类型的土体也是可以的；本发明中所采用的土样不一定是圆柱形的，也可以采用长方体等其他形状，只需要将相应的饱和器5做适当改造即可；

对于土体，很多室内试验在进行试验之前先要对土体进行饱和；如何对不同土体进行快速、高效、高质量的饱和，是在进行其他室内试验前首先要解决的问题；本发明可以对土样进行快速饱和，试验工作量小、成本低、精度和自动化程度高，可以有效解决传统真空饱和法饱和过程耗时长、试验工作量大、饱和度计算准确性不高、试验成本高、人为因素影响比较大的难题；

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明；熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动；因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种室内土样饱和装置，其特征在于，包括饱和桶(4)、饱和器(5)、空气压缩器(7)、数据采集存储处理器(9)和实时控制系统(10)；

所述饱和桶(4)包括高压室(1)、土样放置室(2)和低压室(3)，土样放置室(2)的内部安装有饱和器(5)，高压室(1)通过饱和器(5)与低压室(3)贯通连接；高压室(1)和低压室(3)内均填充有水，高压室(1)和低压室(3)内部的水中均放置有气囊(6)，气囊(6)通过气管与饱和桶(4)外部的空气压缩器(7)连接；

所述高压室(1)和低压室(3)上均安装有水压传感器(8)，两个水压传感器(8)分别用于实时监测高压室(1)和低压室(3)的水压得到水压数据并并将水压数据实时传递到数据采集存储处理器(9)进行存储处理；采集存储处理器(9)与实时控制系统(10)连接，实时控制系统(10)还与空气压缩器(7)连接，用于控制空气压缩器(7)，通过空气压缩器(7)控制气囊(6)的大小实时控制高压室(1)和低压室(3)的水压；

所述高压室(1)和低压室(3)的顶部均设有排气孔(11)，高压室(1)和低压室(3)的底部均设有排进水孔(12)，排进水孔(12)用于实现高压室(1)和低压室(3)的注水和排水。

2.根据权利要求1所述的一种室内土样饱和装置，其特征在于，所述饱和器(5)为三片分离式不锈钢片，通过箍环将三片分离式不锈钢片组成一个整体的不锈钢空心圆柱。

3.根据权利要求2所述的一种室内土样饱和装置，其特征在于，所述不锈钢空心圆柱的两侧为透水石，透水石和不锈钢空心圆柱间及透水石和土样放置室(2)两侧壁间均用橡胶垫圈密封。

4.根据权利要求2所述的一种室内土样饱和装置，其特征在于，所述饱和器(5)包括多个形状和规格，饱和器(5)通过螺栓和橡胶垫圈固定在土样放置室(2)内。

5.一种权利要求1至4中任一所述的室内土样饱和装置在土样饱和中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：包括：

将土样置于相应规格的饱和器(5)内后，将饱和器(5)固定于土样放置室(2)内；设置高压室(1)和低压室(3)的压力，通过空气压缩器(7)配合水压传感器(8)、数据采集存储处理器(9)和实时控制系统(10)对高压室(1)和低压室(3)分别施加压力；

当达到设置的压力后关闭空气压缩器(7)，开始计时并对土样进行饱和，数据采集存储处理器(9)记录并保存压差降为零所需要的时间，或者记录并且保存经过一固定时间后的压差；

停止饱和，通过实时控制系统(10)打开空气压缩器，配合水压传感器(8)、数据采集存储处理器(9)和实时控制系统(10)，调整高压室(1)和低压室(3)的压力，使其达到设置值，然后关闭空气压缩器(7)，开始饱和，记录并保存饱和时间或者饱和后的压差；

按照调整压力-进行饱和并记录时间或压差-调整压力的步骤反复进行；当最后三次所记录的时间或者压差基本相同时，则土样已经达到饱和；饱和后，实时控制系统(10)卸掉高压室(1)和低压室(3)的压力，然后进行排水，最后取出饱和器(5)内带橡皮膜的土样以备后续试验使用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：土样安装：根据实际试验及相关规范的要求确定所需土样的直径和高度，对于重塑土样采用重塑土样制备器进行制备，对于原状土样采用切土器切削得到，在土样外侧套入相应规格的橡皮膜，将三片分离式不锈钢片按顺序固定在土样侧面，通过箍环将三片分离式不锈钢片固定成一个整体圆柱，圆柱两侧安装透水石，透水石和圆柱间、透水石和土样放置室两侧壁间均用橡胶垫圈密封，以保证高压室(1)内的水能并且只能沿着圆柱形土样的轴向流向低压室(3)内；

步骤二：压力室注水：打开高压室(1)和低压室(3)顶部的排气孔(11)，从位于高压室(1)和低压室(3)底部的排进水孔(12)向高压室(1)和低压室(3)注入纯净水，当排气孔(11)有水溢出时，关闭排气孔(11)和排进水孔(12)，此时，高压室(1)和低压室(3)注满水；

步骤三：压力设置值确定：低压室(3)的压力设置值取一较小的值，具体表现为：取20kPa，高压室(1)的压力设置值等于低压室(3)的压力设置值加初始压差；初始压差由土体渗透性、土样高度和试验所允许的耗时确定，且初始压差与土体渗透性、土样高度和试验所允许的耗时成正比；

步骤四：加压：将低压室(3)和高压室(1)的压力设置值输入实时控制系统，并且开始试验，空气压缩器通过气囊向高压室(1)和低压室(3)加压，同时，水压传感器将(8)室内压力实时传递给数据采集存储处理器(9)，并且通过实时控制系统(10)对室内压力进行实时控制，当室内压力达到设置值时，实时控制系统(10)关闭空气压缩器(7)；

步骤五：饱和：空气压缩器(7)全部关闭，开始计时并对土样进行饱和，数据采集存储处理器(9)记录并保存高压室(1)和低压室(3)的压差降为零所需要的时间，或记录并且保存经过一固定时间后高压室(1)和低压室(3)的压差，记录完成时该级土样饱和完成；

步骤六：压力调整：上一级土样饱和完成后，实时控制系统(10)立即打开空气压缩器(9)，配合水压传感器(8)、数据采集存储处理器(9)和实时控制系统(10)，对高压室(1)和低压室(3)的压力进行调整，当室内压力达到设置值时，实时控制系统自动关闭空气压缩器(7)；

步骤七：饱和度判断：反复重复步骤五和步骤六，直至最后三次所记录的时间或者压差基本相同时，认定土样已经达到饱和；

步骤八：卸压：土样达到饱和时，实时控制系统自动将高压室(1)和低压室(3)的水压降低；

步骤九：高压室(1)和低压室(3)的室内卸压完成后，依次打开排气孔和排进水孔进行完全排水；

步骤十：取样：排水完成后，取出饱和器(5)内带橡皮膜的土样以备后续试验使用。

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