CN208140566U - 一种用于真空饱和及饱和度测试的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于真空饱和及饱和度测试的系统，包括真空饱和装置；常水头装置；真空泵；二氧化碳输气装置以及饱和度测量装置；真空饱和装置包括样品真空箱、设置在样品真空箱中的样品容器以及设置在样品真空箱上的压力表；饱和度测量装置设置在真空饱和装置上；真空泵与真空饱和装置和常水头装置连通；二氧化碳输气装置的输气管穿过样品真空箱与样品容器连通，同时与常水头装置连通，常水头出水管穿过样品真空箱与样品容器连通；其中饱和度测量装置设置在样品容器内部侧壁上，所述真空饱和装置还包括放置在样品容器之中的带刻度的浮板。

Description

一种用于真空饱和及饱和度测试的系统

技术领域

本实用新型涉及土工实验技术，尤其涉及一种用于真空饱和及饱和度测试的系统。

背景技术

在解决与各类工程建筑有关的地质问题时，必须了解岩土的工程地质，土的工程地质性质包括物理、水理以及力学性质，其中物理性质是表明土物理状态的某些性质，用土的基本物理指标来表示，这些指标中有的直接测定例如含水量、密度、比重、体积等，有的通过计算求得例如饱和度等。土的饱和度是指土体孔隙中水占的体积与土体孔隙体积的比值，其表示水在孔隙中充满的程度。饱和度可以反映土的干湿程度以及性质，在实际工程中有着重要的意义。对于岩土工程液化来讲，土的饱和度是判别砂土液化的重要指标，饱和度测试一直具有重要意义。

饱和度的测定主要是通过计算间接获得，并且计算常常由于各种因素而产生偏差。目前，对于模型实验还没有相关的饱和度的测试方法。

因此，存在对这方面的技术的需求。

实用新型内容

为克服现有技术存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种用于真空饱和及饱和度测试的方法以及系统，其能够测定砂土饱和度，具有操作简单方便，结果直观可靠的优点。

根据本实用新型的另一方面，提供一种用于真空饱和及饱和度测试的系统，包括：

真空饱和装置10；常水头装置20；真空泵30；以及二氧化碳输气装置40，以及饱和度测量装置60；

其中，真空饱和装置10包括样品真空箱11、设置在样品真空箱11中的样品容器12、以及设置在样品真空箱11上的压力表14；

饱和度测量装置60包括激光发射器61，饱和度测量装置60设置在真空饱和装置10上；

常水头装置20包括常水头真空箱21、设置在常水头真空箱21中的常水头装置本体22、常水头进水管23以及常水头出水管24；其中常水头装置本体22包括内筒221、外筒222、连接内筒221和外筒222的进出水泵223，常水头进水管23以及常水头出水管24穿过常水头真空箱21与内筒221连通；

真空泵30与真空饱和装置10和常水头装置20连通；

二氧化碳输气装置40的输气管穿过样品真空箱11与样品容器12连通，常水头出水管24穿过样品真空箱11与样品容器12连通。同时二氧化碳输气装置40的输气管也与常水头装置20连通；

其中所述饱和度测量装置60设置在样品容器12内部侧壁上，所述真空饱和装置10还包括放置在样品容器12之中的带刻度的浮板15。

进一步地,所述常水头装置20还包括设置在常水头真空箱21上的压力表。

进一步地，所述常水头装置20还包括与常水头进水管23连接的进水泵25。

进一步地，所述饱和度测量装置60设置在样品容器12上方的样品真空箱11的内部顶面上。

进一步地，所述样品真空箱11上设置有开关装置。

进一步地，所述用于测定砂土饱和度的系统还包括数据处理单元50，所述数据处理单元接收饱和度测量装置60的检测数据并据此计算砂土饱和度。

进一步地，所述样品真空箱11的顶表面是透明的或者在顶表面上设置有观测窗。

进一步地，所述常水头装置20还包括设置在常水头出水管(24)上的流量计(未示出)，用于测量对样品饱和时常水头装置20输出的水量。

根据本实用新型的另一方面，提供一种测定砂土饱和度的方法，包括：

(1)将体积为V的砂土样品放入样品容器中，同时对砂土样品以及常水头装置抽真空。

(2)对抽真空的砂土样品以及常水头装置通入二氧化碳，

(3)重复步骤(1)和(2)多次，

(4)同时对砂土样品以及常水头装置抽真空；

(5)利用常水头装置对砂土样品进行常水头饱和，直到水液浸没砂土样品的表面；

(6)将常水头饱和后的砂土样品暴露在大气常压P1下；

(7)再次对砂土样品抽真空到P2压力下；

(8)测算在步骤(6)以及(7)中不同压力下样品容器中液面高度的变化，并由此获得体积的变化△V；

(9)利用如下公式计算砂土样品的饱和度Sr：

Sr＝Vw/Vv·100％

Vv＝Va+Vw

Vv＝V-Vs＝V-Ms/ρ_d

Va·P1＝V2·P2

V2＝Va+△V

其中，V为砂土样品的总体积，Vv为砂土样品中孔隙体积，Vw为砂土样品中水的体积，Vs为砂土样品中固体体积，Va为步骤(6)中P1压力下砂土样品中气体体积，V2为步骤(7)中P2压力下砂土样品中气体体积，Ms为砂土样品的固体质量，ρ_d为砂土样品的干密度。

进一步地，步骤(8)包括利用包括激光发生器的饱和度测量装置检测液面高度的变化△h，并利用△h乘于所述样品容器的底面积S，获得体积的变化△V。

进一步地，步骤(8)包括利用包括激光发生器的饱和度测量装置发射入射光，检测入射光在液面入射位置的水平方向距离的变化△L，然后利用tanα·△L，获得液面高度的变化△h，其中α为入射光相对于液面的入射角。

进一步地，步骤(8)包括利用包括激光发生器的饱和度测量装置发射入射光，垂直入射在液面上，利用反射光来测得液面高度的变化△h。

进一步地，步骤(8)和(9)由计算机程序单元来完成。

附图说明

图1为根据本实用新型一个实施方案的用于真空饱和及饱和度测试的系统的结构示意图；

图2为根据本实用新型一个实施方案的常水头装置(没有示出常水头真空箱)的结构示意图；

图3为根据本实用新型一个实施方案的测定砂土饱和度的方法的流程示意图；

图4为根据本实用新型一个实施方案的利用饱和度测量装置检测样品容器中液面高度的变化的示意图；

图5为根据本实用新型一个实施方案的样品容器中砂土样品中固液气三相示意图；

图6为根据本实用新型一个实施方案的砂土样品中气体体积和压强变化的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1为根据本实用新型一个实施方案的用于真空饱和及饱和度测试的系统的结构示意图。参考图1，本实用新型的真空饱和及饱和度测试系统包括：真空饱和装置10、常水头装置20、真空泵30、二氧化碳输气装置40以及数据处理单元50、以及包括激光发生器61的饱和度测量装置60(参见图4)。

如图所示，真空饱和装置10包括样品真空箱11、设置在样品真空箱11中的样品容器12、以及设置在样品真空箱11上的压力表14。

样品容器12用于装待检测的砂土样品，一般具有规则的形状，例如可以为长方体、立方体或圆柱体等等，由此可以预先了解其长宽高，并且可以通过检测其中的液面(利用水进行饱和之后)的变化来求得体积的变化。样品容器12的顶面一般开放，由此有利于样品的放置以及饱和度测量装置60的设置(如果设置在其上的话)和检测。样品容器12放置在样品真空箱11中，放置的位置没有特别要求，只要其放置并固定即可。样品容器12在底面或者侧面设置有与二氧化碳输气装置40的充气管以及常水头装置20的常水头出水管24相连接的接口(未示出)，由此可以给样品进行充气和充水。

样品真空箱11用于内容样品容器12以及用于对样品容器12抽真空。其形状和材质没有特别的要求，只要其适合于抽真空即可，例如可以由透明有机材料制成。样品真空箱11上可以安装有压力表，用于显示样品真空箱11中的压力，例如在抽真空之后的压力值。样品真空箱11中设置有让二氧化碳输气装置40的充气管以及常水头出水管24相通过的通孔(未示出)。与样品容器12的接口一样，这样的通孔与充气管和水管之间能够实现密封，不会渗透水或者气体。

包括激光发射器61的饱和度测量装置60用于检测样品充水饱和之后的液面高度以及体积的变化，例如这样的饱和度测量装置60可以设置在样品容器12中，如图4所示。饱和度测量装置60设置在样品容器12的侧壁上部上，样品容器12中还可以设置有带刻度的浮尺15。浮尺15的长度可以和样品容器12基本一致，但是可以随着样品容器12中液面的变化而变化，例如上升或下降。如图4所示，激光发射器61可以以一定的角度α(入射光相对于液面的入射角)发射激光至样品容器12中液面上浮尺15上，浮尺15上设置有刻度由此可以记录入射位置的数值。当液面上升(或者下降)时，浮尺15随之变化，入射光的入射位置也随之变化。由此可以获得入射光的入射位置变化前后的差值L并进一步获得液面高度的变化△h。

这样的差值L的获得可以通过激光测量器自身来识别并计算，也可以通过人眼的观测。例如所述样品真空箱11的顶表面可以是透明的或者在顶表面上设置有观测窗，由此可以通过人眼的观测来确定入射位置以及变化值。

当然，所述包括激光发射器61的饱和度测量装置60也可以设置在真空饱和装置10的其他部件上，例如样品真空箱11上。饱和度测量装置60可以设置在样品容器12上方的样品真空箱11的内部顶面上。这样激光测量器发射入射光，垂直入射在液面上，利用反射光来测得液面高度的变化△h。这样的激光测量器为本领域技术人员所熟知，在此并不详述。

另外，所述样品真空箱11上还可以设置有开关装置(未示出)，例如开关阀。在对样品真空箱11抽中空的时候，可以关闭该装置，当不需要真空时可以打开该装置，由此暴露于常压下。

参考图1，常水头装置20包括常水头真空箱21、设置在常水头真空箱21中的常水头装置本体22、常水头进水管23、常水头出水管24以及与常水头进水管23连接的进水泵25。二氧化碳输气装置40的输气管同时也与常水头装置(20)连通，例如通过常水头真空箱21，连通时应当保持连接的密封性。另外也可以在常水头真空箱21上的设置压力表，以监测所述常水头装置20的真空状况。

参考图2，图2为根据本实用新型一个实施方案的常水头装置(没有示出常水头真空箱)的结构示意图。其中常水头装置本体22包括内筒221、外筒222、连接内筒221和外筒222的进出水泵223，常水头进水管23以及常水头出水管24穿过常水头真空箱21与内筒221连通，连通时应当保持连接的密封性；常水头出水管24与真空饱和装置10的样品容器12相连通。

操作时，水在进水泵25的作用下通过进水管23不断地进入内筒221，内筒221中的水在过量之后溢出到外筒222，外筒222中的水通过进出水泵223的作用循环回到内筒221中。由此内筒221中的水头保持稳定不变。

真空泵30与真空饱和装置10的真空箱11和常水头装置20的真空箱21连通，二氧化碳输气装置40同时也与常水头装置20和真空饱和装置10的真空箱11连通，可以对二者同时进行抽真空或者充气。例如对常水头装置20以及真空饱和装置10同时进行抽真空以及同时充气，可以保证饱和的充分性，在砂土饱和时保持水头的稳定，并且可以消除常水头装置20中饱和用水中溶解的气体，提高检测精度。

如图1所示，本实用新型的系统还可以包括数据处理单元50。数据处理单元50可以接受所述饱和度测量装置60传输的检测数据，并进行处理，以计算相关的参数以及砂土的饱和度。例如数据处理单元50与饱和度测量装置60之间可以进行无线传输数据，数据处理单元50进行处理而输出最终结果。

下面详述利用本实用新型的系统来进行砂土样品的饱和度检测的过程以及工作原理。

图3为根据本实用新型一个实施方案的测定砂土饱和度的方法的流程示意图；

参考图3，根据本实用新型的测定砂土饱和度的方法，首先利用真空泵30对真空饱和装置10进行抽真空，也即对砂土样品进行抽真空，同时对常水头装置20抽真空，之后利用二氧化碳输气装置40为砂土样品以及常水头装置20输送二氧化碳，例如达到常压，然后重复上述抽真空以及通二氧化碳的步骤，例如重复5,6,7等等次数。接着利用真空泵30对常水头装置20以及真空饱和装置10同时抽真空，之后在真空状态下利用常水头装置20对砂土样品进行常水头饱和，直至水面没过样品表面(参考图4)。在饱和之后，将所述样品真空箱11上的开关装置(未示出)例如开关阀打开，由此让样品暴露于常压(P1)下。然后再对样品进行抽真空至一定的压力，例如为P2，P2可以为P1的1/2,1/5，1/10,1/20等等。在此过程中，利用包括激光发生器61的饱和度测量装置60测量不同压力例如P1和P2下入射光在液面入射位置的水平方向距离的变化△L，然后利用tanα·△L，获得液面高度的变化△h，其中α为入射光相对于液面的入射角(参考图4)，或者利用包括激光发生器61的饱和度测量装置60发射入射光，垂直入射在液面上，利用反射光来测得液面高度的变化△h。然后利用△h×S得出变化的体积△V，其中，S为样品容器12的底面积。

下面结合附图说明本实用新型的测量的原理，图5为根据本实用新型一个实施方案的样品容器中砂土样品中固液气三相示意图；图6为根据本实用新型一个实施方案的砂土样品中气体体积和压强变化的示意图。

参考图5和图6，砂土样品中一般存在孔隙，饱和后的样品中孔隙被水以及气体所占据，如图6所示。根据波义耳定律，在质量一定、温度不变的条件下，气体的压强与体积的乘积(即pV)的值为常量。因此对于饱和后，砂土样品中所含的气体而言，其基本符合上述定律，也即，存在P1×V1＝P2×V2，其中P1为常压，P2为抽真空后的压强，V2-V1＝△V(参见附图6)。注意，由于水的液面所产生的压力相对于大气常压或者抽真空后的压力P2而言基本可以忽略不计，因此计算时不考虑液面变化所带来的压力变化，其影响可以忽略。

在上述过程中，体积的变化V2-V1＝△V可以通过△h×S获得，再根据上式P1×V1＝P2×V2，(其中P1为常压，约为101.325kPa，P2为抽真空后的压强，可知),因此可以算出V1的值，也即，饱和后样品在常压下所包含的其他的气体V1(下文中也记为Va)。

在结合土的饱和度定义，可以计算上述砂土样品的饱和度Sr。具体计算公式如下：

Sr＝Vw/Vv·100％饱和度定义式

Vv＝Va+Vw

Vv＝V-Vs＝V-Ms/ρd

其中，V为砂土样品的总体积，Vv为砂土样品中孔隙体积，Vw为砂土样品中水的体积，Vs为砂土样品中固体体积，Va(V1)为P1压力下砂土样品中气体体积，V2为P2压力下砂土样品中气体体积，Ms为砂土样品的固体质量(干重)，ρd为砂土样品的干密度。

其中，V、Ms、ρd均可以在检测饱和度之前通过常规的方法来进行测定，这些方法为本领域中所熟知，因此并不详述。

上述计算可以通过人工或者计算机来进行，例如本实用新型的系统可以包括数据处理单元50，其中存贮有设计好的软件模块，数据处理单元50接收包括激光发生器61的饱和度测量装置60传输的检测数据之后，即可计算出饱和度。

实施例-利用本实用新型的系统测量某一砂土样品

将砂土样品装入真空饱和装置10的样品容器12中，利用本实用新型的装置对样品以及常水头装置进行抽真空和充二氧化碳，共三次；

再次对砂土样品以及常水头装置抽真空，然后利用常水头装置对砂土样品进行常水头饱和，直到水液浸没砂土样品的表面；

接着将常水头饱和后的砂土样品暴露在大气常压P1下；

再次对砂土样品抽真空到P2(约2/1的P1)压力下；

利用饱和度测量装置60以入射角α为5.71°发射激光来测算不同压力

下样品容器中液面高度的变化，并由此计算体积的变化；最后计算饱和度。

实验条件和结果：砂土的初始高50cm，孔隙比为1，激光入射角α为5.71°，P1约为101.325kPa，P2为1/2P1，激光入射位置移动距离△L为36.5mm，上升高度为3.65mm，饱和度计算得到为97.08％。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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

Claims (5)

1.一种用于真空饱和及饱和度测试的系统，包括：

真空饱和装置(10)；常水头装置(20)；真空泵(30)；二氧化碳输气装置(40)，以及饱和度测量装置(60)；

其中，真空饱和装置(10)包括样品真空箱(11)、设置在样品真空箱(11)中的样品容器(12)、以及设置在样品真空箱(11)上的压力表(14)；

饱和度测量装置(60)包括激光发射器(61)，饱和度测量装置(60)设置在真空饱和装置(10)上；

常水头装置(20)包括常水头真空箱(21)、设置在常水头真空箱(21)中的常水头装置本体(22)、常水头进水管(23)以及常水头出水管(24)；其中常水头装置本体(22)包括内筒(221)、外筒(222)、连接内筒(221)和外筒(222)的进出水泵(223)，常水头进水管(23)以及常水头出水管(24)穿过常水头真空箱(21)与内筒(221)连通；

真空泵(30)与真空饱和装置(10)和常水头装置(20)连通；

二氧化碳输气装置(40)的输气管穿过样品真空箱(11)与样品容器(12)连通，同时与常水头装置(20)连通；常水头出水管(24)穿过样品真空箱(11)与样品容器(12)连通；

其中饱和度测量装置(60)设置在样品容器(12)内部侧壁上，所述真空饱和装置(10)还包括放置在样品容器(12)之中的带刻度的浮板(15)。

2.根据权利要求1所述的用于真空饱和及饱和度测试的系统，其中所述常水头装置(20)还包括设置在常水头真空箱(21)上的压力表。

3.根据权利要求1所述的用于真空饱和及饱和度测试的系统，其中所述常水头装置(20)还包括与常水头进水管(23)连接的进水泵(25)。

4.根据权利要求1所述的用于真空饱和及饱和度测试的系统，其中所述样品真空箱(11)上设置有开关装置。

5.根据权利要求1所述的用于真空饱和及饱和度测试的系统，其中所述样品真空箱(11)的顶表面是透明的或者在顶表面上设置有观测窗。