CN218917109U - 一种膨胀土平衡等温线测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种膨胀土平衡等温线测量装置及测量方法，包括环境室、自动湿度控制系统、自动温度控制系统及测距系统，在所述环境室内盛放有待测土样；所述自动湿度控制系统与所述环境室相连并向所述环境室输送湿气，所述自动湿度控制系统包括相互独立的干气生发装置和湿气生发装置，以及控制干气、湿气混合比例的流量调节装置，以调节所述环境室的相对湿度；所述自动温度控制系统包括包裹于所述环境室外部的加热件，以调节所述环境室的温度；所述测距系统位于所述环境室内且与所述待测土样间隔设置，以对所述待测土样进行膨胀变形检测；本申请可实现平衡等温线的测量分析，达到模拟膨胀土在各种不同环境下脱吸附形变测量及分析的目的。

Description

一种膨胀土平衡等温线测量装置

技术领域

本申请涉及环境岩土工程技术领域，尤其涉及一种膨胀土平衡等温线测量装置。

背景技术

膨胀土在我国分布广泛。其最为典型的吸水膨胀，失水收缩的性质在工程领域有重要影响，对岩土工程、道路工程、水利工程等的安全与稳定都有一定负面作用。同时，其低渗透性，高吸力状态下的土-水特性也使得膨胀土中的钠基蒙脱土能作为我国高放废料深层地质处置库工程屏障系统的缓冲材料和回填材料的基材。膨胀土脱吸附平衡等温线是其重要的本构关系。通过解析平衡等温线能帮助我们更好地认识膨胀土的脱吸附行为和工程特性。目前已有的测量其等温线的方式有湿度测量和湿度控制两大类。后者在各相对湿度梯度下测量平衡时的土壤含水量，以此获得连续的等温线。而相关研究表明，温度会影响土样平衡等温线的结果。同时，虽然存在测量土样体积变化的装置，但其测量仪器会影响土壤质量的称量。因此，现有技术中缺乏一种试验装置能高效地在各指定温度下测量膨胀土平衡等温线和体积变化。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种膨胀土平衡等温线测量装置，以实现平衡等温线的测量分析，达到模拟膨胀土在各种不同环境下脱吸附形变测量及分析的目的，所述技术方案如下：

本申请提供一种膨胀土平衡等温线测量装置，包括环境室、自动湿度控制系统、自动温度控制系统及测距系统，在所述环境室内盛放有待测土样；所述自动湿度控制系统与所述环境室相连并向所述环境室输送湿气，所述自动湿度控制系统包括相互独立的干气生发装置和湿气生发装置，以及控制干气、湿气混合比例的流量调节装置，以调节所述环境室的相对湿度；所述自动温度控制系统包括包裹于所述环境室外部的加热件，以调节所述环境室的温度；所述测距系统位于所述环境室内且与所述待测土样间隔设置，以对所述待测土样进行膨胀变形检测。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，所述干气生发装置包括干气生发气体流量泵及干燥塔，所述干气生发气体流量泵与气源通过管路连接；所述干燥塔与所述干气生发气体流量泵通过管路连接，在所述干燥塔内设有干燥剂，以产生相对湿度接近于0％的干气。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，所述湿气生发装置包括湿气生发气体流量泵及洗气瓶，所述湿气生发气体流量泵与气源通过管路连接；所述洗气瓶与所述湿气生发气体流量泵通过管路连接，在所述洗气瓶内装满蒸馏水，以产生相对湿度为100％的湿气。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，所述流量调节装置包括流量控制器、第一相对湿度及温度传感器、数据采集器及控制终端，所述流量控制器分别与所述干气生发气体流量泵、所述湿气生发气体流量泵电连接，用于获取所述干气生发气体流量泵和所述湿气生发气体流量泵的气体流量信号并调节气体流量大小；所述第一相对湿度及温度传感器位于所述环境室内以检测所述环境室的相对湿度及温度；所述数据采集器与所述流量控制器及所述第一相对湿度及温度传感器电连接并采集气体流量信息和相对湿度及温度信息；所述控制终端与所述数据采集器电连接；其中，通过所述第一相对湿度及温度传感器将所述环境室的相对湿度信号反馈至所述控制终端，所述控制终端根据所述数据采集器所采集的数据信息控制所述流量控制器调节所述干气生发气体流量泵和所述湿气生发气体流量泵的气体流量，以调节干气、湿气的生成及混合比例。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，所述自动湿度控制系统还包括混合室，所述干气生发装置产生的干气和所述湿气生发装置产生的湿气分别与所述混合室连通，并在所述混合室内相混合，在所述混合室内设有第二相对湿度及温度传感器，所述第二相对湿度及温度传感器与所述数据采集器电连接。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，所述自动温度控制系统还包括水浴循环机，在所述加热件上设有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口分别与所述水浴循环机通过管路连接，以调节所述环境室的温度_。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，所述混合室包括四颈烧瓶，所述四颈烧瓶与所述水浴循环机通过管路连接，以加热所述四颈烧瓶内混合后的湿气。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，在所述环境室内设有用于承载所述待测土样的秤盘，在所述秤盘底部设有支撑杆，所述支撑杆穿出所述环境室底面并与电子天平连接，通过所述电子天平称量各相对湿度下所述待测土样的质量，以计算所述待测土样的含水量。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，所述测距系统包括激光测距仪，所述激光测距仪位于所述环境室的内顶面并与所述待测土样相对设置，通过所述激光测距仪测量各相对湿度下所述待测土样的纵向变形。

本申请一些实施例提供的一种膨胀土平衡等温线测量装置带来的有益效果为：本申请的膨胀土平衡等温线测量装置可自动控制环境室的相对湿度及温度，且气体被分成两个单独气流以得到相对湿度为100％湿气和相对湿度接近于0％的干气，再通过流量调节装置调节湿气和干气的混合比例以调节环境室的相对湿度，实现湿度可控；利用包裹于环境室外部的加热件实现温度可控；再配合测距系统对土样体积变化进行测量，以实现平衡等温线的测量分析，达到模拟膨胀土在各种不同环境下脱吸附形变测量及分析的目的，本申请具有实时观测，操作简单，测量准确性高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的膨胀土平衡等温线测量装置整体结构示意图；

图2是本申请的环境室结构示意图。

附图标记：100-环境室，110-橡胶塞，120-出气孔，200-自动湿度控制系统，210-干气生发装置，211-干气生发气体流量泵，212-干燥塔，220-湿气生发装置，221-湿气生发气体流量泵，222-洗气瓶，230-流量调节装置，231-流量控制器，232-第一相对湿度及温度传感器，233-数据采集器，234-控制终端，240-混合室，241-四颈烧瓶，242-第二相对湿度及温度传感器，300-自动温度控制系统，310-加热件，311-进水口，312-出水口，320-水浴循环机，400-测距系统，410-激光测距仪，500-待测土样，600-质量称量系统，610-秤盘，620-支撑杆，630-电子天平，700-支撑架，800-气源。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本申请提供一种膨胀土平衡等温线测量装置，如图1-2所示，包括环境室100、自动湿度控制系统200、自动温度控制系统300、测距系统400及质量称量系统600，在所述环境室100内盛放有待测土样500；所述自动湿度控制系统200与所述环境室100相连并向所述环境室100输送湿气，所述自动湿度控制系统200包括相互独立的干气生发装置210和湿气生发装置220，以及控制干气、湿气混合比例的流量调节装置230，以调节所述环境室100的相对湿度；所述自动温度控制系统300包括包裹于所述环境室100外部的加热件310，以调节所述环境室100的温度；所述测距系统400位于所述环境室100内且与所述待测土样500间隔设置，以对所述待测土样500进行膨胀变形检测；所述质量称量系统600包括用于放置待测土样500的秤盘610、连接秤盘610和电子天平630的支撑杆620。

根据上述实施例，本申请的膨胀土平衡等温线测量装置可自动控制环境室100的相对湿度及温度，且气体被分成两个单独气流以得到相对湿度为100％湿气和相对湿度为0％的干气，再通过流量调节装置230调节湿气和干气的混合比例以调节环境室100的相对湿度，实现湿度可控；利用包裹于环境室100外部的加热件310实现温度可控；再配合测距系统400对土样体积变化进行测量，配合质量称量系统600对土样质量变化进行测量，以实现平衡等温线的测量分析，达到模拟膨胀土在各种不同环境下脱吸附形变和质量变化测量及分析的目的，本申请具有实时观测，操作简单，测量准确性高等优点。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，如图1所示，所述干气生发装置包括干气生发气体流量泵211及干燥塔212，所述干气生发气体流量泵211与气源800通过管路连接；所述干燥塔212与所述干气生发气体流量泵211通过管路连接，在所述干燥塔212内设有干燥剂，以产生相对湿度接近于0％的干气。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，如图1所示，所述湿气生发装置220包括湿气生发气体流量泵221及洗气瓶222，所述湿气生发气体流量泵221与气源800通过管路连接；所述洗气瓶222与所述湿气生发气体流量泵221通过管路连接，在所述洗气瓶222内装满蒸馏水，以产生相对湿度为100％的湿气。

根据上述实施例，气源800提供的气体被分成两个单独气流，分别通过充满蒸馏水的气体洗涤瓶222、干燥塔212以得到相对湿度为100％和0％的气体。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中如图1所示，所述流量调节装置230包括流量控制器231、第一相对湿度及温度传感器232、数据采集器233及控制终端234，所述流量控制器231分别与所述干气生发气体流量泵211、所述湿气生发气体流量泵221电连接，用于获取所述干气生发气体流量泵211和所述湿气生发气体流量泵221的气体流量信号并调节气体流量大小；所述第一相对湿度及温度传感器232位于所述环境室100内以检测所述环境室100的相对湿度及温度；所述数据采集器233与所述流量控制器231及所述第一相对湿度及温度传感器232电连接并采集气体流量信息和相对湿度及温度信息；所述控制终端234与所述数据采集器233电连接；其中，通过所述第一相对湿度及温度传感器232将所述环境室100的相对湿度信号反馈至所述控制终端234，所述控制终端234根据所述数据采集器233所采集的数据信息控制所述流量控制器231调节所述干气生发气体流量泵211和所述湿气生发气体流量泵221的气体流量，以调节干气、湿气的生成及混合比例。

根据上述实施例，在第一相对湿度及温度传感器232的反馈下，通过调整“湿”与“干”气体流量的比例，使环境室100内的相对湿度逐渐增大或减小，从而达到设置的环境条件或测试条件。

其中，环境室100相对湿度的调节通过控制终端234控制的流量控制器231来实现，流量控制器231根据来自控制终端234的电子控制信号，在0—200cm³/mi n之间调节干气生发气体流量泵211和湿气生发气体流量泵221，进而调节所产生的相对湿度为100％的湿气的流量和相对湿度为0％的干气的流量。

其中，流量控制器231为MKS,247Dman型号的气体流量控制器，干气生发气体流量泵211和湿气生发气体流量泵221型号为MKS,GE50A，第一相对湿度及温度传感器232型号为HC2A-SH/HC2A-S3H，控制终端234可以为计算机等电子设备。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，如图1-2所示，所述自动湿度控制系统200还包括混合室240，所述干气生发装置210产生的干气和所述湿气生发装置220产生的湿气分别与所述混合室240连通，并在所述混合室240内相混合，在所述混合室240内设有第二相对湿度及温度传感器242，所述第二相对湿度及温度传感器242与所述数据采集器233电连接。通过第二相对湿度及温度传感器242可以检测混合室240内混合产生的湿气的湿度及温度。

根据上述实施例，相对湿度为100％的湿气和相对湿度为0％的干气经混合室240混合后进入环境室100，通过环境室100内的第一相对湿度及温度传感器232将环境室100相对湿度信号反馈至控制终端234进行调整，以此实现相对湿度的自动控制功能。

其中，经混合室240混合后的湿气通过管路进入环境室100，且在管路与环境室100连接处设有橡胶塞110，以保证环境室100气密性良好，防止外部环境干扰。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，如图1-2所示，所述自动温度控制系统300还包括水浴循环机320，在所述加热件310上设有进水口311和出水口312，所述进水口311和所述出水口312分别与所述水浴循环机320通过管路连接，以调节所述环境室100的温度_。

其中，加热件310可以为加热膜或加热套，包裹在环境室100的外壁，与自动湿度控制系统200的反馈回路类似，通过搭建加热件310、第一相对湿度及温度传感器232和水浴循环机320形成的反馈回路，实现环境室100内的自动控制。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，如图1所示，所述混合室240包括四颈烧瓶241及第二相对湿度及温度传感器242，其中，所述四颈烧瓶241为四口双层反应烧瓶，四口双层反应烧瓶241与所述水浴循环机320通过管路连接，以加热四口双层反应烧瓶241内混合后的湿气。

其中，相对湿度为100％的湿气和相对湿度接近于0％的干气分别通过管路通入四口双层反应烧瓶241，并在四口双层反应烧瓶241内混合，利用水浴循环机320进行水浴加热，从而产生热湿气通入环境室100内。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，如图1-2所示，所述质量称量系统600包括秤盘610、支撑杆620及电子天平630。所述秤盘610设置在环境室100内，用于承载所述待测土样500。所述支撑杆620设置在秤盘610底部，穿出所述环境室100底面并与电子天平630连接。所述电子天平630称量各相对湿度下所述待测土样500的质量，以计算所述待测土样500的含水量。

根据上述实施例，待测土样500的质量通过与控制终端234串口连接的电子天平630连续监测，当达到平衡时，质量被记录下来，环境室100中的湿度被增加或降低到下一个增量，通过电子天平630称量各相对湿度下待测土样500的质量，称量数据传至控制终端234经处理后获得待测土样500随相对湿度变化的含水量变化，即获取待测土样500的平衡等温线曲线。

其中，电子天平630型号为OHAUS Scout SE。

例如，在一个实施例提供的膨胀土平衡等温线测量装置中，如图1-2所示，所述测距系统400包括激光测距仪410，所述激光测距仪410位于所述环境室100的内顶面并与所述待测土样500相对设置，通过所述激光测距仪410测量各相对湿度下所述待测土样500平衡时的纵向变形。

根据上述实施例，通过在待测土样500上方设置激光测距仪410，避免激光测距仪410与待测土样500直接接触，减少了激光测距仪410对待测土样500称量的扰动，使得激光测距仪410能在不影响待测土样500称量的前提下精准测量待测土样500体积变化，通过激光测距仪410测量各相对湿度下待测土样500的纵向变形，有效减少传统技术中使用LVDT测距法对土样称量会产生的扰动问题，进而减少对平衡等温线测量的误差，测量更为精准。

其中，激光测距仪410型号为0M70-L0070.HH0065.VI。纵向变形数据传至控制终端234经处理后获得待测土样500的体积变化曲线。

进一步地，在环境室100侧壁上预留透明区域作为观察窗，在环境室100底部设置支撑架700，在环境室100底面设有出气孔120，同时出气孔120还可供支撑杆620穿出。

本申请的膨胀土平衡等温线测量装置，基于相对湿度自动控制系统及温度自动控制系统实验结构完整，适用性强。本申请通过气体流量泵、湿度传感器、气体流量控制器、控制终端一起形成反馈回路，实现相对湿度的自动控制；通过环境室外围包裹的加热件、温度传感器、温度控制器、控制终端达到测量分析过程控温的目的；本申请采用激光测距仪分析土样变形，减少对平衡等温线测量的误差，更为精准；本申请可根据需求设置环境室和二次开发软件，适用性强；另外本申请布置完成后可根据工作需求对工作环境进行设置以满足多用途的研究。

需要说明的是，依据本装置构造，应有足够平整的平面作为平台，可视具体情况选择合适的场地和材料，应持续供电以保证测量数据的连续性，外部温度和湿度不宜有过大变化。

本申请的膨胀土平衡等温线测量装置在具体使用时：

第一步，实验设备检查：将环境室100固定于支撑架700上，调试使环境室100稳定水平，确定装置气密性良好，检查干燥塔212中干燥剂、分子筛等状态，确认是否需要更换，若需要更换在测量中止或暂停阶段关闭气阀进行更换；

第二步，放置制作好的待测土样500：其中，待测土样500为致密压实土饼，以限制土样横向变形进而以便在测量脱吸附过程中检测其纵向形变，在秤盘610内放置好待测土样500后将其固定，通过电子天平630称量，并检查是否存在线路连接异常；

第三步，平衡条件设置：通过控制终端234设置环境室100平衡条件、环境室100温度和环境室100相对湿度梯度变化，设置实验过程中每一次循环的指定温度和相对湿度的梯度变化值，设置待测土样500含水量达到平衡的条件，包括称量周期、每一设定相对湿度下的最短和最长停留时间以及称量平衡条件，其中称量平衡条件是指电子天平630稳定读数，待测土样500质量不再变化，例如，每30分钟，待测土样500质量变化小于0.01％，即可认为达到称量平衡条件；

第四步，开始测量：将待测土样500称量数据和纵向形变数据发送至控制终端234进行处理，以完成平衡等温线的各项数据汇总和图像绘制。

尽管本申请的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本申请的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本申请并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种膨胀土平衡等温线测量装置，其特征在于，包括：

环境室，在所述环境室内盛放有待测土样；

自动湿度控制系统，与所述环境室相连并向所述环境室输送湿气，所述自动湿度控制系统包括相互独立的干气生发装置和湿气生发装置，以及控制干气、湿气混合比例的流量调节装置，以调节所述环境室的相对湿度；

自动温度控制系统，包括包裹于所述环境室外部的加热件，以调节所述环境室的温度；及

测距系统，位于所述环境室内且与所述待测土样间隔设置，以对所述待测土样进行膨胀变形检测。

2.根据权利要求1所述膨胀土平衡等温线测量装置，其特征在于，所述干气生发装置包括：

干气生发气体流量泵，与气源通过管路连接；

干燥塔，与所述干气生发气体流量泵通过管路连接，在所述干燥塔内设有干燥剂，以产生相对湿度接近于0％的干气。

3.根据权利要求2所述膨胀土平衡等温线测量装置，其特征在于，所述湿气生发装置包括：

湿气生发气体流量泵，与气源通过管路连接；

洗气瓶，与所述湿气生发气体流量泵通过管路连接，在所述洗气瓶内装满蒸馏水，以产生相对湿度为100％的湿气。

4.根据权利要求3所述膨胀土平衡等温线测量装置，其特征在于，所述流量调节装置包括：

流量控制器：分别与所述干气生发气体流量泵、所述湿气生发气体流量泵电连接，用于获取所述干气生发气体流量泵和所述湿气生发气体流量泵的气体流量信号并调节气体流量大小；

第一相对湿度及温度传感器，位于所述环境室内以检测所述环境室的相对湿度及温度；

数据采集器，与所述流量控制器及所述第一相对湿度及温度传感器电连接并采集气体流量信息和相对湿度及温度信息；及

控制终端，与所述数据采集器电连接；

其中，通过所述第一相对湿度及温度传感器将所述环境室的相对湿度信号反馈至所述控制终端，所述控制终端根据所述数据采集器所采集的数据信息控制所述流量控制器调节所述干气生发气体流量泵和所述湿气生发气体流量泵的气体流量，以调节干气、湿气的生成及混合比例。

5.根据权利要求4所述膨胀土平衡等温线测量装置，其特征在于，所述自动湿度控制系统还包括混合室，所述干气生发装置产生的干气和所述湿气生发装置产生的湿气分别与所述混合室连通，并在所述混合室内相混合，在所述混合室内设有第二相对湿度及温度传感器，所述第二相对湿度及温度传感器与所述数据采集器电连接。

6.根据权利要求5所述膨胀土平衡等温线测量装置，其特征在于，所述自动温度控制系统还包括水浴循环机，在所述加热件上设有进水口和出水口，所述进水口和所述出水口分别与所述水浴循环机通过管路连接，以调节所述环境室的温度_。

7.根据权利要求6所述膨胀土平衡等温线测量装置，其特征在于，所述混合室包括四颈烧瓶，所述四颈烧瓶与所述水浴循环机通过管路连接，以加热所述四颈烧瓶内混合后的湿气。

8.根据权利要求1所述膨胀土平衡等温线测量装置，其特征在于，在所述环境室内设有用于承载所述待测土样的秤盘，在所述秤盘底部设有支撑杆，所述支撑杆穿出所述环境室底面并与电子天平连接，通过所述电子天平称量各相对湿度下所述待测土样的质量，以计算所述待测土样的含水量。

9.根据权利要求1所述膨胀土平衡等温线测量装置，其特征在于，所述测距系统包括激光测距仪，所述激光测距仪位于所述环境室的内顶面并与所述待测土样相对设置，通过所述激光测距仪测量各相对湿度下所述待测土样的纵向变形。

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