一種土工模型試驗快速飽和裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種土工模型試驗快速飽和裝置，該裝置是將模型試驗箱與密封飽和箱合二為一的抽真空飽和裝置，包括飽和液混合桶(1)、飽和液進液管(6)、液體泵(7)、空氣出氣管(27)、密封氣液分離桶(31)、真空泵(35)及模型試驗箱，飽和液混合桶(1)通過飽和液進液管(6)依次連接液體泵(7)和模型試驗箱的進液口，模型試驗箱出氣口則通過空氣出氣管(27)依次連接密封氣液分離桶(31)和真空泵(35)。與現有技術相比，本發明裝置飽和速度快且可控、飽和效果好、造價低且不受模型試驗尺寸限制，同時，該裝置還可用于滲流模型試驗和測定土體滲透系數特別是碎石土、砂卵石土等大顆粒土體的滲透系數。
【專利說明】一種土工模型試驗快速飽和裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種土工模型試驗快速飽和裝置，可用于對土工模型快速飽和、模擬 滲流試驗及測定土體滲流系數。
【背景技術】
[0002] 土工模型試驗是巖土工程研究的基本手段之一，在試驗中不可避免的要對土工模 型進行飽和，而模型土樣的飽和度對實驗結果影響很大。一般情況下飽和液只有一種組份 為脫氣飽和液，特殊情況下，如利用離心試驗研究在地震荷載下的巖土體性質變化時，需要 利用動力粘滯性系數較高的液體來模擬原型中的受力情況，因此在這種情況下需用多種組 份配置粘滯性飽和液。目前有三種常用的飽和方法：飽和液體中雨落法形成飽和土工模型 法、土工模型底部充飽和液飽和法、抽真空飽和法。
[0003] 然而，飽和液體中雨落法形成飽和土工模型法僅適用于砂土，而且難以形成高密 實度土體。而土工模型底部充飽和液飽和法則難以檢測其飽和效果，如果飽和液充入速度 過快，空氣不能及時排出，會造成大部分氣體密閉于土體中；如果飽和液充入速度較慢，則 耗時較長，同時，對于深度較大的土工模型需用高壓充飽和液，這樣會不可避免地對飽和液 注入口附近的土體產生局部滲流破壞。雖然，抽真空飽和法的飽和速度快、效果好，但一般 需另外制作密封飽和箱，其造價較高、搬運移動不便，并不適用于大體積模型試驗，同時，在 搬運過程中不可避免地會對土體造成一定程度的擾動。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種飽和速度快且 可控、飽和效果好、造價低且不受模型試驗尺寸限制的土工模型試驗快速飽和裝置。
[0005] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0006] 一種土工模型試驗快速飽和裝置，該裝置包括飽和液混合桶、飽和液進液管、液體 泵、空氣出氣管、密封氣液分離桶、真空泵及模型試驗箱，所述的飽和液混合桶通過飽和液 進液管依次連接液體泵和模型試驗箱的進液口，所述的模型試驗箱出氣口則通過空氣出氣 管依次連接密封氣液分離桶和真空泵。
[0007] 所述飽和液混合桶的一側壁設有至少兩個開口，用于連接不同飽和液組分進液 管，在飽和液混合桶的另一側壁下方設有一開口，用于連接飽和液進液管；所述的飽和液混 合桶上方設有攪拌電動機，該攪拌電動機的動力轉動軸與設置在飽和液混合桶中的攪拌棒 相連接。
[0008] 所述的模型試驗箱中放置有模型土，該模型試驗箱包括上蓋板、底板、前面板、后 面板、左面板及右面板，所述的上蓋板通過固定螺栓與前面板、后面板、左面板及右面板相 連接，上蓋板與前面板、后面板、左面板及右面板的連接處設有密封橡膠圈。
[0009] 所述的模型試驗箱內左右兩端分別設有飽和液滲入夾艙和抽氣夾艙，所述飽和液 滲入夾艙的上方通過飽和液堅向進液管與模型試驗箱中的飽和液進液管相連通，飽和液滲 入夾艙與模型土之間設有飽和液滲入夾艙開孔板，所述抽氣夾艙的上方通過堅向抽氣管與 模型試驗箱中的空氣出氣管相連通，抽氣夾艙與模型土之間設有抽氣夾艙開孔板。
[0010] 所述的飽和液滲入夾艙中垂直設有至少兩層飽和液滲入夾艙肋板，防止飽和液滲 入夾艙在模型土側向壓力作用下變形，所述飽和液滲入夾艙肋板上等間距設有飽和液滲入 夾艙肋板連通孔，以使飽和液滲入夾艙內液面等高，保證土體各部分在均勻的滲流壓力下 飽和；所述的飽和液滲入夾艙開孔板上等間距設有飽和液滲入孔，飽和液可由此滲入模型 土體中，該飽和液滲入孔上設有鋼絲網，以避免沖刷土體顆粒和防止土體顆粒進入飽和液 滲入夾艙。
[0011] 所述的抽氣夾艙中垂直設有至少兩層抽氣夾艙肋板，防止抽氣夾艙在模型土側向 壓力作用下變形，所述抽氣夾艙肋板上等間距設有抽氣夾艙肋板連通孔，以使夾艙內氣壓 相同，保證土體各部分氣體在均勻的壓力差下被抽出，所述的抽氣夾艙開孔板上等間距設 有空氣抽出孔，模型土體中的空氣由此被抽出，該空氣抽出孔上設有細不銹鋼鋼絲網，以避 免局部氣壓過高和防止土體顆粒進入抽氣夾艙。
[0012] 所述的前面板與飽和液滲入夾艙、抽氣夾艙相接觸的位置處均設有透明液位觀測 管及液位測量標尺，所述前面板的左、右兩端的上方還分別設有模型試驗箱進氣管。
[0013] 所述的飽和液進液管沿液體泵至模型試驗箱一段依次設有閥門、液體流量表及液 壓表。
[0014] 所述的空氣出氣管沿真空泵至密封氣液分離桶一段依次設有閥門、真空壓力表及 氣體流量表。
[0015] 所述的密封氣液分離桶的底部還設有泄液管，該泄液管上設有閥門。
[0016] 對于絕大多數土體而言，其水平滲透性遠大于堅向滲透性，因此從土體側面對土 體進行滲透飽和，飽和速度要遠遠大于從底部充水滲透飽和法，同時，為防止側向滲流飽和 時，土體中氣體被封閉于土體內，在飽和前和飽和過程中對土體進行真空抽氣，可提高土體 飽和效果和速度。本發明就是根據這一原理，提供了一種將模型試驗箱與密封飽和箱合二 為一的抽真空飽和裝置，該裝置飽和速度快且可控、飽和效果好、造價低且不受模型試驗尺 寸限制，同時，該裝置還可用于滲流模型試驗和測定碎石土、砂卵石土等大顆粒土體的滲透 系數。
[0017] 試驗時，飽和液的不同組份經管路進入飽和液混合桶，進行充分攪拌，飽和液攪拌 均勻后被液體泵抽入進液管，可通過設置在飽和液進液管上的液體壓力表、液體流量表監 測飽和液壓力及流量，并可通過閥門來調節飽和液的流量和壓力。飽和液進入模型試驗箱 后，經堅向進液管流入飽和液滲入夾艙，該飽和液滲入夾艙中的靠近土體的飽和液滲入夾 艙開孔板上設有大量飽和液滲入孔，飽和液由此滲入土體。飽和液滲入孔上設有細不銹鋼 鋼絲網，以避免沖刷土體顆粒和防止土體顆粒進入飽和液滲入夾艙。在飽和液滲入夾艙內， 還設有飽和液滲入夾艙肋板，用以防止飽和液滲入夾艙在土體側向壓力下變形，同時飽和 液滲入夾艙肋板上設有飽和液滲入夾艙肋板連通孔，用以使飽和液滲入夾艙內液面等高， 保證土體各部分在均勻的滲流壓力下飽和。抽氣夾艙內的空氣經由堅向抽氣管進入空氣出 氣管，然后進入密封氣液分離桶，隨氣體被抽出的飽和液在重力作用下留在密封氣液分離 桶的底部，積累過多時可由泄液管排出，并回收再利用。分離飽和液后的氣體重新被真空泵 抽入空氣出氣管，最后排入大氣。設置在出氣管上的真空壓力表、氣體流量表可監測氣體壓 力及流量，同時通過設置在出氣管上的閥門可以調節抽出氣體的流量和壓力。
[0018] 本發明能配置不同成分均勻混合的飽和液，并對土工模型進行飽和，能調節飽和 液流量、壓力，使飽和液滲入夾艙內液面等高，保證土體各部分在均勻的滲流壓力下飽和， 能將可能抽出的飽和液分離，并回收再利用，能調節抽出氣體的流量和壓力，使抽氣夾艙內 氣壓相同，保證土體各部分氣體在均勻的壓力差下被抽出；能觀測飽和液在土體中的液位 高度，無需在土體中埋深管線。
[0019] 與現有技術相比，本發明具有以下特點：
[0020] 1.無需制作密封飽和箱；
[0021] 2.能配置不同成分均勻混合的飽和液，并對土工模型進行飽和；
[0022] 3.飽和液水平滲入土體,飽和速度快；
[0023] 4.飽和速度可控制；
[0024] 5.無需在土體中埋深管線，對土體擾動小；
[0025] 6.能將可能隨氣體抽出的飽和液分離并回收再利用；
[0026] 7.能觀測飽和液在土體中的液位高度；
[0027] 8.能進行滲流模擬實驗；
[0028] 9.能測定土體滲透系數，特別是碎石土、砂卵石土等大顆粒土體的滲透系數。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029] 圖1為一種土工模型試驗快速飽和裝置總體三維結構示意圖；
[0030] 圖2為一種土工模型試驗快速飽和裝置試驗過程時的三維結構示意圖；
[0031] 圖3為夾艙開孔板平面圖；
[0032] 圖4為模型試驗箱橫截面圖；
[0033] 圖5為夾艙肋板平面圖；
[0034] 圖中標記說明：
[0035] 1-飽和液混合桶、2-飽和液組分a進液管、3-飽和液組分b進液管、4-攪拌電動 機、5-攪拌棒、6-飽和液進液管、7-液體泵、8-堵頭、9-閥門、10-液體流量表、11-液壓表、 12-前面板、13-透明液位觀測管、14-液位測量標尺、15-模型試驗箱進氣管、16-密封橡膠 圈、17-上蓋板、18-固定螺檢、19-底板、20-后面板、21-左面板、22-右面板、23-模型土、 24-飽和液堅向進液管、25-飽和液滲入夾艙、26-飽和液滲入孔、27-空氣出氣管、28-堅向 抽氣管、29-抽氣夾艙、30-空氣抽出孔、31-密封氣液分離桶、32-泄液管、33-氣體流量表、 34-真空壓力表、35-真空泵、36-鋼絲網、37-飽和液滲入夾艙開孔板、38-抽氣夾艙開孔板、 39-飽和液滲入夾艙肋板、40-抽氣夾艙肋板、41-飽和液滲入夾艙肋板連通孔、42-抽氣夾 艙肋板連通孔。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0037] 實施例
[0038] 如圖1?2所示，一種土工模型試驗快速飽和裝置，該裝置包括飽和液混合桶1、飽 和液進液管6、液體泵7、空氣出氣管27、密封氣液分離桶31、真空泵35及模型試驗箱，所述 的飽和液混合桶1通過飽和液進液管6依次連接液體泵7和模型試驗箱的進液口，所述的 模型試驗箱出氣口則通過空氣出氣管27依次連接密封氣液分離桶31和真空泵35。飽和液 混合桶1的一側壁設有兩個開口，用于連接飽和液組分a2進液管和飽和液組分b3進液管， 在飽和液混合桶1的另一側壁下方設有一開口，用于連接飽和液進液管6 ;所述的飽和液混 合桶1上方設有攪拌電動機4,該攪拌電動機4的動力轉動軸與設置在飽和液混合桶1中的 攪拌棒5相連接。所述的模型試驗箱中放置有模型土 23,該模型試驗箱包括上蓋板17、底 板19、前面板12、后面板20、左面板21及右面板22,所述的上蓋板17通過固定螺栓18與 前面板12、后面板20、左面板21及右面板22相連接,上蓋板17與前面板12、后面板20、左 面板21及右面板22的連接處設有密封橡膠圈16。所述的模型試驗箱內左右兩端分別設有 飽和液滲入夾艙25和抽氣夾艙29,所述飽和液滲入夾艙25的上方通過飽和液堅向進液管 24與模型試驗箱中的飽和液進液管6相連通，飽和液滲入夾艙25與模型土 23之間設有飽 和液滲入夾艙開孔板37,所述抽氣夾艙29的上方通過堅向抽氣管28與模型試驗箱中的空 氣出氣管27相連通，抽氣夾艙29與模型土 23之間設有抽氣夾艙開孔板38。所述的前面板 12與飽和液滲入夾艙25、抽氣夾艙29相接觸的位置處均設有透明液位觀測管13及液位測 量標尺14,所述前面板12的左、右兩端的上方還分別設有模型試驗箱進氣管15。
[0039] 如圖3?5所示，所述的飽和液滲入夾艙25中垂直設有七層飽和液滲入夾艙肋板 39,防止飽和液滲入夾艙25在模型土 23側向壓力作用下變形，所述飽和液滲入夾艙肋板39 上等間距設有飽和液滲入夾艙肋板連通孔41，以使飽和液滲入夾艙25內液面等高，保證土 體各部分在均勻的滲流壓力下飽和；所述的飽和液滲入夾艙開孔板37上等間距設有飽和 液滲入孔26,飽和液可由此滲入模型土 23中，該飽和液滲入孔26上設有細不銹鋼鋼絲網 36,以避免沖刷土體顆粒和防止土體顆粒進入飽和液滲入夾艙25。抽氣夾艙29中垂直設有 七層抽氣夾艙肋板40,防止抽氣夾艙29在模型土 23側向壓力作用下變形，所述抽氣夾艙肋 板40上等間距設有抽氣夾艙肋板連通孔42,以使抽氣夾艙29內氣壓相同，保證土體各部分 氣體在均勻的壓力差下被抽出，所述的抽氣夾艙開孔板38上等間距設有空氣抽出孔30,模 型土 23中的空氣由此被抽出，該空氣抽出孔30上設有細不銹鋼鋼絲網36,以避免局部氣 壓過高和防止土體顆粒進入抽氣夾艙29。飽和液進液管6沿液體泵7至模型試驗箱一段 依次設有閥門9、液體流量表10及液壓表11。空氣出氣管27沿真空泵35至密封氣液分離 桶31 -段依次設有閥門9、真空壓力表34及氣體流量表33。在飽和液進液管6和空氣出 氣管27轉接的地方設有堵頭8。密封氣液分離桶31的底部還設有泄液管32,該泄液管32 上設有閥門9。
[0040] 模型土 23飽和前，用固定螺栓18將模型箱上蓋板17固定，并關閉模型試驗箱進 氣管15閥門9使模型箱密封。在模型箱前面板12設置的兩個透明液位觀測管13和液位 測量標尺14 ;透明液位觀測管13是一個兩端分別與密封模型箱上、下兩端相連通的封閉中 空透明有機玻璃管，這樣就能夠隨時通過液位測量標尺14觀測到飽和液在密封模型箱中 的液位高度。模型箱密封后，首先關閉飽和液進液管6閥門9,對整個模型箱和模型土 23進 行抽真空排氣，待真空度穩定后，打開飽和液進液管6閥門9,抽入一定量的飽和液后關閉 飽和液進液管6閥門9,待抽氣夾艙29與飽和液滲入夾艙25兩側的透明液位觀測管13內 液位穩定后，再打開飽和液進液管6閥門9抽入一定量的飽和液后,并關閉飽和液進液管6 閥門9,如此循環直至兩側的透明液位觀測管13內液位超過模型試驗箱內模型土 23預設飽 和高度且穩定后，同時關閉飽和液進液管6和空氣出氣管27上的閥門9,打開模型試驗箱進 氣管15閥門9,待模型試驗箱內外氣壓平衡后打開其上蓋板17,進行模型試驗。
[0041 ] 土體飽和時，飽和液組分a和飽和液組分b分別經飽和液組分a2進液管和飽和液 組分b3進液管進入飽和液混合桶1，進行充分攪拌，飽和液攪拌均勻后被液體泵7抽入飽 和液進液管6,可通過設置在飽和液進液管6上的液體壓力表11、液體流量表10監測飽和 液壓力及流量，并可通過閥門9來調節飽和液的流量和壓力。飽和液進入模型試驗箱后，經 飽和液堅向進液管24流入飽和液滲入夾艙25,該飽和液滲入夾艙25中靠近模型土 23 - 側設置的飽和液滲入夾艙開孔板37上設有大量飽和液滲入孔26,飽和液由此滲入模型土 23。飽和液滲入孔26上設有細不銹鋼鋼絲網36,以避免沖刷土體顆粒和防止土體顆粒進入 飽和液滲入夾艙25。在飽和液滲入夾艙25內，還設有飽和液滲入夾艙肋板39,用以防止飽 和液滲入夾艙25在土體側向壓力下變形，同時飽和液滲入夾艙肋板39上設有飽和液滲入 夾艙肋板連通孔41，用以使飽和液滲入夾艙25內液面等高，保證土體各部分在均勻的滲流 壓力下飽和。抽氣夾艙29內的空氣經由堅向抽氣管28進入空氣出氣管27,然后進入密封 氣液分離桶31，隨氣體被抽出的飽和液在重力作用下留在密封氣液分離桶31的底部，積累 過多時可由泄液管32排出，并回收再利用。分離飽和液后的氣體重新被真空泵35抽入空 氣出氣管27,排入大氣。設置在空氣出氣管27上的真空壓力表34、氣體流量表33可監測 氣體壓力及流量，同時通過設置在空氣出氣管27上的閥門9可以調節抽出氣體的流量和壓 力。
【權利要求】
1. 一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于，該裝置包括飽和液混合桶（1)、飽 和液進液管（6)、液體泵（7)、空氣出氣管（27)、密封氣液分離桶（31)、真空泵（35)及模型 試驗箱，所述的飽和液混合桶（1)通過飽和液進液管（6)依次連接液體泵（7)和模型試驗 箱的進液口，所述的模型試驗箱出氣口則通過空氣出氣管（27)依次連接密封氣液分離桶 (31)和真空泵（35)。
2. 根據權利要求1所述的一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于，所述飽和液 混合桶（1)的一側壁設有至少兩個開口，用于連接不同飽和液組分進液管，在飽和液混合 桶（1)的另一側壁下方設有一開口，用于連接飽和液進液管（6);所述的飽和液混合桶（1) 上方設有攪拌電動機（4)，該攪拌電動機（4)的動力轉動軸與設置在飽和液混合桶（1)中的 攪拌棒（5)相連接。
3. 根據權利要求1所述的一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于，所述的模型 試驗箱中放置有模型土（23)，該模型試驗箱包括上蓋板（17)、底板（19)、前面板（12)、后面 板（20)、左面板（21)及右面板（22)，所述的上蓋板（17)通過固定螺栓（18)與前面板（12)、 后面板（20)、左面板（21)及右面板（22)相連接，上蓋板（17)與前面板（12)、后面板（20)、 左面板（21)及右面板（22)的連接處設有密封橡膠圈（16)。
4. 根據權利要求1所述的一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于，所述的模型 試驗箱內左右兩端分別設有飽和液滲入夾艙（25)和抽氣夾艙（29)，所述飽和液滲入夾艙 (25)的上方通過飽和液堅向進液管（24)與所述飽和液進液管（6)相連通，飽和液滲入夾艙 (25)與模型土（23)之間設有飽和液滲入夾艙開孔板（37)，所述抽氣夾艙（29)的上方通過 堅向抽氣管（28)與所述空氣出氣管（27)相連通，抽氣夾艙（29)與模型土（23)之間設有 抽氣夾艙開孔板（38)。
5. 根據權利要求4所述的一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于，所述的飽和 液滲入夾艙（25)中垂直設有至少兩層飽和液滲入夾艙肋板（39)，該飽和液滲入夾艙肋板 (39)上等間距設有飽和液滲入夾艙肋板連通孔（41)，所述的飽和液滲入夾艙開孔板（37) 上等間距設有飽和液滲入孔（26)，該飽和液滲入孔（26)上設有鋼絲網（36)。
6. 根據權利要求4所述的一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于，所述的抽氣 夾艙中（29)垂直設有至少兩層抽氣夾艙肋板（40)，該抽氣夾艙肋板（40)上等間距設有抽 氣夾艙肋板連通孔（42)，所述的抽氣夾艙開孔板（38)上等間距設有空氣抽出孔（30)，該空 氣抽出孔（30)上設有鋼絲網（36)。
7. 根據權利要求3或4或5或6所述的一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于， 所述的前面板（12)與飽和液滲入夾艙（25)、抽氣夾艙（29)相接觸的位置處均設有透明液 位觀測管（13)及液位測量標尺（14)，所述前面板（12)的左、右兩端的上方還分別設有模型 試驗箱進氣管（15)。
8. 根據權利要求1所述的一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于，所述的飽和 液進液管（6)沿液體泵（7)至模型試驗箱一段依次設有閥門（9)、液體流量表（10)及液壓 表（11)。
9. 根據權利要求1所述的一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于，所述的空氣 出氣管（27)沿真空泵（35)至密封氣液分離桶（31) -段依次設有閥門（9)、真空壓力表 (34)及氣體流量表（33)。
10.根據權利要求1所述的一種土工模型試驗快速飽和裝置，其特征在于，所述的密封 氣液分離桶（31)的底部還設有泄液管（32)，該泄液管（32)上設有閥門（9)。
【文檔編號】G01N15/08GK104062218SQ201410290065
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】廖少明, 武軍 申請人:同濟大學