一种超重力温控变水头渗流试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超重力温控变水头渗流试验装置及方法。顶盖和底座通过支撑结构连接，亚克力保温罩和土样桶均安装在顶盖和底座之间，亚克力保温罩与土样桶之间的空间形成水浴室，土样桶外壁开设孔压采集孔，土样区置于土样桶底部，顶盖开设土样桶进水口、土样桶排气孔和水浴出水口，顶盖上设有温度传感器，底座开设流量计接口、水浴进水口和孔压传感器接口，流量计接口和孔压传感器接口分别安装流量计和孔压传感器；方法包括装置组装、二氧化碳气体饱和、水头饱和、变水头渗流实验，根据实验采集数值处理获得渗透系数。本发明专利技术装置主要应用于超重力环境中温度场、应力场、渗流场耦合作用下的渗流试验相关参数响应研究，装置操作简单，结果可靠。结果可靠。结果可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种超重力温控变水头渗流试验装置及方法


[0001]本专利技术涉及了岩土工程领域的一种变水头渗流试验装置及方法，具体是涉及了超重力环境中温度场、应力场、渗流场耦合作用下的一种超重力温控变水头渗流试验装置及方法。

技术介绍

[0002]超重力离心环境是指通过离心机高速旋转产生的离心加速度环境。离心机在以恒定角速度绕轴旋转过程中，所产生的离心加速度为rω2(r为模型中任意一点距转动中心的距离，ω为离心机转动角速度)。本专利技术中所述的“超重力”、“离心超重力”均为上述的超重力离心内容。
[0003]离心超重力模型试验在岩土工程领域具有广泛应用。大多离心机试验涉及水的渗流问题，因此，渗流相似为离心机试验中的基本课题。目前对于满足达西定律的饱和土渗流已有部分研究，但是对于渗透系数的相似律缺乏足够验证。综合国内外的研究发现，渗透系数与土体的特征粒径、密实程度、流体的粘滞度有着密切关系，这些参数在应力场、温度场和渗流场的耦合作用下会产生不同程度的变化，从而直接导致渗流试验中渗透系数的改变。
[0004]为了探究应力场、温度场和渗流场的耦合作用下渗流试验的相关参数的响应，需要对温度场、应力场和渗流场在试验过程中相关参数变化进行精准监测和控制。以往的超重力离心渗流比尺试验几乎不考虑温度的影响，没有在试验过程中将流体及土样温度控制在恒温状态，甚至在超重力离心试验过程中对于环境以及渗流温度都没有进行监测，然而实际试验过程中试验环境温度并非恒定的，进而导致试验相关参数结果存在较大误差，上述现状也说明现阶段尚缺乏在超重力离心环境可进行温控的渗流试验装置；根据GBT501231999土工试验方法标准，传统的变水头试验装置由于其结构设计原因无法施加应力状态，也无法在整个渗流过程中精确控制试验温度，无法满足超重力温控渗流试验要求；由于使用玻璃管温度计、测压管水头和秒表需人工读取温度、渗透和时间等参数值，在数据采集方面也存在较大误差。
[0005]综上所述，如今存在的装置均不足以探究应力场、温度场和渗流场的耦合作用效果，且试验过程中的数据采集依赖于人工读取，精度不高，不能满足超重力离心环境下的数据采集要求。
[0006]因此亟需设计一种集全自动补水、数据自动精准采集、温度精准控制为一体的渗流试验装置。

技术实现思路

[0007]根据三场耦合渗流试验研究目的和技术要求，本专利技术主要是提供一个集全自动补水、数据自动精准采集、温度精准控制为一体的渗流试验装置。
[0008]该装置主要解决的技术问题是：需要同时满足应力场、温度场、渗流场模型模拟状
态的施加条件；结构强度也需要符合离心机试验的要求；能够用不同参数通过不同的计算方法精确计算试样渗透系数数值，消除管道摩阻等偶然误差；能够在试验全程过程中同时对应力场、温度场、渗流场的所有参数响应完全精准的控制和监测，用以三场耦合试验研究。
[0009]本专利技术针对以上技术问题采用以下技术方案：
[0010]一、一种超重力温控变水头渗流试验装置：
[0011]包括顶盖、亚克力保温罩、底座、土样桶和支撑结构；顶盖位于底座的上方，顶盖和底座的外周端面之间通过支撑结构固定连接，亚克力保温罩和土样桶均安装在顶盖和底座中部端面之间，土样桶位于亚克力保温罩内，亚克力保温罩与土样桶之间的空间形成水浴室；
[0012]连接于土样桶底端面的底座上端面中心处开设有凹槽，凹槽和土样桶连通，土样桶外壁开设有多个孔压采集孔；
[0013]土样桶顶端上方的顶盖上开设有用于和土样桶连通的土样桶进水口和土样桶排气孔，土样桶进水口通过电磁球阀外接补水箱；水浴室顶端上方的顶盖上开设有用于和水浴室连通的水浴出水口，水浴出水口通过管道和离心机循环水浴系统与底座外周上的水浴进水口一端相连，水浴进水口的另一端与水浴室相连通；顶盖上还安装设有三个温度传感器，一个温度传感器位于水浴室中心环线，另外两个温度传感器位于土样桶中且分别设置在土样桶中心和边缘；
[0014]底座外周开设有流量计接口和孔压传感器接口；流量计接口处连接安装流量计，流量计接口和底座的凹槽连通，流量计和自由液面水槽通过电磁球阀连接，自由液面水槽上开设有溢水孔；多个孔压采集孔通过管道与各自对应的孔压传感器接口连接，孔压传感器接口处安装孔压传感器；
[0015]孔压传感器、流量计、温度传感器和电磁球阀、分别与离心控制室电输出端连接。
[0016]所述支撑结构主要由十二根螺纹柱组成，螺纹柱的底端通过螺纹直接固定连接在底座孔位上，螺纹柱的顶端穿过顶盖上的十二个螺纹柱透孔和螺母相连。
[0017]所述的亚克力保温罩顶端、底端分别与顶盖、底座密封相连，土样桶顶端、底端分别与顶盖、底座密封相连。
[0018]所述土样区置于土样桶底部内且顶端位于最上面的孔压采集孔的下切面位置，土样区用于放置土样区，土样桶渗透滤网位于土样区下方且安装在土样桶底端面。
[0019]二、适用于上述超重力温控变水头渗流试验装置的一种变水头渗流试验方法：
[0020]步骤一：
[0021]先将土样桶固定在底座上，再依据变水头渗流试验的参数设计确定土样质量，按照土样质量称量土样，然后将土样分层填入已经固定好的土样桶的土样区内，将土样桶上的多个孔压采集孔通过管道与底座上对应的孔压传感器接口进行连接，将亚克力保温罩和螺纹柱固定连接在底座上，再将顶盖安装上去，在顶盖上布设温度传感器，最后利用螺母将所有螺纹柱与顶盖固定，使得装置组装完成；
[0022]步骤二：
[0023]对土样桶进行二氧化碳气体饱和，排除土样桶内杂质气体；然后对土样桶内的土体分层进行水头饱和，使得土样完全饱和；
[0024]步骤三：
[0025]在土样完全饱和之后，在土样桶进水口处连接电磁球阀和补水箱；将孔压传感器安装在孔压传感器接口处，将流量计一端安装在流量计接口处，另一端通过电磁球阀和自由液面水槽相连，将整个装置固定离心机试验箱底部，将整个离心机试验箱固定于离心机吊篮底部，将孔压传感器、流量计、和温度传感器的数据传输线和电磁球阀开闭控制线连接在离心机控制室的离心机上；打开土样桶进水口处连接的电磁球阀为土样桶加水，待土样桶中水头达到设计的变水头试验预设的初始水头高度时，关闭土样桶进水口处连接的电磁球阀；
[0026]步骤四：
[0027]离心机达到设定离心超重力值后，接着打开水浴进水口和水浴出水口，通过离心机循环水浴系统从水浴进水口通入恒温水、从水浴出水口排出恒温水并循环，并通过三个温度传感器实时监测温度，直到三个温度传感器实时监测的温度均达到预定温度值；
[0028]离心机稳定工作后，打开连接于流量计接口处的电磁球阀开关，土样桶内水从流量计接口流出后变水头渗流实验开始；待水头高度不再发生变化，关闭流量计接口的电磁球阀开关，保存孔压传感器和流量计采集的数据；
[0029]步骤五：
[0030]打开土样桶进水口处连接的电磁球阀开关进行补水，待土样桶内水头高度达到设定的初始水头高度之后，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超重力温控变水头渗流试验装置，其特征在于：包括顶盖(2)、亚克力保温罩(4)、底座(7)、土样桶(9)和支撑结构；顶盖(2)位于底座(7)的上方，顶盖(2)和底座(7)的外周端面之间通过支撑结构固定连接，亚克力保温罩(4)和土样桶(9)均安装在顶盖(2)和底座(7)中部端面之间，土样桶(9)位于亚克力保温罩(4)内，亚克力保温罩(4)与土样桶(9)之间的空间形成水浴室(13)；连接于土样桶(9)底端面的底座(7)上端面中心处开设有凹槽，凹槽和土样桶(9)连通，土样桶(9)外壁开设有多个孔压采集孔；土样桶(9)顶端上方的顶盖(2)上开设有用于和土样桶(9)连通的土样桶进水口(15)和土样桶排气孔(16)，土样桶进水口(15)通过电磁球阀(25)外接补水箱(26)；水浴室(13)顶端上方的顶盖(2)上开设有用于和水浴室(13)连通的水浴出水口(14)，水浴出水口(14)通过管道和离心机循环水浴系统(24)与底座(7)外周上的水浴进水口(17)一端相连，水浴进水口(17)的另一端与水浴室(13)相连通；顶盖(2)上还安装设有三个温度传感器(12)，一个温度传感器(12)位于水浴室(13)中心环线，另外两个温度传感器(12)位于土样桶(9)中且分别设置在土样桶(9)中心和边缘；底座(7)外周开设有流量计接口(10)和孔压传感器接口(6)；流量计接口(10)处连接安装流量计(20)，流量计接口(10)和底座(7)的凹槽连通，流量计(20)和自由液面水槽(22)通过电磁球阀(21)连接，自由液面水槽上开设有溢水孔(23)；多个孔压采集孔通过管道与各自对应的孔压传感器接口(6)连接，孔压传感器接口(6)处安装孔压传感器(19)；孔压传感器(19)、流量计(20)、温度传感器(12)和电磁球阀(21、25)分别与离心控制室(18)电输出端连接。2.根据权利要求1所述的一种超重力温控变水头渗流试验装置，其特征在于：所述支撑结构主要由十二根螺纹柱(3)组成，螺纹柱(3)的底端通过螺纹直接固定连接在底座(7)孔位上，螺纹柱(3)的顶端穿过顶盖(2)上的十二个螺纹柱透孔和螺母相连。3.根据权利要求1所述的一种超重力温控变水头渗流试验装置，其特征在于：所述的亚克力保温罩(4)顶端、底端分别与顶盖(2)、底座(7)密封相连，土样桶(9)顶端、底端分别与顶盖(2)、底座(7)密封相连。4.根据权利要求1所述的一种超重力温控变水头渗流试验装置，其特征在于：所述土样区(11)置于土样桶(9)底部内且顶端位于最上面的孔压采集孔的下切面位置，土样区(11)用于放置土样区(11)，土样桶渗透滤网(8)位于土样区(11)下方且安装在土样桶(9)底端面。5.应用于权利要求1
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4任一所述超重力温控变水头渗流试验装置的一种变水头渗流试验方法，其特征在于：方法步骤如下：步骤一：先将土样桶(9)固定在底座(7)上，再依据变水头渗流试验的参数设计确定土样质量，按照土样质量称量土样，然后将土样分层填入已经固定好的土样桶(9)的土样区(11)内，将土样桶(9)上的多个孔压采集孔通过管道与底座(7)上对应的孔压传感器接口(6)进行连接，将亚克力保温罩(4)和螺纹柱(3)固定连接在底座(7)上，再将顶盖(7)安装上去，在顶盖(7)上布设温度传感器(12)，最后利用螺母将所有螺纹柱(3)与顶盖(7)固定，使得装置组装完成；
步骤二：对土样桶(9)进行二氧化碳气体饱和，排除土样桶(9)内杂质气体；然后对土样桶(9)内的土体分层进行水头饱和，使得土样完全饱和；步骤三：在土样完全饱和之后，在土样桶进水口(15)处连接电磁球阀(25)和补水箱(26)；将孔压传感器(19)安装在孔压传感器接口(6)处，将流量计(20)一端安装在流量计接口(10)处，另一端通过电磁球阀(21)和自由液面水槽(22)相连，将整个装置固定离心机试验箱底部，将整个离心机试验箱固定于离心机吊篮底部，将孔压传感器(19)、流量计(20)、和温度传感器(12)的数据传输线和电磁球阀(21、25)开闭控制线连接在离心机控制室(18)的离心机上；打开土样桶进水口(15)处连接的电磁球阀(25)为土样桶(9)加水，待土样桶(9)中水头达到设计的变水头试验预设的初始水头高度时，关闭土样桶进水口(15)处连接的电磁球阀(25)；步骤四：离心机达到设定离心超重力值后，接着打开水浴进水口(17)和水浴出水口(14)，通过离心机循环水浴系统(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋希豪，何健健，汪玉冰，洪帅，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：