CN102706711B - 土工离心模型饱和装置 - Google Patents

土工离心模型饱和装置 Download PDF

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Abstract

一种土工离心模型饱和装置，其包括：一个饱和箱，至少一个真空泵，至少一个置于所述饱和箱内的模型箱，所述饱和箱包括一个箱体以及一个密封盖，所述模型箱底部设置有用于输送液体的渗水管，所述渗水管管壁设有多个孔洞，所述渗水管的一端连接有一根竖直放置的输水管，所述模型箱内进一步设置有一个覆盖在所述渗水管上的所述测试模型；所述溶液柜包括柜体和上盖，所述上盖设置有搅拌电机以及与所述搅拌电机相连的搅拌器。本发明所提供的土工离心模型饱和装置，通过由内至外的饱和过程提高所述测试模型饱和度，能够在长时间饱和过程中保持溶液的混合均匀度，提升溶液的质量。

Description

土工离心模型饱和装置
技术领域
本发明涉及一种用于对土工离心试验用的模型进行饱和的装置。 
背景技术
在许多工程科学中，常常需要用小比尺的物理模型去揭示和分析现象的本质和机理，以验证和解决工程实际问题。例如，在岩土工程中，土的自重应力通常占支配地位，土的力学特性和水力特性随应力水平而变化。利用小比尺离心模型的试验，可以采用与原型相同的材料，在离心试验机形成的高加速度场中达到与原型相同的应力水平，从而使模型与原型的应力应变相等，变形相似，破坏机理相同，能够再现原型特性，为理论和数值等分析方法提供真实可靠的参数依据。 
在利用土工离心机研究关于沙土液化或者水利大坝侵润线之下的坝体等在地震情况下的岩土变化情况时，需要利用粘滞性液体的较高的动力粘滞性系数来模拟原型中水的受力传导情况，因此就需要对用于土工离心试验的测试模型使用粘滞性液体进行饱和。 
但是目前关于用于土工离心试验的测试模型的相关处理的装置的设计并不多，特别是当需要对用于土工离心试验的测试模型进行饱和时，现有的方法主要是靠喷淋的方式在土工离心模型上喷淋液体，靠液体渗透来使得土工离心模型达到饱和，但是这种由外而内的饱和方法对于土工离心模型的饱和度不能很好的控制，往往在花费大量时间后，土工离心模型内部仍然达不到所要求的饱和度。 
中国专利CN202033229U提出了一种土工离心模型试验真空饱和装置，但其依然采用的是从模型外部向内的渗透饱和方法，而且，由于土工离心模型的饱和过程往往长达数小时甚至数天，对于在使用粘性液体对模型进行饱和时，如何控制粘性液体在饱和过程中保持稳定的混合均匀度，该专利也没 有给出解决方案。 
发明内容
本发明提供了一种土工离心模型饱和装置，该设备可减少或避免前面所提到的问题。 
为解决上述问题，本发明提出了一种土工离心模型饱和装置，其包括： 
一个饱和箱，用于在土工离心模型饱和过程中密封测试模型，从而在所述测试模型周围形成真空， 
至少一个溶液柜，用于存储用来使土工离心模型饱和的溶液， 
至少一个真空泵，用于对所述饱和箱以及所述溶液柜形成真空， 
至少一个置于所述饱和箱内的模型箱，用于承载所述测试模型，并向所述测试模型输送所述溶液， 
所述饱和箱包括一个箱体以及一个密封盖，所述箱体设置有抽气管以及至少一个供液管，所述抽气管与所述真空泵相连， 
所述模型箱设置在所述饱和箱内，所述密封盖设置有透明的观察窗口；所述模型箱底部设置有用于输送液体的渗水管，所述渗水管的管壁上设有多个孔洞，所述渗水管的一端连接有一根竖直放置的输水管，所述模型箱内进一步设置有一个覆盖在所述渗水管上的所述测试模型，所述输水管高度大于所述测试模型高度； 
所述溶液柜包括柜体和上盖，所述柜体底部设置有排水管，所述柜体上部设置有排气管，所述排气管与所述真空泵连接，所述排水管通过所述饱和箱的所述供液管与所述模型箱的所述输水管连接； 
所述溶液柜的所述上盖设置有搅拌电机以及与所述搅拌电机相连的搅拌器，所述搅拌器的长度小于所述柜体的高度。 
优选地，所述土工离心模型饱和装置进一步包括一个控制柜，所述控制柜分别与所述真空泵以及所述搅拌电机连接。 
优选地，所述溶液柜的所述柜体外侧设置有一个溶液高度观测装置。 
优选地，所述土工离心模型饱和装置进一步包括一个溶液补给罐，所述溶液补给罐包括一个溶液出口，所述溶液柜进一步包括一个补液口，所述溶液出口与所述补液口连接。 
优选地，所述溶液柜的补液口、排水管、排气管以及所述饱和箱的所述供液管均设置有电磁阀，所述电磁阀均与所述控制柜连接。 
优选地，所述搅拌器为旋桨式搅拌器，包括至少一组3片推进式螺旋桨叶，所述搅拌器的转轴与所述上盖不垂直。 
优选地，所述搅拌器为涡轮式搅拌器。 
本发明所提供的土工离心模型饱和装置，通过将用来使土工离心模型饱和的溶液与测试模型均置于一定的真空度环境，利用溶液自身的重力或者真空压差，通过所述测试模型下的渗水管完成饱和过程，这样可以通过由内至外的饱和过程提高所述测试模型饱和度。在饱和过程中，通过搅拌器对溶液进行搅拌，这样能够在长时间饱和过程中保持溶液的混合均匀度，同时能够有组于溶液中的空气排出，提升溶液的品质。 
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中， 
图1为根据本发明的一个具体实施例的土工离心模型饱和装置的结构示意图； 
图2为图1所示的土工离心模型饱和装置的溶液柜的结构示意图； 
图3为图1所示的土工离心模型饱和装置的饱和箱的结构示意图； 
图4为图1所示的土工离心模型饱和装置的模型箱的结构示意图。 
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。 
下面参照附图详细说明根据本发明的一种土工离心模型饱和装置的结构及其原理。 
图1为根据本发明的一个具体实施例的土工离心模型饱和装置的结构示意图；图2为图1所示的土工离心模型饱和装置的溶液柜的结构示意图；图3为图1所示的土工离心模型饱和装置的饱和箱的结构示意图；图4为图1所示的土工离心模型饱和装置的模型箱的结构示意图。参加图1-4所示，本发明所提供的土工离心模型饱和装置，其包括： 
一个饱和箱1，其用于土工离心模型饱和过程中密封测试模型5，从而在所述测试模型5周围形成真空， 
至少一个溶液柜2，用于存储用来使土工离心模型饱和的溶液， 
至少一个真空泵3，用于对所述饱和箱1以及所述溶液柜2形成真空， 
至少一个置于所述饱和箱1内的模型箱4，用于承载所述测试模型5，并向所述测试模型5输送所述溶液， 
所述饱和箱1包括一个箱体11以及一个密封盖12，所述箱体11设置有抽气管111以及至少一个供液管112，所述抽气管111与所述真空泵3相连， 
所述模型箱4设置在所述饱和箱1内，所述密封盖12设置有透明的观察窗口121，所述模型箱4底部设置有用于输送液体渗水管41，所述渗水管41的管壁上设有多个孔洞，所述渗水管41的一端连接有一根竖直放置的输水管42，所述模型箱4内进一步设置有一个覆盖在所述渗水管41上的所述测试模型5，所述输水管42高度大于所述测试模型5高度。 
所述溶液柜2包括柜体21和上盖22，所述柜体21底部设置有排水管211，所述柜体21上部设置有排气管212，所述排气管212与所述真空泵3连接，所述排水管211通过所述饱和箱1的所述供液管122与所述模型箱4的所述输水管42连接。 
所述溶液柜2的所述上盖22设置有搅拌电机221以及与所述搅拌电机221相连的搅拌器222，所述搅拌器222的长度小于所述柜体21的高度。 
当需要对所述测试模型5进行饱和时，可以先根据所述测试模型5形状、大小将所述渗水管41在所述模型箱4底部摆放为曲线形状，比如螺旋形、水 平蛇形，或者摆放为有高低起伏的蛇形，这样能够增加所述渗水管41与所述测试模型5的接触面积，保障溶液供给量；然后可以在所述渗水管41上面覆盖设置所述测试模型5，与所述渗水管41的一端连接的竖直放置的输水管42高于所述测试模型5的高度，这样不在接入水源时，不会影响已经放置好的所述测试模型5，所述输水管42低于所述模型箱4的高度，这样不会影响对所述模型箱4的密封。 
所述渗水管41可以是圆管，所述渗水管41管壁上的所述孔洞设置可以是轴向间隔1cm，径向间隔120度均匀分布，也可以是轴向间隔1.5cm，径向间隔60度均匀分布，所述孔洞直径为0.2-3mm。这样能够保障所述渗水管41在所述测试模型5内部均匀的渗出溶液，从而保障所述测试模型5的有效饱和度。 
在所述模型箱4内设置好所述测试模型5后，可以将所述模型箱4放置如所述箱体11内，使用软管连接所述输水管42与所述供液管112。然后使用所述密封盖12盖上所述箱体11，将所述抽气管111与所述真空泵3相连。所述密封盖12可以使用有机玻璃设置透明的观察窗口121，这样能够随时观测到所述测试模型5的饱和程度。 
将所述溶液柜2放置在高于所述饱和箱1的位置，使用管道将所述供液管112与所述排水管211连接，同时，将所述排气管212与所述真空泵3连接。 
当需要使用粘性溶液对土工离心模型进行饱和时，粘性溶液可以使用甲基纤维素来调配，根据试验的需要调配具有一定粘稠度的甲基纤维素溶液，当溶液调配好之后，装入所述溶液柜2的所述柜体21，盖上所述上盖22将所述溶液柜2密封好，所述上盖22设置有搅拌电机221以及与所述搅拌电机221相连的搅拌器222，所述搅拌器222的长度小于所述柜体21的高度，这样在盖上所述上盖22后，所述搅拌器222就能够浸入溶液中。 
在连接好所述饱和箱1、所述溶液柜2以及所述真空泵3之后，开启所述真空泵3，即可在所述饱和箱1以及所述溶液柜2内形成真空，由于所述溶液柜2的位置高于所述饱和箱1的位置，当所述饱和箱1和所述溶液柜2 内的真空度相同时，溶液就可以在自身重力作用下通过管道流入所述输水管42，并通过所述渗水管41上的孔洞从所述测试模型5的内部克服所述测试模型5的渗透力向所述测试模型5外部渗透饱和。 
当然，也可以调节所述饱和箱1和所述溶液柜2内的真空度，使得所述溶液柜2与所述饱和箱1形成压差，来调整溶液对所述测试模型5的饱和速率。 
在饱和过程中，通过所述搅拌电机221使所述搅拌器222在溶液中进行搅拌，这样就能够在长时间饱和过程中保持溶液的混合均匀度，同时能够有组于溶液中的空气排出，提升溶液的质量。 
所述测试模型5饱和完成后，就可以恢复所述饱和箱1和所述溶液柜2的大气压力，打开所述密封盖12，将所述模型箱4从所述饱和箱1取出后放入土工离心机进行进一步试验。 
在一个优选实施例中，所述土工离心模型饱和装置进一步包括一个控制柜6，所述控制柜6分别与所述真空泵3以及所述搅拌电机221连接。这样可以通过所述控制柜集中控制所述真空泵3以及所述搅拌电机221。 
在一个优选实施例中，所述溶液柜2的所述柜体21外侧设置有一个溶液高度观测装置213。所述溶液高度观测装置213可以是一个两端分别与所述柜体21上下两端相连通的封闭中空有机玻璃管，这样就能够随时从所述溶液高度观测装置213观测到所述溶液柜2内的溶液的容量情况。 
在一个优选实施例中，所述土工离心模型饱和装置进一步包括一个溶液补给罐7，所述溶液补给罐7包括一个溶液出口，所述溶液柜2进一步包括一个补液口23，所述溶液出口与所述补液口23连接。当所述测试模型5所需要的溶液比较多时，可以在所述溶液补给罐7内放置溶液，在饱和过程中，随时方便的为所述溶液柜2补充溶液。 
在一个优选实施例中，所述溶液柜2的补液口23、排水管211、排气管212以及所述饱和箱1的所述供液管112均设置有电磁阀8，所述电磁阀8均与所述控制柜6连接。这样就可以随时通过所述控制柜6集中调整所述饱和箱1以及所述溶液柜2的真空度、所述溶液柜2的溶液补充程度以及所述溶液进入所述饱和箱1的流速。 
在一个优选实施例中，所述搅拌器222为旋桨式搅拌器，包括至少一组3片推进式螺旋桨叶，所述搅拌器222的转轴与所述上盖22不垂直。这样所述搅拌器222的转轴就是斜向***溶液，在对溶液进行搅拌时，就能够使液流的循环回路不对称，可增加湍动，使溶液混合更充分。 
在一个优选实施例中，所述搅拌器222为涡轮式搅拌器。这样能够在旋转时造成高度湍动的径向流动，使溶液混合更充分。 
本发明所提供的土工离心模型饱和装置，通过将溶液与测试模型均置于一定的真空度环境，利用溶液自身的重力或者真空压差，通过所述测试模型下的渗水管完成饱和过程，这样可以通过由内至外的饱和过程提高所述测试模型饱和度。在饱和过程中，通过搅拌器对溶液进行搅拌，这样能够在长时间饱和过程中保持溶液的混合均匀度，同时能够有组于溶液中的空气排出，提升溶液的质量。 
本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。 
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。 

Claims (7)

1.一种土工离心模型饱和装置，其包括，
一个饱和箱，用于在土工离心模型饱和过程中密封测试模型，从而在所述测试模型周围形成真空；
至少一个溶液柜，用于存储用来使土工离心模型饱和的溶液；
至少一个真空泵，用于对所述饱和箱以及所述溶液柜形成真空；
至少一个置于所述饱和箱内的模型箱，用于承载所述测试模型，并向所述测试模型输送所述溶液；当所述测试模型饱和完成后，所述模型箱放入土工离心机进行进一步试验；
所述饱和箱包括一个箱体以及一个密封盖，所述箱体设置有抽气管以及至少一个供液管，所述抽气管与所述真空泵相连；
其特征在于，
所述模型箱设置在所述饱和箱内，所述密封盖设置有透明的观察窗口；所述模型箱底部设置有用于输送液体的渗水管，所述渗水管的管壁上设有多个孔洞，所述渗水管的一端连接有一根竖直放置的输水管，所述模型箱内进一步设置有一个覆盖在所述渗水管上的所述测试模型，所述输水管高度大于所述测试模型高度；
所述溶液柜包括柜体和上盖，所述柜体底部设置有排水管，所述柜体上部设置有排气管，所述排气管与所述真空泵连接，所述排水管通过所述饱和箱的所述供液管与所述模型箱的所述输水管连接；
所述溶液柜的所述上盖设置有搅拌电机以及与所述搅拌电机相连的搅拌器，所述搅拌器的长度小于所述柜体的高度。
2.根据权利要求1所述的土工离心模型饱和装置，其特征在于，所述土工离心模型饱和装置进一步包括一个控制柜，所述控制柜分别与所述真空泵以及所述搅拌电机连接。
3.根据权利要求1所述的土工离心模型饱和装置，其特征在于，所述溶液柜的所述柜体外侧设置有一个溶液高度观测装置。
4.根据权利要求2所述的土工离心模型饱和装置，其特征在于，所述土工离心模型饱和装置进一步包括一个溶液补给罐，所述溶液补给罐包括一个 溶液出口，所述溶液柜进一步包括一个补液口，所述溶液出口与所述补液口连接。
5.根据权利要求4所述的土工离心模型饱和装置，其特征在于，所述溶液柜的补液口、排水管、排气管以及所述饱和箱的所述供液管均设置有电磁阀，所述电磁阀均与所述控制柜连接。
6.根据权利要求1所述的土工离心模型饱和装置，其特征在于，所述搅拌器为旋桨式搅拌器，包括至少一组3片推进式螺旋桨叶，所述搅拌器的转轴与所述上盖不垂直。
7.根据权利要求1所述的土工离心模型饱和装置，其特征在于，所述搅拌器为涡轮式搅拌器。 
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