CN109060628A - 一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，包括供水缸、水桶、电磁螺旋机、变水头管、渗透容器、控制盒、上位机。所述供水缸通过抽水管连接真空泵，供水缸内设有螺旋转子，所述螺旋转子在电磁螺旋机产生的磁场作用下旋转；所述变水头管连接四通接头的第一接口，四通接头的第二接口连接渗透容器，四通接头的第三接口通过液位计连接控制盒，控制盒连接上位机，四通接头的第四接口连接管路一，水桶连接管路二，所述管路一、管路二汇总连接后接至供水缸。本发明一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，不仅在极大程度上排除蒸馏水中的气泡；还能免去人工读数的误差和安全隐患，同时可提高实验精度和工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置。
背景技术
土工实验室常用的变水头渗透仪在正式实验前需要准备一些较复杂的工作，实验所用蒸馏水需预先煮沸或抽气来排除气泡，但在实验中发现水中气泡难以排除干净，气泡对实验结果造成不小影响，为了提高蒸馏水质量，可能需要二次或多次煮沸或抽气。如若实验完成用水还有多余，待下次再利用时又得重新拿去煮沸或抽气，这是其一。其二，在实验过程中需要人站在高处在特定时间内精确读取水头管上的刻度值，这种人为操作且不说人自身反应时间的误差，还有读数误差及安全隐患的存在，并且读取得到的数据点较少，精度低。其三，一般来讲，一个试样需要进行5～6次的渗透实验后才能得出可靠的渗透系数。这期间操作复杂，变数太多，花费时间长，误差不断累积，较大程度上影响实验结果，甚至直接导致实验的失败。因此，筮需找到一种解决上述弊端的装置来提升实验质量和效益。
发明内容
基于以上几种弊端，本发明提供一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，能轻松克服上述诸多缺点。该装置利用传感器及电磁设备，结合单片机数据处理和上位机的编程控制，基本实现装置的自动化操作。不仅在极大程度上排除蒸馏水中的气泡；还能免去人工读数的误差和安全隐患，同时可提高实验精度和工作效率。
本发明采取的技术方案为：
一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，包括供水缸、水桶、电磁螺旋机、变水头管、渗透容器、控制盒、上位机。
所述供水缸通过抽水管连接真空泵，供水缸内设有螺旋转子，所述螺旋转子在电磁螺旋机产生的磁场作用下旋转；
所述变水头管连接四通接头的第一接口，四通接头的第二接口连接渗透容器，四通接头的第三接口通过液位计连接控制盒，控制盒连接上位机，四通接头的第四接口连接管路一，水桶连接管路二，所述管路一、管路二汇总连接后接至供水缸。
所述供水缸安置在墙体高处的托架上，供水缸安置高度高于变水头管顶端，所述托架上部支撑供水缸，托架下部悬挂有木板，所述木板上放置一台电磁螺旋机。
所述抽水管上设有三通接头，三通接头第一接口通过水管连接供水缸，三通接头第二接口连接放气阀门，三通接头第三接口通过抽气阀门连接真空泵。
所述电磁螺旋机通过控制线连接控制开关，所述控制开关上设有启动按钮、调档按钮。所述渗透容器设有排气水管、出水口，排气水管上设有止水夹。
所述控制盒内设有单片机，控制盒通过USB数据线连接上位机。
所述管路一上设有第一阀门、电磁阀，所述电磁阀连接控制盒，所述管路二上设有抽水阀门。
所述四通接头的第二接口设有第二阀门。
本发明一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，技术效果如下：
1、与市场上或实验室中常用的变水头渗透仪不同，普通的变水头渗透仪所用的蒸馏水一般含有气泡，难以除杂，对实验有不小影响，且多余蒸馏水难以再次利用。本发明的螺旋转子转动产生旋涡极力排出水中气泡，在利用真空泵将气泡空气等一并抽走，很大程度上提高实验精度。
2、普通变水头渗透仪在读数时，人工读数会有反应时间和读数差错等误差存在，读数慢且获取的数据点又少，同时人员站在高处不安全，液位计对变水头管中水头高度自动测量在提高读数精度的同时还排出安全隐患，机器自动记录整个时间段内水头高度变化，数据点多而精确。
3、一般情况，普通变水头渗透仪在每次实验过程中都是人工记录在特定时间内水头变化值，从而结合公式借助计算器算出试样的渗透系数，这样计算得出的渗透系数多少存在误差。而发明却在上位机上对单片机直接编好程序直接运行，试样的渗透系数及其与时间或水头高度的变化曲线早已在实验过程中展现出来，快而精准。
4、本发明所用的电磁螺旋机、液位计、电磁阀等仪器并不稀有，在市场上或网上均容易购买，成本不高，安装方便，功效提升明显。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明实验装置的总体结构示意图。
图2为本发明实验装置的局部结构示意图一(供水缸局部)。
图3为本发明实验装置的局部结构示意图二(包含抽水、抽放气、控制开关)。
图4为本发明实验装置的局部结构示意图三(包括四通阀门、渗透容器)。
图中：供水容器1，抽水管2，控制线3，三通接头4，抽气阀门5，控制开关6，启动按钮7，调档按钮8，真空泵9，盛水容器10；
放气阀门11，抽水阀门12，电磁螺旋机13，托板14，托架15，细绳或者铁丝16，变水头管17，四通接头18，金属防护罩19，电磁阀20；
渗透容器21，排气水管22，出水口23，止水夹24，液位计25，单片机26，控制盒27，USB数据线28，上位机29，第一阀门30，第二阀门31。
具体实施方式
如图1-图4所示，一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，包括供水容器1、盛水容器10、电磁螺旋机13、变水头管17、渗透容器21、控制盒27、上位机29。
所述供水容器1通过抽水管2连接真空泵9，供水容器1内设有螺旋转子，所述螺旋转子在电磁螺旋机13产生的磁场作用下旋转。所述供水容器1为真空饱和缸，有机玻璃材质，缸上部有洞口，以连接抽水管2上端口，真空泵9通过抽水管2将缸内空气抽走。
所述抽水管2上设有三通接头4，三通接头4第一接口通过水管连接供水容器1，三通接头4第二接口连接放气阀门11，三通接头4第三接口通过抽气阀门5连接真空泵9。所述抽气阀门5与真空泵9一管连通，关闭空气阀门，打开抽气阀门5，启动真空泵9可将供水容器1内空气抽走，供水容器1内气压降低，有利于抽水。
所述放气阀门11端口处有金属防护罩19，在放气时，空气涌入供水容器1中和负压，可有效避免空气中的灰尘随空气一起进入到供水容器1内，造成水体污染。
所述变水头管17连接四通接头18的第一接口，四通接头18的第二接口连接渗透容器21，可为试样供水，四通接头18的第三接口通过液位计25连接控制盒27，控制盒27连接上位机29，四通接头18的第四接口连接管路一，盛水容器10连接管路二，所述管路一、管路二汇总连接后接至供水容器1。所述管路一上设有第一阀门30、电磁阀20，所述电磁阀20连接控制盒27，所述管路二上设有抽水阀门12。所述供水容器1底部有洞口，以连接抽水管2，抽水阀门12可控制底下盛水容器10内水源流入供水容器1内。所述抽水阀门12在打开场合，关闭电磁阀20，在真空泵9正常抽气情况下，利用供水容器1内负压将盛水容器10内水源抽取至供水容器1中。盛水容器10采用木桶。
所述供水容器1安置在墙体高处的托架15上，供水容器1安置高度高于变水头管17顶端，所述托架15上部支撑供水容器1，托架15下部悬挂有托板14，托板14采用木板。所述托板14上放置一台电磁螺旋机13，该机器在通电情况下能才生高强度的磁场，且磁场方向不断改变，与所述螺旋转子配套使用。所述供水容器1内部底面放置有一块螺旋转子，该转子大体为金属，尺寸较小，偏细长型，在电磁螺旋机13产生高强的磁场作用下，高速旋转，供水容器1内的水在此转子旋转下，产生旋涡，利于水体内潜藏的气泡排出。所述电磁螺旋机13通过控制线3连接控制开关6，所述控制开关6上设有启动按钮7、调档按钮8。所述渗透容器21设有排气水管22、出水口23，排气水管22上设有止水夹24。所述控制盒27内设有单片机26，控制盒27通过USB数据线28连接上位机29。所述单片机26为51单片机，内含四个8位并行I/O接口，4KB ROM和128BRAM。上位机29利用Labview进行编程，通过发送指令控制和管理单片机26，单片机26再管理下属的电磁阀20、液位计25的控制状态。
所述上位机29利用Labview进行编程，通过发送指令控制和管理单片机26，单片机26再管理下属的电磁阀20与液位计25的控制状态。
所述四通接头18的第二接口设有第二阀门31。
所述电磁螺旋机13的控制开关6与抽气、放气及抽水三个阀门安置在墙体下方位置，方便控制调节。
所述液位计25为静压液位计，是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，可较高精度测出变水头管17内水柱的总高度。
所述供水容器1为变水头管17补水时，液位计25与电磁阀20联合控制，在上位机29上输入水头高度值，供水容器1为变水头管17补水，电磁阀20实时控制水流量大小，液位计25监测变水头管17水头高度变化，当水头高度接近预设高度时，电磁阀20控制水流量减小，直至水头刚好达到预设高度时，电磁阀20彻底关闭，停止补水。
所述变水头管17竖直安置在墙面上，其上面有刻度线，方便水头读数与检验。
一种可快速测量试样渗透系数的方法，首先，给盛水容器10装满蒸馏水，预先将需要进行渗透实验的饱和试样小心装入至渗透容器21内，启动真空泵(9，打开抽气阀门5，其余阀门关闭，这样，真空泵9将供水容器1内空气逐渐抽出，在抽气几分钟后，只打开抽水阀门12，盛水容器10内的蒸馏水通过水管进入到供水容器1内，实行水气同抽；另外，在抽水的同时，接通供水容器1下方的电磁螺旋机13的电源线，按下电磁螺旋机13的控制开关6上面的启动按钮7，供水容器1内部底端的螺旋转子高速旋转产生旋涡，同时旋转控制开关6上的调档旋钮8，加速螺旋转子的转速，进一步排出水中气泡；待供水容器1内蓄水达到一定高度时，停止抽水，关闭抽水阀门12，待供水缸内蒸馏水气泡基本排除干净后，按下启动按钮7，停止电磁螺旋机13工作。待水体稳定后，先关闭抽气阀门5，然后关闭真空泵9的开关，停止真空泵9的工作。紧接着打开放气阀门11，空气进入供水容器1内中和其负压，这一过程气泡排出完成，进行下一步。
然后，打开四通阀门18上的第一阀门30，关闭电磁阀20，启动液位计25，在上位机29的人机交互界面上进行“水头高度”预设，点击“补充水头”按键后，电磁阀20自动打开，供水容器1内水源逐渐流入至变水头管17中，同时液位计25实时监测水头高度，待水头接近预设水头高度后，电磁阀20控制供水流量减小，水头增速变慢，待液位计25探测到水头刚好达到预设水头高度时，彻底关闭电磁阀20，阻断供水，紧接着是试样供水的气泡检查；打开第二阀门31，变水头管17中的水流入到渗透容器21中，再穿过容器底部从排气水管22溢出，在溢出水的同时，一般会伴有气泡，待溢出水中基本无气泡后，用止水夹24紧紧夹住排气水管22，确保不会有水溢出，然后关闭第二阀门31，放平渗透容器21，这一过程中消耗部分水头，排出气泡的干扰。
紧接着再次给变水头管17补水，重复上次步骤，在上位机29的人机交互界面上点击“水头高度”按键，电磁阀20控制供水流量，液位计25监测水头高度，待补水完成后，正式开始渗透实验，打开第二阀门31，水头逐渐降低，水慢慢流入渗透容器21中的试样，观测渗透容器21上部的出水口23，当出水口23有水溢出时开始点击运行上位机29屏幕上液位计25的按钮，实时监测变水头管17中水头高度随时间的变化，采集数据。
上位机29编程实现对数据的采集和计算，变水头渗透系数理论公式如下，其中，a、L事先可测出，t1、t2及H1、H2由实验测出，由此计算出第一次试样的渗透系数。
式中：a—变水头管的断面积(cm2)；
2.3—ln和log的变换因数；
L—渗径，即试样高度(cm)；
t1、t2—分别为测读水头的起始和终止时间(s)；
H1、H2—起始和终止水头。
重复上述操作步骤5～6次，可得出多个渗透系数，取其平均值，即为本试样的最终渗透系数。
Claims (10)
1.一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，包括供水容器(1)、盛水容器(10)、电磁螺旋机(13)、变水头管(17)、渗透容器(21)、控制盒(27)、上位机(29)；其特征在于：所述供水容器(1)通过抽水管(2)连接真空泵(9)，供水容器(1)内设有螺旋转子，所述螺旋转子在电磁螺旋机(13)产生的磁场作用下旋转；
所述变水头管(17)连接四通接头(18)的第一接口，四通接头(18)的第二接口连接渗透容器(21)，四通接头(18)的第三接口通过液位计(25)连接控制盒(27)，控制盒(27)连接上位机(29)，四通接头(18)的第四接口连接管路一，盛水容器(10)连接管路二，所述管路一、管路二汇总连接后接至供水容器(1)。
2.根据权利要求1所述一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，其特征在于：所述供水容器(1)安置托架(15)上，供水容器(1)安置高度高于变水头管(17)顶端，所述托架(15)上部支撑供水容器(1)，托架(15)下部悬挂有托板(14)，所述托板(14)上放置一台电磁螺旋机(13)。
3.根据权利要求1所述一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，其特征在于：所述抽水管(2)上设有三通接头(4)，三通接头(4)第一接口通过水管连接供水容器(1)，三通接头(4)第二接口连接放气阀门(11)，三通接头(4)第三接口通过抽气阀门(5)连接真空泵(9)。
4.根据权利要求1所述一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，其特征在于：所述电磁螺旋机(13)通过控制线(3)连接控制开关(6)，所述控制开关(6)上设有启动按钮(7)、调档按钮(8)。
5.根据权利要求1所述一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，其特征在于：所述渗透容器(21)设有排气水管(22)、出水口(23)，排气水管(22)上设有止水夹(24)。
6.根据权利要求1所述一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，其特征在于：所述控制盒(27)内设有单片机(26)，控制盒(27)连接上位机(29)。
7.根据权利要求1所述一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，其特征在于：所述管路一上设有第一阀门(30)、电磁阀(20)，所述电磁阀(20)连接控制盒(27)，所述管路二上设有抽水阀门(12)。
8.根据权利要求1所述一种可精确快速测出土工试样渗透系数的变水头渗透实验装置，其特征在于：所述四通接头(18)的第二接口设有第二阀门(31)。
9.一种可快速测量试样渗透系数的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：首先，给盛水容器(10)装满蒸馏水，预先将需要进行渗透实验的饱和试样装入至渗透容器(21)内，启动真空泵(9)，打开抽气阀门(5)，其余阀门关闭，真空泵(9)将供水容器(1)内空气逐渐抽出，在抽气几分钟后，只打开抽水阀门(12)，盛水容器(10)内的蒸馏水通过水管进入到供水容器(1)内，实行水气同抽；另外，在抽水的同时，接通电磁螺旋机(13)启动电磁螺旋机(13)，供水容器(1)内部底端的螺旋转子高速旋转产生旋涡，同时旋转调档旋钮(8)，加速螺旋转子的转速，进一步排出水中气泡；
步骤2：待供水容器(1)内蓄水达到一定高度时，停止抽水，关闭抽水阀门(12)，待供水缸内蒸馏水气泡基本排除干净后，关闭电磁螺旋机(13)，待水体稳定后，先关闭抽气阀门(5)，然后关闭真空泵(9)的开关，停止真空泵(9)的工作，紧接着打开放气阀门(11)，空气进入供水容器(1)内中和其负压，这一过程气泡排出完成，进行下一步；
步骤3：打开四通阀门(18)上的第一阀门(30)，关闭电磁阀(20)，启动液位计(25)，在上位机(29)的进行水头高度预设、开启补充水头，电磁阀(20)自动打开，供水容器(1)内水源流入至变水头管(17)中，同时液位计(25)实时监测水头高度；
步骤4：待水头接近预设水头高度后，电磁阀(20)控制供水流量减小，水头增速变慢，待液位计(25)探测到水头刚好达到预设水头高度时，彻底关闭电磁阀(20)，阻断供水；
步骤5：紧接着是试样供水的气泡检查；打开第二阀门(31)，变水头管(17)中的水流入到渗透容器(21)中，再穿过容器底部从排气水管(22)溢出，在溢出水的同时会伴有气泡，待溢出水中基本无气泡后，用止水夹(24)紧紧夹住排气水管(22)，确保不会有水溢出，然后关闭第二阀门(31)，放平渗透容器(21)，这一过程中消耗部分水头，排出气泡的干扰；
步骤6：紧接着再次给变水头管(17)补水，重复上次步骤，通过上位机(29)控制水头高度，电磁阀(20)控制供水流量，液位计(25)监测水头高度，待补水完成后，正式开始渗透实验；
步骤7：打开第二阀门(31)，水头逐渐降低，水慢慢流入渗透容器(21)中的试样，观测渗透容器(21)上部的出水口(23)，当出水口(23)有水溢出时开始运行上位机(29)液位监测，实时监测变水头管(17)中水头高度随时间的变化，采集数据。
10.根据权利要求9所述一种可快速测量试样渗透系数的方法，其特征在于：
上位机(29)编程实现对数据的采集和计算，变水头渗透系数理论公式如下，其中，a、L事先可测出，t1、t2及H1、H2由实验测出，由此计算出第一次试样的渗透系数；
式中：a—变水头管的断面积：cm2；
2.3—ln和log的变换因数；
L—渗径，即试样高度：cm；
t1、t2—分别为测读水头的起始和终止时间：s；
H1、H2—起始和终止水头；
重复上述操作步骤多次，可得出多个渗透系数，取其平均值，即为本试样的最终渗透系数。
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