用于土體的固液分離裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型基于離心原理提供一種用于土體的固液分離裝置，通過該裝置在離心作用下土體向離心作用方向運(yùn)動的原理，在該裝置中設(shè)置分區(qū)并用透水石阻斷土顆粒的離心運(yùn)動方向，進(jìn)而分離出土體中的水分。用于土體的固液分離裝置由螺紋擰接的土樣放置部分與存水部分構(gòu)成。將帶土樣的用于土體的固液分離裝置與離心機(jī)相連接并啟動離心機(jī)，在離心作用下，土體中僅水分過透水石進(jìn)入存水區(qū)，通過對存水區(qū)水量的計(jì)量，可得土體在離心作用下的排水量。該裝置可分離土中的液態(tài)水，同時可用于土體的排水固結(jié)的測試。有益效果是該裝置具備測試直觀、計(jì)量方法明確、構(gòu)造合理、操作簡便、價格低廉特點(diǎn)，為土體的排水固結(jié)過程研究提供了依據(jù)。
【專利說明】
用于土體的固液分離裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于巖土工程的土中水含量測試領(lǐng)域，可用于土體固結(jié)作用下排水量 的監(jiān)測，以及用于凍土中未凍水含量監(jiān)測的用于土體的固液分離裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 土是由固體顆粒以及顆粒間孔隙中的水和氣體組成，是多相、分散、多孔的系統(tǒng)。 水常以不同的形式和狀態(tài)存在于土中，并與土粒相互作用；土中水分為結(jié)合水和孔隙中的 自由水，尤其以孔隙中液態(tài)的自由水對土體的工程性質(zhì)影響最大。在常溫土體施工過程中， 確定土中液態(tài)的自由水含量，對評估土體施工難度和預(yù)測土體強(qiáng)度具有重要價值。在地鐵 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過程中，確定凍土中未凍水含量，對施工的安全性和可行性均具有重 要價值。
[0003] 烘干法可測得常溫土體中總體含水率，包含部分弱結(jié)合水和水汽，非液態(tài)的自由 水含量。確定凍土中未凍水含量有基于分析凍土凍融過程中時間一溫度變化曲線，從而推 求凍融過程中未凍水含量特征曲線，進(jìn)而預(yù)測各時點(diǎn)未凍水含量的間接方式;也有基于核 磁共振測試系統(tǒng)的直接測試方式。由于土體的配合比及顆粒結(jié)構(gòu)與形式的不同，以某一種 土推導(dǎo)出的未凍水含量特征曲線與具體土體的對應(yīng)必然存在差值;核磁共振裝置測試由于 其成本較高，操作難度大，推廣難度極大。確定土中自由水含量和確定凍土中未凍水含量對 工程施工和防災(zāi)減災(zāi)是非常重要的。
[0004] 目前，土體中水含量測試領(lǐng)域存在問題:常規(guī)的離心機(jī)附帶的裝置只能固結(jié)土樣 和固液分界，不能進(jìn)行固液分離。烘干法只能測得總體含水率并非液態(tài)的自由水含量，烘干 法難以有效衡量液態(tài)的自由水對土體強(qiáng)度及變形的影響。以間接方式測得的凍土中未凍水 含量的理論值必然與真實(shí)值存在差值;核磁共振裝置測試方式由于其成本高，操作難度大， 不易推廣使用。因而，迫切需要一種簡潔、實(shí)用且直觀的用于分離土中水的裝置，該種裝置 對解決巖土工程中的變形與強(qiáng)度問題具備現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型目的是提供一種用于土體的固液分離裝置，實(shí)現(xiàn)土體中液態(tài)水含量的 直接測試，且該發(fā)明須具備操作簡便、原理鮮明、計(jì)算便捷等特征，以便于土體中液態(tài)水含 量的確定。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型基于離心原理提供一種用于土體的固液分離裝置， 其中：該裝置包括有通過螺紋擰接的土樣放置部分及存水部分，所述土樣放置部分包括有 固液分離裝置蓋、土樣放置區(qū)，土樣放置區(qū)為底部是圓環(huán)狀中空擋板的空心柱狀管體，固液 分離裝置蓋與土樣放置區(qū)端口相連形成一體，土樣放置區(qū)底部擋板上粘接有透水石層，所 述存水部分為存水區(qū)。
[0007] 本實(shí)用新型的效果是該裝置具備測試直觀、計(jì)算方法明確、操作簡便、價格低廉等 特點(diǎn)，為認(rèn)識土體內(nèi)部的液態(tài)水含量提供一種便捷手段。設(shè)透水石層的滲透系數(shù)為k，則在 離心作用co的效應(yīng)下，斷面面積為A的用于土體的固液分離裝置在離心作用下的排水量為 c〇2rkA/961576.36。排水量與原土樣質(zhì)量之比即為土體的土水比，利用土水比可以評估土 體的施工難度和預(yù)測土體強(qiáng)度，進(jìn)而有效保障施工的安全性。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本實(shí)用新型用于土體的固液分離裝置效果圖；
[0009] 圖2為本實(shí)用新型用于土體的固液分離裝置的土樣放置部分側(cè)視圖；
[0010] 圖3為本實(shí)用新型用于土體的固液分離裝置的存水部分側(cè)視圖；
[0011] 圖4為本實(shí)用新型用于土體的固液分離裝置的土樣放置部分俯視圖；
[0012] 圖5為本實(shí)用新型用于土體的固液分離裝置的存水部分俯視圖；
[0013]圖6為離心機(jī)原理圖；
[0014]圖7為不同離心參數(shù)下某土樣的固液分離曲線。
[0015] 圖中：
[0016] 1.固液分離裝置蓋2.土樣放置區(qū)3.透水石層4.螺紋
[0017] 4-1.凸螺紋4-2.凹螺紋5.存水區(qū)6.固液分離裝置壁
[0018] 7.安裝擋板8.離心機(jī)操作蓋板9.離心機(jī)安置槽
[0019] 10.離心機(jī)控制面板11.離心機(jī)動力及變速裝置12.離心機(jī)電源線
【具體實(shí)施方式】
[0020] 結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的用于土體的固液分離裝置結(jié)構(gòu)加以說明。
[0021] 本發(fā)明的用于土體的固液分離裝置設(shè)計(jì)原理:通過用于土體的固液分離裝置在離 心作用下土體整體向離心作用方向運(yùn)動的原理，在用于土體的固液分離裝置中設(shè)置分區(qū)并 用透水石阻斷土顆粒的離心運(yùn)動方向，進(jìn)而分離出土體中的水分。
[0022] 本實(shí)用新型的用于土體的固液分離裝置，該裝置包括有通過螺紋擰接的土樣放置 部分及存水部分，所述土樣放置部分包括有固液分離裝置蓋1、土樣放置區(qū)2,土樣放置區(qū)2 為底部是圓環(huán)狀中空擋板的空心柱狀管體，固液分離裝置蓋1與土樣放置區(qū)2端口相連形成 一體，土樣放置區(qū)2底部擋板上粘接有透水石層3，所述存水部分為存水區(qū)5。
[0023] 本實(shí)用新型的用于土體的固液分離裝置【具體實(shí)施方式】如下：
[0024]第一，用于土體的固液分離裝置，該裝置包括有通過螺紋4擰接的土樣放置部分及 存水部分，所述土樣放置部分包括有固液分離裝置蓋1、土樣放置區(qū)2,土樣放置區(qū)2為底部 是圓環(huán)狀安裝擋板7的空心柱狀管體，固液分離裝置蓋1與土樣放置區(qū)2端口相連形成一體， 透水石層3與土樣放置區(qū)2內(nèi)底部安裝擋板7粘接牢固，固液分離裝置壁6與透水石層3之間 的空隙由密封膠體填充，土樣放置區(qū)2底部端口有凸螺紋4-1用于與存水區(qū)擰接，土樣放置 部分成型效果的側(cè)視圖與俯視圖分別如圖2、圖4所示。所述存水部分為存水區(qū)5,存水區(qū)5上 部端口有凹螺紋4-2設(shè)置于固液分離裝置壁6內(nèi)側(cè)，用以與土樣放置部分?jǐn)Q接，存水部分成 型效果的側(cè)視圖與俯視圖分別如圖3、圖5所示。用于土體的固液分離裝置的土樣放置部分 與存水部分組裝效果如圖1所示。
[0025]第二，用于土體的固液分離裝置的使用，如圖6所示，將帶土樣的用于土體的固液 分離裝置放入離心機(jī)安置槽9,關(guān)閉離心機(jī)操作蓋板8;接通離心機(jī)電源線12并檢查離心機(jī) 動力及變速裝置11的運(yùn)行情況，檢查完成后，操作離心機(jī)控制面板10啟動離心機(jī)，離心作用 完成后存水部分即存水區(qū)5的水質(zhì)量即為土體中液態(tài)水含量。
[0026]本實(shí)用新型的用于土體的固液分離裝置功能推導(dǎo)如下：
[0027]離心作用下某水微粒的所受的離心力F的計(jì)算公式如式(1)所示 [0028] F=m?2r (1)
[0029]式（1)中m為土中某水微粒的質(zhì)量；co指用于土體的固液分離裝置的圓周運(yùn)動的角 速度(rad/s) ;r指離心機(jī)轉(zhuǎn)軸與用于土體的固液分離裝置中某水微粒的距離(cm);
[0030] 相對離心力Frc
[0031] Frc = F/ff=mco 2r/mg= w2r/g (2)
[0032]式（2)中g(shù)為重力加速度，取g = 980.6cm/s2;m為土中某水微粒的質(zhì)量(g); 〇指用 于土體的固液分離裝置的圓周運(yùn)動的角速度(rad/s) 指離心機(jī)轉(zhuǎn)軸與用于土體的固液分 離裝置中某水微粒的距離(cm);
[0033] 根據(jù)土體在離心作用下排水情況，依據(jù)達(dá)西定律求得相對離心力的等效水頭作用 下土體中的排水量Q
[0034] Q - k^fA (3)
[0035] 式(3)中k為透水石滲透系數(shù)(cm/s);h為透水石厚度(cm); AH為離心力F等效的水 頭高度;A為用于土體的固液分離裝置橫截面的內(nèi)徑面積(cm2);其中AH的計(jì)算如式(4)所 示
(4)
[0037] 式(4)中P為水的密度，取P = 1.0g/cm3，g為重力加速度，取g = 980.6cm/s2。取透水 石層厚度為1.〇cm，則將式(1)和式(2)、式(4)帶入式(3)，得土體中的排水量見式(5)
(5)
[0039]不同離心作用下土中水排量見表1所示。由于土中水在高勢能下自身產(chǎn)生向離心 作用方向的運(yùn)動，故不考慮土體內(nèi)部滲透系數(shù)的影響。實(shí)際排水量僅限于土體中的自由水 含量，不包括土中結(jié)合水;土體中的排水量并非隨著離心參數(shù)《的增大而持續(xù)增大，當(dāng)土體 中的自由水在離心作用下排出完成后，繼續(xù)增加離心參數(shù)《，土體中排水量不在增加。 [0040] 表1不同離心參數(shù)下的土中水排量
[0042]注:r一一物體圓周運(yùn)動的半徑；
[0043] K--為透水石滲透系數(shù)；
[0044] A一一用于土體的固液分離裝置橫截面的內(nèi)徑面積。
[0045]實(shí)施例:某初始含水率為23.11 %的土樣依據(jù)本裝置在離心作用下對其在不同離 心參數(shù)(取t = 3min)作用下各時點(diǎn)的排水量進(jìn)行監(jiān)測，測得效果見表2,不同離心參數(shù)下的 某土體固液分離曲線如圖7所示。
[0046]表2不同離心參數(shù)下的某土體固液分離情況
[0048]注:ti 一前i時刻分離出液體總質(zhì)量。
[0049]由表2可知，該土樣在初始離心作用下10000r/min運(yùn)行3min后，土體中排水量較 大;土樣在依次進(jìn)行的離心作用下，排水量增長緩慢;至第6次離心作用開始，土體中排水量 基本不再增加;至第8次土樣中排水量不在增加，則該土樣液態(tài)的自由水含量為第8次離心 作用下的排水量。
[0050] 本裝置的特點(diǎn)是測試直觀、計(jì)算方法明確、構(gòu)造合理、操作簡便、價格低廉，便于工 程中土體液態(tài)水含量的確定。為土體排水固結(jié)過程的研究提供了依據(jù)，為認(rèn)識土體內(nèi)部的 液態(tài)水含量提供一種便捷手段。
[0051] 以上所述僅為結(jié)合本次制作過程進(jìn)行說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用 新型可有各種變化和更改，比如更改本裝置外觀尺寸、變換所用材料等。凡依據(jù)本實(shí)用新型 的對本類裝置進(jìn)行分區(qū)達(dá)到固液分離精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn) 等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于土體的固液分離裝置，其特征是：該裝置包括有通過螺紋擰接的土樣放置 部分及存水部分，所述土樣放置部分包括有固液分離裝置蓋(1)、土樣放置區(qū)（2)，土樣放置 區(qū)（2)為底部是圓環(huán)狀中空擋板的空心柱狀管體，固液分離裝置蓋（1)與土樣放置區(qū)（2)端 口相連形成一體，土樣放置區(qū)（2)底部擋板上粘接有透水石層(3)，所述存水部分為存水區(qū) (5)。
【文檔編號】B04B5/00GK205628319SQ201620395683
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】陳之祥, 李順群, 高凌霞, 朱希, 周亞東, 王杏杏, 馬銳敏, 尚軍
【申請人】天津城建大學(xué)