本發(fā)明涉及土木工程土工試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土體飽和度控制的設(shè)備。另外還涉及一種保持非飽和土飽和度恒定的新的試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

天然土體是一種復(fù)雜的三相材料體系，其中土顆粒形成固體土骨架，土骨架空隙之間充滿了液體和氣體，當(dāng)骨架之間的空隙全部為液體充滿，則形成飽和土；如果土體內(nèi)部的孔隙部分被液體充滿，則為非飽和土。非飽和土是一種由土顆粒及不相混溶流體(如水—?dú)?、水—油、水—污染物?組成的非均質(zhì)多孔介質(zhì)材料，它廣泛分布在土質(zhì)邊坡、土石壩、路基填土、垃圾填埋場(chǎng)及干旱——半干旱地區(qū)之中。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)交通需求不斷提高，公路、鐵路建設(shè)日益擴(kuò)大，細(xì)粒土(粉質(zhì)土和粘質(zhì)土)、膨脹土、黃土及濕陷性黃土等非飽和土作為路基材料也逐漸增多。近些年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人類社會(huì)改造活動(dòng)的加劇，越來越多與非飽和土有關(guān)的工程問題有待解決。

修筑在非飽和土地區(qū)的路基工程、水利工程及市政工程等，由于受到諸如氣候等因素影響，淺層非飽和土工程性質(zhì)產(chǎn)生變化，表現(xiàn)為構(gòu)筑工程中水、熱分布變化。這種變化對(duì)工程穩(wěn)定性有重大影響，常導(dǎo)致路基工程出現(xiàn)沉陷、縱脹、水溝失陷等病害，水利工程出現(xiàn)凍脹、塌岸、砌體開裂等病害，市政工程出現(xiàn)凍脹、沉陷、網(wǎng)裂等病害。病害原因是土中含水量增大產(chǎn)生濕陷，強(qiáng)度降低，凍融使土自身體積變化，陰陽(yáng)面上水、熱差異引起變形差異等，影響淺層非飽和土工程穩(wěn)定性主要指標(biāo)是含水量和溫度。

為了準(zhǔn)確掌握具有某種土體飽和度的非飽和土對(duì)路基工程、水利工程等工程穩(wěn)定性的影響，人們需要以該非飽和土為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行土體固結(jié)、粘彈性等水力參數(shù)的試驗(yàn)。在進(jìn)行土體的各項(xiàng)試驗(yàn)過程當(dāng)中，由于環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致土體中水分的流失，從而導(dǎo)致土體飽和度發(fā)生變化，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中保持土體飽和度恒定就顯得非常重要。

為了保持土體飽和度恒定，現(xiàn)階段土體相關(guān)實(shí)驗(yàn)保持土體水分主要通過人工或者機(jī)器增加空氣濕度，將空氣濕度保持在一定范圍內(nèi)，從而調(diào)節(jié)土體的含水率?，F(xiàn)有技術(shù)中一般采用直接向試驗(yàn)土體中添加水分以保持土體飽和度的做法。但是，這種做法具有較大的隨意性，土體飽和度不夠穩(wěn)定，從而不利于獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種土體飽和度控制的設(shè)備及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中保持土體飽和度的隨意性，土體飽和度不夠穩(wěn)定，不利于獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果的技術(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明專利的技術(shù)方案是：一種土體飽和度控制的設(shè)備，包括用于封裝試驗(yàn)土體的密封試驗(yàn)箱以及用于密封試驗(yàn)箱開口的密封箱蓋，密封試驗(yàn)箱內(nèi)腔包括處于底部的土體區(qū)域以及處于土體區(qū)域上部的空氣區(qū)域，密封試驗(yàn)箱上設(shè)有用于根據(jù)密封試驗(yàn)箱內(nèi)外空氣溫度和內(nèi)腔空氣濕度改變空氣區(qū)域的真空度以改變空氣區(qū)域內(nèi)的露點(diǎn)溫度的露點(diǎn)溫度控制機(jī)構(gòu)。

進(jìn)一步地，露點(diǎn)溫度控制機(jī)構(gòu)包括裝于空氣區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部溫度傳感器、內(nèi)部濕度傳感器、內(nèi)部真空度傳感器以及真空泵；溫度控制機(jī)構(gòu)還包括裝于密封箱蓋外的外部溫度傳感器以及控制器；控制器聯(lián)接內(nèi)部溫度傳感器、內(nèi)部濕度傳感器、內(nèi)部真空度傳感器、外部溫度傳感器以及真空泵。

進(jìn)一步地，內(nèi)部溫度傳感器、內(nèi)部濕度傳感器、內(nèi)部真空度傳感器以及真空泵安裝在密封箱蓋的內(nèi)表面上，外部溫度傳感器以及控制器安裝在密封箱蓋的外表面上。

進(jìn)一步地，內(nèi)部溫度傳感器、內(nèi)部濕度傳感器、內(nèi)部真空度傳感器、真空泵、外部溫度傳感器以及真空泵為整體封裝的組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部溫度傳感器和內(nèi)部濕度傳感器的觸頭以及真空泵的輸出端均朝向空氣區(qū)域布設(shè)；外部溫度傳感器的觸頭朝向密封試驗(yàn)箱外布設(shè)。

進(jìn)一步地，密封箱蓋轉(zhuǎn)動(dòng)連接于密封試驗(yàn)箱上；密封箱蓋與密封試驗(yàn)箱之間設(shè)有密封連接件，或者密封箱蓋與密封試驗(yàn)箱之間設(shè)有密封環(huán)且通過連接件連接固定。

進(jìn)一步地，空氣區(qū)域面積大于土體區(qū)域面積。

進(jìn)一步地，空氣區(qū)域面積是土體區(qū)域面積的2倍～4倍。

本發(fā)明專利的另一技術(shù)方案是：一種土體飽和度控制方法，采用上述土體飽和度控制的設(shè)備，包括以下步驟：將試驗(yàn)土體裝進(jìn)密封試驗(yàn)箱內(nèi)；將內(nèi)部真空度傳感器、內(nèi)部溫度傳感器和內(nèi)部濕度傳感器預(yù)先安設(shè)在密封箱蓋下方；在與內(nèi)部真空度傳感器、內(nèi)部溫度傳感器和內(nèi)部濕度傳感器相聯(lián)接的控制器上設(shè)定需要達(dá)到的空氣濕度；控制器通過密封試驗(yàn)箱內(nèi)的內(nèi)部濕度傳感器和內(nèi)部溫度傳感器反饋的數(shù)據(jù)，以及根據(jù)控制器內(nèi)置設(shè)定的空氣露點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的空氣壓強(qiáng)和空氣溫度，控制真空泵對(duì)密封試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣進(jìn)行抽真空；由于密封試驗(yàn)箱內(nèi)空氣達(dá)到了露點(diǎn)溫度，所以空氣濕度會(huì)保持不變，從而使試驗(yàn)土體的含水率保持與空氣濕度一致。

進(jìn)一步地，內(nèi)部濕度傳感器監(jiān)控密封試驗(yàn)箱內(nèi)空氣濕度變化，內(nèi)部溫度傳感器監(jiān)控密封試驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度變化，控制器對(duì)溫度和真空度的變化進(jìn)行調(diào)整，使密封試驗(yàn)箱內(nèi)空氣達(dá)到所設(shè)定的理論露點(diǎn)溫度，從而達(dá)到空氣濕度的設(shè)定值。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：

本發(fā)明土體飽和度控制的設(shè)備，采用密封試驗(yàn)箱與密封箱蓋結(jié)合形成密封的試驗(yàn)空間；在密封試驗(yàn)箱內(nèi)腔中的土體區(qū)域中填入試驗(yàn)土體，在密封箱蓋上裝上露點(diǎn)溫度控制機(jī)構(gòu)，露點(diǎn)溫度控制機(jī)構(gòu)根據(jù)密封試驗(yàn)箱內(nèi)外空氣溫度和內(nèi)腔空氣濕度改變空氣區(qū)域的真空度以改變空氣區(qū)域內(nèi)的露點(diǎn)溫度，從而避免密封試驗(yàn)箱內(nèi)空氣以及試驗(yàn)土體中的冷凝發(fā)生。利用空氣壓力和露點(diǎn)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用真空泵對(duì)空氣的壓力進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制露點(diǎn)溫度，進(jìn)而控制空氣濕度，從而控制土體含水率的過程。能夠持續(xù)保持土體飽和度的恒定性，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確程度。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的土體飽和度控制的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖例說明：

其中，1、密封試驗(yàn)箱；101、土體區(qū)域；102、空氣區(qū)域；2、密封箱蓋；3、露點(diǎn)溫度控制機(jī)構(gòu)；301、內(nèi)部溫度傳感器；302、內(nèi)部濕度傳感器；303、內(nèi)部真空度傳感器；304、真空泵；305、外部溫度傳感器；306、控制器。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容的進(jìn)一步說明，但并非對(duì)本發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容的限制。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的土體飽和度控制的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)施例的土體飽和度控制的設(shè)備，包括用于封裝試驗(yàn)土體的密封試驗(yàn)箱1以及用于密封試驗(yàn)箱1開口的密封箱蓋2，密封試驗(yàn)箱1內(nèi)腔包括處于底部的土體區(qū)域101以及處于土體區(qū)域101上部的空氣區(qū)域102，密封試驗(yàn)箱1上設(shè)有用于根據(jù)密封試驗(yàn)箱1內(nèi)外空氣溫度和內(nèi)腔空氣濕度改變空氣區(qū)域102的真空度以改變空氣區(qū)域102內(nèi)的露點(diǎn)溫度的露點(diǎn)溫度控制機(jī)構(gòu)3。本發(fā)明土體飽和度控制的設(shè)備，采用密封試驗(yàn)箱1與密封箱蓋2結(jié)合形成密封的試驗(yàn)空間；在密封試驗(yàn)箱1內(nèi)腔中的土體區(qū)域101中填入試驗(yàn)土體，在密封箱蓋2上裝上露點(diǎn)溫度控制機(jī)構(gòu)3，露點(diǎn)溫度控制機(jī)構(gòu)3根據(jù)密封試驗(yàn)箱1內(nèi)外空氣溫度和內(nèi)腔空氣濕度改變空氣區(qū)域102的真空度以改變空氣區(qū)域102內(nèi)的露點(diǎn)溫度，從而避免密封試驗(yàn)箱1內(nèi)空氣以及試驗(yàn)土體中的冷凝發(fā)生。利用空氣壓力和露點(diǎn)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用真空泵304對(duì)空氣的壓力進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制露點(diǎn)溫度，進(jìn)而控制空氣濕度，從而控制土體含水率的過程。能夠持續(xù)保持土體飽和度的恒定性，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確程度。

本發(fā)明土體飽和度控制的設(shè)備，采用全新的一種思路來實(shí)現(xiàn)土體水分飽和度的恒定。當(dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)溫度相同；當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)溫度與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。在100％的相對(duì)濕度時(shí)，周圍環(huán)境的溫度就是露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度越小于周圍環(huán)境的溫度，結(jié)露的可能性就越小，也就意味著空氣越干燥，露點(diǎn)溫度不受溫度影響，但受壓力影響。如果外部空氣的溫度低于密封箱這種封閉空間的內(nèi)部溫度，則密封箱內(nèi)部的表面形成水分。另一方面，如果外部空氣的溫度高于密封箱內(nèi)部溫度，則水分直接在密封箱內(nèi)的土體表面形成。在這種情況下，就可以通過改變密封箱內(nèi)部的真空度，從而改變露點(diǎn)溫度來避免冷凝發(fā)生。它的原理就是利用空氣壓力和露點(diǎn)溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用真空泵對(duì)空氣的壓力進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制露點(diǎn)溫度，進(jìn)而控制空氣濕度，從而控制土體含水率的過程。

如圖1所示，本實(shí)施例中，露點(diǎn)溫度控制機(jī)構(gòu)3包括裝于空氣區(qū)域102內(nèi)的內(nèi)部溫度傳感器301、內(nèi)部濕度傳感器302、內(nèi)部真空度傳感器303以及真空泵304。溫度控制機(jī)構(gòu)還包括裝于密封箱蓋2外的外部溫度傳感器305以及控制器306?？刂破?06聯(lián)接內(nèi)部溫度傳感器301、內(nèi)部濕度傳感器302、內(nèi)部真空度傳感器303、外部溫度傳感器305以及真空泵304。

如圖1所示，本實(shí)施例中，內(nèi)部溫度傳感器301、內(nèi)部濕度傳感器302、內(nèi)部真空度傳感器303以及真空泵304安裝在密封箱蓋2的內(nèi)表面上。外部溫度傳感器305以及控制器306安裝在密封箱蓋2的外表面上。

如圖1所示，本實(shí)施例中，內(nèi)部溫度傳感器301、內(nèi)部濕度傳感器302、內(nèi)部真空度傳感器303、真空泵304、外部溫度傳感器305以及真空泵304為整體封裝的組合結(jié)構(gòu)。內(nèi)部溫度傳感器301和內(nèi)部濕度傳感器302的觸頭以及真空泵304的輸出端均朝向空氣區(qū)域102布設(shè)。外部溫度傳感器305的觸頭朝向密封試驗(yàn)箱1外布設(shè)。

如圖1所示，本實(shí)施例中，密封箱蓋2轉(zhuǎn)動(dòng)連接于密封試驗(yàn)箱1上?？蛇x地，密封箱蓋2與密封試驗(yàn)箱1之間設(shè)有密封連接件。可選地，密封箱蓋2與密封試驗(yàn)箱1之間設(shè)有密封環(huán)且通過連接件連接固定。保證密封試驗(yàn)箱1的密封性，保證試驗(yàn)準(zhǔn)確度。

如圖1所示，本實(shí)施例中，空氣區(qū)域102面積大于土體區(qū)域101面積。從而保證空氣真空度控制可以改變密封試驗(yàn)箱1內(nèi)的露點(diǎn)溫度。

如圖1所示，本實(shí)施例中，空氣區(qū)域102面積是土體區(qū)域101面積的2倍～4倍。從而保證空氣真空度控制可以改變密封試驗(yàn)箱1內(nèi)的露點(diǎn)溫度，并且保證調(diào)節(jié)的效果。

本實(shí)施例的土體飽和度控制方法，采用上述土體飽和度控制的設(shè)備，包括以下步驟：將試驗(yàn)土體裝進(jìn)密封試驗(yàn)箱1內(nèi)；將內(nèi)部真空度傳感器303、內(nèi)部溫度傳感器301和內(nèi)部濕度傳感器302預(yù)先安設(shè)在密封箱蓋2下方；在與內(nèi)部真空度傳感器303、內(nèi)部溫度傳感器301和內(nèi)部濕度傳感器302相聯(lián)接的控制器306上設(shè)定需要達(dá)到的空氣濕度；控制器306通過密封試驗(yàn)箱1內(nèi)的內(nèi)部濕度傳感器302和內(nèi)部溫度傳感器301反饋的數(shù)據(jù)，以及根據(jù)控制器306內(nèi)置設(shè)定的空氣露點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的空氣壓強(qiáng)和空氣溫度，控制真空泵304對(duì)密封試驗(yàn)箱1內(nèi)的空氣進(jìn)行抽真空；由于密封試驗(yàn)箱1內(nèi)空氣達(dá)到了露點(diǎn)溫度，所以空氣濕度會(huì)保持不變，從而使試驗(yàn)土體的含水率保持與空氣濕度一致。

本實(shí)施例中，內(nèi)部濕度傳感器302監(jiān)控密封試驗(yàn)箱1內(nèi)空氣濕度變化。內(nèi)部溫度傳感器301監(jiān)控密封試驗(yàn)箱1內(nèi)空氣溫度變化。控制器306對(duì)溫度和真空度的變化進(jìn)行調(diào)整，使密封試驗(yàn)箱1內(nèi)空氣達(dá)到所設(shè)定的理論露點(diǎn)溫度，從而達(dá)到空氣濕度的設(shè)定值。

實(shí)施時(shí)，土體飽和度控制方法，首先將試驗(yàn)土體裝進(jìn)密封試驗(yàn)箱1內(nèi)；然后將內(nèi)部真空度傳感器303、內(nèi)部溫度傳感器301和內(nèi)部濕度傳感器302預(yù)先安設(shè)在密封箱蓋2下方；緊接著在與內(nèi)部真空度傳感器303、內(nèi)部溫度傳感器301和內(nèi)部濕度傳感器302相聯(lián)接的控制器306上設(shè)定需要達(dá)到的空氣濕度?？刂破?06通過密封試驗(yàn)箱1內(nèi)內(nèi)部濕度傳感器302和內(nèi)部溫度傳感器301反饋的數(shù)據(jù)，根據(jù)控制器306內(nèi)置設(shè)定的空氣露點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的空氣壓強(qiáng)和空氣溫度，操控真空泵304對(duì)密封試驗(yàn)箱1內(nèi)的空氣進(jìn)行抽真空。內(nèi)部濕度傳感器302監(jiān)控密封試驗(yàn)箱1內(nèi)空氣濕度變化，內(nèi)部溫度傳感器301監(jiān)控密封試驗(yàn)箱1內(nèi)空氣溫度變化，控制器306對(duì)溫度和真空度的變化進(jìn)行調(diào)整，使密封試驗(yàn)箱1內(nèi)空氣達(dá)到所設(shè)定的理論露點(diǎn)溫度，從而達(dá)到空氣濕度的設(shè)定值。由于密封試驗(yàn)箱1內(nèi)空氣達(dá)到了露點(diǎn)溫度，所以空氣濕度會(huì)保持不變，從而使土體的含水率保持與空氣濕度一致。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。