本发明涉及岩土工程的室内土工试验技术领域，尤其涉及一种土工试验可视化无气水快速制备装置及其制备方法。
背景技术
室内土工试验，特别是精确的土单元体试验(例如gds高级三轴/动三轴试验装置、gds共振柱试验装置、gds空心扭剪仪等)，是揭示土体的各种物理、力学性质的主要途径之一，可为工程设计、理论或数值计算等过程中土性参数的确定提供科学依据。已有的研究表明，当采用重塑土进行室内土工试验时，土单元体试样的制样质量对精密土工试验的结果和精度均有显著影响。对于饱和土单元体试验而言，土体的饱和度是表征制样质量的一个重要参数，其中，无气水制备是实现土工试验土体饱和的重要步骤。
目前，土工试验无气水的制备方法主要包括简单煮沸或抽真空的方法，均存在明显的不足之处。采用简单煮沸的方法制备无气水时，存在煮沸后水体降温耗时长、降温过程中气体再溶解、制备效率低和制备效果差等缺点；采用抽真空的方法制备无气水，存在制取无气水量少、时间长、制备效率低等缺点。此外，抽真空的方法制备无气水常采用的无气水制备装置多为有机玻璃或钢材质，对于有机玻璃无气水制备装置而言，存在易老化、使用寿命不长等缺点；对于钢材质的无气水制备装置而言，内部形态不可见，不利于可视化土工试验教学。因此，亟需研发土工试验可视化无气水高效制备装置。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种土工试验可视化无气水快速制备装置及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种土工试验可视化无气水快速制备装置，包括无气水制备主体和抽真空部分；所述无气水制备主体包括无气水制备罐体、磁力加热底座、顶盖；所述无气水制备罐体置于磁力加热底座上；所述磁力加热底座具有磁力开关和加热开关；所述顶盖置于无气水制备罐体上方，通过橡胶圈密封连接；所述无气水制备罐体内部的底面放置磁力搅拌转子；所述无气水制备罐体底部安装有出水阀门；所述顶盖安装有进水/气阀门和出气阀门；所述无气水制备罐体和顶盖通过机械扣固定连接；所述机械扣由安装在无气水制备罐体上的机械扣扣体和顶盖上的机械扣卡子组成；
所述抽真空部分包括抽真空中转装置和带真空压力控制阀的真空泵；所述抽真空中转装置包括有机玻璃圆筒、有机玻璃底座、进气/进水阀、负压表、盖帽、抽真空阀门、通气口；所述有机玻璃圆筒通过橡皮圈与盖帽密封连接；所述有机玻璃圆筒的底部与有机玻璃底座连接，有机玻璃底座安装有进气/进水阀和负压表；进气/进水阀通过气管连接顶盖的出气阀门；所述盖帽上具有通气口并设置有抽真空阀门，通过通气口连接真空泵。
进一步地，所述无气水制备罐体为高硼硅玻璃材质；所述顶盖为不锈钢材质；所述无气水制备罐体的容积根据土工试验所需无气水的体量确定；所述无气水制备罐体和磁力加热底座为分离式连接。
进一步地，所述机械扣包括的机械扣扣体和机械扣卡子分别相应地分布于无气水制备罐体和顶盖正交的四个角点。
进一步地，所述磁力搅拌转子采用耐高温耐腐蚀的强磁性材质制成。
一种土工试验可视化无气水快速制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将无气水制备罐体水平地置于磁力加热底座上的中心区域，再将顶盖平稳地置于无气水制备罐体的顶部，通过橡胶圈将顶盖与无气水制备罐体密封连接；将无气水制备罐体上的机械扣扣体扣紧顶盖上的机械扣卡子，通过机械扣使得无气水制备罐体顶盖紧密连接；
(2)打开进水/气阀门和出气阀门，关闭出水阀门，通过进水/气阀门向无气水制备罐体内注水；待注水完成后，关闭进水/气阀门；
(3)通过气管连接无气水制备主体顶部的出气阀门和抽真空中转装置底部的进气/进水阀，再将抽真空中转装置顶部的通气口与带真空压力控制阀的真空泵连接；在有机玻璃圆筒内注入无气水后，通过橡皮圈将有机玻璃圆筒与盖帽密封连接；将真空压力控制阀关闭，打开进气/进水阀、抽真空阀门；打开带真空压力控制阀的真空泵，调节真空压力控制阀保持-50kpa负压向无气水制备罐体抽真空；而后，打开磁力加热底座的磁力开关和加热开关，无气水制备罐体底部的磁力搅拌转子将随之转动，实现无气水制备罐体内的水进行负压条件下的搅拌加热；
(4)待无气水制备罐体内水沸腾5min后，关闭磁力加热底座的加热开关，动态调节真空压力控制阀使得带真空压力控制阀的真空泵保持-60kpa负压，协同磁力搅拌转子继续工作；
(5)待无气水制备罐体内水的温度降至常温时，关闭磁力加热底座的磁力开关，磁力搅拌转子停止工作，关闭出气阀门后，关闭带真空压力控制阀的真空泵和进气/进水阀，无气水制备罐体内的无气水制备完成；
(6)取用无气水制备罐体内的无气水时，打开进水/气阀门，通过无气水制备罐体底部的出水阀门排出制备完成的无气水。
进一步地，向所述无气水制备罐体内注水后的水位线应低于最高水位线。
进一步地，所述无气水制备罐体的外壁1/2罐体高度处设有温度计，用于读取加热和冷却过程中罐体(水)的温度；所述无气水制备罐体内水加热至沸腾的判别标准为：无气水制备罐体外壁温度计的示数恒定不变。
进一步地，所述无气水制备罐体内制备完成的无气水可随用随取，通过关闭进水/气阀门和出水阀门可将剩余待用无气水直接储存于无气水制备罐体内。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明中采用磁力加热底座对无气水制备罐体内水进行加热直至煮沸，由于水温越高气体的溶解度越低，同时沸腾后无气水制备罐体内水体剧烈扰动，溶解在水中的气体能够有效排除。因此，对无气水制备罐体内水加热直至沸腾将有利于水中气体的快速排出，有效地提高无气水的制备效率；
2、本发明中磁力搅拌转子在无气水制备过程中对无气水制备罐体内水进行持续搅拌，具有如下优点：(1)在加热过程中，对无气水制备罐体内水进行搅拌，有利于对无气水制备罐体内水进行均匀加热，避免受热不均的危害，并提高加热效率；(2)在停止加热后，对无气水制备罐体内水继续搅拌，一方面对无气水制备罐体内水体进行扰动，有助于水中气体的持续排出，另一方面有利于无气水制备罐体内水体均匀散热，在一定程度上提高水体的降温效率。
3、本发明中采用带真空压力控制阀的真空泵在无气水制备过程中对无气水制备罐体进行持续抽真空，具有如下优点：(1)在加热过程中，对无气水制备罐体内水进行抽真空，一方面，负压环境有利于无气水制备罐体内水中气体的排出；另一方面，负压条件下无气水制备罐体内加热的水能够快速沸腾，提高无气水的制备效率；(2)在停止加热后，对无气水制备罐体内水继续抽真空使得无气水制备罐体内水中气体的持续排出，避免降温过程中空气重新溶解于无气水制备罐体内水中以及抽真空中转装置有机玻璃圆筒内的无气水倒流入无气水制备罐体内，同时抽真空带走高温水汽，提高无气水的制备效率和水体的降温效率。
4、本发明中磁力加热底座、磁力搅拌转子和带真空压力控制阀的真空泵协同作用，对无气水制备罐体内水进行负压条件下的搅拌和加热，有效地实现无气水的高效、快速制备。
5、本发明中无气水制备罐体的外壁1/2罐体高度处设有温度计，不仅可在无气水制备过程中测定无气水制备罐体内水的温度，还能用于高温预警，避免实验人员高温灼伤。
6、本发明中抽真空中转装置有助于向无气水制备罐体内提供稳定的负压环境并防止空气进入无气水制备罐体，同时，避免加热后的高温水汽直接进入并损伤真空压力控制阀和真空泵，在一定程度上对真空压力控制阀和真空泵起到保护作用。
7、本发明中无气水制备罐体采用高硼硅玻璃材质，具有低膨胀率、耐高温、高强度、高硬度、高透光率等优点，不仅能满足高温抽真空条件下无气水的制备，还便于土工试验和土工试验教学中无气水制备过程的观测和记录。
8、本发明中无气水制备罐体和磁力加热底座采用分离式连接，便于土工试验和土工试验教学过程中分开搬运，便捷安全；无气水制备罐体的容积、磁力加热底座的功率、磁力搅拌转子的搅拌范围、电机的功率、抽真空中转装置的尺寸和真空泵的功率根据土工试验所需无气水的制备量和制备速度确定，具有通用性，装置简洁、易于实现。
附图说明
图1是本发明土工试验可视化无气水快速制备装置示意图；
图2(a)是顶盖主视图；
图2(b)是顶盖俯视图；
图3(a)是抽真空中转装置的分解示意图；
图3(b)是抽真空中转装置的正视图；
图3(c)是抽真空中转装置的俯视图；
图中：无气水制备主体1、无气水制备罐体1-1、磁力加热底座1-2、顶盖1-3、磁力搅拌转子1-4、出水阀门1-5、进水/气阀门1-6、出气阀门1-7、机械扣1-8/机械扣扣体1-8-1、机械扣卡子1-8-1、气管1-9、抽真空中转装置2、有机玻璃圆筒2-1、有机玻璃底座2-2、进气/进水阀2-3、负压表2-4、盖帽2-5、抽真空阀门2-6、通气口2-7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种土工试验可视化无气水快速制备装置，包括无气水制备主体1和抽真空部分；所述无气水制备主体1包括无气水制备罐体1-1、磁力加热底座1-2、顶盖1-3；所述无气水制备罐体1-1置于磁力加热底座1-2上；所述磁力加热底座1-2具有磁力开关和加热开关；所述顶盖1-3置于无气水制备罐体1-1上方，通过橡胶圈密封连接；所述无气水制备罐体1-1内部的底面放置磁力搅拌转子1-4；所述无气水制备罐体1-1底部安装有出水阀门1-5；所述顶盖1-3安装有进水/气阀门1-6和出气阀门1-7；所述无气水制备罐体1-1和顶盖1-3通过机械扣1-8固定连接；所述机械扣1-8由安装在无气水制备罐体1-1上的机械扣扣体1-8-1和顶盖1-3上的机械扣卡子1-8-2组成；顶盖1-3的具体结构如图2(a)、图2(b)所示。
所述抽真空部分包括抽真空中转装置2和带真空压力控制阀的真空泵；所述抽真空中转装置2包括有机玻璃圆筒2-1、有机玻璃底座2-2、进气/进水阀2-3、负压表2-4、盖帽2-5、抽真空阀门2-6、通气口2-7；所述有机玻璃圆筒2-1通过橡皮圈与盖帽2-5密封连接；所述有机玻璃圆筒2-1的底部与有机玻璃底座2-2连接，有机玻璃底座2-2安装有进气/进水阀2-3和负压表2-4；进气/进水阀2-3通过气管1-9连接顶盖1-3的出气阀门1-7；所述盖帽2-5上具有通气口2-7并设置有抽真空阀门2-6，通过通气口2-7连接真空泵；真空中转装置2的具体结构如图3(a)-图3(c)所示。
进一步地，所述无气水制备罐体1-1为高硼硅玻璃材质；所述顶盖1-3为不锈钢材质；所述无气水制备罐体1-1的容积根据土工试验所需无气水的体量确定；所述无气水制备罐体1-1和磁力加热底座1-2为分离式连接。
进一步地，所述机械扣1-8包括的机械扣扣体1-8-1和机械扣卡子1-8-1分别相应地分布于无气水制备罐体1-1和顶盖1-3正交的四个角点。
进一步地，所述磁力搅拌转子1-4采用耐高温耐腐蚀的强磁性材质制成。
一种土工试验可视化无气水快速制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将无气水制备罐体1-1水平地置于磁力加热底座1-2上的中心区域，再将顶盖1-3平稳地置于无气水制备罐体1-1的顶部，通过橡胶圈将顶盖1-3与无气水制备罐体1-1密封连接；将无气水制备罐体1-1上的机械扣扣体1-8-1扣紧顶盖1-3上的机械扣卡子1-8-1，通过机械扣1-8使得无气水制备罐体1-1顶盖1-3紧密连接；
(2)打开进水/气阀门1-6和出气阀门1-7，关闭出水阀门1-5，通过进水/气阀门1-6向无气水制备罐体1-1内注水；待注水完成后，关闭进水/气阀门1-6；
(3)通过气管1-9连接无气水制备主体1顶部的出气阀门1-7和抽真空中转装置2底部的进气/进水阀2-3，再将抽真空中转装置2顶部的通气口2-7与带真空压力控制阀的真空泵连接；在有机玻璃圆筒2-1内注入无气水后，通过橡皮圈将有机玻璃圆筒2-1与盖帽2-5密封连接；将真空压力控制阀关闭，打开进气/进水阀2-3、抽真空阀门2-6；打开带真空压力控制阀的真空泵，调节真空压力控制阀保持-50kpa负压向无气水制备罐体1-1抽真空；而后，打开磁力加热底座1-2的磁力开关和加热开关，无气水制备罐体1-1底部的磁力搅拌转子1-4将随之转动，实现无气水制备罐体1-1内的水进行负压条件下的搅拌加热；
(4)待无气水制备罐体1-1内水沸腾5min后，关闭磁力加热底座1-2的加热开关，动态调节真空压力控制阀使得带真空压力控制阀的真空泵保持-60kpa负压，协同磁力搅拌转子1-4继续工作；
(5)待无气水制备罐体1-1内水的温度降至常温时，关闭磁力加热底座1-2的磁力开关，磁力搅拌转子1-4停止工作，关闭出气阀门1-7后，关闭带真空压力控制阀的真空泵和进气/进水阀2-3，无气水制备罐体1-1内的无气水制备完成；
(6)取用无气水制备罐体1-1内的无气水时，打开进水/气阀门1-6，通过无气水制备罐体1-1底部的出水阀门1-5排出制备完成的无气水。
进一步地，向所述无气水制备罐体1-1内注水后的水位线应低于最高水位线。
进一步地，所述无气水制备罐体1-1的外壁1/2罐体高度处设有温度计，用于读取加热和冷却过程中罐体(水)的温度；所述无气水制备罐体1-1内水加热至沸腾的判别标准为：无气水制备罐体1-1外壁温度计的示数恒定不变。
进一步地，所述无气水制备罐体1-1内制备完成的无气水可随用随取，通过关闭进水/气阀门1-6和出水阀门1-5可将剩余待用无气水直接储存于无气水制备罐体1-1内。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。