本发明涉及土工实验研究和化学分析领域，涉及一种压滤装置及基于其的土壤水分提取装置及提取方法，本发明能够用于分析土壤中水分含量、类型及化学成分。
背景技术：
土壤中的水分有多重存在形式，包括自由水、弱结合水和强结合水。不同类型的水分存在不同的物理性质和化学性质。不同成因的沉积物中存在着不同类型的孔隙水。有效的提取和收集孔隙水在弱透水层水文地质中有着重要作用。目前粘性土孔隙水分提取主要依靠压榨机实现，传统的压榨方法存在以下缺点：1、施加压强值无法随意设定；2、所能施加的压力上限值太小，不足2.5MPa，小含水量的粘性土中的水分难以提取；3、样品中的水分是从上往下通过底座上的孔隙排出，不能保证样品均匀释水；4、随着使用次数的增加压榨机顶部会发生变形，使得所施加的压力与土壤实际承受压力不符。因此，提高压榨机所能承受压力的范围与可调节性，使用的稳定性以及提高孔隙水提取过程中的精度和提取效率是目前需要解决的问题。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种压滤装置及基于其的土壤水分提取装置及提取方法，本发明在土壤水分提取过程中可施加压力范围大，能够保证样品均匀释水，提取精度高。
一种压滤装置，包括底座、芯管、外模和柱塞，外模与底座上端面密封连接；
底座中心设有中心孔，芯管设置在外模内，芯管的下端与底座的中心孔连接，底座中心孔的下端连接有导水管；
芯管的管壁上均匀开设有透水微孔，芯管的表面包覆有过滤膜；
柱塞具有中心孔，柱塞从外模的上端插入外模内，芯管的上端能够伸入柱塞的中心孔内；
柱塞的外壁与外模的内壁之间，柱塞中心孔的内壁与芯管的外壁之间均为间隙配合。
还包括球形垫座，球形垫座设置在柱塞的上端。
还包括垫座，底座的下端面同轴开设有凹槽，垫座为空心圆柱，上端嵌入底座下端面上的凹槽内，垫座的侧壁开设有供导水管穿过的贯穿孔。
底座的上端面同轴开设有供外模下端嵌入的凹槽，外模的下端嵌入该凹槽内，外模下端与底座上表面平齐的位置开设有一圈卡槽，卡槽处设有压环，外模与底座通过卡环固定连接，压环与底座之间设有密封圈。
芯管的下端与底座的中心孔螺纹连接，底座中心孔的下端设有芯管螺栓，芯管螺栓沿其轴线开设有排水孔，芯管螺栓的螺纹段与芯管的内表面螺纹连接，芯管螺栓的排水孔与芯管的内腔联通，导水管与芯管螺栓的排水孔的下端连接；芯管的上端头从上至下开设有内六方孔。
芯管沿其长度方向均匀开设多排透水微孔，每排设置多个透水微孔，每排的多个透水微孔沿芯管的周向均匀设置，相邻2～4排的透水微孔沿芯管的周向均匀错开。
一种土壤水分提取装置，包括水样收集装置、上述压滤装置以及为上述压滤装置进行轴向施压的轴向加压装置，水样收集装置与压滤装置的导水管的出口连接。
还包括脱模底座，脱模底座为空心圆柱，脱模底座上端的内圈向下开设有凹槽，该凹槽的孔径不小于外模的外径，脱模底座的内径大于外模的内径，小于外模的外径。
轴向加压装置为液压压力机。
一种土壤水分提取方法，通过上述土壤水分提取装置进行，其过程如下：
向外模中装入土样，再将柱塞从外模的上端插入外模内，并使芯管的上端伸入柱塞的中心孔内；
再将装有土样的压滤装置放置在轴向加压装置上，芯管、外模、柱塞和底座的轴线与轴向加压装置的施力方向同轴；
将导水管与水样收集装置连接；
再通过轴向加压装置下压柱塞，土样中的水分透过滤膜并从芯管上的透水微孔流入芯管6的内腔，再通过导水管进入水样收集装置中。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明压滤装置的外模与底座上端面密封连接，芯管设置在外模内，芯管的下端与底座的中心孔连接，底座中心孔的下端连接有导水管，柱塞具有中心孔，柱塞从外模的上端插入外模内，芯管的上端能够伸入柱塞的中心孔内，柱塞的外壁与外模的内壁之间，柱塞中心孔的内壁与芯管的外壁之间均为间隙配合；在使用时，将土样装入外模中，再将柱塞从外模的上端插入外模内，并使芯管的上端伸入柱塞的中心孔内，将底座固定，则可以通过对柱塞施加轴向向下的力来对土样进行压滤，土样中的水分透过滤膜并从透水微孔进入芯管内腔，最终从导水管导出；由于芯管的管壁上均匀开设有透水微孔，因此能够保证土样沿高度方向均匀释水，因此提取精度高；由于本装置是通过柱塞和外模来对土样施加压力，因此施加的轴向压力可控，可调节的范围较大，而且柱塞结构的承压能力较强。
进一步的，通过设置球形垫座，既保证了柱塞上端不易受力变形，保证了柱塞与外模之间的良好配合，而且，球形垫座还具有自动调心的作用，能够防止受力方向与柱塞之间产生偏心而导致装置无法正常工作。
进一步的，通过在底座下部安装垫座，垫座的侧壁开设有供导水管穿过的贯穿孔，因此便于真个压滤装置的安放。
本发明的土壤水分提取装置通过轴向加压装置为压滤装置施加压力，压滤过程中，图样中的水分经导水管导出后进入水样收集装置，达到了水样收集的目的。
进一步的，本发明还设置了脱模底座，当土样压滤结束后，由于土样被压紧实，很难从外模内取出，因此，当土样水分提取完成后，将底座从外模下端拆除，然后将外模的下端装入脱模底座上端的凹槽中，然后将脱模底座固定，再向下压柱塞，使柱塞向下压土样，从而使土样从外模内腔去除。
附图说明
图1为本发明的土壤水分提取装置的压滤装置结构示意图。
其中，1-导水管，2-垫座，3-芯管螺栓，4-压环，5-底座，6-芯管，6-1-透水微孔，7-外模，8-柱塞，9-球形垫座，10-脱模底座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种压滤装置，包括垫座2、底座5、芯管6、外模7、柱塞8和球形垫座9，底座5中心设有中心孔，芯管6设置在外模7内，芯管6的下端与底座5的中心孔螺纹连接，底座5中心孔的下端设有芯管螺栓3，芯管螺栓3沿其轴线开设有排水孔，芯管螺栓3的螺纹段与芯管6的内表面螺纹连接，芯管螺栓3的排水孔与芯管6的内腔联通，导水管1与芯管螺栓3的排水孔的下端连接；芯管6的上端头从上至下开设有内六方孔
芯管6沿其长度方向均匀开设多排透水微孔6-1，每排设置多个透水微孔6-1，每排的多个透水微孔6-1沿芯管6的周向均匀设置，相邻2～4排的透水微孔6-1沿芯管6的周向均匀错开，芯管6的表面包覆有过滤膜；
柱塞8具有中心孔，柱塞8从外模7的上端插入外模7内，芯管6的上端能够伸入柱塞8的中心孔内，球形垫座9设置在柱塞8的上端；
柱塞8的外壁与外模7的内壁之间，柱塞8中心孔的内壁与芯管6的外壁之间均为间隙配合；
底座5的下端面同轴开设有凹槽，垫座2为空心圆柱，上端嵌入底座5下端面上的凹槽内，垫座2的侧壁开设有供导水管1穿过的贯穿孔；底座5的上端面同轴开设有供外模7下端嵌入的凹槽，外模7的下端嵌入该凹槽内，外模7下端与底座5上表面平齐的位置开设有一圈卡槽，卡槽处设有压环4，外模7与底座5通过卡环4固定连接，压环4与底座5之间设有密封圈；
本发明的土壤水分提取装置，包括脱模底座10、水样收集装置、上述压滤装置以及为上述压滤装置进行轴向施压的轴向加压装置，轴向加压装置为液压压力机，水样收集装置与压滤装置的导水管1的出口连接；脱模底座10为空心圆柱，脱模底座10上端的内圈向下开设有凹槽，该凹槽的孔径不小于外模7的外径，脱模底座10的内径大于外模7的内径，小于外模7的外径。
本发明的土壤水分提取装置，解决了传统压榨技术中的不足，该仪器操作简单方便，实验周期短，收集的水样不受污染。
本发明的土壤水分提取方法，其过程如下：
向外模7中装入土样，再将柱塞8从外模7的上端插入外模7内，并使芯管6的上端伸入柱塞8的中心孔内；
再将装有土样的压滤装置放置在轴向加压装置上，芯管6、外模7、柱塞8和底座5的轴线与轴向加压装置的施力方向同轴；
将导水管1与水样收集装置连接；
再通过轴向加压装置下压柱塞8，土样中的水分透过过滤膜并从芯管6上的透水微孔6-1流入芯管6的内腔，再通过导水管1进入水样收集装置中。
实施例
本实例的土壤水分提取装置，装置包括压滤装置、水样收集装置和轴向加压装置，压滤装置是整个装置的核心部件，如图1所示本实施例的垫座2为空心圆柱，圆柱一边开有小口，水样收集装置导水管通过此口与底座5连接，进而与芯管6连接。
底座5下部与垫座2通过凹槽契合，上部通过凹槽与盛装土样的外模7契合，底座5中心有一空心圆孔，圆孔接有芯管螺栓3，芯管螺栓3上部与芯管6连接，芯管螺栓3下部通过导水管1与水样收集装置连接，底座5上表面边缘处等间距开设有的8个螺孔，底座5通过螺丝、8个螺孔与压环4连接来固定外模7。
芯管6为空心圆管，底部有内外螺纹，通过芯管螺栓3和外螺纹与底座5固定连接，芯管6的上部有内六角螺孔，便于芯管6的安装与拆卸，芯管6管身从底部往上每隔10mm有一排透水微孔6-1，芯管6沿周向设置8列透水微孔6-1，过滤膜包裹在芯管6管身外，压滤过程中土样中水分通过芯管6管身的透水微孔6-1流向芯管6的内孔中，再通过导水管流向水分收集装置，不同层土样中的水分可以直接从该层处的微孔流出，确保样品均匀释水。
盛庄土样的外模7下部与底座5顶部的凹槽契合，契合后外模7与底座5高度齐平处有凹槽，该凹槽可紧密放入压环4，压环4为两个半圆形的压环拼接而成，每个半圆有等距的4个与底座5上的螺纹孔相对应螺纹孔，压环4与底座5之间设有密封圈，密封圈能够防止水从底座与外模连接处流出。
柱塞8外壁与外模7内壁之间间隙配合，柱塞8的中心为具有空心圆孔，空心圆孔与芯管6间隙配合，确保在实验时柱塞8能够沿外模7内部缓缓挤入，球形垫座9直径与柱塞8一致，放置在柱塞8的上端面，液压压力机将压力通过球形垫座9传递给柱塞8，防止柱塞8长时间受压磨损。
脱模底座10可与底座5更换使用，脱模底座10为空心圆柱，脱模底座10内直径比外模7内径大20mm，脱模底座10上表面边缘与底座5相同位置有8个螺孔，通过压环4使得脱模底座10与外模7固定。
压滤装置组合连接好后，底部通过导水管1与水样收集装置连接，顶部通过液压压力机向压滤装置施加压力。
水样收集装置为真空装置，真空环境通过医用吸痰器生成，医用吸痰器收集量筒刻度精密，更换方便且密封良好。液压压力机可精确控制施加压力。
本实施例中垫座2、芯管螺栓3、压环4、底座5、芯管6、外模7、柱塞8、球形垫座9和脱模底座10均采用高强度不锈钢制成。
通过液压压力机提供持续稳定的压力使得土体缓慢变形而释水，不存在岩土体损坏现象，且该装置可以承受液压压力机提供的超大压力，可以极大程度提取土壤中的水分，包括自由水和弱结合水，可以用来研究土壤中水分含量及水分类型
本实施例的土壤水分提取方法，其具体步骤如下：
1)将底座5放置在垫座2上，通过凹槽将垫座2与底座5固定牢靠，芯管6与芯管螺栓3连接到底座5上部和下部，芯管6外部包裹一层孔径为15微米的过滤膜，出水管1的一端与芯管螺栓3连接，出水管1的另一端从垫座2缺口处引出，接到水样收集装置上；
2)将用于盛装土样的外模7放置在底座5的上端，外模7与底座5通过底座5上端面的凹槽契合牢靠，再放置垫圈和压环4，使用螺丝将外模7、底座5和压环4以及密封圈固定紧密，确保不漏水；
3)向外模7中装入土样，土样为粘性土、松散土或淤泥软土；
4)从外模7顶部放入柱塞8，将压滤装置放置在液压压力机上，柱塞8上放置球形垫座9，打开液压压力机通过球形垫座9向柱塞8施加压力，压力通过液压压力机的控制台精确控制，最大可至400Mpa，同时打开水样收集装置，此时土样中的水分便会从导水管1流向收集装置中；
5)试验中，对土体样品施加的压力是从小到大逐渐增加，确保孔隙水从大孔隙到小孔隙被均匀挤压，避免了对土体直接施加高压，避免了部分孔隙水被封闭在土壤中；
6)土样水分提取完全后，取下水分提取装置，拆下垫座2和底座5，换上脱模底座10，采用同样的方式通过压环4将脱模底座10和外模7固定在一块，再将装置放置在液压压力机上，向柱塞8施加压力，使得土样从外模7中挤出至脱模底座10中。
本发明提供的土壤水分提取装置可以精确控制所施加压力的范围和调节性，解决了传统压榨机对土壤水分提取时的成本高、损耗大、水样易污染、施加压力范围小、提取精度低和卸样安全性等问题，实验数据可以提供精确的土壤水分含量值，以及在不同压力下土壤中的水分损失情况，可为土壤中不同类型孔隙水的研究提供参考数据，同时在不同压力下损失水分的化学成分研究也可以为水化学研究提供相应参考数据。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。