技术领域
本发明属于岩土工程的土中水含量测试领域，可用于土体固结作用下排
水量的监测，以及用于冻土中未冻水含量监测的用于土体的固液分离装置。
背景技术：
土是由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水和气体组成，是多相、分散、多
孔的系统。水常以不同的形式和状态存在于土中，并与土粒相互作用；土中
水分为结合水和孔隙中的自由水，尤其以孔隙中液态的自由水对土体的工程
性质影响最大。在常温土体施工过程中，确定土中液态的自由水含量，对评
估土体施工难度和预测土体强度具有重要价值。在地铁联络通道冻结法施工
过程中，确定冻土中未冻水含量，对施工的安全性和可行性均具有重要价值。
烘干法可测得常温土体中总体含水率，包含部分弱结合水和水汽，非液
态的自由水含量。确定冻土中未冻水含量有基于分析冻土冻融过程中时间—
温度变化曲线，从而推求冻融过程中未冻水含量特征曲线，进而预测各时点
未冻水含量的间接方式；也有基于核磁共振测试系统的直接测试方式。由于
土体的配合比及颗粒结构与形式的不同，以某一种土推导出的未冻水含量特
征曲线与具体土体的对应必然存在差值；核磁共振装置测试由于其成本较
高，操作难度大，推广难度极大。确定土中自由水含量和确定冻土中未冻水
含量对工程施工和防灾减灾是非常重要的。
目前，土体中水含量测试领域存在问题：常规的离心机附带的装置只能
固结土样和固液分界，不能进行固液分离。烘干法只能测得总体含水率并非
液态的自由水含量，烘干法难以有效衡量液态的自由水对土体强度及变形的
影响。以间接方式测得的冻土中未冻水含量的理论值必然与真实值存在差
值；核磁共振装置测试方式由于其成本高，操作难度大，不易推广使用。因
而，迫切需要一种简洁、实用且直观的用于分离土中水的装置，该种装置对
解决岩土工程中的变形与强度问题具备现实意义。
技术实现要素：
本发明目是提供一种用于土体的固液分离装置，实现土体中液态水含量
的直接测试，且该发明须具备操作简便、原理鲜明、计算便捷等特征，以便
于土体中液态水含量的确定。
为实现上述目的，本发明基于离心原理提供一种用于土体的固液分离装
置，其中：该装置包括有通过螺纹拧接的土样放置部分及存水部分，所述土
样放置部分包括有固液分离装置盖、土样放置区，土样放置区为底部是圆环
状中空挡板的空心柱状管体，固液分离装置盖与土样放置区端口相连形成一
体，土样放置区底部挡板上粘接有透水石层，所述存水部分为存水区。
本发明的效果是该装置具备测试直观、计算方法明确、操作简便、价格
低廉等特点，为认识土体内部的液态水含量提供一种便捷手段。设透水石层
的渗透系数为k，则在离心作用ω的效应下，断面面积为A的用于土体的固
液分离装置在离心作用下的排水量为ω2rkA/961576.36。排水量与原土样质量
之比即为土体的土水比，利用土水比可以评估土体的施工难度和预测土体强
度，进而有效保障施工的安全性。
附图说明
图1为本发明用于土体的固液分离装置效果图；
图2为本发明用于土体的固液分离装置的土样放置部分侧视效果图；
图3为本发明用于土体的固液分离装置的存水部分侧视效果图；
图4为本发明用于土体的固液分离装置的土样放置部分俯视图；
图5为本发明用于土体的固液分离装置的存水部分俯视图；
图6为离心机原理图；
图7为不同离心参数下某土样的固液分离曲线。
图中：
1.固液分离装置盖2.土样放置区3.透水石层4.螺纹
4-1.凸螺纹4-2.凹螺纹5.存水区6.固液分离装置壁
7.安装挡板8.离心机操作盖板9.离心机安置槽
10.离心机控制面板11.离心机动力及变速装置12.离心机电源线
具体实施方式
结合附图对本发明的用于土体的固液分离装置结构加以说明。
本发明的用于土体的固液分离装置设计原理：通过用于土体的固液分离
装置在离心作用下土体整体向离心作用方向运动的原理，在用于土体的固液
分离装置中设置分区并用透水石阻断土颗粒的离心运动方向，进而分离出土
体中的水分。
本发明的用于土体的固液分离装置，该装置包括有通过螺纹拧接的土样
放置部分及存水部分，所述土样放置部分包括有固液分离装置盖1、土样放
置区2，土样放置区2为底部是圆环状中空挡板的空心柱状管体，固液分离装
置盖1与土样放置区2端口相连形成一体，土样放置区2底部挡板上粘接有透
水石层3，所述存水部分为存水区5。
本发明的用于土体的固液分离装置具体实施方式如下：
第一，用于土体的固液分离装置，该装置包括有通过螺纹4拧接的土样
放置部分及存水部分，所述土样放置部分包括有固液分离装置盖1、土样放
置区2，土样放置区2为底部是圆环状安装挡板7的空心柱状管体，固液分
离装置盖1与土样放置区2端口相连形成一体，透水石层3与土样放置区2
内底部安装挡板7粘接牢固，固液分离装置壁6与透水石层3之间的空隙由
密封胶体填充，土样放置区2底部端口有凸螺纹4-1用于与存水区拧接，土
样放置部分成型效果的侧视图与俯视图分别如图2、图4所示。所述存水部
分为存水区5，存水区5上部端口有凹螺纹4-2设置于固液分离装置壁6内
侧，用以与土样放置部分拧接，存水部分成型效果的侧视图与俯视图分别如
图3、图5所示。用于土体的固液分离装置的土样放置部分与存水部分组装
效果如图1所示。
第二，用于土体的固液分离装置的使用，如图6所示，将带土样的用于
土体的固液分离装置放入离心机安置槽9，关闭离心机操作盖板8；接通离
心机电源线12并检查离心机动力及变速装置11的运行情况，检查完成后，
操作离心机控制面板10启动离心机，离心作用完成后存水部分即存水区5
的水质量即为土体中液态水含量。
本发明的用于土体的固液分离装置功能推导如下：
离心作用下某水微粒的所受的离心力F的计算公式如式(1)所示
F＝mω2r(1)
式(1)中m为土中某水微粒的质量；ω指用于土体的固液分离装置的圆
周运动的角速度(rad/s)；r指离心机转轴与用于土体的固液分离装置中某水
微粒的距离(cm)；
相对离心力FrcFrc＝F/W＝mω2r/mg＝ω2r/g(2)
式(2)中g为重力加速度，取g＝980.6cm/s2；m为土中某水微粒的质量
(g)；ω指用于土体的固液分离装置的圆周运动的角速度(rad/s)；r指离心
机转轴与用于土体的固液分离装置中某水微粒的距离(cm)；
根据土体在离心作用下排水情况，依据达西定律求得相对离心力的等效
水头作用下土体中的排水量Q
Q=kΔHhA---(3)]]>式(3)中k为透水石渗透系数(cm/s)；h为透水石厚度(cm)；△H为离心力
F等效的水头高度；A为用于土体的固液分离装置横截面的内径面积(cm2)；
其中△H的计算如式(4)所示
ΔH=Frcρg---(4)]]>式(4)中ρ为水的密度，取ρ＝1.0g/cm3，g为重力加速度，取g＝980.6cm/s2。
取透水石层厚度为1.0cm，则将式(1)和式(2)、式(4)带入式(3)，
得土体中的排水量见式(5)
Q=ω2rkA961576.36---(5)]]>不同离心作用下土中水排量见表1所示。由于土中水在高势能下自身产
生向离心作用方向的运动，故不考虑土体内部渗透系数的影响。实际排水量
仅限于土体中的自由水含量，不包括土中结合水；土体中的排水量并非随着
离心参数ω的增大而持续增大，当土体中的自由水在离心作用下排出完成
后，继续增加离心参数ω，土体中排水量不在增加。
表1不同离心参数下的土中水排量
注：r——物体圆周运动的半径；
K——为透水石渗透系数；
A——用于土体的固液分离装置横截面的内径面积。
实施例：某初始含水率为23.11％的土样依据本装置在离心作用下对其在
不同离心参数(取t＝3min)作用下各时点的排水量进行监测，测得效果见表
2，不同离心参数下的某土体固液分离曲线如图7所示。
表2不同离心参数下的某土体固液分离情况
注：ti—前i时刻分离出液体总质量。
由表2可知，该土样在初始离心作用下10000r/min运行3min后，土体
中排水量较大；土样在依次进行的离心作用下，排水量增长缓慢；至第6次
离心作用开始，土体中排水量基本不再增加；至第8次土样中排水量不在增
加，则该土样液态的自由水含量为第8次离心作用下的排水量。
本装置的特点是测试直观、计算方法明确、构造合理、操作简便、价格
低廉，便于工程中土体液态水含量的确定。为土体排水固结过程的研究提供
了依据，为认识土体内部的液态水含量提供一种便捷手段。
以上所述仅为结合本次制作过程进行说明，对于本领域的技术人员来
说，本发明可有各种变化和更改，比如更改本装置外观尺寸、变换所用材料
等。凡依据本发明的对本类装置进行分区达到固液分离精神和原则之内，所
作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。