一种实时监测水量变化的恒压冻胀试验补排水装置的制作方法

本发明属于土体冻胀试验补排水技术领域，特别涉及一种实时监测水量变化的恒压冻胀试验补排水装置。

背景技术：

人工冻结技术以其安全性好、适用性广、灵活可控、绿色环保等优点，广泛用于煤矿立井建设工程、地铁联络通道、盾构进出井、盾尾刷更换等工程领域。但冻结法也存在一定的缺点，即冻胀融沉，冻结设计时应充分考虑地层的冻胀融沉特性。冻胀融沉实验分为开敞系统冻结试验和封闭系统冻结试验两种情况，其中开敞系统冻结试验与实际地层水文条件相似，被广泛采用。冻胀试验一般为单向冻结，水分在温度场的作用下向冷端移近或移出，宏观表现为冻胀吸水或排水现象，为使试验过程与实际地层相似，需要模拟恒定水压补水环境。以往冻胀试验采用马氏瓶作为补水装置，存在如下缺点：(1)由于马氏瓶是敞口设计，水分蒸发是不可避免的，水量计算时，产生一定误差；(2)由于马氏瓶采用的是刻度量测，读取刻度时，会产生一定的读数误差；(3)马氏瓶不能同时提供恒定的补排水压力，冻胀融沉细化分析时会产生一定误差。因此，需要发明一种能提供恒定补排水压力并能够实时纪录水量变化的补排水装置，同时水头高度可调。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：设计一种可提供恒定补排水压力并实时监测水量变化的冻胀补排水装置，为土层冻胀试验提供长期、稳定、恒压的补水条件，实时监测水量变化，研究冻胀水分迁移规律。

本发明的目的可通过以下技术方案来实现：

一种实时监测水量变化的恒压冻胀试验补排水装置，该装置包括恒压补排水系统和水量变化实时监测系统，其中，

恒压补排水系统包括可视化储水槽、恒压系统、给水系统；

所述可视化储水槽由外层玻璃筒、内层玻璃筒和“凸”字型底板构成，外层玻璃筒密封连接“凸”字型底板的整体部周缘，内层玻璃筒密封连接“凸”字型底板的凸出部周缘，构成内外筒结构；

所述恒压系统为：在“凸”字型底板的凸出部设置有第一溢流孔和补排水孔，在“凸”字型底板凸出部外围的整体部设置有第二溢流孔，第一溢流孔上端连接溢流管，下端连接U型管的一端，U型管的另一端连接第二溢流孔，所述补排水孔通过补排水管连接冻胀仪；

所述水量变化实时监测系统包括轮辐式压力传感器，该轮辐式压力传感器与可视化储水槽的底部连接并支撑可视化储水槽。

可选地，所述给水系统包括微型水泵，微型水泵设置在内外筒之间的“凸”字型底板上，其出水端连接给水软管的一端，给水软管的另一端伸入内筒中。

可选地，所述补排水管上设置有流量控制阀。

可选地，所述可视化储水槽设置有储水槽盖，储水槽盖上设置有把手。

可选地，该装置还包括水位高度调节系统，该调节系统承载所述轮辐式压力传感器。

可选地，所述水位高度调节系统包括由螺纹丝杆和下固定板组成的支撑框架，螺纹丝杆位于可视化储水槽的两侧，下固定板两端连接螺纹丝杆，所述轮辐式压力传感器安装固定于下固定板上，螺纹丝杆上设置有调节螺母，用于调节下固定板相对于螺纹丝杆的安装高度。

可选地，所述轮辐式压力传感器下部通过第一螺钉安装固定于下固定板，上部通过第二螺钉与可视化储水槽的“凸”字型底板中央连接固定。

可选地，每根螺纹丝杆上的调节螺母设置有两个，两个调节螺母分别安装在下固定板的上部和下部。

可选地，所述支撑框架还包括上固定板，上固定板设置在螺纹丝杆的顶部，通过固定螺母与螺纹丝杆连接固定。

可选地，所述轮辐式压力传感器通过静态应变仪连接计算机，或者所述轮辐式压力传感器直接连接计算机。

本发明专利的有益效果为：本发明冻胀试验补排水装置借助恒压补排水系统能够实现补排水的压力恒定不变，实现恒压冻胀；采用高精度轮辐式压力传感器实时监测水量变化，冻胀试验中水分迁移情况借助计算机可实时记录，自动记录数据，灵敏度高且量测结果精确可靠，可用于绘图；同时该装置可通过丝杆上下移动调节水位；储水桶配有顶盖，减少水分蒸发，受环境因素影响较小，可为冻胀实验提供长期、稳定的水源，更接近实际条件地研究冻胀水分迁移规律；本装置生产成本低，结构简单易安装，操作方法简单易行，具有很高的应用价值。

附图说明

图1为本发明模型主视图；

图2为本发明模型主视细部图；

图3为本发明模型侧视图；

图4为本发明模型侧视细部图；

图5为本发明模型俯视图；

图中：

1、固定螺母，2、上固定板，3、螺纹丝杆，4、储水槽盖，5、内层玻璃筒，6、溢流管，7、外层玻璃筒，8、给水软管，9、微型水泵，10、“凸”字型底板，11、内筒宝塔接头，12、第一螺钉，13、轮辐式压力传感器，14、下固定板，15、第二螺钉，16、内筒水位高度，17、把手，18、外筒水位高度，19、补排水孔，20、外筒宝塔接头，21、O型密封圈，22、调节螺母，23、U型软管，24、补排水管，25、流量控制阀，26、冻胀仪，27、“凸”字型底板的凸出部，28“凸”字型底板的整体部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

还需要说明的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

实施例1：一种实时监测水量变化的恒压冻胀试验补排水装置，该装置包括恒压补排水系统和水量变化实时监测系统，其构件及组成形式如图1至图5所示。

具体参见图1-2，恒压补排水系统包括可视化储水槽、恒压系统、给水系统；

可视化储水槽由外层玻璃筒7、内层玻璃筒5和“凸”字型底板10构成，外层玻璃筒7密封连接“凸”字型底板的整体部28周缘，内层玻璃筒5密封连接“凸”字型底板的凸出部27周缘，构成内外筒结构，两个玻璃筒与“凸”字型底板的密封连接可采用O型密封圈21实现连接部位密封不漏水。

内层玻璃筒5和外层玻璃筒7优选为圆柱有机玻璃筒，其高度透明性能够实现储水槽的可视化效果，便于对试验过程中水量变化的实时直观观测，同时有机玻璃也能够满足对水槽强度和轻量化的要求，便于对设备的安全搬移。

“凸”字型底板可选用金属底板，满足承重和强度的要求。

恒压系统为：在“凸”字型底板10的凸出部27设置有第一溢流孔(图2中内筒宝塔接头11)和补排水孔19，在“凸”字型底板凸出部外围的整体部设置有第二溢流孔(图2中外筒宝塔接头20)，第一溢流孔上端连接溢流管6，下端连接U型管23的一端，U型管优选为透明软管，便于安装以及对水体流动的观察，U型管的另一端连接第二溢流孔，所述补排水孔19通过补排水管24连接冻胀仪26。

上述溢流孔与溢流管6、U型管23，以及补排水孔19与补排水管24的连接优选为采用宝塔接头的方式进行连接，如图2中，分别为内筒宝塔接头11和外筒宝塔接头20，溢流管6优选为插拔式溢流管，直接与宝塔接通插接即可，便于安装拆卸。

所述水量变化实时监测系统包括高精度轮辐式压力传感器13，该传感器与可视化储水槽的底部连接并支撑可视化储水槽。由高精度轮辐式压力传感器13支撑可视化储水槽，能够适时监测可视化储水槽的重量变化，从而得出可视化储水槽中水量的变化。

继续参见图2，所述给水系统包括微型水泵9，微型水泵9设置在内外筒之间的“凸”字型底板上，其出水端连接给水软管8的一端，给水软管的另一端伸入内筒中，给水软管8可采用硅胶软管。

补水工作时，水泵将外层玻璃筒7中的水持续不断地抽排至内层玻璃筒5，当内筒水位高度高于溢流管6高度时(达到图2中内筒水位高度16)，水流通过U型管23溢流回外筒，从而维持在内筒水位高度16，使得通过补排水孔19、补排水管24流至冻胀仪26的补水压力恒定不变，达到补水压力恒定的目的。

排水工作时，从冻胀仪26排出的水经补排水管24流回至内筒，当内筒中水位高度高于溢流管6高度时(达到图2中内筒水位高度16)，内筒中的水经过溢流管6、U型管23溢流回外筒，从而维持在内筒水位高度16，达到排水压力恒定的目的。

进一步在补排水管24上设置有流量控制阀25，以控制补排水的补排水流量，用于调节最大(小)补排水量。

进一步在可视化储水槽上部布置储水槽盖4，边缘设置密封交圈，使储水槽封闭，尽量避免水分蒸发，减少试验环境对试验结果的影响。所述储水槽盖材质为有机玻璃，储水槽盖上设置有把手17。储水槽盖边缘布置一直径5mm的通孔，使槽内空气与大气联通便于水流排出并方便微型水泵电线引出。

实施例2：再参见图3-4，该装置还包括水位高度调节系统，该调节系统承载所述轮辐式压力传感器。借助水位高度调节系统，能够根据需要调整储水槽的高度，从而调节溢流管的溢流口的高度，也就是调节内筒水位高度16，达到调节补排水水头高度的目的。所述水位高度调节系统可以采用各种合适形式的升降装置，只要能够通过轮辐式压力传感器调节储水槽的高度即可。

参见图4，一种具体的水位高度调节系统，包括由螺纹丝杆3和下固定板14组成的支撑框架，螺纹丝杆3优选设置有两根，位于可视化储水槽的两侧，下固定板14位于两根螺纹丝杆3之间，下固定板14两端开有通孔，借助通孔套设在两端的螺纹丝杆上，所述轮辐式压力传感器安装固定于下固定板14上，螺纹丝杆上设置有调节螺母22(M18螺母)，用于调节下固定板相对于螺纹丝杆的安装高度。

轮辐式压力传感器具体通过第一螺钉12(M6内六角圆柱头螺钉)安装固定于下固定板，并通过第二螺钉15(M12内六角圆柱头螺钉)与可视化储水槽的“凸”字型底板10中央连接固定，此时可视化储水槽为点支撑。

调节螺母设置有两个，两个调节螺母分别安装在下固定板的上部和下部，从而便于上下两方向对高度的调节并能够对下固定板进行固定。

支撑框架还包括上固定板2，上固定板设置在螺纹丝杆的顶部，通过固定螺母1(M12固定螺母)与螺纹丝杆连接固定，设置上固定板2能够加强支撑框架的整体强度和稳定性。

再参见图1，使用过程中螺纹丝杆3底部通过固定螺母与底板连接固定。

所述轮辐式压力传感器13直接连接计算机，或者连接静态应变仪的一端，静态应变仪的另一端连接计算机，通过静态应变仪实时监测储水槽内的水量变化，对补排水量进行实时监测并实时记录，从而可得冻胀实验过程土样的水分迁移情况。

本发明的工作原理如下：

首先判断土体冻胀过程需补水还是排水，再预估补排水量的大小，初步选择合适高度的溢流管，内筒水位高度16即为溢流管高度(H0)，外筒最大水位高度18应低于溢流管高度20mm，“凸”字型金属底座上下台面高差H1，最低水位应淹没微型水泵(泵高H2)，则储水槽的最大补排水量为：其中，D1为外筒内直径，D2为内筒内直径。按试验要求向储水槽内注水，然后旋转限位螺母22，使溢流管上沿与试验要求补水高度齐平，最后将静态应变仪与计算机和高精度轮辐传感器连接、微型水泵插入电源，盖上储水槽盖，完成试验前准备工作。

试验开始时，微型水泵通电，外筒内的水经水泵泵送至内筒，内筒水位高于溢流管高度时，水体通过U型溢流管流回外筒，在此期间，冻胀试验补水过程的水压力一直维持不变，补进的水量均来自外筒，水量的实时变化过程会被应变仪自动记录在计算机上，分析数据得到不同冻胀阶段水分的迁移规律。冻胀试验排水过程中，从冻胀仪排出的水经补排水管流回至内筒，当内筒中水位高度高于溢流管高度时，溢流至外筒，从而维持内筒水位高度，水压力一直维持不变，排出的水量均排至外筒，水量的实时变化过程会被应变仪自动记录在计算机上，分析数据得到不同冻胀阶段水分的迁移规律。

以上实例，仅用为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明披露的技术范围内，可想到的变化或等同替换，都应涵盖在本发明的保护范围之中。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。