用于土体的固液分离装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型基于离心原理提供一种用于土体的固液分离装置，通过该装置在离心作用下土体向离心作用方向运动的原理，在该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。用于土体的固液分离装置由螺纹拧接的土样放置部分与存水部分构成。将带土样的用于土体的固液分离装置与离心机相连接并启动离心机，在离心作用下，土体中仅水分过透水石进入存水区，通过对存水区水量的计量，可得土体在离心作用下的排水量。该装置可分离土中的液态水，同时可用于土体的排水固结的测试。有益效果是该装置具备测试直观、计量方法明确、构造合理、操作简便、价格低廉特点，为土体的排水固结过程研究提供了依据。
【专利说明】
用于土体的固液分离装置
技术领域
[0001] 本实用新型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】
[0002] 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。
[0003] 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一温度变化曲线，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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 本实用新型目的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。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型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。
[0007] 本实用新型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co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 c〇2rkA/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】
[0008] 图1为本实用新型用于土体的固液分离装置效果图；
[0009] 图2为本实用新型用于土体的固液分离装置的土样放置部分侧视图；
[0010] 图3为本实用新型用于土体的固液分离装置的存水部分侧视图；
[0011] 图4为本实用新型用于土体的固液分离装置的土样放置部分俯视图；
[0012] 图5为本实用新型用于土体的固液分离装置的存水部分俯视图；
[0013]图6为离心机原理图；
[0014]图7为不同离心参数下某土样的固液分离曲线。
[0015] 图中：
[0016] 1.固液分离装置盖2.土样放置区3.透水石层4.螺纹
[0017] 4-1.凸螺纹4-2.凹螺纹5.存水区6.固液分离装置壁
[0018] 7.安装挡板8.离心机操作盖板9.离心机安置槽
[0019] 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】
[0020] 结合附图对本实用新型的用于土体的固液分离装置结构加以说明。
[0021] 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。
[0022] 本实用新型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。
[0023] 本实用新型的用于土体的固液分离装置【具体实施方式】如下：
[0024]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。
[0025]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。
[0026]本实用新型的用于土体的固液分离装置功能推导如下：
[0027]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 [0028] F=m?2r (1)
[0029]式（1)中m为土中某水微粒的质量；co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);
[0030] 相对离心力Frc
[0031] Frc = F/ff=mco 2r/mg= w2r/g (2)
[0032]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); 〇指用 于土体的固液分离装置的圆周运动的角速度(rad/s) 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);
[0033] 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
[0034] Q - k^fA (3)
[0035] 式(3)中k为透水石渗透系数(cm/s);h为透水石厚度(cm); AH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AH的计算如式(4)所 示
(4)
[0037] 式(4)中P为水的密度，取P = 1.0g/cm3，g为重力加速度，取g = 980.6cm/s2。取透水 石层厚度为1.〇cm，则将式(1)和式(2)、式(4)带入式(3)，得土体中的排水量见式(5)
(5)
[0039]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《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《，土体中排水量不在增加。 [0040] 表1不同离心参数下的土中水排量
[0042]注:r一一物体圆周运动的半径；
[0043] K--为透水石渗透系数；
[0044] A一一用于土体的固液分离装置横截面的内径面积。
[0045]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。
[0046]表2不同离心参数下的某土体固液分离情况
[0048]注:ti 一前i时刻分离出液体总质量。
[0049]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。
[0050] 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。
[0051] 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，本实用 新型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。凡依据本实用新型 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，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种用于土体的固液分离装置，其特征是：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)。
【文档编号】B04B5/00GK205628319SQ201620395683
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】陈之祥, 李顺群, 高凌霞, 朱希, 周亚东, 王杏杏, 马锐敏, 尚军
【申请人】天津城建大学