专利摘要

本发明公开了一种非饱和冻土的离心机系统及基质势测试方法，本发明通过公转对四个土样进行离心排水，可一次性获得多组数据点，通过自转维持土样体积不因压密而发生较大变形，使基质势计算结果更加准确；离心水收集装置位于离心管两端，可实时收集离心排出的水，在某一转速下离心结束后可从离心管上取下称重，无需每次拆卸离心管，倒出所排水，实现连续测量；所述温控装置通过在离心管周围通循环液控制土样的离心温度，通过调整储液箱中循环液温度可实现正负温控制。本发明根据离心机转速、排水量和离心温度，计算并绘制出非饱和冻土基质势、温度和未冻水含量之间的关系曲线，直观表现非饱和冻土的土水特征和冻结特性。

权利要求

1.一种非饱和冻土的离心机系统，其特征在于，包括离心装置、离心水收集装置、温控装置和智能控制装置；

所述离心装置用于分离非饱和冻土中的未冻水，包括旋转装置、紧固部件和离心管，所述旋转装置包括公转装置和低速自转装置，低速自转装置设置于离心管下方；所述公转装置包括中心转轴、旋转臂，旋转臂的末端设有自由转子，自由转子的下端设有与之连接的旋转轴；所述低速自转装置包括自转转轴、以及安装在自转转轴上的自转转盘；所述紧固部件设置于旋转轴和自转转轴之间，包括上套环、下套环和紧固螺栓，上套环固定于所述旋转轴的末端，下套环固定于所述自转转轴的末端，紧固部件用于离心管的固定，在公转装置和低速自转装置的作用下，使离心管公转的同时进行低速自转；所述离心管包括管身、内置螺旋管，所述管身为两端带有凸起螺纹的圆筒形结构，管身包括管身外壁和管身内壁，管身外壁和管身内壁之间形成中空腔，中空腔内设有内置螺旋管，内置螺旋管的入口端和出口端位于离心管的同一侧；

所述离心水收集装置设置于离心管的两端，包括集水筒和透水部件，集水筒通过螺纹旋进固定于离心管的两端，连接成整体，通过旋出可以将其拆卸；

所述温控装置包括储液箱、导管，储液箱固设于自转转盘上，导管沿自转转轴往上延伸，通过金属套管与内置螺旋管的入口端和出口端连接，储液箱内装有循环液；

所述智能控制装置用于控制公转装置和低速自转装置的转速，控制离心管的温度，以及数据的采集与记录。

2.根据权利要求1所述的非饱和冻土的离心机系统，其特征在于，所述的集水筒包括筒身、以及设置于筒身内的防水隔板，防水隔板与筒身底部组合形成闭合空腔，防水隔板设有防水透气阀和止回阀，防水隔板上设有上下两个螺纹孔，防水透气阀安装于上螺纹孔上，止回阀安装于下螺纹孔上，且止回阀的出水端设置于闭合空腔内；所述筒身的侧面设有通气孔，筒身开口处设有与离心管两端凸起螺纹相吻合的凹陷螺纹，凹陷螺纹的内侧设有带卡扣的环形定位圈。

3.根据权利要求2所述的非饱和冻土的离心机系统，其特征在于，所述的透水部件呈圆形，包括透水石、滤纸，透水石通过卡扣固定于筒身的环形定位圈上，滤纸设置于透水石和土样之间，实现对未冻水的过滤。

4.根据权利要求1所述的非饱和冻土的离心机系统，其特征在于，所述的循环液为冻结温度较低、无毒的物质，优选为酒精。

5.根据权利要求1所述的非饱和冻土的离心机系统，其特征在于，所述的智能控制装置受计算机控制，用于转速与温度的显示。

6.根据权利要求1～5中任一项所述离心机系统测量非饱和冻土的基质势、温度变化和持水率之间的关系，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备土样：用环刀取需测量的同一种土的土样，每四个土样为一组，每组土样土颗粒质量为MS，将其浸水抽气饱和；

(2)称重：称量全空状态下的离心水收集装置的质量mj0；

(3)装样：将环刀与土样一起放入四个离心管，再安装好集水筒、透水石和滤纸，分别称量整体的质量并将其用紧固部件固定；

(4)设置参数：设置离心机公转速度ng1和四个自转转盘的自转速度nz1，分别设置四个储液箱内循环液温度T1、T2、T3、T4(其中T1为正温温度，其余为负温温度)，设定测量时间；

(5)待第一级转速下离心结束，测出四个在不同温度下的土样排出水的质量Mj1,T1、Mj1,T2、Mj1,T3、Mj1,T4；

(6)将离心水收集装置装回对应离心管两侧，设定下一级离心机公转速度ngm和四个自转转盘的自转速度nzm，在每一级转速下重复步骤(4)至步骤(5)，测得对应转速和温度下的各土样排水量Mjm,T1、Mjm,T2、Mjm,T3、Mjm,T4；

(7)设定最后一级离心机公转速度ngu和四个自转转盘的自转速度nzu，得到对应的排水量Mju,T1、Mju,T2、Mju,T3、Mju,T4，计算出转速ng(u-1)的对应的持水率θj(u-1),Tn＝(Mju,Tn-Mj(u-1),Tn)/MS，同理依次计算得到转速ng(u-2)的对应的持水率θj(u-2),Tn，算至θj1,Tn；

(8)调整温度：设置下一组温度T1′、T2′、T3′、T4′，重复步骤(3)至步骤(7)；

(9)计算冻土的基质势ψ；

(10)得到非饱和冻土的基质势ψ、温度T和持水率θ之间的关系曲线。

7.根据权利要求6所述离心机系统测量非饱和冻土的基质势、温度变化和持水率之间的关系，其特征在于，步骤(9)中，冻土的基质势ψ由以下方式得到：

由于土样在公转的同时有自转，土样的体积变化在此方式下体积变化接近为0，因此不用对土样高度进行修正：

式(1)中：

n为公转转速(单位：转/分)；

r1为中心转轴至离心管离心时最外侧的距离(单位：厘米)；

h为土样中心至离心管离心时最外侧的距离(单位：厘米)。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种非饱和冻土的离心机系统及基质势测试方法。

背景技术

永久性冻土和季节性冻土在陆地上分布较广，在温度变化的作用下容易发生冻胀或融沉，对寒区的高铁和高速公路产生较大危害。现有研究表明，温度变化和土体中的水分迁移是诱发冻融的重要因素，而土体中基质势是控制水分迁移的关键性因素。

在非饱和土中，基质势与含水量之间的关系可用土水特征曲线(SWCC)表示。研究表明，在土体冻结的过程中，土体的持水能力有所提高，若将土颗粒与冰晶体视为一种混合基质，则说明混合基质的吸力在冻结时存在增大的现象，为研究混合基质势变化的具体机制，研究学者从测量冻土中未冻水含量出发，并建立了相应的模型。目前在冻土领域，冻结特征曲线(SFCC)被视为与SWCC一样是能描述土体基本性质的一个重要媒介，其反映了冻土中未冻水含量与温度之间的关系。因此，如何将二者结合，综合研究非饱和冻土的基质势、未冻水含量与温度三者之间的关系，成为目前冻土领域的学者普遍关心的课题。然而在现有的研究中，大部分是分别测量非饱和冻土的SWCC和SFCC所需数据，进而得到两条曲线，该方法测量周期较长且较难反映同一土样在同一时刻的性质；另有学者通过试验测得其中一条曲线，再基于SWCC和SFCC的相似性预测另一条曲线，但其准确性尚需验证。

离心机法是一种能快速测量土样SWCC的方法，其原理是用离心场模拟重力场，通过调整转速获得不同离心力，记录下对应的含水率，进而得到土样基质势与含水量的关系。但是，目前的离心机法存在以下缺点：(1)只能测得土样在正温下的SWCC，需要借助其他方法测得在负温下的SFCC；(2)离心过程中土样高度变化会影响土水势计算结果的准确性；(3)在某一转速下离心结束之后需取出含土样的离心管称重，倒出离心出的水，配平衡之后放回，过程较繁琐，在连续测量方面有待改进。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非饱和冻土的离心机系统及基质势测试方法，通过所述离心机系统可以快速得出非饱和冻土的基质势、温度变化和水分迁移之间的关系。

本发明提供一种非饱和冻土的离心机系统，包括离心装置、离心水收集装置、温控装置和智能控制装置；

所述离心装置用于分离非饱和冻土中的未冻水，包括旋转装置、紧固部件和离心管，所述旋转装置包括公转装置和低速自转装置，低速自转装置设置于离心管下方；所述公转装置包括中心转轴、旋转臂，旋转臂的末端设有自由转子，自由转子的下端设有与之连接的旋转轴；所述低速自转装置包括自转转轴、以及安装在自转转轴上的自转转盘；所述紧固部件设置于旋转轴和自转转轴之间，包括上套环、下套环和紧固螺栓，上套环固定于所述旋转轴的末端，下套环固定于所述自转转轴的末端，紧固部件用于离心管的固定，在公转装置和低速自转装置的作用下，使离心管公转的同时进行低速自转；所述离心管包括管身、内置螺旋管，所述管身为两端带有凸起螺纹的圆筒形结构，管身包括管身外壁和管身内壁，管身外壁和管身内壁之间形成中空腔，中空腔内设有内置螺旋管，内置螺旋管的入口端和出口端位于离心管的同一侧；

所述离心水收集装置设置于离心管的两端，包括集水筒和透水部件，集水筒通过螺纹旋进固定于离心管的两端，连接成整体，通过旋出可以将其拆卸；

所述温控装置包括储液箱、导管，储液箱固设于自转转盘上，导管沿自转转轴往上延伸，通过金属套管与内置螺旋管的入口端和出口端连接，储液箱内装有循环液；

所述智能控制装置用于控制公转装置和低速自转装置的转速，控制离心管的温度，数据的采集与记录。

在一个具体的实施方式中，所述的集水筒包括筒身、以及设置于筒身内的防水隔板，防水隔板与筒身底部组合形成闭合空腔，防水隔板设有防水透气阀和止回阀，防水隔板上设有上下两个螺纹孔，防水透气阀安装于上螺纹孔上，止回阀安装于下螺纹孔上，且止回阀的出水端设置于闭合空腔内；所述筒身的侧面设有通气孔，筒身开口处设有与离心管两端凸起螺纹相吻合的凹陷螺纹，凹陷螺纹的内侧设有带卡扣的环形定位圈。

在一个具体的实施方式中，所述的透水部件呈圆形，包括透水石、滤纸，透水石通过卡扣固定于筒身的环形定位圈上，滤纸设置于透水石和土样之间，实现对未冻水的过滤。

在一个具体的实施方式中，所述的循环液为冻结温度较低、无毒的物质，优选为酒精。

在一个具体的实施方式中，所述的智能控制装置受计算机控制，用于转速与温度的显示。

本发明还提供一种利用所述离心机系统测量非饱和冻土的基质势、温度变化和持水率之间的关系，包括如下步骤：

(1)制备土样：用环刀取需测量的同一种土的土样，每四个土样为一组，每组土样土颗粒质量为MS，将其浸水抽气饱和；

(2)称重：称量全空状态下的离心水收集装置的质量mj0；

(3)装样：将环刀与土样一起放入四个离心管，再安装好集水筒、透水石和滤纸，分别称量整体的质量并将其用紧固部件固定；

(4)设置参数：设置离心机公转速度ng1和四个自转转盘的自转速度nz1，分别设置四个储液箱内循环液温度T1、T2、T3、T4(其中T1为正温温度，其余为负温温度)，设定测量时间；

(5)待第一级转速下离心结束，测出四个在不同温度下的土样排出水的质量Mj1,T1、Mj1,T2、Mj1,T3、Mj1,T4；

(6)将离心水收集装置装回对应离心管两侧，设定下一级离心机公转速度ngm和四个自转转盘的自转速度nzm，在每一级转速下重复步骤(4)至步骤(5)，测得对应转速和温度下的各土样排水量Mjm,T1、Mjm,T2、Mjm,T3、Mjm,T4；

(7)设定最后一级离心机公转速度ngu和四个自转转盘的自转速度nzu，得到对应的排水量Mju,T1、Mju,T2、Mju,T3、Mju,T4，计算出转速ng(u-1)的对应的持水率θj(u-1),Tn＝(Mju,Tn-Mj(u-1),Tn)/MS，同理依次计算得到转速ng(u-2)的对应的持水率θj(u-2),Tn，算至θj1,Tn；

(8)调整温度：设置下一组温度T1′、T2′、T3′、T4′，重复步骤(3)至步骤(7)；

(9)计算冻土的基质势ψ；

(10)得到非饱和冻土的基质势ψ、温度T和持水率θ之间的关系曲线。

在一个具体的实施方式中，步骤(9)中，冻土的基质势ψ由以下方式得到：

由于土样在公转的同时有自转，土样的体积变化在此方式下体积变化接近为0，因此不用对土样高度进行修正：

式(1)中：

n为公转转速(单位：转/分)；

r1为中心转轴至离心管离心时最外侧的距离(单位：厘米)；

h为土样中心至离心管离心时最外侧的距离(单位：厘米)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明采用了温控装置，当在正温下进行离心试验时，可和传统离心机一样用于测定土样的SWCC，当在负温下进行离心试验，则可测定非饱和冻土的基质势、温度变化和持水率之间的关系。

2)本发明在离心机中增加了低速自转装置，可有效防止离心过程中土样受到压密作用而发生体积变化，影响试验中的基质势数值。

3)本发明采用可拆卸集水装置对离心水进行收集，通过称重得出每个转速下的排水量，保证测量连续性，不用每次都将排出的水分倒出并测量，缩短了试验周期。

4)本发明将离心筒用紧固部件固定于低速自转装置和公转装置之间，一方面能有效防止离心过程中离心管发生位移，另一方面，由于自转转轴为刚性，可平衡一部分由于土样结冰过程质量变化导致的离心力偏差，省去了传统离心装置的平衡管装置。

附图说明

图1为本发明离心机试验系统示意图。

图2为本发明一个实施例的离心管和离心水收集装置连接时的剖面图。

图3为图1的俯视图。

图4为非饱和冻土的基质势ψ、温度T和持水率θ之间的关系曲线。

其中，图中序号：

1-离心装置；

11-离心管；110-管身；111-内置螺旋管；112-凸起螺纹；113-管身外壁；114-管身内壁；115-入口端；116-出口端；

12-中心转轴；13-旋转臂；14-自由转子；15-旋转轴；16-自转转轴；17-自转转盘；181-上套环；182-下套环；183-紧固螺栓；

2-离心水收集装置；21-集水筒；22-筒身；23-防水隔板；24-闭合空腔；25-防水透气阀；26-止回阀；27-通气孔；28-凹陷螺纹；291-环形定位圈；292-透水石；293-滤纸；

3-温控装置；31-储液箱；32-导管；33-金属套管；

4-智能控制装置；

5-土样；

6-环刀。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示，本实施例公开的非饱和冻土的离心机系统，包括离心装置1、离心水收集装置2、温控装置3和智能控制装置4；

离心装置1用于分离非饱和冻土中的未冻水，包括旋转装置、紧固部件和离心管11，旋转装置包括公转装置和低速自转装置，低速自转装置设置于四个离心管11下方；公转装置包括中心转轴12、旋转臂13，旋转臂13的末端设有自由转子14，自由转子14的下端设有与之连接的旋转轴15；低速自转装置包括自转转轴16、以及安装在自转转轴16上的自转转盘17；紧固部件设置于旋转轴15和自转转轴16之间，包括上套环181、下套环182和紧固螺栓183，上套环181固定于旋转轴15的末端，下套环182固定于自转转轴16的末端，紧固部件用于离心管11的固定，在公转装置和低速自转装置的作用下，使离心管公转的同时进行低速自转；离心管11包括管身110、内置螺旋管111，管身110为两端带有凸起螺纹112的圆筒形结构，管身110包括管身外壁113和管身内壁114，管身外壁113和管身内壁114之间形成中空腔，中空腔内设有内置螺旋管111，内置螺旋管111的入口端115和出口端116位于离心管的同一侧；

离心水收集装置2设置于离心管11的两端，包括集水筒21和透水部件，集水筒21通过螺纹旋进固定于离心管11的两端，连接成整体，通过旋出可以将其拆卸；集水筒21包括筒身22、以及设置于筒身内的防水隔板23，防水隔板23与筒身底部组合形成闭合空腔24，防水隔板23设有防水透气阀25和止回阀26，防水隔板23上设有上下两个螺纹孔，防水透气阀25安装于上螺纹孔上，止回阀26安装于下螺纹孔上，且止回阀26的出水端设置于闭合空腔24内；筒身22的侧面设有通气孔27，筒身22开口处设有与离心管两端凸起螺纹112相吻合的凹陷螺纹28，凹陷螺纹28的内侧设有带卡扣的环形定位圈291；透水部件呈圆形，包括透水石292、滤纸293，透水石292通过卡扣固定于筒身22的环形定位圈291上，滤纸293设置于透水石292和土样5之间，实现对未冻水的过滤；

温控装置3包括储液箱31、导管32，储液箱31固设于自转转盘17上，导管32沿自转转轴16往上延伸，通过金属套管33与内置螺旋管的入口端115和出口端116连接，储液箱31内装有循环液；循环液为冻结温度较低、无毒的物质，优选为酒精；

智能控制装置4用于控制公转装置和低速自转装置的转速，控制离心管的温度，以及数据的采集记录；智能控制装置受计算机控制，用于转速与温度的显示。

本发明实施例一种利用离心机系统测量非饱和冻土的基质势、温度变化和持水率之间的关系，包括如下步骤：

(1)制备土样：用环刀6取需测量的同一种土的土样，每四个土样为一组，每组土样土颗粒质量为MS，将其浸水抽气饱和；

(2)称重：称量全空状态下的离心水收集装置2的质量mj0；

(3)装样：将环刀6与土样5一起放入四个离心管11，再安装好集水筒21、透水石292和滤纸293，分别称量整体的质量并将其用紧固部件固定；

(4)设置参数：设置离心机公转速度ng1和四个自转转盘的自转速度nz1，分别设置四个储液箱内循环液温度T1、T2、T3、T4(其中T1为正温温度，其余为负温温度)，设定测量时间；

(5)待第一级转速下离心结束，从一个离心管两侧取下离心水收集装置2，称量出此时离心水收集装置2的质量mj1，求出排出水的质量Mj1,T1＝mj1-mj0，同样地，测出其余三个在不同温度下土样排出水的质量Mj1,T2、Mj1,T3、Mj1,T4；

(6)将离心水收集装置装回对应离心管两侧，设定下一级离心机公转速度ngm和四个自转转盘的自转速度nzm，在每一级转速下重复步骤(4)至步骤(5)，测得对应转速和温度下的各土样排水量Mjm,T1、Mjm,T2、Mjm,T3、Mjm,T4；

(7)设定最后一级离心机公转速度ngu和四个自转转盘的自转速度nzu，得到对应的排水量Mju,T1、Mju,T2、Mju,T3、Mju,T4，计算出转速ng(u-1)的对应的持水率θj(u-1),Tn＝(Mju,Tn-Mj(u-1),Tn)/MS，同理依次计算得到转速ng(u-2)的对应的持水率θj(u-2),Tn，算至θj1,Tn；

(8)调整温度：设置下一组温度T1′、T2′、T3′、T4′，重复步骤(3)至步骤(7)；

(9)计算冻土的基质势ψ；

由于土样在公转的同时有自转，土样的体积变化在此方式下体积变化接近为0，因此不用对土样高度进行修正：

式中：

n为公转转速(单位：转/分)；

r1为中心转轴至离心管离心时最外侧的距离(单位：厘米)；

h为土样中心至离心管离心时最外侧的距离(单位：厘米)；

(10)得到非饱和冻土的基质势ψ、温度T和持水率θ之间的关系曲线。

基于现有研究，在冻结过程中，非饱和冻土基质势的提高受土壤结冰作用的影响，相变时液态水压力由吸附水膜压力Pd和冰相尖点毛细力PS两部分组成。离心过程中毛细力PS被克服，毛细水被排出，留在土样中的为吸附水，则所测持水率θ为非饱和冻土中吸附水的含量。

本发明通过公转对四个土样进行离心排水，可一次性获得多组数据点，通过自转维持土样体积不因压密而发生较大变形，使基质势计算结果更加准确；离心水收集装置位于离心管两端，可实时收集离心排出的水，在某一转速下离心结束后可从离心管上取下称重，无需每次拆卸离心管，倒出所排水，实现连续测量；所述温控装置通过在离心管周围通循环液控制土样的离心温度，通过调整储液箱中循环液温度可实现正负温控制。本发明根据离心机转速、排水量和离心温度，计算并绘制出非饱和冻土基质势、温度和未冻水含量之间的关系曲线，直观表现非饱和冻土的土水特征和冻结特性。

一种非饱和冻土的离心机系统及基质势测试方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。