飽和軟土振動離心滲流儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種飽和軟土振動離心滲流儀，包括支架(23)，振動平臺(18)，玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒(66)，固定在振動平臺(18)上的旋轉(zhuǎn)電機(60)和注水部分。振動平臺由第一加載控制臺控制做水平方向振動；由第二加載控制臺控制做豎直方向振動；玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒(66)包括帶有刻度的筒壁、同軸的大空心圓柱透水石(20)和小空心圓柱透水石(8)，其材料為透水混凝土；玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒(66)中部為伸出筒底部的旋轉(zhuǎn)電機(60)的電機轉(zhuǎn)軸(4)；大空心圓柱透水石(20)的內(nèi)壁和小空心圓柱透水石(8)的外壁之間形成土樣槽(9)，在土樣槽(9)內(nèi)壁貼有濾紙(6)。本發(fā)明能夠更為準確地模擬動荷載作用下軟土滲流固結(jié)特性。
【專利說明】
飽和軟±振動離心滲流儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種飽和軟±振動離屯、滲流儀，尤其設(shè)及一種能根據(jù)水的滲流量來計 算在振動荷載和離屯、作用下飽和軟上滲透系數(shù)的滲流儀。
【背景技術(shù)】
[0002] ±體滲透特性是巖±工程特性研究的重要方面，度量±體滲透特性指標是滲透系 數(shù)，現(xiàn)有測量滲透系數(shù)的實驗裝置主要有常水頭達西滲流儀和變水頭達西滲流儀，該實驗 儀器對砂±滲透系數(shù)測量具有準確性高、技術(shù)成熟等優(yōu)點。
[0003] 但飽和軟±具有含水率高、壓縮性高、孔隙比高、承載能力低、滲透小高兩低" 的特性，其滲流往往表現(xiàn)出非達西滲流特性。應(yīng)用現(xiàn)有的常水頭達西滲流儀和變水頭達西 滲流儀對軟±滲透系數(shù)測量將導致結(jié)果偏離工程實際，無法指導巖±工程勘察，很有可能 給巖±工程設(shè)計、施工帶來巨大的損失。
[0004] 隨著城市進程的不斷加快，地鐵、鐵路、公路等交通工程發(fā)展迅速，中國已建和在 建的高速鐵路工程位居世界首位。巖±工程勘察更為關(guān)注不同頻率動荷載對軟±工程特性 和污染物在±中遷移問題，尤其是動荷載和離屯、禪合作用下在軟±滲流特性問題，目前仍 采用現(xiàn)有的常水頭達西滲流儀和變水頭達西滲流儀對軟±滲透系數(shù)測量，與工程實踐不 符，更不能模擬污染物如何在±中遷移，缺乏相應(yīng)的實驗裝置。
[0005] 所W人們開始越來越關(guān)注對軟±滲流特性的研究，并將理論研究與工程經(jīng)驗累積 的研究成果應(yīng)用于工程實踐中。
[0006] 離屯、機模型試驗被國際公認為是研究巖±動力學問題最有效、最先進的科學試驗 平臺。1931年美國哥倫比亞大學首先研制出世界上第一臺半徑為0.25111的±工離屯、機，19世 紀70年代初，±工離屯、機在美、英、蘇聯(lián)、法、日等國相繼發(fā)展，研制出轉(zhuǎn)臺式離屯、機、吊籃式 離屯、機和鼓式離屯、機，我國于19世紀80年代開始重視動力離屯、機技術(shù)，1982年由長江科學 研究院簡稱，最大離屯、加速度達到300g，容量150g-t有效半徑3m。截止目前，我國擁有20多 臺離屯、機。試驗?zāi)Ｐ湍軌蛘鎸崪蚀_地反映原型的性態(tài)和行為，模型與原型之間需要滿足幾 何相似、運動相似和動力相似關(guān)系=個基本條件，即對應(yīng)于各參數(shù)的相似準則和參數(shù)之間 的協(xié)調(diào)關(guān)系。假定模型使用原型材料(包含孔隙介質(zhì)等），離屯、加速度Ng條件下，基于動力離 屯、模擬試驗原理、"相似=定理"及平衡方程，可推導出模型與原型之間各物理參數(shù)的相似 因子，該實驗儀器雖然能計算軟±滲透系數(shù)，但操作復雜，不能人為控制水平和豎向兩個方 向的振動荷載大小和頻率。
[0007] 2010年，同濟大學研制的新型多功能滲透儀與達西定律實驗教學，能更好地模擬 自然界中雙層或多層結(jié)構(gòu)含水層中的滲流，雖然該儀器考慮了不同的滲透介質(zhì)、滲流方向， 但是并不適用于軟±動力滲透系數(shù)的測量。
[000引2012年，美國工程師協(xié)會，針對非飽和±研發(fā)了離屯、滲流儀，通過模擬N巧條件下 非飽和±的滲透特性，根據(jù)相似原理反推實際條件下非飽和±的滲透系數(shù)。雖然該儀器能 夠準確計算非飽和±滲透系數(shù)W及模擬污染物在±中遷移問題進行模擬，但是該實驗儀器 不能模擬不同頻率或者頻率組合動荷載作用下的軟±滲透系數(shù)。
[0009] 現(xiàn)有的實驗儀器往往不能人為控制不同固定頻率或者組合頻率動荷載，軟±滲透 系數(shù)很難準確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的提供一種能夠更為準確地模擬動荷載作用下軟±滲流固結(jié)特性的 飽和軟±振動離屯、滲流儀。技術(shù)方案如下：
[0011] 一種飽和軟上振動離屯、滲流儀，包括支架23,振動平臺18,第一加載控制臺和第二 加載控制臺，玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66,固定在振動平臺18上的旋轉(zhuǎn)電機60和注水部分。
[0012] 振動平臺18的一側(cè)通過水平彈黃2與支架23相連，另一側(cè)通過第一剛性桿27與第 一加載控制臺的鋼柱39固定連接，由第一加載控制臺控制做水平方向振動；
[0013] 振動平臺18的下部通過豎直彈黃22與支架23相連，振動平臺18的下部靠中間的位 置通過第二剛性桿32與第二加載控制臺的鋼柱39固定連接，由第二加載控制臺控制做豎直 方向振動；
[0014] 玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66包括帶有刻度的筒壁、同軸的大空屯、圓柱透水石20和小空屯、圓 柱透水石8，其材料為透水混凝±;玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66中部為伸出筒底部的旋轉(zhuǎn)電機60的電 機轉(zhuǎn)軸4;大空屯、圓柱透水石20的內(nèi)壁和小空屯、圓柱透水石8的外壁之間形成±樣槽9，在± 樣槽9內(nèi)壁貼有濾紙6,并放置有飽和±樣；由帶有刻度的筒壁和大空屯、圓柱透水石20外壁 形成的空腔被稱為集水池3;
[0015] 注水部分包括蓄水池10和玻璃刻度筒64,小空屯、圓柱透水石8與電機轉(zhuǎn)軸4之間的 空腔21與位于其下方的蓄水池10相連通，蓄水池10通過水管12與玻璃刻度筒64相連，玻璃 刻度筒64的位置高于玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66,使得玻璃刻度筒64中的水順利流入玻璃旋轉(zhuǎn)刻度 筒66;電機轉(zhuǎn)軸4受旋轉(zhuǎn)電機60的驅(qū)動，帶動旋轉(zhuǎn)玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66中的±樣槽9的±樣做 離屯、運動。
[0016] 作為優(yōu)選實施方式，所述的飽和軟±振動離屯、滲流儀，兩個加載控制臺的結(jié)構(gòu)相 同，包括第一活塞缸36、第一活塞35、第二活塞缸37、第二活塞38、水槽箱42、鋼柱39、位移傳 感器、計算機；
[0017] 第一活塞缸36的下部連接有第一管路和第二管路，第一管路伸到水槽箱42內(nèi)的水 中，第二管路與第二活塞缸37的下部相連，在第一管路和第二管路分別設(shè)置有第一單向閥 40和第二單向閥41;
[0018] 第二活塞缸37通過帶有調(diào)節(jié)閥24的第=管路與水槽箱42內(nèi)的水相連通；
[0019] 第二活塞缸37內(nèi)的第二活塞38與鋼柱39固定連接，由位移傳感器測量鋼柱39的位 移，位移測量結(jié)果被送入計算機，由計算機在屏幕上顯示鋼柱39的運動情況；
[0020] 主控制器通過變頻器25和活塞電機U驅(qū)動第一活塞缸36中第一活塞35的往復運 動；
[0021] 當?shù)谝换钊?5向上運動時，在壓力作用下，水槽箱42中的水通過第一管路中的第 一單向閥40向上運動，進入到第一活塞缸36;當?shù)谝换钊?5向下運動，第一活塞缸36中的水 通過第二管路中的第二單向閥41進入到第二活塞缸37,提升第二活塞38向上運動；當?shù)谝?活塞缸36中的水全部壓入到第二活塞缸37時，通過主控制器控制調(diào)節(jié)閥24開端度，控制第 二活塞缸37中水釋放的用水量，達到對鋼柱39的控制，使鋼柱39按照一定的速度大小向下 運動。
[0022] 本發(fā)明由于采用W上技術(shù)方案具有W下優(yōu)點：1、本發(fā)明W飽和軟±為研究對象， 能夠真實模擬動荷載作用下軟±的滲流固結(jié)特性，計算出的滲透系數(shù)和±體位移值更加真 實有效;2、本發(fā)明設(shè)及一種封閉的滲流裝置，通過出水量參數(shù)A Q和時間A t W及玻璃刻度 筒兩個度數(shù)hi、h2,就能確定水頭損失和滲透系數(shù)，參數(shù)少，方便;3、本發(fā)明將振動臺和離屯、 機結(jié)合在一起，能夠考慮振動和離屯、禪合效應(yīng)對飽和軟±滲透特性的影響，振動臺與拉壓 加載器、彈黃相連，簡單易行?？傊?，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)置簡單、方便;測定飽和軟±滲透系數(shù) 更準確，更加接近于真實情況。
【附圖說明】
[0023] 圖1為飽和軟±振動離屯、滲流儀振動平臺連接圖；
[0024] 圖2為飽和軟±振動離屯、滲流儀第一、第二振動拉壓加載控制原理圖；
[0025] 圖3為飽和軟±振動離屯、滲流儀滲流連接圖 [00%]圖4為飽和軟±振動離屯、滲流計算原理圖；
[0027] 圖中1、驅(qū)動桿;2、第一彈黃;3、集水池;4、電機轉(zhuǎn)軸；5、泄壓閥；6、濾紙;8、小空屯、 圓柱透水石;9、±樣槽；10、儲水池；11、活塞電機；12、水管；17、旋轉(zhuǎn)電機開關(guān)；18、振動平 臺；20、大空屯、圓柱透水石;21、空腔;22、第二彈黃;23、支架；24、調(diào)節(jié)閥；25、變頻器;27、第 一剛性桿;32、第二剛性桿;35、第一活塞；36、第一活塞缸;37、第二活塞缸;38、第二活塞； 39、鋼柱;40、第一單向閥;41、第二單向閥;42、水槽箱;60、旋轉(zhuǎn)電機;61、旋轉(zhuǎn)桶底座;64、玻 璃刻度筒;66、玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒。
【具體實施方式】
[0028] 為進一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點及功效，現(xiàn)例舉W下實施例，并配合附圖詳 細說明如下：
[0029] 本發(fā)明的飽和軟±振動離屯、滲流儀中的飽和軟±離屯、振動滲流儀包括振動平臺 18，玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66，旋轉(zhuǎn)電機60和注水部分。
[0030] 在圖1中，振動平臺18的一側(cè)通過水平彈黃2與支架23相連，另一側(cè)通過第一剛性 桿27與第一加載控制臺19的鋼柱39固定連接，由第一加載控制臺19控制做水平方向振動； 振動平臺18的下部通過豎直彈黃22與支架相連，振動平臺18的中部通過第二剛性桿32與第 二加載控制臺43的鋼柱39固定連接，由第二加載控制臺43控制做豎直方向振動;在振動平 臺18上固定有旋轉(zhuǎn)電機60，
[0031] 在圖2中，兩個加載控制臺的結(jié)構(gòu)相同，包括驅(qū)動桿1，變頻器25,活塞電機11，第一 活塞缸36，第一活塞35，第一單向閥40，水槽箱42，第二單向閥41，第二活塞缸37，第二活塞 38,鋼柱39,調(diào)節(jié)閥24。工作原理:開啟交流穩(wěn)壓電源，通過主控制器控制變頻器25,從而改 變活塞電機11的旋轉(zhuǎn)速度，與活塞電機11相連的驅(qū)動桿1來驅(qū)動第一活塞缸36中第一活塞 35的往復運動；當?shù)谝换钊?5向上運動時，并在壓力作用下，水槽箱42中的水通過第一管路 中的第一單向閥40向上運動，進入到第一活塞缸36;當?shù)谝换钊?5向下運動，第一活塞缸36 中的水通過第二管路中的第二單向閥41進入到第二活塞缸37,并提升第二活塞38,并帶動 鋼柱39向上擔動。當束一活塞缸36中的水全部壓入到束^活塞缸37時,通過王巧制器巧制 調(diào)節(jié)閥24開端度，控制第二活塞缸37中水釋放的用水量，達到對鋼柱39的控制，使鋼柱39按 照一定的速度向下運動;位移傳感器與鋼柱39相連，當鋼柱39運動過程中，位移傳感器將鋼 柱39往復運動信號輸入到計算機中。在計算機中，可W觀察鋼柱39是否按照正弦波、方形波 和=角形波進行運動。兩個加載控制臺的結(jié)構(gòu)相同，鋼柱39分別通過第一剛性桿27和第二 剛性桿32與振動平臺18右側(cè)和底下剛性相連，從而實現(xiàn)水平和豎向拉壓振動。
[0032] 在圖3中，玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66包括帶有刻度的筒壁、同軸的大空屯、圓柱透水石20和 小空屯、圓柱透水石8，其材料為透水混凝±;玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66中部為伸出筒底部的電機轉(zhuǎn) 軸4;在大空屯、圓柱透水石20和小空屯、圓柱透水石8之間放置有飽和±樣，并在±樣的內(nèi)徑 和外徑表面處貼上濾紙6。
[0033] 注水部分主要包括儲水池10和玻璃刻度筒64。在小空屯、圓柱透水石8與電機轉(zhuǎn)軸4 之間的空腔21通過水管12、儲水池10與玻璃刻度筒64相連，玻璃刻度筒64的位置高于玻璃 刻度旋轉(zhuǎn)筒66，使得玻璃刻度筒64中的水順利流入玻璃旋轉(zhuǎn)刻度筒66;電機轉(zhuǎn)軸4受旋轉(zhuǎn)電 機60的驅(qū)動帶動旋轉(zhuǎn)玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66中的±樣槽9的±樣做離屯、運動。
[0034] 在圖4中，本發(fā)明飽和軟±振動離屯、滲流儀滲透系數(shù)計算，依據(jù)集水池出水量和時 間獲待化下兩個公式，其一:僅開啟加載控制臺，關(guān)閉電機旋轉(zhuǎn)控制器，有
[0035；
[0036] 其二，開啟電機旋轉(zhuǎn)控制器，關(guān)閉或者開啟加載控制臺，有
[0037]
[003引 其中 a=w2f = Nrg
[0039] AQ--出水量化）；
[0040] At--滲流時間；
[0041 ]、一一軟±滲流修正系數(shù)；
[0042] W一一旋轉(zhuǎn)電機60旋轉(zhuǎn)的角速度；
[0043] g一一重力加速度；
[0044] ri一一電機轉(zhuǎn)軸4的中屯、線到小空屯、圓柱透水石8的距離；
[0045] ro一一電機轉(zhuǎn)軸4的中屯、線到大空屯、圓柱透水石20的距離；
[0046] r一一為電機轉(zhuǎn)軸4的中屯、線到玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66的距離；
[0047] Nr--相似性系數(shù)；
[004引 Pw--通過±樣后的壓力差。Pw=Pwg Ah;
[0049] Pw--水的密度；
[0050] Ah--水頭損失，即試驗開始和試驗結(jié)束時玻璃刻度筒數(shù)值差A h = hi-h2;
[0051] 現(xiàn)W模擬動荷載和離屯、禪合作用下飽和軟±滲透系數(shù)的試驗為例，說明本發(fā)明的 具體使用過程，具體實施步驟如下：
[0052] (1)試驗系統(tǒng)按照附圖組裝完畢后，首先將±樣槽9內(nèi)側(cè)放入浸過水的濾紙6,并檢 查小空屯、圓柱透水石8和大空屯、圓柱透水石20是否堵塞，然后再將飽和軟±試樣放入±樣 槽9;
[0053] (2)將玻璃刻度筒64放在高于旋轉(zhuǎn)刻度筒66的位置，將空腔21注滿水，讀取玻璃刻 度筒64的數(shù)值hi;
[0054] (3)開啟振動臺18,通過主控制臺選擇相應(yīng)頻率的波形，W及通過第一加載控制臺 控制水平方向的振動或者第二加載控制臺控制豎向位移，根據(jù)計算機采集的鋼柱39的運動 情況調(diào)節(jié)兩個加載控制臺振動頻率。
[0055] (4)開啟旋轉(zhuǎn)電機開關(guān)17,通過旋轉(zhuǎn)電機確定旋轉(zhuǎn)速度CO ;
[0056] (5)確定滲水時間A t，并記錄玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66出水量A Q值，再次讀取玻璃刻度 的數(shù)值h2;
[0057] (6)通過上述公式計算滲透系數(shù)，結(jié)束試驗。
[0058] 盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的某一實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不是局限于 上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，并不是局限性的，本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還 可W做出很多形式，運些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種飽和軟土振動離心滲流儀，包括支架(23)，振動平臺（18)，第一加載控制臺和第 二加載控制臺，玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒(66)，固定在振動平臺（18)上的旋轉(zhuǎn)電機(60)和注水部分； 振動平臺（18)的一側(cè)通過水平彈簧(2)與支架(23)相連，另一側(cè)通過第一剛性桿(27) 與第一加載控制臺的鋼柱(39)固定連接，由第一加載控制臺控制做水平方向振動； 振動平臺（18)的下部通過豎直彈簧(22)與支架(23)相連，振動平臺（18)的下部靠中間 的位置通過第二剛性桿(32)與第二加載控制臺的鋼柱(39)固定連接，由第二加載控制臺控 制做豎直方向振動； 玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒(66)包括帶有刻度的筒壁、同軸的大空心圓柱透水石(20)和小空心圓 柱透水石（8)，其材料為透水混凝土;玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒(66)中部為伸出筒底部的旋轉(zhuǎn)電機 (60)的電機轉(zhuǎn)軸(4);大空心圓柱透水石(20)的內(nèi)壁和小空心圓柱透水石(8)的外壁之間形 成土樣槽(9)，在土樣槽(9)內(nèi)壁貼有濾紙(6)，并放置有飽和土樣；由帶有刻度的筒壁和大 空心圓柱透水石(20)外壁形成的空腔被稱為集水池(3); 注水部分包括蓄水池（10)和玻璃刻度筒(64)，小空心圓柱透水石(8)與電機轉(zhuǎn)軸(4)之 間的空腔(21)與位于其下方的蓄水池（10)相連通，蓄水池（10)通過水管（12)與玻璃刻度筒 (64)相連，玻璃刻度筒(64)的位置高于玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒(66)，使得玻璃刻度筒(64)中的水 順利流入玻璃旋轉(zhuǎn)刻度筒(66);電機轉(zhuǎn)軸(4)受旋轉(zhuǎn)電機(60)的驅(qū)動，帶動旋轉(zhuǎn)玻璃刻度旋 轉(zhuǎn)筒(66)中的土樣槽(9)的土樣做離心運動。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飽和軟土振動離心滲流儀，其特征在于，兩個加載控制臺的結(jié) 構(gòu)相同，包括第一活塞缸（36)、第一活塞（35)、第二活塞缸（37)、第二活塞（38)、水槽箱 (42)、鋼柱(39)、位移傳感器、計算機， 第一活塞缸(36)的下部連接有第一管路和第二管路，第一管路伸到水槽箱(42)內(nèi)的水 中，第二管路與第二活塞缸(37)的下部相連，在第一管路和第二管路分別設(shè)置有第一單向 閥(40)和第二單向閥(41); 第二活塞缸(37)通過帶有調(diào)節(jié)閥(24)的第三管路與水槽箱(42)內(nèi)的水相連通； 第二活塞缸(37)內(nèi)的第二活塞(38)與鋼柱(39)固定連接，由位移傳感器測量鋼柱(39) 的位移，位移測量結(jié)果被送入計算機，由計算機在屏幕上顯示鋼柱(39)的運動情況； 主控制器通過變頻器（25)和活塞電機（11)驅(qū)動第一活塞缸（36)中第一活塞（35)的往 復運動； 當?shù)谝换钊?5)向上運動時，在壓力作用下，水槽箱(42)中的水通過第一管路中的第 一單向閥（40)向上運動，進入到第一活塞缸（36);當?shù)谝换钊?5)向下運動，第一活塞缸 (36)中的水通過第二管路中的第二單向閥(41)進入到第二活塞缸(37)，提升第二活塞(38) 向上運動；當?shù)谝换钊?36)中的水全部壓入到第二活塞缸(37)時，通過主控制器控制調(diào) 節(jié)閥（24)開端度，控制第二活塞缸(37)中水釋放的用水量，達到對鋼柱(39)的控制，使鋼柱 (39)按照一定的速度大小向下運動。
【文檔編號】E02D1/02GK106013034SQ201610526245
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】雷華陽, 馮雙喜, 祁子洋, 劉敏, 趙浩
【申請人】天津大學