本實(shí)用新型涉及一種飽和軟土離心滲流筒，尤其涉及一種在離心作用下測量飽和軟土滲透系數(shù)的小型離心滲流筒。

背景技術(shù)：

土體滲透特性是巖土工程特性研究的重要方面，度量土體滲透特性指標(biāo)是滲透系數(shù)，現(xiàn)有測量滲透系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置主要有常水頭達(dá)西滲流儀和變水頭達(dá)西滲流儀，該實(shí)驗(yàn)儀器對砂土滲透系數(shù)測量具有準(zhǔn)確性高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。

但飽和軟土具有含水率高、壓縮性高、孔隙比高、承載能力低、滲透小“三高兩低”的特性，其滲流往往表現(xiàn)出非達(dá)西滲流特性。應(yīng)用現(xiàn)有的常水頭達(dá)西滲流儀和變水頭達(dá)西滲流儀對軟土滲透系數(shù)測量將導(dǎo)致結(jié)果偏離工程實(shí)際，無法指導(dǎo)巖土工程勘察，很有可能給巖土工程設(shè)計(jì)、施工帶來巨大的損失。

隨著城市進(jìn)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。巖土工程勘察更為關(guān)注不同頻率動荷載對軟土工程特性和污染物在土中遷移問題，尤其是動荷載和離心耦合作用下在軟土滲流特性問題，目前仍采用現(xiàn)有的常水頭達(dá)西滲流儀和變水頭達(dá)西滲流儀對軟土滲透系數(shù)測量，與工程實(shí)踐不符，更不能模擬污染物如何在土中遷移，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。

所以人們開始越來越關(guān)注對軟土滲流特性的研究，并將理論研究與工程經(jīng)驗(yàn)累積的研究成果應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

離心機(jī)模型試驗(yàn)被國際公認(rèn)為是研究巖土動力學(xué)問題最有效、最先進(jìn)的科學(xué)試驗(yàn)平臺。1931年美國哥倫比亞大學(xué)首先研制出世界上第一臺半徑為0.25m的土工離心機(jī)，19世紀(jì)70年代初，土工離心機(jī)在美、英、蘇聯(lián)、法、日等國相繼發(fā)展，研制出轉(zhuǎn)臺式離心機(jī)、吊籃式離心機(jī)和鼓式離心機(jī)，我國于19世紀(jì)80年代開始重視動力離心機(jī)技術(shù)，1982年由長江科學(xué)研究院簡稱，最大離心加速度達(dá)到300g，容量150g-t有效半徑3m。截止目前，我國擁有20多臺離心機(jī)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蛘鎸?shí)準(zhǔn)確地反映原型的性態(tài)和行為，模型與原型之間需要滿足幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似關(guān)系三個(gè)基本條件，即對應(yīng)于各參數(shù)的相似準(zhǔn)則和參數(shù)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺式離心機(jī)、吊籃式離心機(jī)和鼓式離心機(jī)雖然能達(dá)到離心滲流的效果，但由于操作復(fù)雜，滲流儀的體量大，試驗(yàn)費(fèi)用高，試驗(yàn)精度低等特點(diǎn)，都導(dǎo)致無法簡單、方便和準(zhǔn)確的測量出在離心荷載作用下飽和軟土的滲透系數(shù)。

傳統(tǒng)的離心筒大都利用離心加速度將兩種不同物質(zhì)分離開來，考慮不同的物質(zhì)成分分析。但是沒有考慮和設(shè)計(jì)離心筒來模擬飽和軟土的滲流問題。

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器往往很難方便和準(zhǔn)確的模擬在離心荷載作用下飽和軟土的滲透系數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種在離心作用下測量飽和軟土滲透系數(shù)所采用的離心滲流筒。技術(shù)方案如下：

一種飽和軟土離心滲流筒，用于測量離心作用下飽和軟土滲透系數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)60和玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66。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；其中部為伸出筒底部的電機(jī)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；小空心圓柱透水石8與電機(jī)轉(zhuǎn)軸4之間形成有空腔21，空腔21用于從外部向其中注入水。

本實(shí)用新型的離心滲流筒，是一種飽和軟土振動離心滲流儀的重要組成部分。

附圖說明

圖1為飽和軟土振動離心滲流儀振動平臺連接圖；

圖2為飽和軟土振動離心滲流儀第一、第二振動拉壓加載控制原理圖；

圖3為飽和軟土振動離心滲流儀滲流連接圖

圖4為飽和軟土振動離心滲流計(jì)算原理圖；

圖中1、驅(qū)動桿；2、第一彈簧；3、集水池；4、電機(jī)轉(zhuǎn)軸；5、泄壓閥；6、濾紙；8、小空心圓柱透水石；9、土樣槽；10、儲水池；11、活塞電機(jī)；12、水管；17、旋轉(zhuǎn)電機(jī)開關(guān)；18、振動平臺；20、大空心圓柱透水石；21、空腔；22、第二彈簧；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(jī)；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(shí)施方式

為進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的實(shí)用新型內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，現(xiàn)結(jié)合本實(shí)用新型的應(yīng)用場景，并配合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。

本實(shí)用新型為飽和軟土振動離心滲流儀的一個(gè)組成部分。整個(gè)飽和軟土離心振動滲流儀包括振動平臺18，飽和軟土離心滲流筒，向飽和軟土離心滲流筒注入水的注水部分。飽和軟土離心滲流筒包括玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66和旋轉(zhuǎn)電機(jī)60。

在圖1中，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的下部通過豎直彈簧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(jī)60，

在圖2中，兩個(gè)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(jī)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(jī)11的旋轉(zhuǎn)速度，與活塞電機(jī)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(fù)運(yùn)動；當(dāng)?shù)谝换钊?5向上運(yùn)動時(shí)，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(yùn)動，進(jìn)入到第一活塞缸36；當(dāng)?shù)谝换钊?5向下運(yùn)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(jìn)入到第二活塞缸37，并提升第二活塞38，并帶動鋼柱39向上運(yùn)動。當(dāng)?shù)谝换钊?6中的水全部壓入到第二活塞缸37時(shí)，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(dá)到對鋼柱39的控制，使鋼柱39按照一定的速度向下運(yùn)動；位移傳感器與鋼柱39相連，當(dāng)鋼柱39運(yùn)動過程中，位移傳感器將鋼柱39往復(fù)運(yùn)動信號輸入到計(jì)算機(jī)中。在計(jì)算機(jī)中，可以觀察鋼柱39是否按照正弦波、方形波和三角形波進(jìn)行運(yùn)動。兩個(gè)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(shí)現(xiàn)水平和豎向拉壓振動。

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電機(jī)轉(zhuǎn)軸4；在大空心圓柱透水石20和小空心圓柱透水石8之間放置有飽和土樣，并在土樣的內(nèi)徑和外徑表面處貼上濾紙6。

在圖3中，注水部分主要包括儲水池10和玻璃刻度筒64。在小空心圓柱透水石8與電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)軸4受旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(yùn)動。

在圖4中，本實(shí)用新型飽和軟土振動離心滲流儀滲透系數(shù)計(jì)算，依據(jù)集水池出水量和時(shí)間獲得如下兩個(gè)公式，其一：僅開啟加載控制臺，關(guān)閉電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制器，有

$k=\mathrm{\λ}\frac{\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}}{\frac{-\frac{w^2}{2g}{(r_0-r_i)}^2-\frac{P_w}{{\mathrm{\ρ}}_{w}g}}{r_0-r_i}}$

其二，開啟電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制器，關(guān)閉或者開啟加載控制臺，有

$k=\mathrm{\λ}\frac{\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}}{\frac{-\frac{w^2}{2N_{r}g}{(r_0-r_i)}^2-\frac{P_w}{{\mathrm{\ρ}}_{w}g}}{r_0-r_i}}$

其中a＝w²r＝N_rg

ΔQ——出水量(L)；

Δt——滲流時(shí)間；

λ——軟土滲流修正系數(shù)；

w——旋轉(zhuǎn)電機(jī)60旋轉(zhuǎn)的角速度；

g——重力加速度；

r_i——電機(jī)轉(zhuǎn)軸4的中心線到小空心圓柱透水石8的距離；

r₀——電機(jī)轉(zhuǎn)軸4的中心線到大空心圓柱透水石20的距離；

r——為電機(jī)轉(zhuǎn)軸4的中心線到玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66的距離；

N_r——相似性系數(shù)；

P_w——通過土樣后的壓力差。P_w＝ρ_wgΔh；

ρ_w——水的密度；

Δh——水頭損失，即試驗(yàn)開始和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)玻璃刻度筒數(shù)值差Δh＝h₁-h₂；

現(xiàn)以模擬動荷載和離心耦合作用下飽和軟土滲透系數(shù)的試驗(yàn)為例，說明本實(shí)用新型的具體使用過程，具體實(shí)施步驟如下：

(1)試驗(yàn)系統(tǒng)按照附圖組裝完畢后，首先將土樣槽9內(nèi)側(cè)放入浸過水的濾紙6，并檢查小空心圓柱透水石8和大空心圓柱透水石20是否堵塞，然后再將飽和軟土試樣放入土樣槽9；

(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h₁；

(3)開啟振動臺18，通過主控制臺選擇相應(yīng)頻率的波形，以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(jì)算機(jī)采集的鋼柱39的運(yùn)動情況調(diào)節(jié)兩個(gè)加載控制臺振動頻率。

(4)開啟旋轉(zhuǎn)電機(jī)開關(guān)17，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)確定旋轉(zhuǎn)速度ω；

(5)確定滲水時(shí)間Δt，并記錄玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66出水量ΔQ值，再次讀取玻璃刻度的數(shù)值h₂；

(6)通過上述公式計(jì)算滲透系數(shù)，結(jié)束試驗(yàn)。

采用本實(shí)用新型的飽和軟土離心滲流筒的滲流儀，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、以飽和軟土為研究對象，能夠真實(shí)模擬離心荷載作用下軟土的滲流特性，計(jì)算出的滲透系數(shù)值更加真實(shí)有效；2、通過出水量參數(shù)ΔQ和時(shí)間Δt以及玻璃刻度筒兩個(gè)度數(shù)h₁、h₂，就能確定水頭損失和滲透系數(shù)，參數(shù)少，方便；3、將本實(shí)用新型的離心滲流筒和振動臺結(jié)合在一起，能夠考慮振動和離心耦合效應(yīng)對飽和軟土滲透特性的影響，簡單易行?？傊?，結(jié)構(gòu)設(shè)置簡單、方便、試驗(yàn)費(fèi)用低；測定飽和軟土滲透系數(shù)更準(zhǔn)確，更加接近于真實(shí)情況。

盡管上面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的某一實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并不是局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)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)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。