一種飽和軟土離心滲流裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種飽和軟土離心滲流裝置，包旋轉(zhuǎn)電機(60)、玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒(66)、蓄水池(10)和玻璃刻度筒(64)，所述的玻璃刻度旋轉(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)；小空心圓柱透水石(8)與電機轉(zhuǎn)軸(4)之間的空腔(21)與位于其下方的所述蓄水池(10)相連通，蓄水池(10)通過水管(12)與玻璃刻度筒(64)相連。本發(fā)明能夠更為準(zhǔn)確地模擬動荷載作用下軟土滲流固結(jié)特性。
【專利說明】
一種飽和軟土離心滲流裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種飽和軟土離心滲流裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 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 儀器對砂土滲透系數(shù)測量具有準(zhǔn)確性高、技術(shù)成熟等優(yōu)點。
[0003] 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 滲流儀對軟土滲透系數(shù)測量將導(dǎo)致結(jié)果偏離工程實際，無法指導(dǎo)巖土工程勘察，很有可能 給巖土工程設(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 和污染物在土中迀移問題，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)有的常水頭達西滲流儀和變水頭達西滲流儀對軟土滲透系數(shù)測量，與工程實踐不 符，更不能模擬污染物如何在土中迀移，缺乏相應(yīng)的實驗裝置。
[0005] 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)驗累積 的研究成果應(yīng)用于工程實踐中。
[0006] 離心機模型試驗被國際公認(rèn)為是研究巖土動力學(xué)問題最有效、最先進的科學(xué)試驗 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，19世 紀(jì)70年代初，土工離心機在美、英、蘇聯(lián)、法、日等國相繼發(fā)展，研制出轉(zhuǎn)臺式離心機、吊籃式 離心機和鼓式離心機，我國于19世紀(jì)80年代開始重視動力離心機技術(shù)，1982年由長江科學(xué) 研究院簡稱，最大離心加速度達到300g，容量150g-t有效半徑3m。截止目前，我國擁有20多 臺離心機。試驗?zāi)Ｐ湍軌蛘鎸崪?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、運動相似和動力相似關(guān)系三個基本條件，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。
[0007] 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺式離心機、吊籃式離心機和鼓式離心機雖然能達到離心滲流的效果， 但由于操作復(fù)雜，滲流儀的體量大，試驗費用高，試驗精度低等特點，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)。
[0008] 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)計離心筒來模擬飽和軟土的滲流問題。
[0009] 現(xiàn)有的實驗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)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明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)所采用的飽和軟 土離心滲流裝置。技術(shù)方案如下：
[0011] 一種飽和軟土離心滲流裝置，用于測量離心作用下飽和軟土滲透系數(shù)，包旋轉(zhuǎn)電 機60、玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66、蓄水池10和玻璃刻度筒64,所述的玻璃刻度旋轉(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;
[0012]小空心圓柱透水石8與電機轉(zhuǎn)軸4之間的空腔21與位于其下方的所述蓄水池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。
【附圖說明】
[0013]圖1為飽和軟土振動離心滲流儀振動平臺連接圖；
[0014]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；
[0015]圖3為飽和軟土振動離心滲流儀滲流連接圖 [0016]圖4為飽和軟土振動離心滲流計算原理圖；
[0017] 圖中1、驅(qū)動桿;2、第一彈簧;3、集水池;4、電機轉(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；12、水管；17、旋轉(zhuǎn)電機開關(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;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】
[0018] 為進一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點及功效，現(xiàn)結(jié)合本發(fā)明的應(yīng)用場景，并配合 附圖進行詳細(xì)說明。
[0019] 本發(fā)明為飽和軟土振動離心滲流儀的一個重要組成部分。整個飽和軟土振動離心 滲流儀主要包含本發(fā)明的飽和軟土離心滲流裝置和振動平臺兩個部分。本發(fā)明的飽和軟土 離心滲流裝置，主要包括旋轉(zhuǎn)電機60、玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66、蓄水池10和玻璃刻度筒64。由蓄 水池10和玻璃刻度筒64構(gòu)成注水部分。
[0020] 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60，
[0021] 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(fù)運動；當(dāng)?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(dāng)?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向上運動。當(dāng)?shù)谝换钊?6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 照一定的速度向下運動;位移傳感器與鋼柱39相連，當(dāng)鋼柱39運動過程中，位移傳感器將鋼 柱39往復(fù)運動信號輸入到計算機中。在計算機中，可以觀察鋼柱39是否按照正弦波、方形波 和三角形波進行運動。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。
[0022]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。
[0023]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中的土樣槽9的土樣做離心運動。
[0024]在圖4中，本發(fā)明飽和軟土振動離心滲流儀滲透系數(shù)計算，依據(jù)集水池出水量和時 間獲得如下兩個公式，其一:僅開啟加載控制臺，關(guān)閉電機旋轉(zhuǎn)控制器，有
[0026]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
[0028] 其中 a=w2r = Nrg
[0029] AQ--出水量(L);
[0030] Δ t--滲流時間；
[0031] λ一一軟土滲流修正系數(shù)；
[0032] w一一旋轉(zhuǎn)電機60旋轉(zhuǎn)的角速度；
[0033] g一一重力加速度；
[0034] ri一一電機轉(zhuǎn)軸4的中心線到小空心圓柱透水石8的距離；
[0035] ro--電機轉(zhuǎn)軸4的中心線到大空心圓柱透水石20的距離；
[0036] r--為電機轉(zhuǎn)軸4的中心線到玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66的距離；
[0037] Nr一一相似性系數(shù)；
[0038] Pw--通過土樣后的壓力差。Pw=Pwg Δ h;
[0039] pw--水的密度；
[0040] 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△ hzh-hs;
[0041] 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)的試驗為例，說明本發(fā)明的 具體使用過程，具體實施步驟如下：
[0042] (1)試驗系統(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;
[0043] (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;
[0044] (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。
[0045] (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ω ;
[0046] (5)確定滲水時間△ t，并記錄玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒66出水量△ Q值，再次讀取玻璃刻度 的數(shù)值h2;
[0047] (6)通過上述公式計算滲透系數(shù)，結(jié)束試驗。
[0048]采用本發(fā)明的飽和軟土離心滲流裝置的滲流儀，具有以下優(yōu)點：1、以飽和軟土為 研究對象，能夠真實模擬離心荷載作用下軟土的滲流特性，計算出的滲透系數(shù)值更加真實 有效;2、通過出水量參數(shù)AQ和時間△ t以及玻璃刻度筒兩個度數(shù)1η、1ι2,就能確定水頭損失 和滲透系數(shù)，參數(shù)少，方便;3、將本發(fā)明的離心滲流裝置和振動臺結(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。總之，結(jié)構(gòu)設(shè)置簡單、方便、試驗 費用低;測定飽和軟土滲透系數(shù)更準(zhǔn)確，更加接近于真實情況。
[0049]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 可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種飽和軟土離心滲流裝置，用于測量離心作用下飽和軟土滲透系數(shù)，包旋轉(zhuǎn)電機 (60)、玻璃刻度旋轉(zhuǎn)筒(66)、蓄水池（10)和玻璃刻度筒(64)，所述的玻璃刻度旋轉(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); 小空心圓柱透水石（8)與電機轉(zhuǎn)軸（4)之間的空腔（21)與位于其下方的所述蓄水池 (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。
【文檔編號】G01N15/08GK106018242SQ201610526244
【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, 劉敏, 王鐵英, 祁子洋
【申請人】天津大學(xué)