[發明專利]一種考慮振動作用的土體滲透特性試驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202011204105.0
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112414916A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 倪衛達;單治鋼;陳立強;王寬君;彭鵬
• 申請（專利權）人: 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

1.一種考慮振動作用的土體滲透特性試驗裝置，其特征在于：所述考慮振動作用的土體滲透特性試驗裝置包括支撐機構、激振系統、滲透系統和測控系統，所述激振系統、所述滲透系統和所述測控系統均安裝于支撐機構上，所述激振系統采用激振設備及傳遞機構實現土體試樣的振動環境模擬，所述滲透系統通過水頭裝置及滲透管路實現土體試樣的滲透試驗，所述測控系統利用控制設備和監測元件控制振動荷載并測量滲流數據，從而實現土體試樣的振動過程、滲透過程和測試過程的有機結合。

2.根據權利要求1所述的考慮振動作用的土體滲透特性試驗裝置，其特征在于：所述支撐機構包括操作臺桌面和操作臺桌腿，所述操作臺桌腿固連于操作臺桌面下方四角；所述操作臺桌面構成整個試驗裝置的基礎，所述激振系統、滲透系統和測控系統通過操作臺桌面連成整體。

3.根據權利要求1所述的考慮振動作用的土體滲透特性試驗裝置，其特征在于：所述激振系統包括減震橡膠板、振動電機底板、電機固定螺栓、振動電機和激振板，所述減震橡膠板和振動電機底板通過電機固定螺栓可拆卸地連接于支撐機構的操作臺桌面之上；所述振動電機底板和支撐機構的操作臺桌面之間設有減震橡膠板，用于吸收振動能量，有效避免試驗過程中振動荷載通過支撐機構的操作臺桌面傳遞至其余機構擾動正常工作，或者反饋回所述激振系統干擾振動荷載的輸出；所述振動電機固連于振動電機底板之上，為試驗提供平行或垂直滲透方向符合要求的振動荷載；所述激振板固連于振動電機的頂部，為滲透系統的滲流柱底座支撐和滲流柱頂部支撐提供安裝基礎，并將振動電機提供的振動荷載至傳遞滲透系統的土體試樣，以充分還原受振土體的真實賦存環境。

4.根據權利要求1所述的考慮振動作用的土體滲透特性試驗裝置，其特征在于：所述滲透系統包括Y型支撐臺柱、臺柱固定螺栓、水箱支撐平臺、定水頭儲水箱、水箱進水管、控制閥、水箱溢出管、滲流進水管、柔性連接管、滲流柱玻璃管、滲流柱底座支撐、滲流柱頂部支撐、透水石、土體試樣、橡膠管塞、滲流出水管、滲出儲水箱，所述Y型支撐臺柱通過臺柱固定螺栓連接于支撐機構的操作臺桌面之上；所述水箱支撐平臺固連于Y型支撐臺柱頂部，作為定水頭儲水箱的安置基座；所述水箱進水管通過控制閥控制進水流量，所述水箱進水管的進水口置于定水頭儲水箱的上方；所述水箱溢出管在定水頭儲水箱的特定高度處連通，用于控制水箱內的水頭不超過該特定高度；所述滲流柱玻璃管通過滲流柱底座支撐和滲流柱頂部支撐與激振系統的激振板連接；所述土體試樣置于滲流柱玻璃管內；所述透水石置于滲流柱玻璃管內土體試樣的前后兩側；所述橡膠管塞置于滲流柱玻璃管前端，用于緊固和密閉土體試樣；所述滲流出水管一端插入橡膠管塞至透水石處為止，另一端彎轉至滲出儲水箱的開口上方。

5.根據權利要求4所述的考慮振動作用的土體滲透特性試驗裝置，其特征在于：所述滲流進水管與滲流柱玻璃管之間設有柔性連接管，有效避免試驗過程中的振動荷載通過滲流管路傳遞至定水頭儲水箱，引起儲水箱內液面的激蕩。

6.根據權利要求1所述的考慮振動作用的土體滲透特性試驗裝置，其特征在于：所述測控系統包括控制微機、數據集成器、振動電機控制線、高精重力感應器、感應器控制線和控制線孔，所述控制微機安置于支撐機構的所述操作臺桌面之上，通過數據集成器發送和采集數據，并進行計算分析和數據處理；所述振動電機控制線連接于數據集成器和激振系統的振動電機之間，用于傳輸振動信號至激振系統的所述振動電機；所述高精重力感應器置于滲透系統的滲出儲水箱下側，用于動態測量所述滲出儲水箱的質量；所述感應器控制線連接于數據集成器和所述高精重力感應器之間，用于傳輸所述高精重力感應器測量獲得的數據。

7.一種考慮振動作用的土體滲透特性試驗方法，其特征在于：所述方法應用權利要求1-6中任一項所述的考慮振動作用的土體滲透特性試驗裝置，并包括以下步驟：

(1)試樣安裝：依次將底部透水石、制備完成的土體試樣和頂部透水石緩慢置入滲流柱玻璃管，再將橡膠管塞緩慢塞入到指定位置，從而完成試樣的安裝；

(2)設備連接：依次將定水頭儲水箱、滲流進水管、柔性連接管和滲流柱玻璃管連接，再將滲出水管插入橡膠管塞至透水石表明，彎折處朝下，從而完成滲流管路的連接；采用振動電機控制線將數據集成器與振動電機連接，采用感應器控制線將數據集成器與高精重力感應器連接，開啟微機后調試輸入振動荷載的數據，并初始化高精重力感應器數據，從而完成測控設備的連接；

(3)初始滲透：緩慢開啟控制閥，讓純水通過水箱進水管逐步注滿定水頭儲水箱至水箱溢出管高度，待滲流系統末端的滲流出水管有穩定的滲出水流后，方可開始試驗，開始試驗時刻記為t₀，同時測定試驗的環境溫度記為T；

(4)滲透試驗：t₀至t₁時刻，不輸入振動荷載，用于測試無振動作用影響時土體的滲透特性；t₁至t₂時刻，持續輸入預設的振動荷載，用于測試振動作用影響下土體的滲透特性；

(5)結果計算：

首先，計算無振動荷載作用下土體在環境溫度T時的滲透系數如公式1所示：

其中，t₀為試驗開始的時刻；t₁為開始輸入振動荷載的時刻；m₀為t₀時刻高精重力感應器的讀數；m₁為t₁時刻高精重力感應器的讀數；L為土體試樣的長度；A為土體試樣的橫截面積；H為定水頭儲水箱中液面高度與滲流柱玻璃管中心之間的高度差；

其次，計算振動荷載作用下土體在環境溫度T時的滲透系數如公式2所示：

其中，t₂為結束輸入振動荷載的時刻；m₂為t₂時刻高精重力感應器的讀數；

最后，計算該特定振動荷載對該土體試樣滲透系數的影響因子ε，如公式3所示：