本實用新型涉及一種飽和軟土振動離心滲流儀，尤其涉及一種能根據水的滲流量來計算在振動荷載和離心作用下飽和軟土滲透系數的滲流儀。

背景技術：

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是滲透系數，現有測量滲透系數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測量具有準確性高、技術成熟等優點。

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，其滲流往往表現出非達西滲流特性。應用現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測量將導致結果偏離工程實際，無法指導巖土工程勘察，很有可能給巖土工程設計、施工帶來巨大的損失。

隨著城市進程的不斷加快，地鐵、鐵路、公路等交通工程發展迅速，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測量，與工程實踐不符，更不能模擬污染物如何在土中遷移，缺乏相應的實驗裝置。

所以人們開始越來越關注對軟土滲流特性的研究，并將理論研究與工程經驗累積的研究成果應用于工程實踐中。

離心機模型試驗被國際公認為是研究巖土動力學問題最有效、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0.25m的土工離心機，19世紀70年代初，土工離心機在美、英、蘇聯、法、日等國相繼發展，研制出轉臺式離心機、吊籃式離心機和鼓式離心機，我國于19世紀80年代開始重視動力離心機技術，1982年由長江科學研究院簡稱，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。試驗模型能夠真實準確地反映原型的性態和行為，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系三個基本條件，即對應于各參數的相似準則和參數之間的協調關系。假定模型使用原型材料(包含孔隙介質等)，離心加速度Ng條件下，基于動力離心模擬試驗原理、“相似三定理”及平衡方程，可推導出模型與原型之間各物理參數的相似因子，該實驗儀器雖然能計算軟土滲透系數，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。

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構含水層中的滲流，雖然該儀器考慮了不同的滲透介質、滲流方向，但是并不適用于軟土動力滲透系數的測量。

2012年，美國工程師協會，針對非飽和土研發了離心滲流儀，通過模擬N_rg條件下非飽和土的滲透特性，根據相似原理反推實際條件下非飽和土的滲透系數。雖然該儀器能夠準確計算非飽和土滲透系數以及模擬污染物在土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土滲透系數。

現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，軟土滲透系數很難準確測量。

技術實現要素：

本實用新型的目的提供一種能夠更為準確地模擬動荷載作用下軟土滲流固結特性的飽和軟土振動離心滲流儀。技術方案如下：

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，玻璃刻度旋轉筒66，固定在振動平臺18上的旋轉電機60和注水部分。

振動平臺18的一側通過水平彈簧2與支架23相連，另一側通過第一剛性桿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；玻璃刻度旋轉筒66中部為伸出筒底部的旋轉電機60的電機轉軸4；大空心圓柱透水石20的內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筒66，使得玻璃刻度筒64中的水順利流入玻璃旋轉刻度筒66；電機轉軸4受旋轉電機60的驅動，帶動旋轉玻璃刻度旋轉筒66中的土樣槽9的土樣做離心運動。

作為優選實施方式，所述的飽和軟土振動離心滲流儀，兩個加載控制臺的結構相同，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通過帶有調節閥24的第三管路與水槽箱42內的水相連通；

第二活塞缸37內的第二活塞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驅動第一活塞缸36中第一活塞35的往復運動；

當第一活塞35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；當第一活塞35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；當第一活塞缸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節閥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。

本實用新型由于采用以上技術方案具有以下優點：1、本實用新型以飽和軟土為研究對象，能夠真實模擬動荷載作用下軟土的滲流固結特性，計算出的滲透系數和土體位移值更加真實有效；2、本實用新型涉及一種封閉的滲流裝置，通過出水量參數ΔQ和時間Δt以及玻璃刻度筒兩個度數h₁、h₂，就能確定水頭損失和滲透系數，參數少，方便；3、本實用新型將振動臺和離心機結合在一起，能夠考慮振動和離心耦合效應對飽和軟土滲透特性的影響，振動臺與拉壓加載器、彈簧相連，簡單易行。總之，本實用新型的結構設置簡單、方便；測定飽和軟土滲透系數更準確，更加接近于真實情況。

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算原理圖；

圖中1、驅動桿；2、第一彈簧；3、集水池；4、電機轉軸；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、旋轉電機開關；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、調節閥；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、旋轉電機；61、旋轉桶底座；64、玻璃刻度筒；66、玻璃刻度旋轉筒。

具體實施方式

為進一步了解本實用新型的實用新型內容、特點及功效，現例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：

本實用新型的飽和軟土振動離心滲流儀中的飽和軟土離心振動滲流儀包括振動平臺18，玻璃刻度旋轉筒66，旋轉電機60和注水部分。

在圖1中，振動平臺18的一側通過水平彈簧2與支架23相連，另一側通過第一剛性桿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上固定有旋轉電機60，

在圖2中，兩個加載控制臺的結構相同，包括驅動桿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，調節閥24。工作原理：開啟交流穩壓電源，通過主控制器控制變頻器25，從而改變活塞電機11的旋轉速度，與活塞電機11相連的驅動桿1來驅動第一活塞缸36中第一活塞35的往復運動；當第一活塞35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；當第一活塞35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。當第一活塞缸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節閥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構相同，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右側和底下剛性相連，從而實現水平和豎向拉壓振動。

在圖3中，玻璃刻度旋轉筒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；玻璃刻度旋轉筒66中部為伸出筒底部的電機轉軸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，并在土樣的內徑和外徑表面處貼上濾紙6。

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筒66，使得玻璃刻度筒64中的水順利流入玻璃旋轉刻度筒66；電機轉軸4受旋轉電機60的驅動帶動旋轉玻璃刻度旋轉筒66中的土樣槽9的土樣做離心運動。

在圖4中，本實用新型飽和軟土振動離心滲流儀滲透系數計算，依據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，關閉電機旋轉控制器，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，開啟電機旋轉控制器，關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——滲流時間；

λ——軟土滲流修正系數；

w——旋轉電機60旋轉的角速度；

g——重力加速度；

r_i——電機轉軸4的中心線到小空心圓柱透水石8的距離；

r₀——電機轉軸4的中心線到大空心圓柱透水石20的距離；

r——為電機轉軸4的中心線到玻璃刻度旋轉筒66的距離；

N_r——相似性系數；

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，即試驗開始和試驗結束時玻璃刻度筒數值差Δh＝h₁-h₂；

現以模擬動荷載和離心耦合作用下飽和軟土滲透系數的試驗為例，說明本實用新型的具體使用過程，具體實施步驟如下：

(1)試驗系統按照附圖組裝完畢后，首先將土樣槽9內側放入浸過水的濾紙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放在高于旋轉刻度筒66的位置，將空腔21注滿水，讀取玻璃刻度筒64的數值h₁；

(3)開啟振動臺18，通過主控制臺選擇相應頻率的波形，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，根據計算機采集的鋼柱39的運動情況調節兩個加載控制臺振動頻率。

(4)開啟旋轉電機開關17，通過旋轉電機確定旋轉速度ω；

(5)確定滲水時間Δt，并記錄玻璃刻度旋轉筒66出水量ΔQ值，再次讀取玻璃刻度的數值h₂；

(6)通過上述公式計算滲透系數，結束試驗。

盡管上面結合附圖對本實用新型的某一實施例進行了描述，但是本實用新型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，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本實用新型的保護范圍之內。