一種振動控制非飽和土柱試驗系統技術方案

一種振動控制非飽和土柱試驗系統，包括滲流及污染物注入機構、非飽和土柱機構、振動機構、排液管、圍壓施加和量測裝置、數據采集系統、加速度和激振產生和記錄裝置、壓力室機構、計算機等。用固定-自由型系統對土柱施加軸向激振和扭轉激振，克服現有常規滲流試驗設備不能考慮振動激勵和飽和度的缺陷，可開展不同振動激勵和土柱飽和度下滲流及污染物遷移特性試驗、并且可調節圍壓、可對振動衰減頻率以及土柱變形等進行精確控制和量測。

【技術實現步驟摘要】
一種振動控制非飽和土柱試驗系統
本專利技術涉及一種滲流領域的振動控制非飽和土柱試驗系統，用來測定振動激勵、飽和度和圍壓耦合作用下非飽和土中滲流及污染物遷移特性。
技術介紹
地震波的傳播使得外圍的井-含水層系統出現水位振蕩現象，進而對表層非飽和土以及地下含水層中滲流和污染物遷移產生很嚴重的影響。然而，現有的室內滲流試驗大多是在無振動條件下進行的，忽略振動激勵的影響。其次，全世界每年在生活和生產中產生的大量廢棄物傾倒或者堆填在非飽和土層，廢棄物中的污染物隨氣體、水流和細顆粒等在非飽和土中遷移擴散，對自然環境和生物產生極大的威脅。非飽和土通常是污染物進入含水層之前首先要通過的區域，植物和農作物從中吸取水分、營養和污染物質。同時，非飽和土也是阻隔和消除污染物遷移的首要區域。雖然由于污染物治理技術的發展，使得飽和土中污染物遷移特性的研究已取得一定的成果，但是忽略土層非飽和度的影響得到的污染物遷移特性將是不準確的，也不能滿足實際工程的需要。可見，非飽和土中振動激勵的滲流及污染物遷移規律的研究在污染物治理、城市固體廢棄物填埋以及地下水開采等方面具有重要意義。為了研究非飽和土中振動激勵的滲流及污染物遷移規律，常規的室內常水頭和變水頭滲流試驗設備已不能滿足要求，研制振動控制非飽和土柱試驗系統顯得尤為迫切和重要。常規的滲流試驗設備是測定常水頭和變水頭條件下飽和土滲透系數的有效工具，但是常規的滲流試驗設備不能對施加振動激勵和調節飽和度，無法滿足考慮振動激勵的非飽和土中滲流及污染物遷移特性的試驗要求。
技術實現思路
本專利技術的主要目的在于克服現有常規滲流試驗設備不能考慮振動激勵和飽和度的缺陷，提供一種靈敏度高的振動控制非飽和土柱試驗系統，該系統可滿足對土柱施加軸向振動和扭轉振動激勵、調節土柱飽和度、對振動衰減頻率以及土柱變形等進行精確控制和量測的滲流及污染物遷移特性試驗。本專利技術采用如下技術方案：一種振動控制非飽和土柱試驗系統，其特征在于：包括滲流及污染物注入機構、非飽和土柱機構、振動機構、排液管、圍壓施加和量測裝置及壓力室機構；該滲流及污染物注入機構設有與非飽和土柱機構的進水端相連的滲流及污染物注入管，用于將滲流及污染物注入非飽和土柱機構內；該振動機構與非飽和土柱機構相連用于對非飽和土柱機構施加軸向激振和扭轉激振；該非飽和土柱機構設置于壓力室機構內用于進行滲流及污染物遷移特性試驗，包括有土柱、透水石、高進氣值陶土板及氣壓施加和測量裝置，該土柱的進水端和出水端分別設置有透水石，透水石與土柱之間還設有高進氣值陶土板；該氣壓施加和測量裝置與土柱的進水端連通；該排液管與土柱的出水端連通；該圍壓施加和量測裝置通過圍壓管與壓力室機構內部連通用于對土柱外周施加圍壓及測量土柱變形。優選的，所述振動機構包括軸向激振器、扭轉激振器、加速度計、頂盤、若干支架、扭轉位移傳感器、軸向位移傳感器、加速度和激振力產生及記錄裝置；該若干支架豎直地分布于土柱外周且底部固定于壓力室機構底面；該頂盤設置于支架和土柱上方；該扭轉激振器位于壓力室機構內，且連接于支架與頂盤之間；該軸向激振器位于壓力室機構外，其還通過一豎直穿過壓力室機構并與頂盤接觸的活塞桿傳遞軸向激振力；該加速度計設置于扭轉激振器上；該扭轉位移傳感器位于頂盤與扭轉激振器之間的中間位置；該軸向位移傳感器連接于頂盤與扭轉激振器之間；該加速度和激振力產生及記錄裝置與軸向激振器、扭轉激振器、加速度計、扭轉位移傳感器和軸向位移傳感器相連。優選的，所述土柱進水端處的透水石頂面密封，底面設有篩網結構；所述土柱出水端處的透水石頂面也設有篩網結構，底面設有與所述排液管相連的孔。優選的，所述扭轉激振器包括若干線圈、若干磁鐵和轉盤；該轉盤設置于土柱頂部且設有金屬盤；該若干線圈分布于轉盤外周，且連接于頂盤與支架之間；該磁鐵一一對應地設置于線圈內；所述加速度計設置于轉盤上；所述扭轉位移傳感器設置于頂盤底部與金屬盤對應；所述的軸向位移傳感器連接于所述轉盤和頂盤的中間位置。優選的，所述線圈和磁鐵的數量為4個。優選的，還包括有數據采集裝置，該數據采集裝置與加速度計、軸向激振器、扭轉激振器相連用于采集振動信號。優選的，所述加速度和激振力產生及記錄裝置包括依次相連的計算機、信號發生器、D/A轉換器和功率放大器，用于產生試驗所需參數的電測試信號。優選的，所述壓力室機構包括頂蓋、底板和有機玻璃壓力罩；該有機玻璃壓力罩底部與底板固定連接，頂部通過頂蓋密封；該頂蓋為不銹鋼頂蓋，其上形成有供所述活塞桿穿過的通孔；該底板為不銹鋼底板，其上設有供所述滲流及污染物注入管、排液管和圍壓管穿過的通孔。優選的，所述滲流及污染物注入機構包括有儲液箱、蠕動泵、流量計和滲流及污染物注入管；該滲流及污染物注入管一端與土柱的進水端相連。另一端連通儲液箱；該蠕動泵和流量計均設置于滲流及污染物注入管上，分別用于控制滲流及污染物從儲液箱注入土柱內和調節滲流及污染物流速。優選的，所述氣壓施加和量測裝置包括有輸氣管、氮氣瓶、減壓閥和調壓閥，該輸氣管一端與土柱進水端相連，另一端連接氮氣瓶，該輸氣管上設置有減壓閥和調壓閥，用于將氮氣減壓成低壓氣體并經調壓閥調整至所需氣壓后再送至所述土柱進水端。由上述對本專利技術的描述可知，與現有技術相比，本專利技術具有如下有益效果：1.本專利技術在振動系統采用固定-自由型系統對土柱施加軸向激振和扭轉激振，可開展不同振動激勵形式下滲流及污染物遷移特性試驗。2.本專利技術在土柱上、下兩端設置高進氣值陶土板，利用軸平移技術對土柱施加較高的吸力，可開展不同飽和度條件下滲流及污染物遷移特性試驗。3.本專利技術為了防止壓力室內振動產生的熱量的散失，在有機玻璃壓力罩內、頂蓋和底板表層設置隔熱性能優越的納基隔熱軟氈，有效防止壓力室內熱量的散失。4.本專利技術在土柱四周施加圍壓，可以更加真實地模擬滲流及污染物在實際地層遷移狀態，測試結果更加精確。5.本專利技術為了克服室內常規滲流試驗中水流速度不穩的缺點，采用流量計精確測定單位時間的流量，通過恒定蠕動泵的轉速保證滲流速度穩定。6.本專利技術對振動激勵和飽和度的控制操作簡便，對振動衰減頻率、加速度以及滲流速度實現自動化測量和采集，且所測數據精確。附圖說明圖1為本專利技術的系統示意圖；圖2為扭轉激振器示意圖；其中：1、土柱；2、透水石；3、高進氣值陶土板；4、氣壓施加和量測裝置；5、排液管；6、輸氣管；7、儲液箱；8、蠕動泵；9、流量計；10、滲流及污染物注入管；11、不銹鋼頂蓋；12、不銹鋼底板；13、有機玻璃壓力罩；14、納基隔熱軟氈；15、圍壓施加和量測裝置；16、圍壓管；17、軸向激振器；18、加速度計；19、頂盤；20、支架；21、扭轉位移傳感器；22、軸向位移傳感器；23、加速度和激振力產生及記錄裝置；24、活塞桿；25、線圈；26、磁鐵；27、轉盤；28、金屬盤；29、螺栓；30、數據采集裝置。具體實施方式以下通過具體實施方式對本專利技術作進一步的描述。參照圖1一種振動控制非飽和土柱試驗系統，包括滲流及污染物注入機構、非飽和土柱機構、振動機構、排液管5、圍壓施加和量測裝置15及壓力室機構。滲流及污染物注入機構包括有儲液箱7、蠕動泵8、流量計9和滲流及污染物注入管10。該非飽和土柱機構設置于壓力室機構內用于進行滲流及污染本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種振動控制非飽和土柱試驗系統，其特征在于：包括滲流及污染物注入機構、非飽和土柱機構、振動機構、排液管、圍壓施加和量測裝置及壓力室機構；該滲流及污染物注入機構設有與非飽和土柱機構的進水端相連的滲流及污染物注入管，用于將滲流及污染物注入非飽和土柱機構內；該振動機構與非飽和土柱機構相連用于對非飽和土柱機構施加軸向激振和扭轉激振；該非飽和土柱機構設置于壓力室機構內用于進行滲流及污染物遷移特性試驗，包括有土柱、透水石、高進氣值陶土板及氣壓施加和測量裝置，該土柱的進水端和出水端分別設置有透水石，透水石與土柱之間還設有高進氣值陶土板；該氣壓施加和測量裝置與土柱的進水端連通；該排液管與土柱的出水端連通；該圍壓施加和量測裝置通過圍壓管與壓力室機構內部連通用于對土柱外周施加圍壓及測量土柱形變。

【技術特征摘要】
1.一種振動控制非飽和土柱試驗系統，其特征在于：包括滲流及污染物注入機構、非飽和土柱機構、振動機構、排液管、圍壓施加和量測裝置及壓力室機構；該滲流及污染物注入機構設有與非飽和土柱機構的進水端相連的滲流及污染物注入管，用于將滲流及污染物注入非飽和土柱機構內；該振動機構與非飽和土柱機構相連用于對非飽和土柱機構施加軸向激振和扭轉激振，包括軸向激振器、扭轉激振器、加速度計、頂盤、若干支架、扭轉位移傳感器、軸向位移傳感器、加速度和激振力產生及記錄裝置；該若干支架豎直地分布于土柱外周且底部固定于壓力室機構底面；該頂盤設置于支架和土柱上方；該扭轉激振器位于壓力室機構內，且連接于支架與頂盤之間；該軸向激振器位于壓力室機構外，其還通過一豎直穿過壓力室機構并與頂盤接觸的活塞桿傳遞軸向激振力；該加速度計設置于扭轉激振器上；該扭轉位移傳感器位于頂盤與扭轉激振器之間的中間位置；該軸向位移傳感器連接于頂盤與扭轉激振器之間；該加速度和激振力產生及記錄裝置同時與軸向激振器、扭轉激振器、加速度計、扭轉位移傳感器和軸向位移傳感器相連；所述扭轉激振器包括若干線圈、若干磁鐵和轉盤；該轉盤設置于土柱頂部且設有金屬盤；該若干線圈分布于轉盤外周，且連接于頂盤與支架之間；該磁鐵一一對應地設置于線圈內；所述加速度計設置于轉盤上；所述扭轉位移傳感器設置于頂盤底部與金屬盤對應；所述的軸向位移傳感器連接于所述轉盤和頂盤的中間位置；該非飽和土柱機構設置于壓力室機構內用于進行滲流及污染物遷移特性試驗，包括有土柱、透水石、高進氣值陶土板及氣壓施加和量測裝置，該土柱的進水端和出水端分別設置有透水石，透水石與土柱之間還設有高進氣值陶土板；該氣壓施加和量測裝置與土柱的進水端連通；該排液管與土柱的出水端連通；該圍壓施加和量測裝置通過圍壓管與壓力室機構內部連通用于對土柱外周施加圍壓及測量...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳星欣，蔡奇鵬，劉振宇，常方強，
申請(專利權)人：華僑大學，
類型：發明
國別省市：福建;35