[发明专利]一种考虑振动作用的土体渗透特性试验装置及方法

权利要求书

1.一种考虑振动作用的土体渗透特性试验装置，其特征在于：所述考虑振动作用的土体渗透特性试验装置包括支撑机构、激振系统、渗透系统和测控系统，所述激振系统、所述渗透系统和所述测控系统均安装于支撑机构上，所述激振系统采用激振设备及传递机构实现土体试样的振动环境模拟，所述渗透系统通过水头装置及渗透管路实现土体试样的渗透试验，所述测控系统利用控制设备和监测元件控制振动荷载并测量渗流数据，从而实现土体试样的振动过程、渗透过程和测试过程的有机结合。

2.根据权利要求1所述的考虑振动作用的土体渗透特性试验装置，其特征在于：所述支撑机构包括操作台桌面和操作台桌腿，所述操作台桌腿固连于操作台桌面下方四角；所述操作台桌面构成整个试验装置的基础，所述激振系统、渗透系统和测控系统通过操作台桌面连成整体。

3.根据权利要求1所述的考虑振动作用的土体渗透特性试验装置，其特征在于：所述激振系统包括减震橡胶板、振动电机底板、电机固定螺栓、振动电机和激振板，所述减震橡胶板和振动电机底板通过电机固定螺栓可拆卸地连接于支撑机构的操作台桌面之上；所述振动电机底板和支撑机构的操作台桌面之间设有减震橡胶板，用于吸收振动能量，有效避免试验过程中振动荷载通过支撑机构的操作台桌面传递至其余机构扰动正常工作，或者反馈回所述激振系统干扰振动荷载的输出；所述振动电机固连于振动电机底板之上，为试验提供平行或垂直渗透方向符合要求的振动荷载；所述激振板固连于振动电机的顶部，为渗透系统的渗流柱底座支撑和渗流柱顶部支撑提供安装基础，并将振动电机提供的振动荷载至传递渗透系统的土体试样，以充分还原受振土体的真实赋存环境。

4.根据权利要求1所述的考虑振动作用的土体渗透特性试验装置，其特征在于：所述渗透系统包括Y型支撑台柱、台柱固定螺栓、水箱支撑平台、定水头储水箱、水箱进水管、控制阀、水箱溢出管、渗流进水管、柔性连接管、渗流柱玻璃管、渗流柱底座支撑、渗流柱顶部支撑、透水石、土体试样、橡胶管塞、渗流出水管、渗出储水箱，所述Y型支撑台柱通过台柱固定螺栓连接于支撑机构的操作台桌面之上；所述水箱支撑平台固连于Y型支撑台柱顶部，作为定水头储水箱的安置基座；所述水箱进水管通过控制阀控制进水流量，所述水箱进水管的进水口置于定水头储水箱的上方；所述水箱溢出管在定水头储水箱的特定高度处连通，用于控制水箱内的水头不超过该特定高度；所述渗流柱玻璃管通过渗流柱底座支撑和渗流柱顶部支撑与激振系统的激振板连接；所述土体试样置于渗流柱玻璃管内；所述透水石置于渗流柱玻璃管内土体试样的前后两侧；所述橡胶管塞置于渗流柱玻璃管前端，用于紧固和密闭土体试样；所述渗流出水管一端插入橡胶管塞至透水石处为止，另一端弯转至渗出储水箱的开口上方。

5.根据权利要求4所述的考虑振动作用的土体渗透特性试验装置，其特征在于：所述渗流进水管与渗流柱玻璃管之间设有柔性连接管，有效避免试验过程中的振动荷载通过渗流管路传递至定水头储水箱，引起储水箱内液面的激荡。

6.根据权利要求1所述的考虑振动作用的土体渗透特性试验装置，其特征在于：所述测控系统包括控制微机、数据集成器、振动电机控制线、高精重力感应器、感应器控制线和控制线孔，所述控制微机安置于支撑机构的所述操作台桌面之上，通过数据集成器发送和采集数据，并进行计算分析和数据处理；所述振动电机控制线连接于数据集成器和激振系统的振动电机之间，用于传输振动信号至激振系统的所述振动电机；所述高精重力感应器置于渗透系统的渗出储水箱下侧，用于动态测量所述渗出储水箱的质量；所述感应器控制线连接于数据集成器和所述高精重力感应器之间，用于传输所述高精重力感应器测量获得的数据。

7.一种考虑振动作用的土体渗透特性试验方法，其特征在于：所述方法应用权利要求1-6中任一项所述的考虑振动作用的土体渗透特性试验装置，并包括以下步骤：

(1)试样安装：依次将底部透水石、制备完成的土体试样和顶部透水石缓慢置入渗流柱玻璃管，再将橡胶管塞缓慢塞入到指定位置，从而完成试样的安装；

(2)设备连接：依次将定水头储水箱、渗流进水管、柔性连接管和渗流柱玻璃管连接，再将渗出水管插入橡胶管塞至透水石表明，弯折处朝下，从而完成渗流管路的连接；采用振动电机控制线将数据集成器与振动电机连接，采用感应器控制线将数据集成器与高精重力感应器连接，开启微机后调试输入振动荷载的数据，并初始化高精重力感应器数据，从而完成测控设备的连接；

(3)初始渗透：缓慢开启控制阀，让纯水通过水箱进水管逐步注满定水头储水箱至水箱溢出管高度，待渗流系统末端的渗流出水管有稳定的渗出水流后，方可开始试验，开始试验时刻记为t₀，同时测定试验的环境温度记为T；

(4)渗透试验：t₀至t₁时刻，不输入振动荷载，用于测试无振动作用影响时土体的渗透特性；t₁至t₂时刻，持续输入预设的振动荷载，用于测试振动作用影响下土体的渗透特性；

(5)结果计算：

首先，计算无振动荷载作用下土体在环境温度T时的渗透系数如公式1所示：

其中，t₀为试验开始的时刻；t₁为开始输入振动荷载的时刻；m₀为t₀时刻高精重力感应器的读数；m₁为t₁时刻高精重力感应器的读数；L为土体试样的长度；A为土体试样的横截面积；H为定水头储水箱中液面高度与渗流柱玻璃管中心之间的高度差；

其次，计算振动荷载作用下土体在环境温度T时的渗透系数如公式2所示：

其中，t₂为结束输入振动荷载的时刻；m₂为t₂时刻高精重力感应器的读数；

最后，计算该特定振动荷载对该土体试样渗透系数的影响因子ε，如公式3所示：