一种振动控制非饱和土柱试验系统技术方案

一种振动控制非饱和土柱试验系统，包括渗流及污染物注入机构、非饱和土柱机构、振动机构、排液管、围压施加和量测装置、数据采集系统、加速度和激振产生和记录装置、压力室机构、计算机等。用固定-自由型系统对土柱施加轴向激振和扭转激振，克服现有常规渗流试验设备不能考虑振动激励和饱和度的缺陷，可开展不同振动激励和土柱饱和度下渗流及污染物迁移特性试验、并且可调节围压、可对振动衰减频率以及土柱变形等进行精确控制和量测。

【技术实现步骤摘要】
一种振动控制非饱和土柱试验系统
本专利技术涉及一种渗流领域的振动控制非饱和土柱试验系统，用来测定振动激励、饱和度和围压耦合作用下非饱和土中渗流及污染物迁移特性。
技术介绍
地震波的传播使得外围的井-含水层系统出现水位振荡现象，进而对表层非饱和土以及地下含水层中渗流和污染物迁移产生很严重的影响。然而，现有的室内渗流试验大多是在无振动条件下进行的，忽略振动激励的影响。其次，全世界每年在生活和生产中产生的大量废弃物倾倒或者堆填在非饱和土层，废弃物中的污染物随气体、水流和细颗粒等在非饱和土中迁移扩散，对自然环境和生物产生极大的威胁。非饱和土通常是污染物进入含水层之前首先要通过的区域，植物和农作物从中吸取水分、营养和污染物质。同时，非饱和土也是阻隔和消除污染物迁移的首要区域。虽然由于污染物治理技术的发展，使得饱和土中污染物迁移特性的研究已取得一定的成果，但是忽略土层非饱和度的影响得到的污染物迁移特性将是不准确的，也不能满足实际工程的需要。可见，非饱和土中振动激励的渗流及污染物迁移规律的研究在污染物治理、城市固体废弃物填埋以及地下水开采等方面具有重要意义。为了研究非饱和土中振动激励的渗流及污染物迁移规律，常规的室内常水头和变水头渗流试验设备已不能满足要求，研制振动控制非饱和土柱试验系统显得尤为迫切和重要。常规的渗流试验设备是测定常水头和变水头条件下饱和土渗透系数的有效工具，但是常规的渗流试验设备不能对施加振动激励和调节饱和度，无法满足考虑振动激励的非饱和土中渗流及污染物迁移特性的试验要求。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有常规渗流试验设备不能考虑振动激励和饱和度的缺陷，提供一种灵敏度高的振动控制非饱和土柱试验系统，该系统可满足对土柱施加轴向振动和扭转振动激励、调节土柱饱和度、对振动衰减频率以及土柱变形等进行精确控制和量测的渗流及污染物迁移特性试验。本专利技术采用如下技术方案：一种振动控制非饱和土柱试验系统，其特征在于：包括渗流及污染物注入机构、非饱和土柱机构、振动机构、排液管、围压施加和量测装置及压力室机构；该渗流及污染物注入机构设有与非饱和土柱机构的进水端相连的渗流及污染物注入管，用于将渗流及污染物注入非饱和土柱机构内；该振动机构与非饱和土柱机构相连用于对非饱和土柱机构施加轴向激振和扭转激振；该非饱和土柱机构设置于压力室机构内用于进行渗流及污染物迁移特性试验，包括有土柱、透水石、高进气值陶土板及气压施加和测量装置，该土柱的进水端和出水端分别设置有透水石，透水石与土柱之间还设有高进气值陶土板；该气压施加和测量装置与土柱的进水端连通；该排液管与土柱的出水端连通；该围压施加和量测装置通过围压管与压力室机构内部连通用于对土柱外周施加围压及测量土柱变形。优选的，所述振动机构包括轴向激振器、扭转激振器、加速度计、顶盘、若干支架、扭转位移传感器、轴向位移传感器、加速度和激振力产生及记录装置；该若干支架竖直地分布于土柱外周且底部固定于压力室机构底面；该顶盘设置于支架和土柱上方；该扭转激振器位于压力室机构内，且连接于支架与顶盘之间；该轴向激振器位于压力室机构外，其还通过一竖直穿过压力室机构并与顶盘接触的活塞杆传递轴向激振力；该加速度计设置于扭转激振器上；该扭转位移传感器位于顶盘与扭转激振器之间的中间位置；该轴向位移传感器连接于顶盘与扭转激振器之间；该加速度和激振力产生及记录装置与轴向激振器、扭转激振器、加速度计、扭转位移传感器和轴向位移传感器相连。优选的，所述土柱进水端处的透水石顶面密封，底面设有筛网结构；所述土柱出水端处的透水石顶面也设有筛网结构，底面设有与所述排液管相连的孔。优选的，所述扭转激振器包括若干线圈、若干磁铁和转盘；该转盘设置于土柱顶部且设有金属盘；该若干线圈分布于转盘外周，且连接于顶盘与支架之间；该磁铁一一对应地设置于线圈内；所述加速度计设置于转盘上；所述扭转位移传感器设置于顶盘底部与金属盘对应；所述的轴向位移传感器连接于所述转盘和顶盘的中间位置。优选的，所述线圈和磁铁的数量为4个。优选的，还包括有数据采集装置，该数据采集装置与加速度计、轴向激振器、扭转激振器相连用于采集振动信号。优选的，所述加速度和激振力产生及记录装置包括依次相连的计算机、信号发生器、D/A转换器和功率放大器，用于产生试验所需参数的电测试信号。优选的，所述压力室机构包括顶盖、底板和有机玻璃压力罩；该有机玻璃压力罩底部与底板固定连接，顶部通过顶盖密封；该顶盖为不锈钢顶盖，其上形成有供所述活塞杆穿过的通孔；该底板为不锈钢底板，其上设有供所述渗流及污染物注入管、排液管和围压管穿过的通孔。优选的，所述渗流及污染物注入机构包括有储液箱、蠕动泵、流量计和渗流及污染物注入管；该渗流及污染物注入管一端与土柱的进水端相连。另一端连通储液箱；该蠕动泵和流量计均设置于渗流及污染物注入管上，分别用于控制渗流及污染物从储液箱注入土柱内和调节渗流及污染物流速。优选的，所述气压施加和量测装置包括有输气管、氮气瓶、减压阀和调压阀，该输气管一端与土柱进水端相连，另一端连接氮气瓶，该输气管上设置有减压阀和调压阀，用于将氮气减压成低压气体并经调压阀调整至所需气压后再送至所述土柱进水端。由上述对本专利技术的描述可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1.本专利技术在振动系统采用固定-自由型系统对土柱施加轴向激振和扭转激振，可开展不同振动激励形式下渗流及污染物迁移特性试验。2.本专利技术在土柱上、下两端设置高进气值陶土板，利用轴平移技术对土柱施加较高的吸力，可开展不同饱和度条件下渗流及污染物迁移特性试验。3.本专利技术为了防止压力室内振动产生的热量的散失，在有机玻璃压力罩内、顶盖和底板表层设置隔热性能优越的纳基隔热软毡，有效防止压力室内热量的散失。4.本专利技术在土柱四周施加围压，可以更加真实地模拟渗流及污染物在实际地层迁移状态，测试结果更加精确。5.本专利技术为了克服室内常规渗流试验中水流速度不稳的缺点，采用流量计精确测定单位时间的流量，通过恒定蠕动泵的转速保证渗流速度稳定。6.本专利技术对振动激励和饱和度的控制操作简便，对振动衰减频率、加速度以及渗流速度实现自动化测量和采集，且所测数据精确。附图说明图1为本专利技术的系统示意图；图2为扭转激振器示意图；其中：1、土柱；2、透水石；3、高进气值陶土板；4、气压施加和量测装置；5、排液管；6、输气管；7、储液箱；8、蠕动泵；9、流量计；10、渗流及污染物注入管；11、不锈钢顶盖；12、不锈钢底板；13、有机玻璃压力罩；14、纳基隔热软毡；15、围压施加和量测装置；16、围压管；17、轴向激振器；18、加速度计；19、顶盘；20、支架；21、扭转位移传感器；22、轴向位移传感器；23、加速度和激振力产生及记录装置；24、活塞杆；25、线圈；26、磁铁；27、转盘；28、金属盘；29、螺栓；30、数据采集装置。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的描述。参照图1一种振动控制非饱和土柱试验系统，包括渗流及污染物注入机构、非饱和土柱机构、振动机构、排液管5、围压施加和量测装置15及压力室机构。渗流及污染物注入机构包括有储液箱7、蠕动泵8、流量计9和渗流及污染物注入管10。该非饱和土柱机构设置于压力室机构内用于进行渗流及污染本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种振动控制非饱和土柱试验系统，其特征在于：包括渗流及污染物注入机构、非饱和土柱机构、振动机构、排液管、围压施加和量测装置及压力室机构；该渗流及污染物注入机构设有与非饱和土柱机构的进水端相连的渗流及污染物注入管，用于将渗流及污染物注入非饱和土柱机构内；该振动机构与非饱和土柱机构相连用于对非饱和土柱机构施加轴向激振和扭转激振；该非饱和土柱机构设置于压力室机构内用于进行渗流及污染物迁移特性试验，包括有土柱、透水石、高进气值陶土板及气压施加和测量装置，该土柱的进水端和出水端分别设置有透水石，透水石与土柱之间还设有高进气值陶土板；该气压施加和测量装置与土柱的进水端连通；该排液管与土柱的出水端连通；该围压施加和量测装置通过围压管与压力室机构内部连通用于对土柱外周施加围压及测量土柱形变。

【技术特征摘要】
1.一种振动控制非饱和土柱试验系统，其特征在于：包括渗流及污染物注入机构、非饱和土柱机构、振动机构、排液管、围压施加和量测装置及压力室机构；该渗流及污染物注入机构设有与非饱和土柱机构的进水端相连的渗流及污染物注入管，用于将渗流及污染物注入非饱和土柱机构内；该振动机构与非饱和土柱机构相连用于对非饱和土柱机构施加轴向激振和扭转激振，包括轴向激振器、扭转激振器、加速度计、顶盘、若干支架、扭转位移传感器、轴向位移传感器、加速度和激振力产生及记录装置；该若干支架竖直地分布于土柱外周且底部固定于压力室机构底面；该顶盘设置于支架和土柱上方；该扭转激振器位于压力室机构内，且连接于支架与顶盘之间；该轴向激振器位于压力室机构外，其还通过一竖直穿过压力室机构并与顶盘接触的活塞杆传递轴向激振力；该加速度计设置于扭转激振器上；该扭转位移传感器位于顶盘与扭转激振器之间的中间位置；该轴向位移传感器连接于顶盘与扭转激振器之间；该加速度和激振力产生及记录装置同时与轴向激振器、扭转激振器、加速度计、扭转位移传感器和轴向位移传感器相连；所述扭转激振器包括若干线圈、若干磁铁和转盘；该转盘设置于土柱顶部且设有金属盘；该若干线圈分布于转盘外周，且连接于顶盘与支架之间；该磁铁一一对应地设置于线圈内；所述加速度计设置于转盘上；所述扭转位移传感器设置于顶盘底部与金属盘对应；所述的轴向位移传感器连接于所述转盘和顶盘的中间位置；该非饱和土柱机构设置于压力室机构内用于进行渗流及污染物迁移特性试验，包括有土柱、透水石、高进气值陶土板及气压施加和量测装置，该土柱的进水端和出水端分别设置有透水石，透水石与土柱之间还设有高进气值陶土板；该气压施加和量测装置与土柱的进水端连通；该排液管与土柱的出水端连通；该围压施加和量测装置通过围压管与压力室机构内部连通用于对土柱外周施加围压及测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈星欣，蔡奇鹏，刘振宇，常方强，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建;35