CN107014738A - 一种黄土工程振动促渗测试系统和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种黄土工程振动促渗测试系统和测试方法，涉及一种测试系统，包括交流电源、控制器、数据采集器、振动台和至少两个振动促渗仪，振动台包括从下到上依次设置的橡胶减震垫、振动发生装置、振动调节装置和振动台台面，振动促渗仪包括底座、按压手柄、螺杆、顶盖和套筒，螺杆为“U”型，振动促渗仪安装在振动台上。该系统通过控制进水口水量和流速控制渗透试验的水头压力，可以在同一个渗透系统进行振动作用下定水头和变水头渗透试验，简化试验步骤，消除尺寸效应对渗透试验的影响，利用传感器监测代替人工读数，提高了测试的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试系统，具体涉及一种黄土工程振动促渗测试系统和测试方法。
背景技术
黄土具有水敏性和振动敏感性(振敏性)，黄土高原夏季暴雨集中，斜坡黄土受像火车振动、强夯振动等特殊振动荷载影响而产生累计变形，发生松动效应，产生一系列细小裂缝，后期降雨沿这种裂缝灌入，加速裂缝向纵深方向延伸并不断扩大。由于列车振动的长期性和强夯振动的多期性和波及性，又会加速滞留于黄土孔隙和裂缝中的水再次加速入渗和运移，其结果又使裂缝进一步发展，这种情况循环往复，一旦超过黄土破坏临界值便会产生滑坡。
这种黄土滑坡中振动加速水的入渗和运移是其诱发的主要因素，但是以往的研究对于振动作用下黄土的入渗规律的研究几乎为空白。随着黄土高原地区铁路、公路和机场的大规模建设，人工振动对于自然环境的改造应越来越引起人们的高度重视。为此，本发明提出了黄土工程振动促渗测试系统，以便进一步研究土体在振动作用下渗透促进特性，为黄土高原地区大规模的铁路交通建设提供依据。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种黄土工程振动促渗测试系统。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种黄土工程振动促渗测试系统，包括交流电源、控制器、数据采集器、振动台和至少两个振动促渗仪；
所述振动台包括从下到上依次设置的橡胶减震垫、振动发生装置、振动调节装置和振动台台面，所述振动台台面上开设有至少两个圆槽，每个所述圆槽沿内壁对称设置有两个垂直的螺杆固定孔，每个所述圆槽内通过所述螺杆固定孔安装一个所述振动促渗仪；
所述振动促渗仪包括底座、按压手柄、螺杆、顶盖和套筒，所述螺杆为“U”型，所述底座内置于一个所述圆槽内，所述底座中间内置底部透水石，所述底部透水石四周设置底部密封橡胶圈，所述套筒设置在所述底部透水石上，所述套筒内部放置环刀试样，所述环刀试样上部加盖顶部透水石，所述顶部透水石四周设置顶部密封橡胶圈，所述顶盖设置在所述顶部透水石上，所述按压手柄下端穿过所述螺杆顶部与所述顶盖螺接，所述螺杆两端分别与两个所述螺杆固定孔螺接；
每个所述振动促渗仪的底座一侧连接进水管路，所述进水管路上按照水流方向依次设置有流速调节阀和孔压传感器，每个所述振动促渗仪的底座另一侧连接排气管路，两个所述振动促渗仪的排气管路互相连通，所述排气管路上设置有排气阀，所述顶盖一侧连接出水系统，所述出水系统包括钢制毛细管、烧杯和称重装置，所述称重装置设置在所述钢制毛细管的出水口下方，所述烧杯放置在所述称重装置上，所述称重装置内部设置有称重传感器；
所述孔压传感器和称重传感器均与所述数据采集器电连接，所述振动台和数据采集器均通过线缆与所述控制器连接，所述数据采集器、控制器和振动台均连接至所述交流电源。
优选地，所述顶部透水石和底部透水石的直径均为80mm。
优选地，所述流速调节阀和孔压传感器之间的距离为2-5cm之间。
优选地，所述进水管路和排气管路均为尼龙管，所述尼龙管的管径为5mm。
优选地，所述钢制毛细管的半径为1mm，所述钢制毛细管出水口的弯折角度小于等于90°。
优选地，所述螺杆的螺距为5mm。
优选地，所述振动促渗仪和所述圆槽的数量均为四个，两两所述振动促渗仪的排气管路互相连通。
本发明的另一目的在于提供一种黄土工程振动促渗测试方法，具体测试步骤包括：
包括定水头渗透试验方法和变水头渗透试验方法，具体测试步骤包括：
a、对称重传感器和孔压传感器进行标定；
b、在振动促渗仪的底座中间内置底部透水石，所述底部透水石四周设置底部密封橡胶圈，将套筒设置在所述底部透水石上，将削好的环刀试样周围涂抹凡士林放入所述套筒内，然后在所述环刀试样上部加盖顶部透水石，所述顶部透水石四周设置顶部密封橡胶圈，接着将顶盖设置在所述顶部透水石上，拧紧按压手柄和螺杆；
c、开通交流电源，启动数据采集器及控制器，开始渗透试验；
d、将进水管路的进水口连接至水源，开启流速调节阀和排气阀，待孔压传感器检测到的水压值稳定不变后，关闭所述排气阀；
e、若进行定水头渗透试验，根据所述孔压传感器的读数，调节所述流速调节阀保持水头压力不变进行试验；
若进行变水头渗透试验，则是根据土样的孔隙发育情况设定起始水头压力，调节所述流速调节阀使其达到设定的初始水头压力；然后开始计时，待所述孔压传感器检测到的水压值稳定不变后，此时记录的时间为黄土样品的饱和时间；
f、保持d中的试验状态，测试一段时间后，将所述数据采集器采集到的孔压值和时间数据导出，计算渗透系数；
式中：kT—水温T℃试样的渗透系数，cm/s；
a—进水管路截面积，cm2；
L—渗径，等于环刀试样高度，cm；
P1—起始水头压力，kPa；
P2—经时间(t＝t2-t1)后的水头压力，kPa；
A—环刀试样的断面积，cm2；
t1—测试开始时刻，s；
t2—测试结束时刻，s；
2.3—ln和lg的换算系数；
在所述步骤a-f的操作过程中需开启振动台。
优选地，所述振动台的开启时间为：
在完成步骤a-c后，开启所述振动台，按照试验需要的时间对所述环刀试样进行不同振动频率和幅值的振动试验，振动时开启排气阀；
或在完成步骤a-d后，开启所述振动台，按照预先试验设定的振动频率和幅值下进行步骤e-f；
或在完成步骤e之前开启所述振动台，让所述环刀试样在不同的振动频率和幅值状态下完成步骤e，然后关闭所述振动台进行步骤f。
本发明提供的黄土工程振动促渗测试系统结构简单，操作方便，方法易实施，精度高，满足试验要求，相比于以往的渗透仪，该振动促渗仪能够在一台仪器上实现定水头和变水头常规试验，且通过流速调节阀和孔压传感器的反馈调节机制，提高了试验中水头的控制精度，增大了试样尺寸，消除了尺寸效应对渗透试验的影响，能够直接观测渗透过程中的水头压力和出水量的变化，准确的计算出不同振动条件下土样的饱和入渗时间和渗透系数，分析振动特征(频率、振幅、振动的顺序)对于黄土饱和时间和渗透系数的影响，进一步分析振动联合降雨作用下对于黄土滑坡的诱发作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的黄土工程振动促渗仪测试系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的黄土工程振动促渗仪测试系统的振动台面俯视图；
图3为本发明实施例提供的黄土工程振动促渗仪测试系统中振动台结构示意图；
图4为本发明实施例提供的黄土工程振动促渗仪测试系统中工程振动促渗仪结构示意图；
图5为本发明实施例提供的黄土工程振动促渗仪测试系的控制原理框图。
附图标记说明：
1-进水口，2-流速调节阀，3-孔压传感器，4-振动渗透仪，5-排气阀，6-钢制毛细管，7-烧杯，8-称重传感器，9-振动台台面，10-进水口支架，11-线缆，12-控制器，13-顶部密封橡胶圈，14-顶部透水石，15-螺杆固定孔，16-振动调节装置，17-振动发生装置，18-橡胶减震垫，19-螺杆，20-顶盖，21-套筒，22-数据采集器，23-底座，24-按压手柄。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种黄土工程振动促渗测试系统，具体如图1至图5所示，包括交流电源、控制器12、数据采集器22、振动台和至少两个振动促渗仪4；
振动台包括从下到上依次设置的橡胶减震垫18、振动发生装置17、振动调节装置16和振动台台面9，振动台台面9上开设有至少两个圆槽，每个圆槽沿内壁对称设置有两个垂直的螺杆固定孔15，每个圆槽内通过螺杆固定孔15安装一个振动促渗仪4；
振动促渗仪包括底座23、按压手柄24、螺杆19、顶盖20和套筒21，螺杆19为“U”型，底座23内置于一个圆槽内，底座23中间内置底部透水石，底部透水石四周设置底部密封橡胶圈，套筒21设置在底部透水石上，套筒21内部放置环刀试样，环刀试样上部加盖顶部透水石14，顶部透水石14四周设置顶部密封橡胶圈13，顶盖20设置在顶部透水石14上，按压手柄24下端穿过螺杆19顶部与顶盖20螺接，螺杆19两端分别与两个螺杆固定孔15螺接；
每个振动促渗仪的底座23一侧连接进水管路，进水管路设置在进水口支架10上，进水管路上按照水流方向依次设置有流速调节阀2和孔压传感器3，每个振动促渗仪的底座23另一侧连接排气管路，两个振动促渗仪的排气管路互相连通，排气管路上设置有排气阀5，顶盖20一侧连接出水系统，出水系统包括钢制毛细管6、烧杯7和称重装置，称重装置设置在钢制毛细管6的出水口下方，烧杯7放置在称重装置上，称重装置内部设置有称重传感器8；
孔压传感器3和称重传感器8均与数据采集器22电连接，振动台和数据采集器22均通过线缆11与控制器12连接，数据采集器22、控制器12和振动台均连接至交流电源。
该系统不仅可以进行不同振动状态下的振动渗透试验，包括常规的定水头渗透试验和变水头渗透试验。称重传感器8和孔压传感器3在使用之前进行标定，标定曲线进行重新拟合得到拟合标定曲线及对应的拟合公式，便于之后数据的计算、矫正等。与以往的渗透试验相比，本发明将试样的尺寸增大，消除试样的尺寸效应对试验结果的影响，本实施例中顶部透水石14和底部透水石的直径为80mm。为了增加孔压传感器对初始水头的控制，提高试验的精确度，本实施例中流速调节阀2和孔压传感器3之间的距离为2-5cm之间，进水管路和排气管路均为尼龙管，尼龙管的管径为5mm。，均内置于振动台面内，钢制毛细管6的半径为1mm，钢制毛细管6出水口的弯折角度小于等于90°，螺杆19的螺距为5mm。
进一步地，本实施例中的振动促渗仪4和圆槽的数量均为四个，两两振动促渗仪的排气管路互相连通。
本实施例还提供一种黄土工程振动促渗测试方法，具体测试步骤包括：
包括定水头渗透试验方法和变水头渗透试验方法，具体测试步骤包括：
a、对称重传感器8和孔压传感器3进行标定；
b、在振动促渗仪4的底座23中间内置底部透水石，底部透水石四周设置底部密封橡胶圈，将套筒21设置在底部透水石上，将削好的环刀试样周围涂抹凡士林放入套筒21内，然后在环刀试样上部加盖顶部透水石14，顶部透水石14四周设置顶部密封橡胶圈13，接着将顶盖20设置在顶部透水石14上，拧紧按压手柄24和螺杆19；
c、开通交流电源，启动数据采集器22及控制器12，开始渗透试验；
d、将进水管路的进水口1连接至水源，开启流速调节阀2和排气阀5，待孔压传感器3检测到的水压值稳定不变后，关闭排气阀5；
e、若进行定水头渗透试验，根据孔压传感器3的读数，调节流速调节阀2保持水头压力不变进行试验；
若进行变水头渗透试验，则是根据土样的孔隙发育情况设定起始水头压力，调节流速调节阀2使其达到设定的初始水头压力；然后开始计时，待孔压传感器3检测到的水压值稳定不变后，此时记录的时间为黄土样品的饱和时间；
f、保持d中的试验状态，测试一段时间后，将数据采集器22采集到的孔压值和时间数据导出，计算渗透系数；
式中：kT—水温T℃试样的渗透系数，cm/s；
a—进水管路截面积，cm2；
L—渗径，等于环刀试样高度，cm；
P1—起始水头压力，kPa；
P2—经时间(t＝t2-t1)后的水头压力，kPa；
A—环刀试样的断面积，cm2；
t1—测试开始时刻，s；
t2—测试结束时刻，s；
2.3—ln和lg的换算系数；
在步骤a-f的操作过程中需开启振动台。
本实施例中的振动台的开启时间为：
或在完成步骤a-c后，开启振动台，按照试验需要的时间对环刀试样进行不同振动频率和幅值的振动试验，振动时开启排气阀5；
或在完成步骤a-d后，开启振动台，按照预先试验设定的振动频率和幅值下进行步骤e-f；
或在完成步骤e之前开启振动台，让环刀试样在不同的振动频率和幅值状态下完成步骤e，然后关闭振动台进行步骤f。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种黄土工程振动促渗测试系统，其特征在于，包括交流电源、控制器(12)、数据采集器(22)、振动台和至少两个振动促渗仪(4)；
所述振动台包括从下到上依次设置的橡胶减震垫(18)、振动发生装置(17)、振动调节装置(16)和振动台台面(9)，所述振动台台面(9)上开设有至少两个圆槽，每个所述圆槽沿内壁对称设置有两个垂直的螺杆固定孔(15)，每个所述圆槽内通过所述螺杆固定孔(15)安装一个所述振动促渗仪(4)；
所述振动促渗仪包括底座(23)、按压手柄(24)、螺杆(19)、顶盖(20)和套筒(21)，所述螺杆(19)为“U”型，所述底座(23)内置于一个所述圆槽内，所述底座(23)中间内置底部透水石，所述底部透水石四周设置底部密封橡胶圈，所述套筒(21)设置在所述底部透水石上，所述套筒(21)内部放置环刀试样，所述环刀试样上部加盖顶部透水石(14)，所述顶部透水石(14)四周设置顶部密封橡胶圈(13)，所述顶盖(20)设置在所述顶部透水石(14)上，所述按压手柄(24)下端穿过所述螺杆(19)顶部与所述顶盖(20)螺接，所述螺杆(19)两端分别与两个所述螺杆固定孔(15)螺接；
每个所述振动促渗仪的底座(23)一侧连接进水管路，所述进水管路上按照水流方向依次设置有流速调节阀(2)和孔压传感器(3)，每个所述振动促渗仪的底座(23)另一侧连接排气管路，两个所述振动促渗仪的排气管路互相连通，所述排气管路上设置有排气阀(5)，所述顶盖(20)一侧连接出水系统，所述出水系统包括钢制毛细管(6)、烧杯(7)和称重装置，所述称重装置设置在所述钢制毛细管(6)的出水口下方，所述烧杯(7)放置在所述称重装置上，所述称重装置内部设置有称重传感器(8)；
所述孔压传感器(3)和称重传感器(8)均与所述数据采集器(22)电连接，所述振动台和数据采集器(22)均通过线缆(11)与所述控制器(12)连接，所述数据采集器(22)、控制器(12)和振动台均连接至所述交流电源。
2.根据权利要求1所述的黄土工程振动促渗测试系统，其特征在于，所述顶部透水石(14)和底部透水石的直径均为80mm。
3.根据权利要求1所述的黄土工程振动促渗测试系统，其特征在于，所述流速调节阀(2)和孔压传感器(3)之间的距离为2-5cm之间。
4.根据权利要求1所述的黄土工程振动促渗测试系统，其特征在于，所述进水管路和排气管路均为尼龙管，所述尼龙管的管径为5mm。
5.根据权利要求1所述的黄土工程振动促渗测试系统，其特征在于，所述钢制毛细管(6)的半径为1mm，所述钢制毛细管(6)出水口的弯折角度小于等于90°。
6.根据权利要求1所述的黄土工程振动促渗测试系统，其特征在于，所述螺杆(19)的螺距为5mm。
7.根据权利要求1所述的黄土工程振动促渗测试系统，其特征在于，所述振动促渗仪(4)和所述圆槽的数量均为四个，两两所述振动促渗仪的排气管路互相连通。
8.一种黄土工程振动促渗测试方法，其特征在于，具体测试步骤包括：
a、对称重传感器(8)和孔压传感器(3)进行标定；
b、在振动促渗仪(4)的底座(23)中间内置底部透水石，所述底部透水石四周设置底部密封橡胶圈，将套筒(21)设置在所述底部透水石上，将削好的环刀试样周围涂抹凡士林放入所述套筒(21)内，然后在所述环刀试样上部加盖顶部透水石(14)，所述顶部透水石(14)四周设置顶部密封橡胶圈(13)，接着将顶盖(20)设置在所述顶部透水石(14)上，拧紧按压手柄(24)和螺杆(19)；
c、开通交流电源，启动数据采集器(22)及控制器(12)，开始渗透试验；
d、将进水管路的进水口(1)连接至水源，开启流速调节阀(2)和排气阀(5)，待孔压传感器(3)检测到的水压值稳定不变后，关闭所述排气阀(5)；
e、若进行定水头渗透试验，根据所述孔压传感器(3)的读数，调节所述流速调节阀(2)保持水头压力不变进行试验；
若进行变水头渗透试验，则是根据土样的孔隙发育情况设定起始水头压力，调节所述流速调节阀(2)使其达到设定的初始水头压力；然后开始计时，待所述孔压传感器(3)检测到的水压值稳定不变后，此时记录的时间为黄土样品的饱和时间；
f、保持d中的试验状态，测试一段时间后，将所述数据采集器(22)采集到的孔压值和时间数据导出，计算渗透系数；
式中：kT—水温T℃试样的渗透系数，cm/s；
a—进水管路截面积，cm2；
L—渗径，等于环刀试样高度，cm；
P1—起始水头压力，kPa；
P2—经时间(t＝t2-t1)后的水头压力，kPa；
A—环刀试样的断面积，cm2；
t1—测试开始时刻，s；
t2—测试结束时刻，s；
2.3—ln和lg的换算系数；
在所述步骤a-f的操作过程中需开启振动台。
9.根据权利要求8所述的黄土工程振动促渗测试方法，其特征在于，所述振动台的开启时间为：
在完成步骤a-c后，开启所述振动台，按照试验需要的时间对所述环刀试样进行不同振动频率和幅值的振动试验，振动时开启排气阀(5)；
或在完成步骤a-d后，开启所述振动台，按照预先试验设定的振动频率和幅值下进行步骤e-f；
或在完成步骤e之前开启所述振动台，让所述环刀试样在不同的振动频率和幅值状态下完成步骤e，然后关闭所述振动台进行步骤f。
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