[发明专利]一种振动控制非饱和土柱试验系统

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明采用如下技术方案：

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。