[發(fā)明專利]三維大功率超聲控制含氣泡淤泥固結試驗系統(tǒng)及其方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710645245.3
• 申請日: 2017-08-01
• 公開（公告）號: CN107340333B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設計）人: 陳星欣;邵翔;蔡奇鵬;郭力群;蘇世灼
• 申請（專利權）人: 華僑大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/24;G01N1/28
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所(普通合伙) 42001
• 代理人: 黃瑞棠

1.一種三維大功率超聲控制含氣泡淤泥固結試驗系統(tǒng)的試驗方法，

所述的試驗系統(tǒng)包括三維超聲波試驗單元(10)、含氣泡土樣試驗單元(20)、壓力室單元(30)和量測單元(40)；

其位置和連接關系是：

三維超聲波試驗單元(10)、含氣泡土樣試驗單元(20)和量測單元(40)分別與壓力室單元(30)連接；

所述的三維超聲波試驗單元(10)由豎向一維超聲波單元(11)和徑向二維超聲波單元(12)組成；

豎向一維超聲波單元(11)由一維超聲波發(fā)生器(111)、一維超聲波換能器(112)通過一維超聲波信號傳輸電纜(113)前后連接組成；

徑向二維超聲波單元(12)由二維超聲波發(fā)生器(121)、二維超聲波換能器(122)通過二維超聲波信號傳輸電纜(123)前后連接組成；

所述的含氣泡土樣試驗單元(20)由土樣(21)、液體溶氣裝置(22)、透水石(23)、高進氣值陶土板(24)、環(huán)形加熱圈(25)、溫度控制裝置(26)以及導線(27)組成；

在壓力室單元(30)內(nèi)，從下到上，不銹鋼底板(33)、高進氣值陶土板(24)、土樣(21)、透水石(23)和一維超聲波換能器(112)依次連接；

液體溶氣裝置(22)通過管路連接閥門(A)并穿過一維超聲波換能器(112)中心小孔，與土樣(21)上方的透水石(23)連通；

在不銹鋼壓力室(31)和二維超聲波換能器(122)之間設置環(huán)形加熱圈(25)，環(huán)形加熱圈(25)通過導線(27)與溫度控制裝置(26)相連接；

所述的壓力室單元(30)包括不銹鋼壓力室(31)、不銹鋼頂蓋(32)、不銹鋼底板(33)、納基隔熱軟氈(34)、壓力體積控制器(35)、活動螺栓(36)、注水口螺栓(37)和排水管(38)；

其位置和連接關系是：

不銹鋼頂蓋(32)、不銹鋼壓力室(31)和不銹鋼底板(33)通過活動螺栓(36)上下連接為一軸對稱的容器，在容器外壁黏貼兩層納基隔熱軟氈(34)，在不銹鋼頂蓋(32)上設置有注水口螺栓(37)，在不銹鋼底板(33)上設置有排水管(38)；

容器內(nèi)直徑83.5cm，內(nèi)高度160cm，壁厚為2cm；

在不銹鋼頂蓋(32)的頂部開有小孔連通壓力體積控制器(35)；

所述的量測單元(40)由液體體積量測裝置(41)、微型孔隙水壓力計(42)、微型壓力傳感器(43)和數(shù)據(jù)采集儀(44)組成；

液體體積量測裝置(41)通過排水管(38)和壓力室單元(30)連通，測量其液體體積變化；

通過信號傳輸線(45)分別與數(shù)據(jù)采集儀(44)連接的微型孔隙水壓力計(42)和微型壓力傳感器(43)分別設置于土樣(21)不同位置中，測量孔隙水壓力和超聲波振動；

其特征在于包括下列步驟：

①在正式試驗前，采用抽氣飽和法對高進氣值陶土板(24)進行飽和，直至沒有氣泡為止；

②在陰涼條件下對淤泥樣品進行自然風干，將無氣水加入淤泥風干樣品中；

③將加完無氣水后的淤泥樣品放入二維超聲波換能器(122)用于分層填裝土樣(21)，對每層搗實相同次數(shù)以保證土樣(21)整體的均勻性，每次填裝時水面高于土樣(21)頂面1-2cm，確保填裝的土樣(21)為飽和土樣；同時，調節(jié)溫度控制裝置(26)，在50℃條件下填裝，土樣(21)中不含氣體成分；

④通過液體溶氣裝置(22)制備一定質量的溶氣水，然后將溶氣水通過高壓從土樣(21)頂部的透水石(23)處注入，這樣土樣(21)中已有的無氣水則通過土樣(21)底部的高進氣值陶土板(24)排出；向土樣(21)注入溶氣水時，要保持土樣(21)受到的豎向壓力與液體溶氣裝置(22)內(nèi)的壓力相等；

⑤當土樣(21)內(nèi)部孔隙被溶氣水完全充滿以后，逐級緩慢降低土樣(21)的豎向壓力，直至達到試驗要求的壓力為止；在上述每級壓力穩(wěn)定時，通過在短時間內(nèi)增加微量豎向壓力，當土樣(21)體積不再變化時，記錄土樣(21)體積的總變化量，即可求出每級壓力條件下土樣中氣泡體積；逐漸記錄每級壓力條件下的氣泡體積，通過經(jīng)典的擴散理論進行反演計算，即可求出氣泡尺寸和濃度；

⑥正式試驗時，在一定的豎向壓力下對土樣(21)施加不同的超聲波激勵，研究含氣泡淤泥的超聲波固結效應；試驗過程中，通過液體體積量測裝置(41)對土樣(21)底部流出液的體積進行測定，同時結合壓力體積控制器(35)的土樣變形量測結果，對超聲波固結排水效果進行評價；同時，對土樣中均勻布設的微型孔隙水壓力計(42)和微型壓力傳感器(43)的數(shù)據(jù)進行分析，研究孔壓和超聲波振動隨時間的演化規(guī)律；其次，每隔一定時間取流出液進行粒度和濁度測試，分析流出液中粒度和濁度隨時間的演化規(guī)律；另外，每次室內(nèi)試驗結束后，對土樣中不同位置處淤泥的剪切強度進行測試。