[發明專利]三維大功率超聲控制含氣泡淤泥固結試驗系統及其方法

有效

• 申請號: 201710645245.3
• 申請日: 2017-08-01
• 公開（公告）號: CN107340333B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（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

本發明公開了一種三維大功率超聲控制含氣泡淤泥固結試驗系統及其方法，涉及環境巖土工程試驗技術。本系統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）；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。本發明可滿足對淤泥施加三維大功率超聲波激勵、調節氣泡大小和濃度、對固結變形、孔壓以及超聲能量衰減等進行精確量測的試驗的需要。

技術領域

本發明涉及環境巖土工程試驗技術，尤其涉及一種三維大功率超聲控制含氣泡淤泥固結試驗系統及其方法，用來測定不同的氣泡大小和濃度、不同的三維大功率超聲波以及不同的固結壓力條件下含氣泡淤泥固結特性。

背景技術

為了改善水質，建設港、碼頭，加寬航道、港池，需要進行大規模的疏浚清淤作業，不可避免地產生大量的淤泥。目前國內對疏浚淤泥的處置主要是直接廢棄于陸地拋填區或低洼地區，有些甚至占用魚塘和耕田，海洋疏浚也面臨由于深海拋泥帶來的環境問題而多數轉為陸域吹填。但是，疏浚淤泥含水率高、強度低，很難直接對疏浚淤泥進行開發利用。其次，疏浚淤泥粘粒含量高、透水性差，在自重作用下需要幾年甚至更長時間才能完成固結。因此，需要快速降低疏浚淤泥的含水率，快速排出疏浚淤泥中所含大量的水，解決疏浚淤泥處置占地時間長，浪費寶貴的土地資源的問題。

近年來，超聲波技術憑借其環保性、操作簡便以及實用性強等優點，在激勵淤泥脫水效應中得到越來越廣泛的應用。在大功率超聲波作用下，淤泥孔隙內部流體中的微小泡核被激活，超聲波振動不斷快速交替使得空化泡核崩潰，在極短時間內產生局部高溫和高壓，并伴隨強烈的沖擊波和射流，從而造成淤泥中水分和細顆粒的遷移運動。然而，現有的室內淤泥固結試驗大多是在無超聲波條件下進行的，忽略超聲波激勵的影響。其次，淤泥中有機物在堆放時極易自發進行厭氧生物反應，使得淤泥中的孔隙被液體和一種或者多種氣體飽和，氣體在孔隙中以小氣泡或者大氣泡包含顆粒的形式存在，氣泡的存在改變了孔隙流體性質并與骨架產生耦合作用，對超聲波速度和能量衰減有很大影響。雖然由于淤泥固結技術的發展，使得飽和淤泥固結特性的研究已取得一定的成果，但是忽略淤泥氣泡的影響得到的淤泥特性將是不準確的，也不能滿足實際工程的需要。因此，大功率超聲波激勵下含氣泡淤泥的固結特性的研究在諸如固體廢棄物填埋、污水處理、河道疏浚以及軟基處理等方面有十分重要的應用價值。

為了研究大功率超聲波激勵下含氣泡淤泥的固結特性，常規的室內固結試驗設備已不能滿足要求，研制新型大功率三維超聲波固結試驗系統顯得尤為迫切和重要。

常規的固結試驗設備是測定一維和三維壓力條件下土體固結變形的有效工具，但是常規的固結試驗設備不能對施加超聲波激勵和調節氣泡大小和濃度，無法滿足考慮超聲波激勵下含氣泡淤泥的固結特性的試驗要求。

發明內容

本發明的目的就在于克服現有常規固結試驗設備不能考慮大功率超聲波激勵和氣泡的缺陷，提供一種靈敏度高的三維大功率超聲控制含氣泡淤泥固結試驗系統及其方法。

本發明的目的是這樣實現的：

一、三維大功率超聲控制含氣泡淤泥固結試驗系統（簡稱系統）

本系統包括三維超聲波試驗單元、含氣泡土樣試驗單、壓力室單元和量測單元；

其位置和連接關系是：

三維超聲波試驗單元、含氣泡土樣試驗單元和量測單元分別與壓力室單元連接。

二、三維大功率超聲控制含氣泡淤泥固結試驗方法（簡稱方法）

本方法包括下列步驟：

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；