CN108508183A - 一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置 - Google Patents

一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，包括试验样品采集装置、局部流场模拟装置和室内试验控制系统。试验样品采集装置包括原位土采集器、原位模型土盒、现场流体采集器和现场流体样品盒；局部流场模拟装置包括紊流模拟器和层流模拟器；室内试验控制系统包括仪器支架、水循环系统和数据采集设备。装置可以通过紊流模拟器和层流模拟器对原位土进行复杂水力条件下冲刷过程进行室内试验，实现对现场条件或其他设计条件下的测试，用于确定土体的抗冲刷特性及其冲刷演化规律，从而可以进一步依此预测局部冲刷深度。本发明操作简单，占地面积小，能在室内模拟现场工况，可以很好地对土体的抗冲强度进行室内测试，为冲刷研究，预测和设计提供技术支撑。

Description

一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置
技术领域
本发明涉及一种土体参数测试装置，尤其是涉及一种复杂环境下土体抵抗局部冲刷能力及其动态演化过程的测试装置。
背景技术
随着我国经济不断发展，跨越江河湖海的桥梁及其他涉水工程也越来越多。尤其在东南沿海地区，这些工程起着越来越重要的作用，打通水域限制，促进两地交流，从而使得经济共同发展。但是涉水建筑的水毁带来的问题也随之而来，特别是位于山区、江河入海口区域的桥梁，与此同时，我国桥梁及海岸工程技术不断发展和建设，未来将对更多大跨、深水、复杂环境的涉水建筑进行探索和建设，如何更好地解决涉水建筑的局部冲刷问题成为一项重大任务。然而目前国内外的冲刷设计理念依然停留在传统经验公式辅以波流水槽试验的模式，这种模式无法对冲刷这一自然灾害进行深入的机理分析，并且对实际条件进行了过多的简化和相似处理，为确保设计安全引入较大的安全系数，导致其预测结果往往比实际情况偏大很多，造成很大程度的浪费。为对局部流场下的水-土耦合作用进行更深入的探索研究，为分层土冲刷模型提供技术支持，准确地测试出土体的抗冲参数，弥补传统冲刷预测方法的局限性，提出一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，其中关键技术是原位土抵抗局部冲刷的参数测试，目前无相关报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述传统方法的不足，填补现阶段对土样抗冲参数测试的空白，提供一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，该测试装置对原位土在现场流体条件下进行测试，从而达到准确预测冲刷过程的效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提出的一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，包括试验样品采集装置、局部流场模拟装置和室内试验控制系统；其中：
试验样品采集装置包括原位土采集器、原位模型土盒、现场流体采集器和现场流体样品盒；原位模型土盒与现场流体样品盒通过水土分界隔板连接，水土分界隔板分别与原位模型土盒和现场流体样品盒通过螺纹旋紧，水与水土分界隔板之间涂抹防水材料，试验准备就绪后可将水土分界隔板抽出，完成水土分界面的设置；所述原位土采集器独立存在，在取土过程中与原位模型土盒相连，并将所得原位土保存于原位模型土盒中，所述现场流体采集器独立存在，在流体采集过程中与现场流体样品盒相连，并将现场流体保存于现场流体样品盒中；
室内试验控制系统包括仪器支架、水循环系统和数据采集设备；仪器支架在水土交接高度处预留水循环系统中导水管道孔洞，以便其安装和拆解，数据采集设备分别位于紊流模拟器上方，与仪器支架相连，根据实际需要可另在仪器两侧架设；
局部流场模拟装置包括紊流模拟器、层流模拟器和流场模拟控制器，所述流场模拟控制器固定于仪器支架上方，分别连接紊流模拟器和层流模拟器，紊流模拟器是生成模拟紊流流场的区域，通过其中的紊流发生器带动局部流场形成所需涡流，紊流模拟器与仪器支架采用螺栓连接固定，保证其生成紊流时自身稳定，层流模拟器是生成模拟层流流场并连通层流流场的区域，与水循环系统均由水箱内造流机控制，当造流流速达到土体起动流速时即达到紊流与层流共同作用的条件。
本发明中，所述数据采集设备为高速摄影机，在实现水流循环的同时可根据研究要求设置试验时间，确保试验完整进行，并结合数据采集设备将试验的动态过程记录下来，进而得到土体抵抗冲刷曲线等试验指标。
本发明中，可以通过室内试验的手段，为对土体进行标准化测试，采用土工试验设备对原位土进行取样，所得土样可进行各类土工试验，进而得到各设计参数与土体抵抗冲刷能力之间的关系。
本发明中，所述的采集土样时可以对现场流体进行取样，并测试相关水力和环境参数，从而可以极大程度上模拟原位条件，进行冲刷预测。
本发明中，可通过紊流模拟器进行土体受冲起动模拟，并可辅以层流模拟器输出层流，模拟冲刷过程中的局部水流结构，使之作用于试验土体，进而得到土体在冲刷作用下的运移动态过程。
所述的试验样品采集装置对原位土进行取样，所得土样进行各类土工试验，进而得到原位土各设计参数及其关系。
所述的采集土样的同时可以对现场流体进行取样，并测试相关水力和环境参数，从而可以极大程度上模拟原位条件，进行冲刷预测。
所述的土样可通过紊流模拟器进行土体受冲起动模拟，并可辅以层流模拟器输出层流，模拟土体运移动态过程。
所述的试验控制系统可实现水流循环，进而可根据研究要求设置试验时间，确保试验完整进行。
与现有技术相比，本试验装置填补了传统土体测试仪器和方法对土体抗冲强度测试的空白，且仪器操作简单，占地面积小，能在室内模拟现场工况，可以很好地测试土体的抗冲强度，为冲刷研究，预测和设计提供技术支撑。
附图说明
图1为实施例1中本发明装置的正视结构示意图；
图2为实施例1中本发明装置的侧视结构示意图；
图3为实施例1中本发明装置的原位模型土盒与现场流体样品盒细部示意图；
图4为实施例1中本发明装置原位土采集器与原位模型土盒组合取土示意图；
图5为实施例1中本发明装置现场流体采集器和现场流体样品盒组合取现场流体示意图。
图中，1为流场模拟控制器，2为紊流模拟器，3为紊流发生器，4为现场流体样品盒，5为层流水循环系统，6原位模型土盒，7仪器支架，8层流模拟器，9水土分界隔板，10为现场流体样品盒封盖，11为水土分界隔板固定螺栓，12为水土分界隔板套管，13为防水材料，14为原位土采集器，15为原位采土仪封盖，16控制把手，17为环状取土尖刀，18为现场流体采集器，19为流体出水管（与水泵相连），20为管塞，a为试验盒直径，hs为原位模型土盒高度，hw为现场流体样品盒高度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例１
一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，如图1~图3，装置用于测试土体抗冲刷能力及其动态演化过程，其特征在于，该装置包括三个部分：1.试验样品采集装置；2.局部流场模拟装置；3.室内试验控制系统。其中，试验样品采集装置包括原位土采集器，原位模型土盒，现场流体采集器，以及现场流体样品盒；局部流场模拟装置包括紊流模拟器和层流模拟器；室内试验控制系统包括仪器支架，水循环系统，和数据采集设备。其中，现场流体样品盒与原位模型土盒可以组合也可分离，试验时将隔板取下，模拟现场局部水-土作用。包括试验样品采集装置、局部流场模拟装置和室内试验控制系统。试验样品采集装置包括原位土采集器、原位模型土盒、现场流体采集器和现场流体样品盒，其中，原位模型土盒可以与现场流体样品盒通过水土分界隔板连接，隔板与两者之间可通过螺纹旋紧，水与隔板之间涂抹防水材料，试验准备就绪后可将隔板抽出，完成水土分界面的设置；局部流场模拟装置包括紊流模拟器和层流模拟器，其中，紊流模拟器与仪器支架采用螺栓连接固定，保证其生成紊流时自身稳定，层流模拟器与水循环系统均由水箱内造流机控制，当造流流速达到土体起动流速时即达到紊流与层流共同作用的条件；室内试验控制系统包括仪器支架、水循环系统和数据采集设备，其中，仪器支架在水土交接高度处预留水循环系统中导水管道孔洞，以便其安装和拆解，数据采集设备与其余部件相互独立。
本装置使用过程如下：
进行试验前，需要先在现场进行原位土取样，取样过程及土样采用与常用土工试验一致（如直径100 mm，高度200 mm的三轴试验土样），确保原位土可在相同条件下进行各项试验，采集后的土样存放于原位模型土盒中。当需要进行工程设计或论证时，可同时收集现场流体参数，并收集现场水样，一并带回实验室中。
将盛有土的模型土盒与流体样品土盒通过水土分界隔板组合在一起，并连接层流水循环系统，将现场取样的流体加入流体样品盒及水循环系统中（研究模型土参数普适规律时可用清水代替现场流体），盖好现场流体样品封盖，并连接局部流场模拟装置。
根据现场采集的流体模型或某种特定的流体模型，打开紊流模拟器，缓慢调节模拟器功率，使其逐步达到预定条件。当土体表面有轻微起动时，打开水循环系统及层流模拟器，使水流携土循环。采用清水作为试验流体时，应在循环装置进水处添加过滤装置，确保循环水清澈。
在试验过程中，可根据实际情况选用数据采集手段，观察并记录冲刷过程中土体的起动和运移等动态演化过程，研究土体抗冲刷参数，得到土体抗冲刷曲线，进而讨论实际设计中的冲刷设计方案及冲刷防护方案，并对冲刷预测方法的进一步研究提供技术支撑。

Claims (5)

1.一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，其特征在于：包括试验样品采集装置、局部流场模拟装置和室内试验控制系统；其中：
试验样品采集装置包括原位土采集器、原位模型土盒、现场流体采集器和现场流体样品盒；原位模型土盒与现场流体样品盒通过水土分界隔板连接，水土分界隔板分别与原位模型土盒和现场流体样品盒通过螺纹旋紧，水与水土分界隔板之间涂抹防水材料，试验准备就绪后可将水土分界隔板抽出，完成水土分界面的设置；所述原位土采集器独立存在，在取土过程中与原位模型土盒相连，并将所得原位土保存于原位模型土盒中，所述现场流体采集器独立存在，在流体采集过程中与现场流体样品盒相连，并将现场流体保存于现场流体样品盒中；
室内试验控制系统包括仪器支架、水循环系统和数据采集设备；仪器支架在水土交接高度处预留水循环系统中导水管道孔洞，以便其安装和拆解，数据采集设备位于紊流模拟器上方，与仪器支架相连，根据实际需要可另在仪器两侧架设；
局部流场模拟装置包括紊流模拟器、层流模拟器和流场模拟控制器，所述流场模拟控制器固定于仪器支架上方，分别连接紊流模拟器和层流模拟器，紊流模拟器是生成模拟紊流流场的区域，通过其中的紊流发生器带动局部流场形成所需涡流，紊流模拟器与仪器支架采用螺栓连接固定，保证其生成紊流时自身稳定，层流模拟器是生成模拟层流流场并连通层流流场的区域，与水循环系统均由水箱内造流机控制，当造流流速达到土体起动流速时即达到紊流与层流共同作用的条件。
2.根据权利要求1所述的一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，其特征在于，所述数据采集设备为高速摄影机，在实现水流循环的同时可根据研究要求设置试验时间，确保试验完整进行，并结合数据采集设备将试验的动态过程记录下来，进而得到土体抵抗冲刷曲线等试验指标。
3.根据权利要求1所述的一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，其特征在于，可以通过室内试验的手段，为对土体进行标准化测试，采用土工试验设备对原位土进行取样，所得土样可进行各类土工试验，进而得到各设计参数与土体抵抗冲刷能力之间的关系。
4.根据权利要求1所述的一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，其特征在于，所述的采集土样时可以对现场流体进行取样，并测试相关水力和环境参数，从而可以极大程度上模拟原位条件，进行冲刷预测。
5.根据权利要求1所述的一种测试土体抵抗局部冲刷能力的室内试验装置，其特征在于，可通过紊流模拟器进行土体受冲起动模拟，并可辅以层流模拟器输出层流，模拟冲刷过程中的局部水流结构，使之作用于试验土体，进而得到土体在冲刷作用下的运移动态过程。
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