CN109252486A - 一种室内活塞式动土样冲刷速率的连续测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利是一种室内活塞式动土样冲刷速率的连续测试装置。试验时土样暴露在一个条件可控的相对较小的水槽的水流中，装土样的套筒垂直于水槽地安置在水槽底部，水槽中水流流速恒定，推动土样的速率与土样被水流冲刷的速率保持一致。通过对一系列逐次增加的流速条件进行试验，可得到不同流速情况下土样的冲刷速率，同时将对应流速换算成相应的剪应力，进而可得到土样冲刷速率与水流流速(或剪应力)的关系。该装置可用于探索土体的冲刷特征及其冲刷演化规律，从而进一步依此对土体性能、冲刷机理、土水相互作用进行研究探索。与现有技术相比，本发明操作简单，占地面积小，能在实验室内对土体的冲刷速率进行测试，为冲刷研究，预测和设计提供技术支撑。

Description

一种室内活塞式动土样冲刷速率的连续测试装置

技术领域

本发明涉及一种室内活塞式动土样冲刷速率的连续测试装置，其特点是通过量测顶升过程中土样的介于冲刷发生和未发生之间的临界剪应力所对应的冲刷速率，得到土体的冲刷特性和动态演化规律进行研究果。

背景技术

桥梁工程在现代社会经济中扮演着越来越重要的作用，特别是随着我国经济的飞速发展，越来越多的跨江、海桥梁正在如火如荼地建设中。但是涉水桥梁的水毁问题也不容忽视，特别是近年来我国的桥梁跨度越来越大，基础型式越来越复杂，所处的自然环境越来越严苛，冲刷作用十分明显，造成桥梁水毁的可能性也越来越大，不容忽视。因此，如何更好地解决桥梁的局部冲刷问题也成为实际工程中不得不面临的一项重大任务。而根据现有研究表明，冲刷侵蚀过程与河床材料的性质密切相关，一般而言，砂土的冲刷形式主要为颗粒的侵蚀，而黏土的冲刷除此之外还包含黏土块体的侵蚀。土体由于压缩或拉伸形成了许多微裂隙，特别是桥梁基础周围，由于水流漩涡和加速流体的作用，更容易使得土体发生侵蚀破坏。对于河床材料为级配良好的粉土和黏土，河床材料的粘聚力主要影响了达到最大冲刷深度所需要的时间，黏性河床达到最大冲刷深度要比砂性河床慢得多。冲刷速率对于考虑黏性土冲刷过程与时间的相关性，研究桥梁在服役期内多次洪水冲刷作用的影响具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是通过量测顶升过程中土样的介于冲刷发生和未发生之间的存在的临界剪应力所对应的冲刷速率，得到土体的冲刷特性和动态演化规律进行研究。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种室内活塞式动土样冲刷速率的连续测试装置，其特征在于，该装置包括造流设备，水循环装置，活塞式装置，和数据监控与采集装置。

所述的造流设备为造流与造波机，设备固定于水槽起始位置，在试验过程中产生恒定水流或固定参数的波浪，通过调节造流与造波机可以控制输出流体的水力参数，通过测定土样单位时间内的顶升量得到连续流速条件下的土体冲刷速率。

所述的水循环装置为小型波流水槽，造流与造波机产生的水流将在此部分形成一完整回路，造流与造波机后部设有消能网，以消除直立壁产生的波流反射，末端放置消能滩和滤网装置，通过降低流速和使用滤网实现泥沙的回收，以保证循环水的纯净。

所述的活塞式装置中土样暴露在一个条件可控的相对较小的水槽的水流中，装土样的套筒垂直于水槽安置在水槽底部。

所述的数据监控与采集装置，即能实时测量数据变化情况，也能同步记录数据；包括数据监控装置和采集装置两部分。其中，所述数据监控装置主要包括流速测定仪7和激光位移计8，所述流速测定仪7安装在消能网9和试验土样3之间，距离土样不能太近，既要保证所测流速是冲刷土样的恒定水流的真实流速，也要避免其对水流的干扰影响到土样；激光位移计8对准土样中心安装，负责测量仪器到土样之间的距离，根据其变化情况可得到土体冲刷速率。所述采集装置同步记录流速测定仪和激光位移计的数据。

土样在冲刷发生和未发生之间的存在一个临界剪应力τ_c，同时在冲刷速率-剪应力曲线上也存在一个初始斜率，临界剪应力τ_c和初始斜率都是用来描述冲刷函数和土层易侵蚀性的参数，然而这两个参数与土性之间的关系尚不明确，土壤的易侵蚀性与土性之间的关系相当复杂。

水槽中的流速由流速测定仪得到，待流速达到设定值且保持恒定，即可开始试验。启动顶升装置推动土样向水槽内运动，激光位移计能够实时记录仪器到土样之间的距离。若流速过小，土样不会发生冲刷，则土样高度随着顶升一直增加，激光位移计读数减小速率等于顶升速率。逐渐增大流速，当激光位移计的读数减小速率大于顶升速率或保持不变时，此时水流速即为临界流速，对应的剪应力是临界剪应力。改变顶升速率，使激光位移计的读数基本保持不变，即土样在水槽内的高度保持恒定，记录此时的顶升速率，即是该流速下的冲刷速率。改变水流流速，可以得到一系列的冲刷速率与水流流速的关系曲线。水流流速与剪应力有如下关系

式中，τ为剪应力，f为摩擦系数，ρ为水的密度，V_p为平均流速。故也可以得到一系列冲刷速率与剪应力的关系曲线。

本发明系统还包括控制及数据处理装置，该控制及数据处理装置:

其输入与采集装置(流速测定仪7和激光位移计8)连接用于实时获得流速和位移变化数值；

其输出与顶升装置的驱动连接用于控制顶升动作和速率；

其输出与造流与造波机的驱动连接用于控制和调整水流流速。

其控制软件改变顶升速率，使激光位移计的读数基本保持不变，即土样在水槽内的高度保持恒定，记录此时的顶升速率，即是该流速下的冲刷速率。

其控制软件改变水流流速，可以得到一系列的冲刷速率与水流流速的关系曲线。水流流速与剪应力有如下关系

式中，τ为剪应力，f为摩擦系数，ρ为水的密度，V_p为平均流速。

其显示部分，可以输出一系列冲刷速率与剪应力的关系曲线。

与现有技术相比，本发明操作简单，占地面积小，能在实验室内对土体的冲刷速率进行测试，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中该测试装置的活塞装置示意图；

图2为实施例1中整个测试装置的侧视图；

图3为实施例1中整个测试装置的俯视图。

附图标记：1为水槽、2为套筒、3为试验土样、4为活塞、5为顶升装置、6为造流与造波系统、7为流速测定仪、8为激光位移计、9为消能网、10为消能滩、11为滤网装置、12为水流。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图和具体实施例对本发明专利进行详细说明。

一种室内活塞式动土样冲刷速率的连续测试装置如图1所示，该装置涉及的内容包括水槽1、套筒2、试验土样3、活塞4、顶升装置5、造流与造波系统6、流速测定仪7、激光位移计8、消能网9、消能滩10、滤网装置11、水流12。套筒与水槽垂直布置，试验土样放置在套筒内。

试验开始前，按照套筒模型尺寸(一般为标准圆柱土体土样尺寸)制备试验用土样，将土样3装入套筒2中，确保其与活塞4紧密接触，同时布设上游消能网10和下游的消能滩11、滤网装置12，打开流速测定仪7及激光位移计9，确认正常工作。

试验进行时，首先通过造流与造波系统6按照试验情况设置好一定的流速，使水流在水槽1中稳定流动。以一较小的速率推动活塞4，使试验土样3的一端进入水槽1。若流速过小，土样3不会发生冲刷，则土样高度随着顶升一直增加，激光位移计9读数减小速率等于顶升速率。逐渐增大流速，当激光位移计9的读数减小速率大于顶升速率或保持不变时，此时水流速即为临界流速，对应的剪应力是临界剪应力。改变顶升速率，使激光位移计9的读数基本保持不变，即土样3在水槽1内的高度保持恒定，记录此时的顶升速率，即是该流速下的冲刷速率。改变水流流速，可以得到一系列的冲刷速率与水流流速的关系曲线。水流流速与剪应力可通过公式直接计算得到，故也可以得到一系列冲刷速率与剪应力的关系曲线。

试验结束后，关闭造流及造波系统6，回收沉积泥沙，清理下游滤网12，记录试验过程中的流速与土体冲刷速率关系，通过开展不同流速条件下的试验，可以得到一系列土样冲刷速率与水流流速(或剪应力)的关系曲线。

Claims (2)

1.一种室内活塞式动土样冲刷速率的连续测试装置，其特征在于，该装置包括造流设备，水循环装置，活塞式装置，和数据监控与采集装置；

所述的造流设备为造流与造波机，设备固定于水槽起始位置，在试验过程中产生恒定水流或固定参数的波浪，通过调节造流与造波机可以控制输出流体的水力参数，通过测定土样单位时间内的顶升量得到连续流速条件下的土体冲刷速率；

所述的水循环装置为小型波流水槽，造流与造波机产生的水流将在此部分形成一完整回路，造流与造波机后部设有消能网，以消除直立壁产生的波流反射，末端放置消能滩和滤网装置，通过降低流速和使用滤网实现泥沙的回收，以保证循环水的纯净；

所述的活塞式装置中土样暴露在一个条件可控的相对较小的水槽的水流中，装土样的套筒垂直于水槽安置在水槽底部；

所述的数据监控与采集装置，即能实时测量数据变化情况，也能同步记录数据；包括数据监控装置和采集装置两部分；其中，所述数据监控装置主要包括流速测定仪7和激光位移计8，所述流速测定仪7安装在消能网9和试验土样3之间；激光位移计8对准土样中心安装，负责测量仪器到土样之间的距离，根据其变化情况可得到土体冲刷速率；所述采集装置同步记录流速测定仪和激光位移计的数据。

2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，还包括控制及数据处理装置，该控制及数据处理装置:

其输入与采集装置(流速测定仪7和激光位移计8)连接用于实时获得流速和位移变化数值；

其输出与顶升装置的驱动连接用于控制顶升动作和速率；

其输出与造流与造波机的驱动连接用于控制和调整水流流速。

其控制软件改变顶升速率，使激光位移计的读数基本保持不变，即土样在水槽内的高度保持恒定，记录此时的顶升速率，即是该流速下的冲刷速率。

其控制软件改变水流流速，可以得到一系列的冲刷速率与水流流速的关系曲线。水流流速与剪应力有如下关系

式中，τ为剪应力，f为摩擦系数，ρ为水的密度，V_p为平均流速。

其显示部分，可以输出一系列冲刷速率与剪应力的关系曲线。