CN112504939A - 一种测定高含水率疏浚泥压缩性和渗透性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种室内测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性的装置，包括密封插装在亚克力模型箱顶部的布氏漏斗，布氏漏斗的顶端开口密封连接有密封盖，亚克力模型箱与布氏漏斗之间形成密闭的真空室；亚克力模型箱内设有自动计数电子秤，自动计数电子秤上放置有玻璃烧杯，玻璃烧杯设置在布氏漏斗的下方；亚克力模型箱通过第一橡胶导管与水汽分离瓶连通，水汽分离瓶通过第二橡胶导管与真空泵连接。本发明还提供一种室内测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性的方法。本发明操作简单，易于上手，制作成本低廉，能够简单明了地采集实验数据，为岩土工程测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性提供了一种合适的模拟装置。

Description

一种测定高含水率疏浚泥压缩性和渗透性的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测定高含水率疏浚泥压缩性和渗透性的装置及方法。

背景技术

随着我国沿海城市经济的快速发展和人口的增长，人工疏浚淤泥围垦是解决土地紧缺问题的有效方法。由于这种淤泥地基含水率极高，强度及承载力极低等特点，在其用作施工现场之前，必须进行加固改良处理，才能满足工程建设的要求。在大面积的软土地基处理中，真空预压法是常用方法之一，通过在软土地基中打设竖向排水板，使该软土地基中的孔隙水从竖向排水板中排出，最终提高了其土体强度以满足上部工程建设的强度和承载力的要求。在这个排水固结的过程中，土层的渗透固结特性对固结速度的快慢有着重要的影响。因此在设计真空预压的排水方案之前，首先应该认识被加固土层的渗透及固结特性。

目前，在实际工程中，一般都采用改装的固结仪来同时测定其渗透及固结特性。但是当该仪器被用来测定极高含水率的疏浚淤泥时的渗透及固结特性时，试样极易从固结室中被挤出，导致观测结果存在一定的误差，并且该实验的持续周期很长，不适合应用在工期紧张的工程项目当中。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种测定高含水率疏浚泥压缩性和渗透性的装置及方法。

本发明的第一个方面提供一种室内测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性的装置，包括密封插装在亚克力模型箱顶部的布氏漏斗，布氏漏斗的顶端开口密封连接有密封盖，布氏漏斗内部设有排水板滤膜，布氏漏斗的下端延伸至亚克力模型箱的内部，亚克力模型箱与布氏漏斗之间形成密闭的真空室；

所述亚克力模型箱上设有真空表，亚克力模型箱内设有自动计数电子秤，自动计数电子秤上放置有玻璃烧杯，玻璃烧杯设置在布氏漏斗的下方；亚克力模型箱通过第一橡胶导管与水汽分离瓶连通，第一橡胶导管上设有阀门；水汽分离瓶通过第二橡胶导管与真空泵连接；水汽分离瓶通过第一PU管与压力传感器连接，水汽分离瓶通过第二PU管与压力控制阀连接，压力传感器和压力控制阀分别与压力控制器电连接；水汽分离瓶上设有泄压口，泄压口处安装有泄压阀门。

本发明的第二个方面提供一种测定高含水率疏浚泥压缩性和渗透性的方法，包括A组和B组两组平行实验，步骤如下：

S1.A组实验开始前，在布氏漏斗内部填充一定含水率的泥浆，使用密封盖将布氏漏斗密封，将压力控制器的压力阀值设置在第一级目标值，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，启动真空泵对水汽分离瓶中的空气进行抽气，直至压力控制器的压力读数达至第一级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对亚克力模型箱及布氏漏斗中的泥浆中的空气进行抽气，布氏漏斗中的泥浆中的水经过排水孔排放到亚克力模型箱的玻璃烧杯中；待泥浆在第一级目标压力下排水一定时间t1后，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第二级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第二级目标值后，打开所关闭的阀门，待泥浆在第二级目标压力下排水一定时间t2后，关闭阀门并将压力控制器的压力阀值设置在第三级目标值，待压力控制器的压力读数达至第三级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，待泥浆在第三级目标压力下排水一定时间t3后，表示A组实验完成，关闭真空泵；然后打开水汽分离瓶上的泄压阀门，此时整个系统与大气相连，待真空表的读数为零时，将布氏漏斗与亚克力模型箱进行拆分，统计自动计数电子秤实时记录的数据，并清除掉布氏漏斗中的余土与玻璃烧杯中的滤液，以备进行B组平行实验；在A组实验中，应严格控制时间t1，t2，t3的值，以使整个A组实验结束时刻还有悬浮液泥浆存在；

S2.B组实验开始前，在布氏漏斗内部填充一定含水率的泥浆，使用密封盖将布氏漏斗密封，将压力控制器的压力阀值设置在第一级目标值，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，启动真空泵对水汽分离瓶中的空气进行抽气，在真空泵对水汽分离瓶进行抽气一段时间压力控制器的压力读数达至第一级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对亚克力模型箱及布氏漏斗中的泥浆中的空气进行抽气，布氏漏斗中的泥浆中的水经过排水孔排放到亚克力模型箱的烧杯中，待布氏漏斗内部浆料不再渗出滤液且自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，关闭阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第二级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第二级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对整个系统继续进行施加压力，待布氏漏斗内部浆料不再渗出滤液且自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，关闭阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第三级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第三级目标值后，打开导管上的阀门，待自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，表示B组实验完成，关闭真空泵；然后打开水汽分离瓶上的泄压阀门，此时整个系统与大气相连，待真空表的读数为零时，将布氏漏斗与亚克力模型箱进行拆分，统计自动计数电子秤实时记录的数据，并清除掉布氏漏斗中的余土与烧杯中的滤液，以备进行下次实验；

S3.分别对A组实验、B组实验所得到的数据进行分析；

a.将联系局部滤饼比阻与压缩应力的本构关系式，具体如下：

式中：α为局部滤饼比阻；α₀为零应力状态下的局部滤饼比阻；P_s为压缩应力；P_a为压缩应力的归一化参数；n为由压缩应力引起的局部滤饼比阻的响应指数；

及联系局部固含率与压缩应力的本构关系式，具体如下：

式中：ε为局部固含率；ε₀零应力状态下的局部固含率；P_s为压缩应力；P_a为压缩应力的归一化参数；β为由压缩应力引起的局部滤饼孔隙率的响应指数；

整个滤饼范围内积分，分别得到平均滤饼比阻及平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系，具体如下：

式中：α_av为均滤饼比阻；α₀零应力状态下的局部滤饼比阻；P_a为压缩应力的归一化参数；ΔP_c为滤饼上的压降；ε_av为平均滤饼固含率；ε₀零应力状态下的局部固含率；n为由压缩应力引起的局部滤饼比阻的响应指数；β为由压缩应力引起的局部滤饼孔隙率的响应指数；

b.通过A组实验过程中出水量随时间的变化关系，可以对其进行微分然后得到出水速率随时间的变化关系，随后通过关系式(3.5)，具体如下：

即得到实验过程中滤饼上的有效压降ΔP_c与出水速率的倒数之间的关系，公式(3.5)中(dt/dv)_m指初始时刻出水速率的倒数，其值通过对出水速率随时间的变化关系进行外插拟合得到；P在三个不同的阶段分别对应其目标压力值，P₁则对应第一级目标压力值；

c.随后根据过滤过程的控制方程，具体如下：

式中：α_av为均滤饼比阻；ΔP_c为滤饼上的压降；μ为滤液的粘度；ρ为滤液的密度；s为泥浆中固相的质量分数；m为干滤饼与湿滤饼的质量比；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；

并将联系无限平均滤饼比阻α_av，i与平均滤饼比阻α_av的关系式，具体如下：

式中：α_av，i为无限平均滤饼比阻；s为泥浆中固相的质量分数；为干滤饼与湿滤饼的质量比；

将公式(3.7)代入到公式(3.6)中，得到公式(3.8)：

即得到无限平均滤饼比阻α_av，i与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系，公式(3.8)中，μ代表水的粘度；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；ρ和s分别代表水的密度和实验浆料的固体质量分数；m代表湿滤饼与干滤饼的质量比，通过公式(3.9)，具体如下：

将其与平均滤饼固含率联系起来；

d.通过B组实验过程中出水量随时间的变化关系，可以对其进行微分得到

和t+t_m之间的变化关系，随后将二者的关系绘制成双对数关系，即可从图中直观的得到B组实验过程中过滤阶段与压缩阶段的转折点，随即便可得到转折点时刻所排出的滤液量v_t；其中t_m指形成阻力大小为滤膜阻力厚度的滤饼所需要的时间，通过对t/v和v之间的关系进行线性拟合然后得到该拟合直线的斜率及截距，随后通过关系式(3.10)，具体如下：

式中：a为对t/v和v之间的关系进行线性拟合得到的直线的斜率；v_m为形成与滤膜阻力相等的滤饼时所产生的每单位滤膜面积的滤液体积；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；

v_m和a可以通过式t_m＝av_m ²与t_m相关联，最后便可得到t_m具体的数值；

e.在确定转折点时刻所排出的滤液量v_t后，便可通过表达式，具体如下：

确定该时刻对应的滤饼固含率，公式(3.11)中W_s表示过滤泥浆的净质量，A和ρ_s分别表示过滤面积和泥浆中固体的密度；

f.确定转折点时刻所排出的滤液量v_t及B组实验过程中出水量随时间的变化关系，便可获得每一级目标压力下压缩阶段渗出的滤液量v_c，1，v_c，2及v_c，3，之后通过公式(3.12)，具体如下：

便可得到每一级压缩阶段结束时刻对应的固含率，其中ω₀表示每单位过滤面积的压缩滤饼的净固体体积；

g.将实验得到的无限平均滤饼比阻α_av，i与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的数据用关系式，具体如下：

进行拟合，便可得到相应的拟合参数α₁，n₁，P_a，1，α₁，n₁，P_a，1分别对应α₀，n，P_a；随后将得到的n₁，P_a，1的值作为n，P_a的初始值；

h.将上述得到的P_a的初始值及实验得到的每一级压缩阶段结束时刻对应的固含率与压缩应力之间的数据用关系式(3.2)进行拟合，便可得到相应的拟合参数ε₀，β；

i.将上述拟合得到的参数n，P_a，ε₀，β代入到关系式(3.4)中，得到平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系；

j.将步骤i中得到的平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系，应用到关系式(3.9)当中，便可得到湿滤饼与干滤饼的质量比与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系；

k.结合上述得到的湿滤饼与干滤饼的质量比与滤饼上的有效压降ΔP_c之间及A组实验得到的滤饼上的有效压降ΔP_c与出水速率的倒数之间的关系，再通过关系式(3.6)，便可得到平均滤饼比阻α_av与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系；

l.将步骤k中得到的平均滤饼比阻α_av与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系用关系式(3.3)进行拟合，便可得到相应的拟合参数α₀，n，P_a；

m.将步骤c得到的滤饼上的有效压降ΔP_c对应的无限平均滤饼比阻α_av，i的值与步骤l得到的相同的滤饼上的有效压降ΔP_c对应的平均滤饼比阻α_av的值进行比较，若满足关系式

则可以得到最终的本构参数，最终的拟合参数即为步骤l和步骤h得到的α₀，n，P_a，ε₀，β，反之若不满足上述关系式，则对步骤h-m进行迭代循环，直至迭代前后分别计算得到的平均滤饼比阻满足上述关系式。

本发明的有益效果是：通过对两组平行实验过程中的出水量随时间的变化关系进行分析，从而确定实验所用浆料在固结过程的压缩和渗透特性，本发明所述装置操作简单，易于上手，制作成本低廉，能够简单明了地采集实验数据，为岩土工程测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性提供了一种合适的模拟装置。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

附图标记说明：1、布氏漏斗；2、亚克力模型箱；3、自动计数电子秤；4、玻璃烧杯；5、水汽分离瓶；6、第一橡胶导管；7、第二橡胶导管；8、第一号PU管；9、第二PU管；10、压力控制器；11、压力传感器；12压力控制阀；13、真空泵；14、真空表；15、排水板滤膜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，本发明的第一个实施例提供一种室内测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性的装置，包括密封插装在亚克力模型箱2顶部的布氏漏斗1，布氏漏斗1的顶端开口密封连接有密封盖，布氏漏斗1内部设有排水板滤膜15，布氏漏斗1的下端延伸至亚克力模型箱2的内部，亚克力模型箱2与布氏漏斗1之间形成密闭的真空室；

所述亚克力模型箱2上设有真空表14，亚克力模型箱2内设有自动计数电子秤3，自动计数电子秤3上放置有玻璃烧杯4，玻璃烧杯4设置在布氏漏斗1的下方；亚克力模型箱2通过第一橡胶导管6与水汽分离瓶5连通，第一橡胶导管6上设有阀门；水汽分离瓶5通过第二橡胶导管7与真空泵13连接；水汽分离瓶5通过第一PU管8与压力传感器11连接，水汽分离瓶5通过第二PU管9与压力控制阀12连接，压力传感器11和压力控制阀12分别与压力控制器10电连接；水汽分离瓶5上设有泄压口，泄压口处安装有泄压阀门。

本实施例中，亚克力模型箱2的长、宽、高的长度分别为30cm、30cm、20cm；玻璃烧杯4的规格为500ml；布氏漏斗1的直径为9cm，高度为10cm；第一橡胶导管6的长度为0.5m；水汽分离瓶5的直径为20cm，高度为20cm；第二橡胶导管7的长度为0.5m；所述的第一PU导管8的长度为0.5m；第二PU导管9的长度为0.5m。

具体的实验操作步骤如下：

(1)将自动计数电子秤3放置在亚克力模型箱2内部；

(2)将玻璃烧杯4放置在自动计数电子秤3上方；

(3)用螺丝将亚克力模型箱2密封；

(4)将排水板滤膜15放置在布氏漏斗1内部的底端；

(5)将布氏漏斗1与亚克力模型箱2连接；

(6)将第一橡胶导管6一端与亚克力模型箱2上部的开口连接，再把导管的另一端与水汽分离瓶5上部的开口连接；

(7)将第二橡胶导管7一端与水汽分离瓶5上部的开口连接，再把导管的另一端与真空泵13侧面进气口密闭连通；

(8)将第一PU导管8一端与压力传感器11连接，再把导管的另一端与水汽分离瓶5上部的开口连接；

(9)将第二PU导管9一端与压力控制阀12连接，再把导管的另一端与水汽分离瓶5上部的开口连接；

(10)将实验浆料填入布氏漏斗1内部，并用螺丝将密封盖与布氏漏斗1密封；

(11)真空压滤实验开始后，实时记录自动计数电子秤读数，直至实验结束。

本发明的第二个实施例提供一种测定高含水率疏浚泥压缩性和渗透性的方法，包括A组和B组两组平行实验，步骤如下：

S1.A组实验开始前，在布氏漏斗内部填充一定含水率的泥浆，使用密封盖将布氏漏斗密封，将压力控制器的压力阀值设置在第一级目标值，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，启动真空泵对水汽分离瓶中的空气进行抽气，直至压力控制器的压力读数达至第一级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对亚克力模型箱及布氏漏斗中的泥浆中的空气进行抽气，布氏漏斗中的泥浆中的水经过排水孔排放到亚克力模型箱的玻璃烧杯中；待泥浆在第一级目标压力下排水一定时间t1后，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第二级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第二级目标值后，打开所关闭的阀门，待泥浆在第二级目标压力下排水一定时间t2后，关闭阀门并将压力控制器的压力阀值设置在第三级目标值，待压力控制器的压力读数达至第三级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，待泥浆在第三级目标压力下排水一定时间t3后，表示A组实验完成，关闭真空泵；然后打开水汽分离瓶上的泄压阀门，此时整个系统与大气相连，待真空表的读数为零时，将布氏漏斗与亚克力模型箱进行拆分，统计自动计数电子秤实时记录的数据，并清除掉布氏漏斗中的余土与玻璃烧杯中的滤液，以备进行B组平行实验；在A组实验中，应严格控制时间t1，t2，t3的值，以使整个A组实验结束时刻还有悬浮液泥浆存在；

S2.B组实验开始前，在布氏漏斗内部填充一定含水率的泥浆，使用密封盖将布氏漏斗密封，将压力控制器的压力阀值设置在第一级目标值，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，启动真空泵对水汽分离瓶中的空气进行抽气，在真空泵对水汽分离瓶进行抽气一段时间压力控制器的压力读数达至第一级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对亚克力模型箱及布氏漏斗中的泥浆中的空气进行抽气，布氏漏斗中的泥浆中的水经过排水孔排放到亚克力模型箱的烧杯中，待布氏漏斗内部浆料不再渗出滤液且自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，关闭阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第二级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第二级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对整个系统继续进行施加压力，待布氏漏斗内部浆料不再渗出滤液且自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，关闭阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第三级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第三级目标值后，打开导管上的阀门，待自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，表示B组实验完成，关闭真空泵；然后打开水汽分离瓶上的泄压阀门，此时整个系统与大气相连，待真空表的读数为零时，将布氏漏斗与亚克力模型箱进行拆分，统计自动计数电子秤实时记录的数据，并清除掉布氏漏斗中的余土与烧杯中的滤液，以备进行下次实验；

S3.分别对A组实验、B组实验所得到的数据进行分析；

a.将联系局部滤饼比阻与压缩应力的本构关系式，具体如下：

式中：α为局部滤饼比阻；α₀为零应力状态下的局部滤饼比阻；P_s为压缩应力；P_a为压缩应力的归一化参数；n为由压缩应力引起的局部滤饼比阻的响应指数；

及联系局部固含率与压缩应力的本构关系式，具体如下：

式中：ε为局部固含率；ε₀零应力状态下的局部固含率；P_s为压缩应力；P_a为压缩应力的归一化参数；β为由压缩应力引起的局部滤饼孔隙率的响应指数；

整个滤饼范围内积分，分别得到平均滤饼比阻及平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系，具体如下：

式中：α_av为均滤饼比阻；α₀零应力状态下的局部滤饼比阻；P_a为压缩应力的归一化参数；ΔP_c为滤饼上的压降；ε_av为平均滤饼固含率；ε₀零应力状态下的局部固含率；n为由压缩应力引起的局部滤饼比阻的响应指数；β为由压缩应力引起的局部滤饼孔隙率的响应指数；

b.通过A组实验过程中出水量随时间的变化关系，可以对其进行微分然后得到出水速率随时间的变化关系，随后通过关系式(3.5)，具体如下：

即得到实验过程中滤饼上的有效压降ΔP_c与出水速率的倒数之间的关系，公式(3.5)中(dt/dv)_m指初始时刻出水速率的倒数，其值通过对出水速率随时间的变化关系进行外插拟合得到；P在三个不同的阶段分别对应其目标压力值，P₁则对应第一级目标压力值；

c.随后根据过滤过程的控制方程，具体如下：

式中：α_av为均滤饼比阻；ΔP_c为滤饼上的压降；μ为滤液的粘度；ρ为滤液的密度；s为泥浆中固相的质量分数；m为干滤饼与湿滤饼的质量比；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；

并将联系无限平均滤饼比阻α_av，i与平均滤饼比阻α_av的关系式，具体如下：

式中：α_av，i为无限平均滤饼比阻；s为泥浆中固相的质量分数；为干滤饼与湿滤饼的质量比；

将公式(3.7)代入到公式(3.6)中，得到公式(3.8)：

即得到无限平均滤饼比阻α_av，i与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系，公式(3.8)中，μ代表水的粘度；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；ρ和s分别代表水的密度和实验浆料的固体质量分数；m代表湿滤饼与干滤饼的质量比，通过公式(3.9)，具体如下：

将其与平均滤饼固含率联系起来；

d.通过B组实验过程中出水量随时间的变化关系，可以对其进行微分得到

和t+t_m之间的变化关系，随后将二者的关系绘制成双对数关系，即可从图中直观的得到B组实验过程中过滤阶段与压缩阶段的转折点，随即便可得到转折点时刻所排出的滤液量v_t；其中t_m指形成阻力大小为滤膜阻力厚度的滤饼所需要的时间，通过对t/v和v之间的关系进行线性拟合然后得到该拟合直线的斜率及截距，随后通过关系式(3.10)，具体如下：

式中：a为对t/v和v之间的关系进行线性拟合得到的直线的斜率；v_m为形成与滤膜阻力相等的滤饼时所产生的每单位滤膜面积的滤液体积；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；

v_m和a可以通过式t_m＝av_m ²与t_m相关联，最后便可得到t_m具体的数值；

e.在确定转折点时刻所排出的滤液量v_t后，便可通过表达式，具体如下：

确定该时刻对应的滤饼固含率，公式(3.11)中W_s表示过滤泥浆的净质量，A和ρ_s分别表示过滤面积和泥浆中固体的密度；

f.确定转折点时刻所排出的滤液量v_t及B组实验过程中出水量随时间的变化关系，便可获得每一级目标压力下压缩阶段渗出的滤液量v_c，1，v_c，2及v_c，3，之后通过公式(3.12)，具体如下：

便可得到每一级压缩阶段结束时刻对应的固含率，其中ω₀表示每单位过滤面积的压缩滤饼的净固体体积；

g.将实验得到的无限平均滤饼比阻α_av，i与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的数据用关系式，具体如下：

进行拟合，便可得到相应的拟合参数α₁，n₁，P_a，1，α₁，n₁，P_a，1分别对应α₀，n，P_a；随后将得到的n₁，P_a，1的值作为n，P_a的初始值；

h.将上述得到的P_a的初始值及实验得到的每一级压缩阶段结束时刻对应的固含率与压缩应力之间的数据用关系式(3.2)，如下所示:

进行拟合，便可得到相应的拟合参数ε₀，β；

i.将上述拟合得到的参数n，P_a，ε₀，β代入到关系式(3.4)，如下所示：

中，得到平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系；

j.将步骤i中得到的平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系，应用到关系式(3.9)，如下所示：

当中，便可得到湿滤饼与干滤饼的质量比与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系；

k.结合上述得到的湿滤饼与干滤饼的质量比与滤饼上的有效压降ΔP_c之间及A组实验得到的滤饼上的有效压降ΔP_c与出水速率的倒数之间的关系，再通过关系式(3.6)，如下所示：

便可得到平均滤饼比阻α_av与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系；

l.将步骤k中得到的平均滤饼比阻α_av与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系用关系式(3.3)，如下所示：

进行拟合，便可得到相应的拟合参数α₀，n，P_a；

m.将步骤c得到的滤饼上的有效压降ΔP_c对应的无限平均滤饼比阻α_av，i的值与步骤l得到的相同的滤饼上的有效压降ΔP_c对应的平均滤饼比阻α_av的值进行比较，若满足关系式

则可以得到最终的本构参数，最终的拟合参数即为步骤l和步骤h得到的α₀，n，P_a，ε₀，β，反之若不满足上述关系式，则对步骤h-m进行迭代循环，直至迭代前后分别计算得到的平均滤饼比阻满足上述关系式。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种室内测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性的装置，其特征在于：包括密封插装在亚克力模型箱(2)顶部的布氏漏斗(1)，布氏漏斗(1)的顶端开口密封连接有密封盖，布氏漏斗(1)内部设有排水板滤膜(15)，布氏漏斗(1)的下端延伸至亚克力模型箱(2)的内部，亚克力模型箱(2)与布氏漏斗(1)之间形成密闭的真空室；

所述亚克力模型箱(2)上设有真空表(14)，亚克力模型箱(2)内设有自动计数电子秤(3)，自动计数电子秤(3)上放置有玻璃烧杯(4)，玻璃烧杯(4)设置在布氏漏斗(1)的下方；亚克力模型箱(2)通过第一橡胶导管(6)与水汽分离瓶(5)连通，第一橡胶导管(6)上设有阀门；水汽分离瓶(5)通过第二橡胶导管(7)与真空泵(13)连接；水汽分离瓶(5)通过第一PU管(8)与压力传感器(11)连接，水汽分离瓶(5)通过第二PU管(9)与压力控制阀(12)连接，压力传感器(11)和压力控制阀(12)分别与压力控制器(10)电连接；水汽分离瓶(5)上设有泄压口，泄压口处安装有泄压阀门。

2.基于权利要求1所述的一种测定高含水率疏浚泥压缩性和渗透性的装置的测定方法，其特征在于，包括A组和B组两组平行实验，步骤如下：

S1.A组实验开始前，在布氏漏斗内部填充一定含水率的泥浆，使用密封盖将布氏漏斗密封，将压力控制器的压力阀值设置在第一级目标值，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，启动真空泵对水汽分离瓶中的空气进行抽气，直至压力控制器的压力读数达至第一级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对亚克力模型箱及布氏漏斗中的泥浆中的空气进行抽气，布氏漏斗中的泥浆中的水经过排水孔排放到亚克力模型箱的玻璃烧杯中；待泥浆在第一级目标压力下排水一定时间t1后，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第二级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第二级目标值后，打开所关闭的阀门，待泥浆在第二级目标压力下排水一定时间t2后，关闭阀门并将压力控制器的压力阀值设置在第三级目标值，待压力控制器的压力读数达至第三级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，待泥浆在第三级目标压力下排水一定时间t3后，表示A组实验完成，关闭真空泵；然后打开水汽分离瓶上的泄压阀门，此时整个系统与大气相连，待真空表的读数为零时，将布氏漏斗与亚克力模型箱进行拆分，统计自动计数电子秤实时记录的数据，并清除掉布氏漏斗中的余土与玻璃烧杯中的滤液，以备进行B组平行实验；在A组实验中，应严格控制时间t1，t2，t3的值，以使整个A组实验结束时刻还有悬浮液泥浆存在；

S2.B组实验开始前，在布氏漏斗内部填充一定含水率的泥浆，使用密封盖将布氏漏斗密封，将压力控制器的压力阀值设置在第一级目标值，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，启动真空泵对水汽分离瓶中的空气进行抽气，在真空泵对水汽分离瓶进行抽气一段时间压力控制器的压力读数达至第一级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对亚克力模型箱及布氏漏斗中的泥浆中的空气进行抽气，布氏漏斗中的泥浆中的水经过排水孔排放到亚克力模型箱的烧杯中，待布氏漏斗内部浆料不再渗出滤液且自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，关闭阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第二级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第二级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对整个系统继续进行施加压力，待布氏漏斗内部浆料不再渗出滤液且自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，关闭阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第三级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第三级目标值后，打开导管上的阀门，待自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，表示B组实验完成，关闭真空泵；然后打开水汽分离瓶上的泄压阀门，此时整个系统与大气相连，待真空表的读数为零时，将布氏漏斗与亚克力模型箱进行拆分，统计自动计数电子秤实时记录的数据，并清除掉布氏漏斗中的余土与烧杯中的滤液，以备进行下次实验；

S3.分别对A组实验、B组实验所得到的数据进行分析；

a.将联系局部滤饼比阻与压缩应力的本构关系式，具体如下：

式中：α为局部滤饼比阻；α₀为零应力状态下的局部滤饼比阻；P_s为压缩应力；P_a为压缩应力的归一化参数；n为由压缩应力引起的局部滤饼比阻的响应指数；

及联系局部固含率与压缩应力的本构关系式，具体如下：

式中：ε为局部固含率；ε₀零应力状态下的局部固含率；P_s为压缩应力；P_a为压缩应力的归一化参数；β为由压缩应力引起的局部滤饼孔隙率的响应指数；

整个滤饼范围内积分，分别得到平均滤饼比阻及平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系，具体如下：

式中：α_av为均滤饼比阻；α₀零应力状态下的局部滤饼比阻；P_a为压缩应力的归一化参数；ΔP_c为滤饼上的压降；ε_av为平均滤饼固含率；ε₀零应力状态下的局部固含率；n为由压缩应力引起的局部滤饼比阻的响应指数；β为由压缩应力引起的局部滤饼孔隙率的响应指数；

b.通过A组实验过程中出水量随时间的变化关系，可以对其进行微分然后得到出水速率随时间的变化关系，随后通过关系式(3.5)，具体如下：

即得到实验过程中滤饼上的有效压降ΔP_c与出水速率的倒数之间的关系，公式(3.5)中(dt/dv)_m指初始时刻出水速率的倒数，其值通过对出水速率随时间的变化关系进行外插拟合得到；P在三个不同的阶段分别对应其目标压力值，P₁则对应第一级目标压力值；

c.随后根据过滤过程的控制方程，具体如下：

式中：α_av为均滤饼比阻；ΔP_c为滤饼上的压降；μ为滤液的粘度；ρ为滤液的密度；s为泥浆中固相的质量分数；m为干滤饼与湿滤饼的质量比；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；

并将联系无限平均滤饼比阻α_av，i与平均滤饼比阻α_av的关系式，具体如下：

式中：α_av，i为无限平均滤饼比阻；s为泥浆中固相的质量分数；m为干滤饼与湿滤饼的质量比；

将公式(3.7)代入到公式(3.6)中，得到公式(3.8)：

即得到无限平均滤饼比阻α_av，i与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系，公式(3.8)中，μ代表水的粘度；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；ρ和s分别代表水的密度和实验浆料的固体质量分数；m代表湿滤饼与干滤饼的质量比，通过公式(3.9)，具体如下：

将其与平均滤饼固含率联系起来；

d.通过B组实验过程中出水量随时间的变化关系，可以对其进行微分得到

和t+t_m之间的变化关系，随后将二者的关系绘制成双对数关系，即可从图中直观的得到B组实验过程中过滤阶段与压缩阶段的转折点，随即便可得到转折点时刻所排出的滤液量v_t；其中t_m指形成阻力大小为滤膜阻力厚度的滤饼所需要的时间，通过对t/v和v之间的关系进行线性拟合然后得到该拟合直线的斜率及截距，随后通过关系式(3.10)，具体如下：

式中：a为对t/v和v之间的关系进行线性拟合得到的直线的斜率；v_m为形成与滤膜阻力相等的滤饼时所产生的每单位滤膜面积的滤液体积；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；

v_m和a可以通过式t_m＝av_m ²与t_m相关联，最后便可得到t_m具体的数值；

e.在确定转折点时刻所排出的滤液量v_t后，便可通过表达式，具体如下：

确定该时刻对应的滤饼固含率，公式(3.11)中W_s表示过滤泥浆的净质量，A和ρ_s分别表示过滤面积和泥浆中固体的密度；

f.确定转折点时刻所排出的滤液量v_t及B组实验过程中出水量随时间的变化关系，便可获得每一级目标压力下压缩阶段渗出的滤液量v_c，1，v_c，2及v_c，3，之后通过公式(3.12)，具体如下：

便可得到每一级压缩阶段结束时刻对应的固含率，其中ω₀表示每单位过滤面积的压缩滤饼的净固体体积；

g.将实验得到的无限平均滤饼比阻α_av，i与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的数据用关系式，具体如下：

进行拟合，便可得到相应的拟合参数α₁，n₁，P_a，1，α₁，n₁，P_a，1分别对应α₀，n，P_a；随后将得到的n₁，P_a，1的值作为n，P_a的初始值；

h.将上述得到的P_a的初始值及实验得到的每一级压缩阶段结束时刻对应的固含率与压缩应力之间的数据用关系式(3.2)进行拟合，便可得到相应的拟合参数ε₀，β；

i.将上述拟合得到的参数n，P_a，ε₀，β代入到关系式(3.4)中，得到平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系；

j.将步骤i中得到的平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系，应用到关系式(3.9)当中，便可得到湿滤饼与干滤饼的质量比与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系；

k.结合上述得到的湿滤饼与干滤饼的质量比与滤饼上的有效压降ΔP_c之间及A组实验得到的滤饼上的有效压降ΔP_c与出水速率的倒数之间的关系，再通过关系式(3.6)，便可得到平均滤饼比阻α_av与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系；

I.将步骤k中得到的平均滤饼比阻α_av与滤饼上的有效压降ΔP_c之间的关系用关系式(3.3)进行拟合，便可得到相应的拟合参数α₀，n，P_a；

m.将步骤c得到的滤饼上的有效压降ΔP_c对应的无限平均滤饼比阻α_av，i的值与步骤I得到的相同的滤饼上的有效压降ΔP_c对应的平均滤饼比阻α_av的值进行比较，若满足关系式

则可以得到最终的本构参数，最终的拟合参数即为步骤I和步骤h得到的α₀，n，P_a，ε₀，β，反之若不满足上述关系式，则对步骤h-m进行迭代循环，直至迭代前后分别计算得到的平均滤饼比阻满足上述关系式。

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