CN113125308B - 一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，包括模型箱主体、土体颗粒、模型吸力桶、加载架、导向杆、螺纹加载管、电机、铁磁金属块、电磁铁、力传感器和电源，加载架固定连接在模型箱主体的内部，并位于模型吸力桶的上方，电机安装在加载架上，螺纹加载管的内部设有贯通的通孔，导向杆位于该通孔内，螺纹加载管内侧还设有第一凹槽，该第一凹槽的上端设有电磁铁，下端设有铁磁金属块，导向杆的外侧设有与铁磁金属块的形状相配合的连续的第二凹槽；试验系统还设有连接导向杆的力传感器和测量模型吸力桶和加载架之间距离的位移传感器。与现有技术相比，本发明具有扰动少、功能丰富、操作简单、试验精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程物理实验模拟技术领域，尤其是涉及一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统。
背景技术
吸力桶是上端封闭下端开口的基础形式，广泛应用于海上风电基础。吸力桶在砂土中负压沉贯时，负压一方面减小了吸力桶的贯入阻力，另一方面当渗流过大时会发生渗透侵蚀。发生渗透侵蚀时，桶内细颗粒随水流被带出，桶内土体产生质量损失且孔隙比发生变化，桶内土体的渗透性和力学特性也会发生变化，从而影响到吸力桶的沉贯和上拔特性。因此可研究吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统亟待进一步开发。
传统的吸力桶沉贯与上拔模型试验存在几个明显的问题，包括：
1、现有技术无法实现原位且无损地量化吸力桶沉贯与上拔过程中土体渗透侵蚀的程度。
2、现有模型试验系统无法实现吸力桶沉贯与上拔过程的无扰动过渡。传统试验往往需要在吸力桶负压沉贯完成之后，手动将吸力桶与沉贯控制系统脱开，再将其与加载装置进行连接。这一过程可对吸力桶位置及周围土体产生严重扰动，进行影响后续观测的上拔试验结果。
3、现有流量测定技术难以应用于流速对吸力桶渗透侵蚀的影响研究。为在模型试验中研究流速对渗透侵蚀的影响，施加的流速会从低至高具有很大的变化范围。现有流量测定技术，难以同时保证在低流速和高流速范围的测量精度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在无法实现吸力桶沉贯与上拔过程的无扰动过渡的缺陷而提供一种扰动少、功能丰富、操作简单、试验精度高的吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，包括模型箱主体、设置在模型箱主体内的土体颗粒、设置在土体颗粒上部的模型吸力桶，
所述试验系统还包括加载架、导向杆、螺纹加载管、电机、铁磁金属块、电磁铁、力传感器和为整个系统供电的电源，所述加载架固定连接在所述模型箱主体的内部，并位于所述模型吸力桶的上方，所述电机固定安装在所述加载架上，所述螺纹加载管的外侧设有外螺纹，所述电机的输出端连接所述外螺纹，用于驱动螺纹加载管上升或下降，所述螺纹加载管的内部设有贯通的通孔，所述导向杆位于该通孔内，所述螺纹加载管内侧还设有第一凹槽，该第一凹槽的上端设有所述电磁铁，下端设有所述铁磁金属块，所述导向杆的外侧设有与所述铁磁金属块的形状相配合的连续的第二凹槽；
所述模型吸力桶的上表面中部设有所述力传感器，该力传感器连接所述导向杆的一端，所述试验系统还包括用于测量所述模型吸力桶和加载架之间距离的位移传感器；
当电磁铁通电后，吸引铁磁金属块上升，此时，模型吸力桶自然沉贯；沉贯到位后，断开电磁铁，铁磁金属块卡入导向杆的第二凹槽内，电机通电，带动螺纹加载管、导向杆、力传感器和模型吸力桶整体上拔；此过程中，通过位移传感器和力传感器获取沉贯和上拔实验数据。
进一步地，所述第一凹槽、电磁铁、铁磁金属块和第二凹槽均为圆环状。
进一步地，所述圆环状的铁磁金属块由多个球形钢珠组合构成，所述第二凹槽的截面为圆弧形。
进一步地，所述模型吸力桶的下表面设有竖直向下的加热棒，所述模型吸力桶的桶壁设有用于测量桶壁温度的第一温度传感器，所述试验系统还包括用于测量加热棒表面温度的第二温度传感器。
进一步地，根据所述加热棒、第一温度传感器和第二温度传感器的设备数据，获取模型吸力桶内土体的导热系数，得到土体干密度的变化；所述模型吸力桶内土体导热系数的计算表达式为：
式中，λ为模型吸力桶内土体导热系数，Φ为加热棒的加热功率，l为加热棒的加热部长度，t2为模型吸力桶壁处第一温度传感器测量的温度，t1为加热棒处第二温度传感器测量的温度，r2为模型吸力桶壁处第一温度传感器到加热棒轴线的距离， r1为加热棒处第二温度传感器到加热棒轴线的距离。
进一步地，所述土体干密度的计算表达式为：
ρd＝1.7536λ2-2.6609λ+2.3248
式中，ρd为干密度，λ为模型吸力桶内土体导热系数。
进一步地，所述试验系统还包括抽水管、指示剂添加器、电控开关组件、第一光学传感器和第二光学传感器，所述抽水管的进水端连通所述模型吸力桶的上端，所述抽水管沿进水端至出水端方向依次连接所述电控开关组件、第一光学传感器和第二光学传感器，所述指示剂添加器的输出端连接所述电控开关组件；
电控开关组件打开后，指示剂添加器向抽水管中滴加指示剂，第一光学传感器和第二光学传感器分别检测指示剂的通过，获取通过时间，从而根据时间差计算实时流速。
进一步地，所述流速的计算表达式为：
式中，vAB为抽水管内流体的流速，tB为指示剂经过第二光学传感器的时间， tA为指示剂经过第一光学传感器的时间，lAB为第一个光学传感器和第二个光学传感器之间的距离。
进一步地，所述模型吸力桶的盖板内侧和外侧，以及盖板下方的土体内均设有孔压传感器。
进一步地，所述试验系统还包括模型箱盖，该模型箱盖设置在所述模型箱主体的上端，所述模型箱盖的材质为有机玻璃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用带环形凹槽的导向杆、带有电磁控制的螺纹加载管和串联钢珠，使得可以无接触地控制导向杆与螺纹加载管之间的自由滑动与连接，实现吸力桶沉贯与上拔的无扰动过渡。螺纹加载管内置电磁铁和一圈钢珠，当电磁铁连通时，钢珠被电磁铁吸住，螺纹加载管与导向杆之间可以自由滑动。当电磁铁通电断开时，钢珠自然下落，卡住导向杆的环形凹槽，使螺纹加载管向上移动时同步带动导向杆一起向上运动。在沉贯过程中连通电磁铁，可以实现吸力桶自然沉贯。沉贯到位时，断开电磁铁，可以实现吸力桶的上拔。
(2)通过加热棒和温度传感器测定吸力桶内土体的导热系数，并基于导热系数与砂土干密度的关系，原位无损地测得桶内土体实时的干密度的变化，量化吸力桶沉贯与上拔所诱发渗透侵蚀的程度。
(3)基于光学传感测定液体流速。通过测量携带有色指示剂的液体经过相邻光学传感器的时间差来测定液体流速，可以实现针对不同量程的高精度地实时测定液体流速。
本发明相对于传统模型试验系统具有扰动少、功能丰富、操作简单、试验精度高的特点。
附图说明
图1为本发明试验系统示意图；
图2为本发明试验系统的俯视图；
图3为本发明试验系统螺纹加载管图；
图4为本发明模型吸力桶图；
图5为本发明流速测试系统结构图；
图中，1、模型箱盖，2、模型箱主体，3、位移传感器，4、加载架，5、抽水管，6、温度传感器，7、模型吸力桶，8加热棒，9、导向杆，10、螺纹加载管， 11、电机，12、力传感器，13、孔压传感器，14、指示剂添加器，15、光源和光学传感器，16、电磁铁，17、钢珠，18、指示剂添加器电磁铁开关，19、铁制活塞。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
实施例1
参考图1和图3所示，本实施例提供一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，包括模型箱主体2、设置在模型箱主体2内的土体颗粒、设置在土体颗粒上部的模型吸力桶7，
试验系统还包括加载架4、导向杆9、螺纹加载管10、电机11、铁磁金属块、电磁铁16、力传感器12和为整个系统供电的电源，加载架4固定连接在模型箱主体2的内部，并位于模型吸力桶7的上方，电机11固定安装在加载架4上，螺纹加载管10的外侧设有外螺纹，电机11的输出端连接外螺纹，用于驱动螺纹加载管 10上升或下降，螺纹加载管10的内部设有贯通的通孔，导向杆9位于该通孔内，螺纹加载管10内侧还设有第一凹槽，该第一凹槽的上端设有电磁铁16，下端设有铁磁金属块，导向杆9的外侧设有与铁磁金属块的形状相配合的连续的第二凹槽；
模型吸力桶7的上表面中部设有力传感器12，该力传感器12连接导向杆9的一端，试验系统还包括用于测量模型吸力桶7和加载架4之间距离的位移传感器3；
当电磁铁16通电后，吸引铁磁金属块上升，此时，模型吸力桶7自然沉贯；沉贯到位后，断开电磁铁16，铁磁金属块卡入导向杆9的第二凹槽内，电机11通电，带动螺纹加载管10、导向杆9、力传感器12和模型吸力桶7整体上拔；此过程中，通过位移传感器3和力传感器12获取沉贯和上拔实验数据。
优选地，第一凹槽、电磁铁16、铁磁金属块和第二凹槽均为圆环状。
圆环状的铁磁金属块由多个球形钢珠17组合构成，第二凹槽的截面为圆弧形。
优选地，参考图1和图4所示，模型吸力桶7的下表面设有竖直向下的加热棒 8，模型吸力桶7的桶壁设有用于测量桶壁温度的第一温度传感器，试验系统还包括用于测量加热棒8表面温度的第二温度传感器。
优选地，参考图2和图5所示，试验系统还包括抽水管5、指示剂添加器14、电控开关组件、第一光学传感器和第二光学传感器(光源和光学传感器15)，抽水管5的进水端连通模型吸力桶7的上端，抽水管5沿进水端至出水端方向依次连接电控开关组件、第一光学传感器和第二光学传感器，指示剂添加器14的输出端连接电控开关组件；
电控开关组件打开后，指示剂添加器14向抽水管5中滴加指示剂，第一光学传感器和第二光学传感器分别检测指示剂的通过，获取通过时间，从而根据时间差计算实时流速。
本实施例中，电控开关组件包括指示剂添加器电磁铁开关18和铁制活塞19，并受壳体固定。
优选地，模型吸力桶7的盖板内侧和外侧，以及盖板下方的土体内均设有孔压传感器13。
优选地，试验系统还包括模型箱盖1，该模型箱盖1设置在模型箱主体2的上端，模型箱盖1的材质为有机玻璃。
根据上述吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统的具体结构，可将该试验系统分为以下子系统，其具体结构和功能的描述如下。
1、可原位无损测定土体颗粒侵蚀的测定子系统
可原位无损测定土体颗粒侵蚀的测定子系统，包括加热棒和温度传感器。所述加热棒位于模型吸力桶中轴线处，接通电源后功率恒定，且带有一个温度传感器可测加热棒表面温度；所述温度传感器位于模型吸力桶壁处，可测模型吸力桶内壁温度。
当桶内土体温度达到稳定状态时，桶内土体导热系数计算如下：
式中λ为桶内土体的导热系数，Φ为加热棒的加热功率，l为加热棒的加热部长度，t2为模型吸力桶壁处温度传感器的温度，t1为加热棒处温度传感器的温度，r2为模型吸力桶壁处温度传感器到加热棒轴线的距离，r1为加热棒温度传感器到加热棒轴线的距离。基于如下土体的干密度与导热系数的关系，可以通过测定导热系数实时获得土体干密度的变化，原位无损量化土体渗流侵蚀程度：
ρd＝1.7536λ2-2.6609λ+2.3248
式中ρd为干密度，λ为导热系数。
2、可实现吸力桶竖向负压沉贯与上拔加载无扰动过渡的加载子系统
可实现吸力桶竖向负压沉贯与上拔加载无扰动过渡的加载子系统，包括电磁铁、钢珠、螺纹加载管、导向杆、电机、加载架。
所述电磁铁为环形，位于螺纹加载管内部，接通之后可产生磁力。当电磁铁通电连通时，钢珠被电磁铁吸住，螺纹加载管与导向杆之间可以自由滑动。当电磁铁通电断开时，钢珠自然下落，卡住导向杆的环形凹槽，使螺纹加载管向上移动时将会带动导向杆一起向上运动。在沉贯过程中连通电磁铁，可以实现吸力桶自然沉贯。沉贯到位时，断开电磁铁，启动电机，可以实现吸力桶的上拔。
所述钢珠，由若干个钢珠组成，位于螺纹加载管与导向杆之间的环形凹槽中。
所述的螺纹加载管外有螺纹，与带有螺纹的齿轮相连，电机带动齿轮转动使螺纹加载管上下移动。内部可穿过导向杆，使导向杆方向与螺纹加载管方向保持一致。
所述的导向杆为钢制，且带有环形凹槽，其与吸力桶之间装有力传感器，可以准确测量吸力桶所受到的上拔力，排除了其他力的干扰。而且导向杆穿过螺纹加载管且与吸力桶轴线一致，可以确保吸力桶竖向沉贯和上拔。
所述电机紧固于加载架上，可带动螺纹加载管上下移动。
所述加载架为钢制与模型箱壁相连，带有螺孔，可用于固定电机并调节电机水平，同时使螺纹加载管保持竖向；设计一定结构强度以提供足够的反力并不产生过大的变形；加载架预留装位移传感器的螺孔。
3、基于光学传感的液体流速测定子系统
基于光学传感的液体流速测定子系统，包括指示剂添加器、两个光源和光学传感器。所述指示器添加器位于抽水管的上游，可通过针管向抽水管内释放指示剂，针管可通过电磁开关控制开闭；所述光源和光学传感器位于抽水管下游。指示剂具有遮光效果，可采用蓝色分散染料。指示剂通过指示剂添加器以一定频率滴入管道，当指示剂经过时，光学传感器信号会发生变化。通过计算指示剂经过两个光学传感器的时间差来计算实时流速。计算公式如下：
式中vAB为管道内流体的流速，tB为指示剂经过第二个光学传感器的时间，tA为指示剂经过第一个光学传感器的时间，lAB为第一个光学传感器和第二个光学传感器之间的距离。
模型箱主体，包括一块底板和四块侧板。底板和侧板不可拆卸，密封性良好，且侧板与加载架相连。
模型吸力桶，包括一块盖板和筒形侧板。盖板透明可拆卸，盖板与侧板连接密封性良好，盖板内外装有两个孔压传感器。侧板装有两个温度传感器。
本实施例提供的吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，其试验流程和操作步骤如下：
步骤1：制备好饱和砂土样之后，打开模型箱盖1，将螺纹加载管10和电机 11固定在加载架4上。对螺纹加载管10的电磁铁16进行通电，将导向杆9穿过螺纹加载管10，使模型吸力桶7下端自由放置在砂土表面。将力传感器12、位移传感器3、孔压传感器13、温度传感器6、光学传感器15接入数据采集器。
步骤3：利用气泵抽水管5抽水，并开启指示剂添加器14和指示剂添加器电磁开关18。模型吸力桶7在负压的作用下向下沉贯。沉贯到位后关闭指示器添加器电磁开关18。指示剂添加器向液体中释放的添加剂经过光学传感器时会引起其信号变化，可获得指示剂通过两个光学传感器所用的时间，从而得到液体流速。
步骤4：接通加热棒8。可通过温度传感器的数据计算桶内土体的热传导系数及干密度，量化渗透侵蚀程度。
步骤5：断开螺纹加载管10中的电磁铁16，开启电机11，使螺纹加载管10 带动导向杆9和模型吸力桶7向上移动，直至吸力桶上拔到目标位置。
步骤6：关闭加热棒8。静置一段时间使桶内土体与室温一致。
步骤7：整理传感器数据，得到吸力桶沉贯与上拔试验过程中负压、质量损失、流速、上拔力、竖向位移及干密度变化。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，包括模型箱主体(2)、设置在模型箱主体(2)内的土体颗粒、设置在土体颗粒上部的模型吸力桶(7)，其特征在于，
所述试验系统还包括加载架(4)、导向杆(9)、螺纹加载管(10)、电机(11)、铁磁金属块、电磁铁(16)、力传感器(12)和为整个系统供电的电源，所述加载架(4)固定连接在所述模型箱主体(2)的内部，并位于所述模型吸力桶(7)的上方，所述电机(11)固定安装在所述加载架(4)上，所述螺纹加载管(10)的外侧设有外螺纹，所述电机(11)的输出端连接所述外螺纹，用于驱动螺纹加载管(10)上升或下降，所述螺纹加载管(10)的内部设有贯通的通孔，所述导向杆(9)位于该通孔内，所述螺纹加载管(10)内侧还设有第一凹槽，该第一凹槽的上端设有所述电磁铁(16)，下端设有所述铁磁金属块，所述导向杆(9)的外侧设有与所述铁磁金属块的形状相配合的连续的第二凹槽；
所述模型吸力桶(7)的上表面中部设有所述力传感器(12)，该力传感器(12)连接所述导向杆(9)的一端，所述试验系统还包括用于测量所述模型吸力桶(7)和加载架(4)之间距离的位移传感器(3)；
当电磁铁(16)通电后，吸引铁磁金属块上升，此时，模型吸力桶(7)自然沉贯；沉贯到位后，断开电磁铁(16)，铁磁金属块卡入导向杆(9)的第二凹槽内，电机(11)通电，带动螺纹加载管(10)、导向杆(9)、力传感器(12)和模型吸力桶(7)整体上拔；此过程中，通过位移传感器(3)和力传感器(12)获取沉贯和上拔实验数据；
所述第一凹槽、电磁铁(16)、铁磁金属块和第二凹槽均为圆环状；
所述圆环状的铁磁金属块由多个球形钢珠(17)组合构成，所述第二凹槽的截面为圆弧形。
2.根据权利要求1所述的一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，其特征在于，所述模型吸力桶(7)的下表面设有竖直向下的加热棒(8)，所述模型吸力桶(7)的桶壁设有用于测量桶壁温度的第一温度传感器，所述试验系统还包括用于测量加热棒(8)表面温度的第二温度传感器。
3.根据权利要求2所述的一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，其特征在于，根据所述加热棒(8)、第一温度传感器和第二温度传感器的设备数据，获取模型吸力桶(7)内土体的导热系数，得到土体干密度的变化；所述模型吸力桶(7)内土体导热系数的计算表达式为：
式中，λ为模型吸力桶(7)内土体导热系数，Φ为加热棒(8)的加热功率，l为加热棒(8)的加热部长度，t2为模型吸力桶(7)壁处第一温度传感器测量的温度，t1为加热棒(8)处第二温度传感器测量的温度，r2为模型吸力桶(7)壁处第一温度传感器到加热棒(8)轴线的距离，r1为加热棒(8)处第二温度传感器到加热棒(8)轴线的距离。
4.根据权利要求2所述的一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，其特征在于，所述土体干密度的计算表达式为：
ρd＝1.7536λ2-2.6609λ+2.3248
式中，ρd为干密度，λ为模型吸力桶(7)内土体导热系数。
5.根据权利要求1所述的一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括抽水管(5)、指示剂添加器(14)、电控开关组件、第一光学传感器和第二光学传感器，所述抽水管(5)的进水端连通所述模型吸力桶(7)的上端，所述抽水管(5)沿进水端至出水端方向依次连接所述电控开关组件、第一光学传感器和第二光学传感器，所述指示剂添加器(14)的输出端连接所述电控开关组件；
电控开关组件打开后，指示剂添加器(14)向抽水管(5)中滴加指示剂，第一光学传感器和第二光学传感器分别检测指示剂的通过，获取通过时间，从而根据时间差计算实时流速。
6.根据权利要求5所述的一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，其特征在于，所述流速的计算表达式为：
式中，vAB为抽水管(5)内流体的流速，tB为指示剂经过第二光学传感器的时间，tA为指示剂经过第一光学传感器的时间，lAB为第一个光学传感器和第二个光学传感器之间的距离。
7.根据权利要求1所述的一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，其特征在于，所述模型吸力桶(7)的盖板内侧和外侧，以及盖板下方的土体内均设有孔压传感器(13)。
8.根据权利要求1所述的一种吸力桶沉贯与上拔诱发渗透侵蚀现象的试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括模型箱盖(1)，该模型箱盖(1)设置在所述模型箱主体(2)的上端，所述模型箱盖(1)的材质为有机玻璃。
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