CN114960531B - 一种水下固化土强度试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下固化土强度试验装置及试验方法，可探索受温度、时间影响的水下固化土强度，应用范围广、实用性强、可测量数据多，可为水下固化土的推广应用与优化设计提供必要的试验基础和数据支撑。

Description

一种水下固化土强度试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种水下固化土强度试验装置及试验方法，属于水下固化土实验领域。

背景技术

目前，水流冲刷是导致水利及土木工程结构物产生破坏而发生安全事故的重要原因，建筑物的基础长期处于复杂的水环境中，在冲刷作用下使河床下切，基础埋深减小进而改变了基础的边界条件，影响基础的稳定性，最终导致基础承载力降低甚至失效。因此针对不良基础的加固防护成为工程中不可忽视的问题。

水下固化土具有抗冲刷能力强，与桩基贴合性好，结构整体性好，施工便捷、高效，水稳定性及耐久性好，环保价值高等特点，正开始被使用至海底的冲刷防护。研究发现，水下固化土的强度和温度、时间相关性较大，为了进一步探索受温度、时间影响的水下固化土强度，急需一种水下固化土强度试验装置。

发明内容

本发明提供了一种水下固化土强度试验装置及试验方法，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种水下固化土强度试验装置，包括水流试验通道、恒温装样筒和控制器；

水流试验通道内通温度和流速可控的水流，水流试验通道输入端和输出端均设置有水压表，水流试验通道内壁上设置有体积检测装置和图像采集装置；其中，体积检测装置用以检测水下固化土的冲刷体积，图像采集装置用以采集水下固化土的形态图像；

恒温装样筒用以内置水下固化土，恒温装样筒位于水流试验通道的底部，恒温装样筒的一端连通水流试验通道，并且连通口正对体积检测装置和图像采集装置，恒温装样筒的另一端设置有顶推装置和粘度测试装置，顶推装置用以推动恒温装样筒内的水下固化土，粘度测试装置用以检测水下固化土的粘度和屈服应力；

控制器连接水压表、水流温度控制装置、水流流速控制装置、体积检测装置、图像采集装置、顶推装置和粘度测试装置，获取水下固化土在不同温度和不同时间下的强度数据。

还包括恒温水箱、水流输入通道和水流输出通道，恒温水箱的水温控制装置作为水流温度控制装置，水流输入通道上设置有作为水流流速控制装置的流量阀，水流输入通道的输入端连接恒温水箱，水流输出通道的输出端连接水流试验通道的输入端，水流输出通道的输入端连接水流试验通道的输出端，水流输出通道的输出端连接恒温水箱。

恒温水箱内置二级沉降池，水流输入通道通过水泵连接二级沉降池的输出端，水泵连接控制器，水流输出通道连接二级沉降池的输入端。

水流输入通道上设置有电动阀和排气阀，电动阀位于流量阀的下游，水流输入通道的输出端设置有流量计；水流输出通道上设置有调压阀和排气阀；电动阀、排气阀和流量计均连接控制器。

水流试验通道输出端还设置有连接控制器的水温传感器。

顶推装置的驱动器连接控制器，顶推装置的伸缩端伸入恒温装样筒，并且该端设置有活塞头，通过活塞头推动恒温装样筒内的水下固化土。

粘度测试装置包括设置在顶推装置上的扭转装置，扭转装置连接控制器，扭转装置的扭转端伸入恒温装样筒、穿过活塞头，并且该端设置伸入水下固化土的转子，通过转子旋转测量粘度和屈服应力。

一种水下固化土强度试验装置的试验方法，包括：

1）将水流试验通道内注满水，并控制水流的温度和流速至初始值，控制顶推装置推动恒温装样筒内的水下固化土，使水下固化土的前端面始终与水流试验通道底部齐平；

2）启动数据和冲刷速率测量：

周期性增大水流流速，通过体积检测装置检测各级流速下的冲刷体积，若当前流速下冲刷体积为前一周期流速下冲刷体积的预设倍数，此时视为水下固化土启动，保持流速不便，通过图像采集装置获取当前流速下的水下固化土前端面形态图像和冲刷体积，通过水压表获取水下固化土的启动切应力，通过粘度测试装置获取水下固化土的粘度和屈服应力；

周期性增大水流流速和水下固化土的推动速率，当水下固化土的前端面在当前周期内既不冲刷也不累积、且始终与水流试验通道底部齐平，则当前周期的推动速率为水下固化土的冲刷速率；

3）经过预设时间后，控制水流的温度和流速至增大的初始值，重复2）~3），获得不同时间的启动数据和冲刷速率；

4）更换和1）相同的水下固化土，调整水流温度和恒温装样筒温度，重复1）~3），获得不同温度的启动数据和冲刷速率。

本发明所达到的有益效果：本发明实现了一种水下固化土强度试验装置，可探索受温度、时间影响的水下固化土强度，应用范围广、实用性强、可测量数据多，可为水下固化土的推广应用与优化设计提供必要的试验基础和数据支撑，具体如下：

应用范围广：本发明的水温和水下固化土温度均可控，使试验水温更接近实际施工环境温度，充分考虑温度对水下固化土强度的影响，可获得不同水温温度、不同环境温度水下固化土的强度；

实用性强：本发明设置有体积检测装置和图像采集装置，可实时记录水下固化土随时间而产生的土样形态和体积的变化，可以获得水下固化土硬化过程中冲刷形态随时间变化的图像及水下固化土冲刷体积随时间变化曲线；

可测量数据多：本发明不仅能够测量起动切应力和冲刷率，还能测量固化土的粘度、屈服应力，可以生成水下固化土硬化过程中起动切应力、粘度、屈服应力随时间变化曲线。

附图说明

图1为水下固化土强度试验装置的结构示意图；

图2为粘度随时间变化的示意图；

图3为屈服应力随时间变化的示意图；

图4为启动切应力随时间变化的示意图；

图5为粘度随温度变化的示意图；

图6为水下固化土流量、冲刷体积随时间变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种水下固化土强度试验装置，其特征在于，包括恒温水箱2、水流输入通道4、水流试验通道1、恒温装样筒15、控制器20和水流输出通道5。

恒温水箱2为内置二级沉降池3的恒温水箱，控温范围为5~99摄氏度，控温精度为1摄氏度，水流输入通道4通过水泵6连接二级沉降池3的输出端，水流输出通道5连接二级沉降池3的输入端，恒温水箱2的水温控制装置可控制内部水的温度，是整个装置的水流温度控制装置，水温控制装置内置的控制系统设定精度为0.1摄氏度，控温精度为0.2摄氏度。

水流输入通道4为一进水管，水流输入通道4上安装流量阀7、电动阀8和排气阀9，流量阀7作为水流流速控制装置，控制水流流速，电动阀8位于流量阀7的下游，用以控制通道的通断，排气阀9位于电动阀8的下游，用以在初始时排出试验装置内的空气，水流输入通道4的输出端安装流量计10，用以对输出水量进行计量，水流输出通道5的输出端连接水流试验通道1的输入端。

水流试验通道1为一矩形管，内通温度和流速可控的水流，其中，水流温度通过水温控制装置控制，流速通过流量阀7控制，水流试验通道1输入端和输出端均安装水压表11（智能水压表），输出端还安装水温传感器22，用以监测水流试验通道1内的水温，水流试验通道1内壁上安装体积检测装置13和图像采集装置12，其中，体积检测装置13采用微型多波束探头，用以检测水下固化土的冲刷体积，图像采集装置12采用高清摄像机，用以采集水下固化土的形态图像。

恒温装样筒15用以内置水下固化土，恒温装样筒15位于水流试验通道1的底部，恒温装样筒15的一端连通水流试验通道1，并且连通口正对体积检测装置13和图像采集装置12，恒温装样筒15的另一端安装顶推装置14和粘度测试装置，顶推装置14用以推动恒温装样筒15内的水下固化土，粘度测试装置用以检测水下固化土的粘度和屈服应力。

顶推装置14的驱动器采用伺服电机19，通过伺服电机19驱动顶推装置14的伸缩端伸缩，顶推装置14的伸缩端伸入恒温装样筒15，并且该端安装活塞头16，通过活塞头16推动恒温装样筒15内的水下固化土。

粘度测试装置包括固定在顶推装置14上的扭转装置17，扭转装置17可以为电机，扭转装置17的扭转端伸入恒温装样筒15、穿过活塞头16，并且该端固定伸入水下固化土的转子18，通过转子18旋转测量粘度和屈服应力，扭转装置17的转速分档不少于5档，最小转速不小于3r/min，结合不同型号的转子18可测量塑性粘度范围为100~2000000mPa.s。

水流输出通道5为一出水管，水流输出通道5的输入端连接水流试验通道1的输出端，水流输出通道5上安装有调压阀21和排气阀9，其中排气阀9位于水流输出通道5的输入端，该排气阀9和水流输入通道4上排气阀9配合，一起排出试验装置内的空气，调压阀21用以调节水流压力。

控制器20可采用计算机，连接水泵6、水压表11、水流温度控制装置、水流流速控制装置、体积检测装置13、图像采集装置12、顶推装置14、粘度测试装置、电动阀8、排气阀9、流量计10、水温传感器22，获取水下固化土在不同温度和不同时间下的强度数据。

采用上述装置进行试验的方法，包括：

1）安装上述装置，将水下固化土装填于恒温装样筒15内，并调节恒温装样筒15温度。

2）通过控制器20打开电动阀8、控制调压阀21，缓慢将装置内注满水，通过调节排气阀9门，排出管道内的气体，注水期间，通过控制器20程序控制伺服电机19，从而控制顶推装置14运动，使水下固化土前端面低于水流试验通道1底部，以免注水时水流破坏水下固化土。

3）将水流试验通道1内注满水，并控制水流的温度和流速至初始值，控制顶推装置14推动恒温装样筒15内的水下固化土，使水下固化土的前端面始终与水流试验通道1底部齐平。

通过水温传感器22确定水温是否满足要求，若由于环境温度影响造成水温差异明显，则通过控制电动阀8开启，加入适当温度的水体使水流试验通道1内的水温达到要求；而流速则通过流量阀7控制。

4）启动数据和冲刷速率测量：

周期性增大水流流速，通过体积检测装置13检测各级流速下的冲刷体积，若当前流速下冲刷体积为前一周期流速下冲刷体积的预设倍数，一般为5倍，此时视为水下固化土启动，保持流速不便，通过图像采集装置12获取当前流速下的水下固化土前端面形态图像和冲刷体积，通过水压表11获取水下固化土的启动切应力，通过粘度测试装置获取水下固化土的粘度和屈服应力；

周期性增大水流流速和水下固化土的推动速率，当水下固化土的前端面在当前周期内既不冲刷也不累积、且始终与水流试验通道1底部齐平，则当前周期的推动速率为水下固化土的冲刷速率。

5）经过预设时间后，控制水流的温度和流速至增大的初始值，重复4）~5），获得不同时间的启动数据和冲刷速率，具体如图2~6所示。

6）更换和3）相同的水下固化土，调整水流温度和恒温装样筒温度，重复3）~5），获得不同温度的启动数据和冲刷速率。

本发明的水温和水下固化土温度均可控，使试验水温更接近实际施工环境温度，充分考虑温度对水下固化土强度的影响，可获得了不同水温温度、不同环境温度水下固化土的强度，应用范围广；本发明可实时记录水下固化土随时间而产生的土样形态和体积的变化，可以获得水下固化土硬化过程中冲刷形态随时间变化的图像及水下固化土冲刷体积随时间变化曲线，实用性强；本发明不仅能够测量起动切应力和冲刷率，还能测量固化土的粘度、屈服应力，可以生成水下固化土硬化过程中起动切应力、粘度、屈服应力随时间变化曲线，可测量数据多。

本发明实现了一种水下固化土强度试验装置，可探索受温度、时间影响的水下固化土强度，应用范围广、实用性强、可测量数据多，可为水下固化土的推广应用与优化设计提供必要的试验基础和数据支撑。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种水下固化土强度试验装置的试验方法，其特征在于，

所述水下固化土强度试验装置，包括水流试验通道、恒温装样筒和控制器；

水流试验通道内通温度和流速可控的水流，水流试验通道输入端和输出端均设置有水压表，水流试验通道内壁上设置有体积检测装置和图像采集装置；其中，体积检测装置用以检测水下固化土的冲刷体积，图像采集装置用以采集水下固化土的形态图像；

恒温装样筒用以内置水下固化土，恒温装样筒位于水流试验通道的底部，恒温装样筒的一端连通水流试验通道，并且连通口正对体积检测装置和图像采集装置，恒温装样筒的另一端设置有顶推装置和粘度测试装置，顶推装置用以推动恒温装样筒内的水下固化土，粘度测试装置用以检测水下固化土的粘度和屈服应力；

控制器连接水压表、水流温度控制装置、水流流速控制装置、体积检测装置、图像采集装置、顶推装置和粘度测试装置，获取水下固化土在不同温度和不同时间下的强度数据；

所述试验方法包括：

1）将水流试验通道内注满水，并控制水流的温度和流速至初始值，控制顶推装置推动恒温装样筒内的水下固化土，使水下固化土的前端面始终与水流试验通道底部齐平；

2）启动数据和冲刷速率测量：

周期性增大水流流速，通过体积检测装置检测各级流速下的冲刷体积，若当前流速下冲刷体积为前一周期流速下冲刷体积的预设倍数，此时视为水下固化土启动，保持流速不便，通过图像采集装置获取当前流速下的水下固化土前端面形态图像和冲刷体积，通过水压表获取水下固化土的启动切应力，通过粘度测试装置获取水下固化土的粘度和屈服应力；

周期性增大水流流速和水下固化土的推动速率，当水下固化土的前端面在当前周期内既不冲刷也不累积、且始终与水流试验通道底部齐平，则当前周期的推动速率为水下固化土的冲刷速率；

3）经过预设时间后，控制水流的流速至增大的初始值，重复2）~3），获得不同时间的启动数据和冲刷速率；

4）更换和1）相同的水下固化土，调整水流温度和恒温装样筒温度，重复1）~3），获得不同温度的启动数据和冲刷速率。