CN117470699B - 一种土石料起动剪应力测试试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土石料起动剪应力测试试验装置及方法，装置包括试验管道和变频水泵，试验管道下侧壁连接有固定环，固定环中滑动设置有移动活塞，移动活塞的顶部固连有水流剪应力传感器，试样的顶部穿过试样通道位于试验管道内，变频水泵将水泵入试验管道内，冲刷试样表面。本发明克服了现有技术测量水流剪应力不准确、对于微小位移捕捉能力差的缺陷，先通过微小水流使土体颗粒启动冲蚀，测量冲蚀速率和水流剪应力，然后增大水流流速，相应测量每个流速下的冲蚀速率和水流剪应力，最后通过拟合曲线，得到启动剪应力；本发明设计的基于全桥电路的水流剪应力传感器可提高测量精度，尤其对起动剪应力较小的黏性土或粉质土测试结果可靠。

Description

一种土石料起动剪应力测试试验装置及方法

技术领域

本发明属于土石坝溃坝机理研究技术领域，特别涉及一种土石料起动剪应力测试试验装置及方法。

背景技术

土石料冲蚀特性是决定土石坝溃口扩展速率的关键因素，其中土石料冲蚀特性主要由颗粒起动剪应力和冲蚀速率表征。颗粒起动剪应力是判定坝料是否起动的关键参数，通常通过理论推导或经验公式计算得到，因此得到的土水界面剪应力并不能真实反映土颗粒起动时的受力状态。

发明名称为一种土料冲蚀试验装置及方法，申请号为202111263147.6的中国专利，公开了一种基于霍尔效应的电磁效应测力计，将试样下方永磁铁的相对位移转换为电压信号而实现对水流剪切应力的测量。该电磁效应测力计受周围电磁场影响较大，对于微小水流剪应力测量精度差，对于微小位移的捕捉能力较差，通常黏性土和粉质土的起动剪应力范围在0.2Pa~10Pa之间，因此在测量上述类型土体起动剪应力时误差较大。

发明内容

为了克服现有冲蚀装置对于微小水流剪应力测量精度差、对于微小位移的捕捉能力差的缺陷，发明了一种用于土石料起动剪应力测试的试验装置，可以直接测量得到起动剪应力，具有较强的抗干扰能力，能够在较小流速下，捕捉微小位移，实现对土体起动剪应力的精准测量。

本发明的技术方案为：

一种土石料起动剪应力测试试验装置，包括试验管道、变频水泵和控制系统，试验管道的下侧壁开设有供试样伸入试验管道内的试样通道，试样通道外围的试验管道下侧壁连接有固定环，试样通道位于固定环内；固定环中滑动设置有移动活塞，移动活塞的顶部固连有水流剪应力传感器，水流剪应力传感器位于固定环中，水流剪应力传感器的顶部连接在承载试样的试样托盘的底部；试样设置在试样托盘上，试样及试样托盘的外径较固定环的内径小，试样及试样托盘与固定环内壁之间具有间隙；试样的顶部穿过试样通道位于试验管道内，变频水泵将水泵入试验管道内，冲刷试样表面；试样正上方的试验管道侧壁设置有实时检测试样冲刷高度的超声波传感器；

移动活塞的底部竖向连接有升降机构，超声波传感器、水流剪应力传感器、变频水泵、升降机构都与控制系统电性连接。

水流剪应力传感器实时测量水作用在试样表面的剪应力，超声波传感器实时测量试样表面与超声波传感器之间的距离，判断试样表面被冲刷的高度，可以通过控制系统设置，当试样表面被冲刷掉1mm时，由控制系统启动电机，电机驱动试样向上顶升1mm。通过改变变频水泵的频率，从而改变试验管道中水的流速，变频水泵的频率与试验管道中水的流速之间的关系可通过率定得到，为了进一步得知试验管道中水的流速，还可以在试验管道中设置水流传感器，控制系统可以设置采集数据的时间间隔。

超声波在气体及液体中以不同速度传播，定向性好、能量集中，传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，通过测定超声波往返所用时间就可计算出试样与瞄点的实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响。

优选地，水流剪应力传感器包括工字型的连接架、连接板、应变片和安装块，连接架、连接板和安装块都为聚碳酸酯材质，连接架有两个，每个连接架包括固定杆和位于固定杆两端的连接杆一和连接杆二，连接板竖向设置，两个固定杆水平连接在连接板的上下两端，两个连接架平行设置，连接板上端的连接架命名为连接架一，连接板下端的连接架命名为连接架二，从连接架一上方向下看，两个连接架的投影完全重合；

连接架一的连接杆一和连接杆二的两端都分别通过安装块与一个应变片的一端连接，每个应变片的另一端均与连接架二的相应连接杆对应连接，至少包括四个应变片，且都竖向设置，并与连接板平行；应变片通过全桥电路连接，传感器信号线伸出装置外，通过传感器信号线测量水流剪应力传感器内部电路输出电压。

优选地，试样托盘与水流剪应力传感器之间的连接结构为：试样托盘下底面向上凹陷形成一个用于容纳传感器安装板的腔体，传感器安装板卡设于该腔体中，水流剪应力传感器的连接架一通过固定螺栓一与传感器安装板连接。

优选地，水流剪应力传感器与移动活塞之间的连接结构为：移动活塞顶部向下凹陷，形成凹槽一，水流剪应力传感器的连接架二通过固定螺栓二固定于移动活塞的凹槽一中，位于传感器两侧的凹槽一的底壁开设有穿线孔和过水孔；移动活塞底部向上凹陷，形成凹槽二，穿线孔、过水孔连通凹槽一和凹槽二，穿线孔中连接有穿线管，传感器信号线穿过穿线管向下伸出凹槽二，与控制系统连接；过水孔中连接有排水管，排水管竖向设置并伸出凹槽二。

优选地，升降机构包括固定套管、滚珠丝杠副和底板，固定套管和滚珠丝杠副竖向设置，固定套管的顶端与移动活塞固连，固定套管的底端与滚珠丝杠副的螺帽固连，滚珠丝杠的顶端伸入固定套管内，滚珠丝杠的底端转动连接在底板上；固定套管、滚珠丝杠副的中心轴线与试样、固定环的中心轴线重合；

底板上设置有电机和减速器，减速器的输出端连接有同步带轮一，滚珠丝杠的相应位置连接有同步带轮二，同步带轮一与同步带轮二通过同步带连接；

超声波传感器、水流剪应力传感器、变频水泵、电机都与控制系统电性连接。

减速器可采用行星减速器，与滚珠丝杠副通过同步带轮、同步带连接，驱动滚珠丝杠转动，带动试样向上顶升；受超声波传感器信号及控制系统的控制。

优选地，为了盛接、回收排水管中的水，固定套管上固连有上定位环，上定位环上设置有接水盘，接水盘位于排水管的下方。

为了对固定套管的上、下移动设置限位，使移动活塞移动的更平稳，位于上定位环下方的固定套管上固连有下定位环，底板上位于滚珠丝杠的两侧各连接有一个滑杆，滑杆竖向设置，两个滑杆都穿过上定位环和下定位环，两个滑杆的顶端连接在试验管道下侧壁；其中一个滑杆上竖向连接有一个金属管，金属管与该滑杆之间具有间隙，位于上定位环上方的金属管设置有上限位器，位于下定位环下方的金属管设置有下限位器；为了检测试验管道中水的流速，金属管的顶端连接有L型的皮托管，皮托管的全压进气孔伸入试验管道中。

变频水泵可将蓄水箱内的水泵入试验管道中，皮托管实时测量进入试验管道中水的流速，并将数据传输给控制系统，控制系统通过调节变频水泵的频率，控制泵入试验管道中水的流量，通过控制流量大小进而控制入流流速。

一种土石料起动剪应力测试试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，率定水流剪应力传感器，将水流剪应力传感器固定安装在试样托盘底部，试样托盘的一侧设置一个定滑轮，定滑轮与试样托盘间隔设置，在试样托盘上固定一根绳索，绳索的一端固定在试样托盘上，另一端绕过定滑轮后连接砝码，砝码的质量已知，保持试样托盘与定滑轮之间的绳索为水平张紧状态；

步骤2，率定好水流剪应力传感器后，在试样托盘上制样，将试样、试样托盘及水流剪应力传感器一同安装于移动活塞顶部，再将试样、水流剪应力传感器和移动活塞整体放置于固定环内；

步骤3，根据试验所需流速值设置变频水泵的变频器频率；

步骤4，检查试验装置的密封性，依据制备试样高度，调整上、下行限位器位置，设置滚珠丝杠副的行程；

步骤5，调整水流剪应力传感器数值为0Pa；

步骤6，针对黏性土或粉质土这类颗粒较小的试样，至少开展5组试验：

第1组试验：开启变频水泵，通过变频水泵将水泵入试验管道，肉眼观察试样表面颗粒起动时，读取其流速数值，并保持该流速恒定，测定单位时间内试样冲蚀高度，得到相应的冲蚀速率；并读取水流剪应力传感器的数值，将水流剪应力传感器的数值与步骤1中率定得到的数值相乘，再除以试样截面面积，即为此时的水流剪应力；

第2组试验：待第1组试验结束后，重新更换试样，继续增大变频器频率，并保持该流速恒定冲蚀试样表面，得到相应的冲蚀速率和水流剪应力；以此类推，做至少5组试验；

以多组试验得到的冲蚀速率为横轴，水流剪应力为纵轴，通过在坐标轴绘制点数据，选择合适的拟合曲线，取交于纵轴的点，该点的纵坐标数值即为黏性土或粉质土的起动剪应力。

进一步地，针对以粗粒土为主的土石料，肉眼观察到颗粒起动的时刻，即为土石料的临界启动时刻，该时刻对应的剪应力数值即为起动剪应力。

优选地，步骤1中率定水流剪应力传感器的具体方法为：分别选取1g、2g、5g、10g、20g和50g砝码，绕过定滑轮挂在绳索的一端，分别测量传感器信号线输出电压，得到6个不同的电压数值，6个不同重量的砝码对应的6个电压数值为1组测试，通过线性拟合得出线性函数，该函数的斜率，即为1个数值；再将砝码质量分别替换为50g、20g、10g、5g、2g和1g，并按此顺序分别测试，按与前述方法一样，拟合得到另1个数值，按此方法进行2次或多次重复测量，得到多个数值，取多个数值的平均数为最终常数值，不同测试所得数值与其平均值的相对误差小于0.1%；步骤6中读取水流剪应力传感器的数值，与该最终常数值相乘，再除以试样截面面积，即为水流剪应力的数值。

进一步地，步骤1之前还包括：

步骤A，测定土石料的基本物理力学性质参数，针对黏性土或粉质土，测定其最大干密度、最优含水率、黏聚力、内摩擦角、比重和颗粒级配参数；针对以粗粒土为主的土石混合料，测定其最大密实度、比重和颗粒级配参数。

测定最优含水率和最大干密度主要是为了制样用，而其余力学性质参数是为了后续分析用，建立不同力学性质参数与土石料抗侵蚀能力的关系。

有益效果：本发明克服了现有技术测量水流剪应力不准确、对于微小位移的捕捉能力差的缺陷，先通过微小水流使土体颗粒启动冲蚀，测量冲蚀速率和水流剪应力，然后增大水流流速，相应测量每个流速下的冲蚀速率和水流剪应力，最后通过拟合曲线，得到启动剪应力；本发明设计的基于全桥电路的水流剪应力传感器可提高测量精度，并有较好的稳定性，尤其是针对起动剪应力较小的黏性土或粉质土测试结果可靠。

本发明利用超声波传感器测距，计算得到坝体材料冲蚀速率的方法，使冲蚀速率测量精准度更高，将水流剪应力传感器、流速传感器及超声波传感器与升降机构共同受控制系统驱动，能够实现冲蚀试验自动化控制过程，并能够实现自动采集土体冲蚀试验过程中的起动剪应力、实时水流剪应力与冲蚀速率。

附图说明

图1显示了试验管道与升降机连接的整体结构；

图2显示了水流剪应力传感器与试样托盘、移动活塞连接的整体结构；

图3显示了水流剪应力传感器的结构；

图4显示了水流剪应力传感器的工作原理；

图5显示了水流剪应力传感器与试样托盘之间的连接结构；

图6显示了实施例3的试验结果；

图7显示了超声波传感器连接板结构；

图8显示了制样模具的结构。

图中：1、定位板；2、连接架；3、连接板；4、应变片；5、固定块；6、试样；7、试样托盘；8、传感器安装板；9、固定螺栓一；10、固定螺栓二；11、砝码；12、定滑轮；13、水流剪应力传感器；14、移动活塞；15、传感器信号线；16、穿线管；17、排水管；18、固定环；19、试验管道；20、观察窗；21、超声波传感器连接板；22、皮托管；23、上限位器；24、超声波传感器；25、下限位器；26、固定套管；27、滚珠丝杠副；28、同步带轮二；29、轴承；30、接水盘；31、上定位环；32、下定位环；33、减速器；34、凹槽一；35、凹槽二；36、定位槽。

具体实施方式

为使本发明技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明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。

实施例1：一种土石料起动剪应力测试试验装置，如图1所示，包括试验管道19，试验管道19为矩形管，在本实施例中，矩形的试验管道总长度为1.2m，端面内径宽×高尺寸为15cm×10cm，管道壁厚为1cm，材质为不锈钢，在其他实施例中也可以是3003铝质板材等焊接性能好、防锈蚀性强及强度高的材料。

如图1所示，试验管道的前侧壁及后侧壁开设有观察窗20，矩形管道下侧壁开设有试样通道，试样穿过试样通道伸入试验管道内，矩形管道下侧壁还开设有安装孔，用于连接皮托管22，矩形管道上侧壁开设有圆形的安装窗口，安装窗口中密封安装有超声波传感器连接板21，多个超声波传感器24以超声波传感器连接板的中心轴线呈圆周均分分布，如图7所示。

超声波传感器共4个，本实施例中选ELF500-18GM45-E2-V15漫反射型超声波位移传感器，在其他实施例中还可选择其他型号。

本实施例中，观察窗宽×高尺寸为20cm×8cm，观察窗顶边与试验管道上侧璧内表面之间的距离为1cm，观察窗底边与试验管道下侧璧内表面之间的距离为1cm，材质为钢化玻璃，观察窗与试验管道之间采用止水胶圈密封。观察窗两侧设置LED补光灯，观察窗外设置高清摄像机，用于记录试样冲蚀过程。

由土石料制成的试样放置在试样托盘上，试样托盘7底部连接水流剪应力传感器13及升降机。

如图3，水流剪应力传感器13包括两个工字型的连接架2、两个连接板3、两个定位板1、四个应变片4和八个安装块5，连接架、连接板、定位板、安装块都是聚碳酸酯材质。两个连接架呈上、下方位设置，连接架起连接应变片和固定导线的作用，连接板3将两个连接架2连接成整体，并起到固定导线的作用。定位板1连接在两个连接架的连接杆之间，起到对连接架的定位、限位作用，保证上下两个连接架平行安装，两个定位板的尺寸保证不会影响应变片在水流冲刷试样过程中发生变形即可。

两个连接板3竖向设置，两个连接架2分别连接在两个连接板3之间，并位于连接板3的上下两端，两个连接架平行设置，从位于上部的连接架上方向下看，两个连接架投影完全重合。为了方便描述，将工字型的连接架的各部位进行定义，与连接板3连接的部分命名为固定杆，位于固定杆两端的分别为连接杆一和连接杆二，连接杆一和连接杆二的两端都分别通过安装块5连接有一个应变片4，每个应变片的另一端均与另一个连接架的对应部位通过安装块5连接，四个应变片都竖向设置，并与连接板3平行。

水流剪应力传感器由两个工字型的聚碳酸酯连接架、四个电阻式应变片上下连接成整体，因下部连接架固定，上部连接架与试样托盘、试样成一个整体，随水流冲击可发生水平移动，从而引起电阻式应变片的偏转，进而获取因应变片形变所引起的电阻、电压变化。

水流剪应力传感器13的工作原理如图4所示，将四个电阻式应变片电性连接形成全桥电路，通过测量全桥电路输出端电压变化，从而获取因应变片形变所引起的电阻变化，具体计算过程如下：

式中，E为全桥电路输入电压，Uout为全桥电路输出电压，△R为全桥电路电阻值变化，R1=R2=R3=R4=R，△R1=△R2=△R3=△R4=△R，K为应变片灵敏度系数，ε为电阻片应变。

式中，F为试样表面的土水界面剪力，k为电阻片弹性系数，L为电阻片长度。

式中，τ为试样表面受到的剪应力，A为试样截面面积。联立上式得到：

如图5所示，试样托盘7下底面向上凹陷形成一个用于容纳传感器安装板8的腔体，传感器安装板8卡设于该腔体中，水流剪应力传感器通过固定螺栓一9与传感器安装板8连接。

水流剪应力传感器的率定在试样托盘上不放置试样，试样托盘、水流剪应力传感器未安装到固定环和移动活塞时进行。率定时，试样托盘上固连绳索的一端，绳索的另一端绕过定滑轮12与砝码11连接，保持在试样托盘与定滑轮之间的绳索为水平状态，受砝码的重力作用，绳索处于张紧状态。因为传感器安装板8正好卡在试样托盘7的腔体中无法移动，所以率定传感器时，砝码连接的绳索牵引试样托盘7、传感器安装板8和上部连接架2一起移动，使4个应变片发生变形，传感器信号线15输出Uout 数值。

式中，m为砝码质量，g为重力加速度。对水流剪应力传感器进行率定，实际为得到4kL/KE的数值，该数值为常数。

分别选取1g、2g、5g、10g，20g和50g砝码挂在试样托盘一侧，绕过定滑轮，分别测量得到6个不同的Uout数值，6个不同重量的砝码对应的6个Uout数值为1组测试，通过线性拟合得出线性函数，该函数的斜率，即为4kL/KE的数值。再将砝码质量分别替换为50g、20g、10g、5g、2g、1g，并按此顺序分别测试，按与前述方法一样，拟合得到4kL/KE的又1个数值，按此方法进行2次或多次重复测量，得到多个4kL/KE的数据，取平均数为最终常数值，不同测试所得4kL/KE数值与其平均值的相对误差应小于0.1%。虽然4kL/KE为常数，但通过多次测试求平均值，能进一步提高精准度。

经过率定得到4kL/KE的总数值后，试验过程中，通过将测量得到的Uout 数值与4kL/KE的总数值相乘，再除以试样截面面积A，就可以得到水流剪应力数值。

如图2、5所示，移动活塞顶部向下凹陷，形成凹槽一34，水流剪应力传感器上端卡接于试样托盘内，下端通过固定螺栓二10固定于移动活塞的凹槽一中。移动活塞底部向上凹陷，形成凹槽二35，凹槽一的底壁向下开设有穿线孔，穿线孔中连接有穿线管16，传感器信号线15穿过穿线管16向下伸出凹槽二，与控制系统连接。凹槽一的底壁还开设有过水孔，穿线孔、过水孔连通凹槽一34和凹槽二35，过水孔中连接有排水管17，排水管竖向设置并伸出凹槽二。

穿线孔与穿线管之间、传感器信号线15与穿线管16之间做密封防水处理。排水管将水排出，水通过固定环18与试样6之间的间隙进入固定环与移动活塞中。

如图1所示，固定环18固定连接在试验管道下侧壁，固定环的内径比试样、试样托盘和移动活塞的外径大，试样位于固定环中，且与固定环内侧壁之间具有间隙，当水流冲击试样表面时，试样会在水流作用下发生水平方向的位移，水流剪应力传感器的应变片发生形变，测量得到水流剪应力数值。固定环外设置有两个竖向的滑杆，两个滑杆相对固定环的中心线对称设置，两个滑杆的顶端均与试验管道下侧壁连接，两个滑杆的底端都连接在底板上，沿着水流的方向看，一个滑杆位于观察窗的上游，另一个滑杆位于观察窗的下游。

如图1所示，固定套管26的一端固连在凹槽二的顶壁，凹槽二的顶壁开设有向上凹陷的定位槽36，定位槽的中心与移动活塞的中心重合，用于定位固定套管，使固定套管的中心轴线与移动活塞的中心轴线重合，固定套管竖向设置，滚珠丝杠副27的靠近底端的一部分外侧壁上未加工有螺纹，滚珠丝杠副27的底端通过轴承29转动连接在底板上，滚珠丝杠副竖向设置，滚珠丝杠副的顶端伸入固定套管内，且固定套管与滚珠丝杠副的螺帽连接，滚珠丝杠副的螺帽上还连接有下定位环32，螺帽、下定位环和固定套管连接成整体，下定位环同时套设在两个滑杆上。

当滚珠丝杠转动时，滚珠丝杠副的螺帽带动下定位环32、固定套管和移动活塞一起向上或下移动。下定位环上方的两个滑杆上还连接有上定位环31，上定位环与固定套管固连在一起，并能随固定套管在滑杆上滑动，同时移动活塞在固定环内沿固定环内壁滑动，移动活塞与固定环内壁之间为动密封，上定位环上设置有接水盘30，用于盛接排水管中流出的水。

固定套管、滚珠丝杠副的中心轴线与试样、移动活塞的中心轴线重合，穿线孔和过水孔都设置在水流剪应力传感器、固定套管外围。

电机和减速器33通过支架安装在底板上，减速器的输出端连接有同步带轮一，滚珠丝杠未加工有螺纹的一段、与同步带轮一相对应位置连接有同步带轮二28，同步带轮一与同步带轮二通过同步带连接。

位于观察窗下游的滑杆上固定连接有金属管，金属管与该滑杆间隔设置，二者之间具有间隙，所以不会影响上、下定位环的滑动，在金属管设置有上限位器23和下限位器25，上定位环向上移动过程中如果碰到上限位器就会触发上限位器发出信号给电机，使电机停止运行或反向运行；下定位环向下移动过程中如果碰到下限位器就会触发下限位器发出信号给电机，使电机停止运行或反向运行。金属管顶部连接有皮托管22，本实施例中选择L型的皮托管，规格尺寸为φ6×300mm，皮托管的全压进气孔伸入试验管道中，测量试验管道中水的流速，该皮托管可测量的水流流速范围为0~30m/s。

电机、减速器、滚珠丝杠副、固定套管、滑杆、上下定位环、上下限位器和移动活塞共同构成顶升试样的升降机构，升降机构的电机、超声波传感器、传感器信号线都与信号采集系统电连接，并受试验装置的控制系统控制，信号采集系统实时采集超声波传感器的信号，得知超声波传感器距离试样表面的距离，当检测到试样表面被冲刷掉1mm后，控制系统启动电机，使升降机构将试样顶升1mm。

实施例2：一种土石料起动剪应力测试试验方法，包括以下步骤：

步骤1，测定土石料的基本物理力学性质参数，针对黏性土或粉质土，测定其最大干密度和最优含水率、黏聚力、内摩擦角、比重和颗粒级配参数；针对以粗粒土为主的土石混合料，测定其最大密实度、比重和颗粒级配参数；

步骤2，率定传感器，率定好后在试样托盘上制样，将试样、试样托盘及水流剪应力传感器一同安装于移动活塞顶部，再将试样、水流剪应力传感器和移动活塞整体放置于固定环18内；

具体制样方法参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)。

如图8，采用对开式圆柱体试样模具制样，该模具由不锈钢材质制成，内、外壁贴有高度标签，便于根据试样密度及压实度控制试样的高度。模具内径与试样托盘外径一致，制样时先将试样托盘放入模具底部，将模具两侧的螺丝拧紧，土石料倒入模具经压实后，取出两侧螺丝；制成的试样为圆柱体结构，将试样连同试样托盘固定连接在剪应力传感器上。试样托盘为可拆卸式设计，方便直接在试样托盘上制样及制样后快速进行试验，也可直接采样进行试验。

步骤3，根据试验所需流速值设置变频水泵的变频器频率，变频器频率与流速之间的相关关系通过率定得到；该率定方法为现有技术，即改变变频器频率，相应改变水流流速大小。

步骤4，检查试验装置的密封性，依据制备试样高度，调整上、下行限位器位置，其中上限位器位置保证试样托盘上升位置不高于矩形试验管道底部；设置滚珠丝杠副的行程，使试样每次被顶升的高度为1mm。

步骤5，调整水流剪应力传感器数值为0Pa。

步骤6，针对黏性土或粉质土等颗粒较小的试样，由于颗粒起动以群体起动为主，因此至少需开展5组以上试验。

第1组试验： 根据试验需求调整变频器频率调节水流流速，开启变频水泵，通过变频水泵将试验用水泵入试验管道，肉眼观察试样表面颗粒起动时，读取其流速数值，并保持该流量恒定，测定单位时间内试样冲蚀高度；并读取水流剪应力传感器的数值。

试样冲蚀高度由超声波传感器实时测量试样表面与超声波传感器之间的距离得到，如果单位时间内试样表面被冲刷掉1mm，试样被顶升多次，将多次顶升的高度相加、并结合超声波传感器实时测量数据即可得到试样冲蚀高度。

第2组试验：待第1组试验结束后，重新更换试样，继续增大变频器频率，并保持恒定流速冲蚀，得到相应的冲蚀速率，根据E=△H/△t计算。

以此类推，做至少5组试验。

最后，以冲蚀速率为横轴，水流剪切应力为纵轴，通过在坐标轴绘制点数据，并进行拟合；选择合适的拟合曲线，取交于纵轴的点，该点的纵坐标数值即为该土体的起动剪应力，可选择的拟合曲线有：一次函数y=ax+b、指数函数进行y=a ^x +b拟合或y=x ^a +b拟合等。

针对以粗粒土为主的土石混合料，肉眼可以直接观察到颗粒起动，因此通过高速摄像机捕捉的临界启动时刻，对应的剪应力数值即为其起动剪应力，而细颗粒土冲蚀过程中试样表面瞬间浑浊，很难精准判断。

实施例3：本实施例依据前述试验装置及方法，以抗冲蚀能力较差的黄土为试验土样，开展了6组冲蚀试验用于确定压实黄土起动剪应力，具体步骤如下：

步骤1，测定试验土样的物理力学参数，如黏聚力、内摩擦角、比重、最优含水率、最大干密度以及颗粒级配等参数，具体测定方法参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)，试验结果汇总于表1。

表1

步骤2，传感器已经过实施例2的率定，此时不再次率定，可直接做试验。制样后将试样、试样托盘及水流剪应力传感器一同安装于移动活塞顶部，再将试样、水流剪应力传感器和移动活塞整体放置于固定环18内，通过观察窗观察试样。

步骤3，检查冲蚀设备的密封性，通过升降机构抬将试样抬升到试样表面距离试验管道下侧壁内侧1mm高度。校对传感器初始参数，校对试样的初始高度、初始水流剪应力及初始流量。

步骤4，根据试验所需流速设置水泵频率，共6组，频率分别设置范围分别为1~2Hz，2~3Hz，3~4Hz，4~5Hz，5~7Hz，7~9Hz。

开启摄像设备及LED补光灯，开启试验装置，使水流在同一流速下冲蚀试样，通过控制系统分别收集不同频率下试验数据，整个试验过程中通过计算单位时间Δt内土体冲蚀高度或质量定义冲蚀速率E，即：

式中，E为冲蚀速率，ΔH为冲蚀高度，Δt为冲蚀持续时间。

测定不同频率下，试验管道内的平均流速，冲蚀过程中水流对试样的剪应力以及冲蚀速率，试验结果汇总于表2。

表2

以冲蚀速率为横坐标，水流剪应力为纵坐标绘制散点图，如图6所示，试验结果近似线性变换，因此选取一次线性函数进行拟合，得到该土样起动剪应力为0.2Pa。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种土石料起动剪应力测试试验方法，其特征在于，基于一种土石料起动剪应力测试试验装置，所述试验装置包括试验管道、变频水泵和控制系统，试验管道的下侧壁开设有供试样伸入试验管道内的试样通道，试样通道外围的试验管道下侧壁连接有固定环，试样通道位于固定环内；固定环中滑动设置有移动活塞，移动活塞的顶部固连有水流剪应力传感器，水流剪应力传感器位于固定环中，水流剪应力传感器的顶部连接在承载试样的试样托盘底部；试样设置在试样托盘上，试样及试样托盘的外径较固定环的内径小，试样及试样托盘与固定环内壁之间具有间隙；试样的顶部穿过试样通道位于试验管道内，变频水泵将水泵入试验管道内，冲刷试样表面；试样正上方的试验管道侧壁设置有实时检测试样冲刷高度的超声波传感器；移动活塞的底部竖向连接有升降机构，超声波传感器、水流剪应力传感器、变频水泵、升降机构都与控制系统电性连接；

所述方法包括以下步骤：

步骤1，率定水流剪应力传感器，将水流剪应力传感器固定安装在试样托盘底部，试样托盘的一侧设置一个定滑轮，定滑轮与试样托盘间隔设置，在试样托盘上固定一根绳索，绳索的一端固定在试样托盘上，另一端绕过定滑轮后连接砝码，砝码的质量已知，保持试样托盘与定滑轮之间的绳索为水平状态；

步骤1中率定水流剪应力传感器的具体方法为：分别选取1g、2g、5g、10g、20g和50g砝码绕过定滑轮挂在绳索的一端，分别测量传感器信号线输出电压，得到6个不同的电压数值，6个不同重量的砝码对应的6个电压数值为1组测试，通过线性拟合得出线性函数，该函数的斜率，即为1个数值；再将砝码质量分别替换为50g、20g、10g、5g、2g和1g，并按此顺序分别测试，按与前述方法一样，拟合得到另1个数值，按此方法进行2次或多次重复测量，得到多个数值，取多个数值的平均数为最终常数值，不同测试所得数值与其平均值的相对误差小于0.1%；

步骤2，率定好水流剪应力传感器后，在试样托盘上制样，将试样、试样托盘及水流剪应力传感器一同安装于移动活塞顶部，再将试样、水流剪应力传感器和移动活塞整体放置于固定环内；

步骤3，根据试验所需流速值设置变频水泵的变频器频率；

步骤4，检查试验装置的密封性；

步骤5，调整水流剪应力传感器数值为0Pa；

步骤6，针对黏性土或粉质土这类颗粒较小的试样，至少开展5组试验：

第1组试验：开启变频水泵，通过变频水泵将水泵入试验管道，肉眼观察试样表面颗粒起动时，读取其流速数值，并保持该流速恒定，测定单位时间内试样冲蚀高度，得到相应的冲蚀速率；并读取水流剪应力传感器的数值，将水流剪应力传感器的数值与步骤1中率定得到的最终常数值相乘，相乘得到的数值再除以试样截面面积，即为此时的水流剪应力；

第2组试验：待第1组试验结束后，重新更换试样，继续增大变频器频率，并保持该流速恒定冲蚀试样表面，得到相应的冲蚀速率和水流剪应力；以此类推，做至少5组试验；

以多组试验得到的冲蚀速率为横轴，水流剪应力为纵轴，通过在坐标轴绘制点数据，选择合适的拟合曲线，取交于纵轴的点，该点纵坐标数值即为该黏性土或粉质土的起动剪应力。

2.根据权利要求1所述的一种土石料起动剪应力测试试验方法，其特征在于，水流剪应力传感器包括工字型的连接架、连接板、应变片和安装块，连接架、连接板和安装块都为聚碳酸酯材质，连接架有两个，每个连接架包括固定杆和位于固定杆两端的连接杆一和连接杆二，连接板竖向设置，两个固定杆分别水平连接在连接板的上下两端，两个连接架平行设置，连接板上端的连接架命名为连接架一，连接板下端的连接架命名为连接架二，从连接架一上方向下看，两个连接架的投影完全重合；

连接架一的连接杆一和连接杆二的两端都分别通过安装块与一个应变片的一端连接，每个应变片的另一端均与连接架二的相应连接杆对应连接，至少包括四个应变片，且都竖向设置，并与连接板平行；应变片电性连接形成全桥电路，传感器信号线伸出装置外，通过传感器信号线测量水流剪应力传感器内部电路输出电压。

3.根据权利要求2所述的一种土石料起动剪应力测试试验方法，其特征在于，试样托盘下底面向上凹陷形成一个用于容纳传感器安装板的腔体，传感器安装板卡设于该腔体中，连接架一与传感器安装板通过固定螺栓一连接。

4.根据权利要求3所述的一种土石料起动剪应力测试试验方法，其特征在于，移动活塞顶部向下凹陷，形成凹槽一，水流剪应力传感器的连接架二通过固定螺栓二固定于移动活塞的凹槽一中，凹槽一的底壁开设有穿线孔和过水孔，穿线孔和过水孔分别位于水流剪应力传感器的两侧；移动活塞底部向上凹陷，形成凹槽二，穿线孔、过水孔连通凹槽一和凹槽二，穿线孔中连接有穿线管，传感器信号线穿过穿线管向下伸出凹槽二，与控制系统连接；过水孔中连接有排水管，排水管竖向设置并伸出凹槽二。

5.根据权利要求4所述的一种土石料起动剪应力测试试验方法，其特征在于，升降机构包括固定套管、滚珠丝杠副和底板，固定套管和滚珠丝杠副竖向设置，固定套管的顶端与移动活塞固连，固定套管的底端与滚珠丝杠副的螺帽固连，滚珠丝杠的顶端伸入固定套管内，滚珠丝杠的底端转动连接在底板上；固定套管、滚珠丝杠副的中心轴线与试样、固定环的中心轴线重合；

底板上设置有电机和减速器，减速器的输出端连接有同步带轮一，滚珠丝杠的相应位置连接有同步带轮二，同步带轮一与同步带轮二通过同步带连接；

超声波传感器、水流剪应力传感器、变频水泵、电机都与控制系统电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种土石料起动剪应力测试试验方法，其特征在于，固定套管固连有上定位环，上定位环上设置有接水盘，接水盘位于排水管的下方；位于上定位环下方的固定套管固连有下定位环，底板上位于滚珠丝杠的两侧各连接有一个滑杆，滑杆竖向设置，两个滑杆都穿过上定位环和下定位环，两个滑杆的顶端连接在试验管道下侧壁；其中一个滑杆上连接有一个竖向的金属管，金属管与该滑杆之间具有间隙，位于上定位环上方的金属管设置有上限位器，位于下定位环下方的金属管设置有下限位器；金属管的顶端连接有L型的皮托管，皮托管伸入试验管道中。

7.根据权利要求1所述一种土石料起动剪应力测试试验方法，其特征在于，针对以粗粒土为主的土石料，肉眼观察到颗粒起动的时刻，即为土石料的临界启动时刻，该时刻对应的剪应力数值即为起动剪应力。

8.根据权利要求1所述一种土石料起动剪应力测试试验方法，其特征在于，步骤1之前还包括：

步骤A，测定土石料的基本物理力学性质参数，针对黏性土或粉质土，测定其最大干密度、最优含水率、黏聚力、内摩擦角、比重和颗粒级配参数；针对以粗粒土为主的土石混合料，测定其最大密实度、比重和颗粒级配参数。