[发明专利]三维大功率超声控制含气泡淤泥固结试验系统及其方法

权利要求书

1.一种三维大功率超声控制含气泡淤泥固结试验系统的试验方法，

所述的试验系统包括三维超声波试验单元(10)、含气泡土样试验单元(20)、压力室单元(30)和量测单元(40)；

其位置和连接关系是：

三维超声波试验单元(10)、含气泡土样试验单元(20)和量测单元(40)分别与压力室单元(30)连接；

所述的三维超声波试验单元(10)由竖向一维超声波单元(11)和径向二维超声波单元(12)组成；

竖向一维超声波单元(11)由一维超声波发生器(111)、一维超声波换能器(112)通过一维超声波信号传输电缆(113)前后连接组成；

径向二维超声波单元(12)由二维超声波发生器(121)、二维超声波换能器(122)通过二维超声波信号传输电缆(123)前后连接组成；

所述的含气泡土样试验单元(20)由土样(21)、液体溶气装置(22)、透水石(23)、高进气值陶土板(24)、环形加热圈(25)、温度控制装置(26)以及导线(27)组成；

在压力室单元(30)内，从下到上，不锈钢底板(33)、高进气值陶土板(24)、土样(21)、透水石(23)和一维超声波换能器(112)依次连接；

液体溶气装置(22)通过管路连接阀门(A)并穿过一维超声波换能器(112)中心小孔，与土样(21)上方的透水石(23)连通；

在不锈钢压力室(31)和二维超声波换能器(122)之间设置环形加热圈(25)，环形加热圈(25)通过导线(27)与温度控制装置(26)相连接；

所述的压力室单元(30)包括不锈钢压力室(31)、不锈钢顶盖(32)、不锈钢底板(33)、纳基隔热软毡(34)、压力体积控制器(35)、活动螺栓(36)、注水口螺栓(37)和排水管(38)；

其位置和连接关系是：

不锈钢顶盖(32)、不锈钢压力室(31)和不锈钢底板(33)通过活动螺栓(36)上下连接为一轴对称的容器，在容器外壁黏贴两层纳基隔热软毡(34)，在不锈钢顶盖(32)上设置有注水口螺栓(37)，在不锈钢底板(33)上设置有排水管(38)；

容器内直径83.5cm，内高度160cm，壁厚为2cm；

在不锈钢顶盖(32)的顶部开有小孔连通压力体积控制器(35)；

所述的量测单元(40)由液体体积量测装置(41)、微型孔隙水压力计(42)、微型压力传感器(43)和数据采集仪(44)组成；

液体体积量测装置(41)通过排水管(38)和压力室单元(30)连通，测量其液体体积变化；

通过信号传输线(45)分别与数据采集仪(44)连接的微型孔隙水压力计(42)和微型压力传感器(43)分别设置于土样(21)不同位置中，测量孔隙水压力和超声波振动；

其特征在于包括下列步骤：

①在正式试验前，采用抽气饱和法对高进气值陶土板(24)进行饱和，直至没有气泡为止；

②在阴凉条件下对淤泥样品进行自然风干，将无气水加入淤泥风干样品中；

③将加完无气水后的淤泥样品放入二维超声波换能器(122)用于分层填装土样(21)，对每层捣实相同次数以保证土样(21)整体的均匀性，每次填装时水面高于土样(21)顶面1-2cm，确保填装的土样(21)为饱和土样；同时，调节温度控制装置(26)，在50℃条件下填装，土样(21)中不含气体成分；

④通过液体溶气装置(22)制备一定质量的溶气水，然后将溶气水通过高压从土样(21)顶部的透水石(23)处注入，这样土样(21)中已有的无气水则通过土样(21)底部的高进气值陶土板(24)排出；向土样(21)注入溶气水时，要保持土样(21)受到的竖向压力与液体溶气装置(22)内的压力相等；

⑤当土样(21)内部孔隙被溶气水完全充满以后，逐级缓慢降低土样(21)的竖向压力，直至达到试验要求的压力为止；在上述每级压力稳定时，通过在短时间内增加微量竖向压力，当土样(21)体积不再变化时，记录土样(21)体积的总变化量，即可求出每级压力条件下土样中气泡体积；逐渐记录每级压力条件下的气泡体积，通过经典的扩散理论进行反演计算，即可求出气泡尺寸和浓度；

⑥正式试验时，在一定的竖向压力下对土样(21)施加不同的超声波激励，研究含气泡淤泥的超声波固结效应；试验过程中，通过液体体积量测装置(41)对土样(21)底部流出液的体积进行测定，同时结合压力体积控制器(35)的土样变形量测结果，对超声波固结排水效果进行评价；同时，对土样中均匀布设的微型孔隙水压力计(42)和微型压力传感器(43)的数据进行分析，研究孔压和超声波振动随时间的演化规律；其次，每隔一定时间取流出液进行粒度和浊度测试，分析流出液中粒度和浊度随时间的演化规律；另外，每次室内试验结束后，对土样中不同位置处淤泥的剪切强度进行测试。