适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统及方法

1.本发明属于固液两相流试验技术领域，具体涉及一种适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验方法及系统。


背景技术：

2.在海洋、水利、土木、环境、能源和化工等领域中，对于固液两相流的研究，一般只从宏观的角度对静态间歇沉降行为进行分析，现有技术中未出现对固液两相流的沉降行为进行实时且宏观、微观相结合地进行测试和分析，从而无法针对海洋、水利等领域深入开展相关科学问题研究。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统。
4.本发明的另一目的在于提供一种适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统，包括用于建立静态间歇沉降稳态评价标准的整体式模型筒、若干个用于获取静态间歇沉降过程中物理力学指标的分段组装式模型筒、用于跟踪监测样本微观结构特征的智能实时微观监测系统、用于获取样本宏观物理力学指标的宏观试验系统以及数据分析系统；
7.所述智能实时微观监测系统对整体式模型筒和若干个所述分段组装式模型筒中的试样进行在线实时的微观结构特征监测，并将监测获得的数据传输至所述数据分析系统中；
8.所述宏观试验系统对整体式模型筒和若干个所述分段组装式模型筒中的试样进行物理力学指标测试，并将检测获得的数据传输至所述数据分析系统中；
9.所述数据分析系统对获取的数据进行处理分析。
10.作为优选，所述智能实时微观监测系统包括主机、成像探头以及配套软件系统；在对所述整体式模型筒中的试样进行在线实时监测时，所述成像探头设置在所述整体式模型筒内腔的中轴线位置处。
11.作为优选，所述宏观试验系统包括物理力学指标测试装置、固结仪以及剪切仪。
12.作为优选，所述分段组装式模型筒包括多个缸体，多个所述缸体沿竖向方向拼接组合形成所述分段组装式模型筒，多个所述缸体之间通过活套法兰连接。
13.作为优选，所述整体式模型筒的外表面设有刻度。根据整体式模型筒上的刻度，定时读取清液与沉降固体之间的界面距离，以便绘制界面沉降随时间变化的曲线。
14.适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验方法，包括以下步骤：
15.s1、向整体式模型筒中装入固液两相流试样，对固液两相流试样进行处理，形成典
型样本，开始进行静态间歇沉降试验；
16.s2、对整体式模型筒中的典型样本进行清液与沉降固体之间的界面沉降跟踪测试，获取界面沉降随时间变化的曲线；通过智能实时微观监测系统实时跟踪分析所述典型样本中固相演化的微观结构特征，获取微观结构特征随时间变化的曲线；通过宏观试验系统检测分析所述典型样本中固相演化的物理力学指标，获取物理力学指标随时间变化的曲线；
17.s3、结合所述界面沉降随时间变化的曲线、所述微观结构特征随时间变化的曲线以及所述物理力学指标随时间变化的曲线，分析判断所述典型样本是否达到静态间歇沉降稳定状态，并记录所述典型样本在静态间歇沉降试验过程中的多个典型沉积时间；
18.当整体式模型筒中的典型样本达到静态间歇沉降稳定状态后，进行步骤s4；
19.s4、在整体式模型筒中获取达到沉降稳定状态的稳态样本，通过宏观试验系统中的物理力学指标测试装置，对所述稳态样本进行测试，获取所述稳态样本的物理力学指标；
20.s5、根据所述稳态样本的物理力学指标、以及步骤s3中到达静态间歇沉降稳定状态时的所述界面沉降随时间变化的曲线、所述微观结构特征随时间变化的曲线和所述物理力学指标随时间变化的曲线，建立典型样本到达静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准；
21.s6、制作多套分段组装式模型筒，向多套所述分段组装式模型筒中分别装入相同的固液两相流试样，对固液两相流试样进行处理，在每套分段组装式模型筒中形成试验样本，开始进行静态间歇沉降试验；
22.其中，每套所述分段组装式模型筒的多个缸体的高度设置，根据步骤s3中达静态间歇沉降稳定状态时的所述界面沉降随时间变化的曲线进行设计；
23.s7、基于步骤s3中记录的多个典型沉积时间，采用智能实时微观监测系统和宏观试验系统的物理力学指标测试装置对多套分段组装式模型筒中的试验样本进行微观结构特征的监测和物理力学指标的检测，获取试验样本在静态间歇沉降过程中的典型微观结构特征数据和典型物理力学指标数据；
24.s8、基于所述步骤s5的静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准，结合所述步骤s7中获取的各项数据，总结分析固液两相流试样的静态间歇沉降宏微观行为。
25.作为优选，所述步骤s7中，所述智能实时微观监测系统对分段组装式模型筒中的试验样本进行微观结构特征的监测，包括平均弦长、平均孔隙率以及平均分形维数。
26.作为优选，所述步骤s7中，还包括原位十字板剪切试验；基于步骤s3中记录的多个典型沉积时间和所述步骤s5的静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准，采用剪切仪对分段组装式模型筒中不同高度的试验样本进行原位检测试验，获取抗剪强度数据。
27.作为优选，所述步骤s7中，还包括固结压缩试验；基于步骤s3中记录的多个典型沉积时间和所述步骤s5的静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准，采用固结仪获取分段组装式模型筒中的处于间歇沉降稳定状态的试验样本进行固结压缩试验，获取固结变形特性数据。
28.作为优选，所述步骤s7中，所述宏观试验系统的物理力学指标测试装置对分段组装式模型筒中的试验样本进行物理力学指标的检测，还包括颗粒比重、含水率、密度、液塑限以及颗粒组成。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.本发明的宏微观试验系统，实现静态间歇沉降行为试验时的宏观试验数据检测和微观结构特征的实时监测，以便通过宏微观相结合的方式分析固液两相流样本的间歇沉降行为。
31.本发明的宏微观试验方法，利用分段组装式模型筒，解决了整体式模型筒试验方法原位测试、取样困难的问题，有利于有针对性地进行不同深度下相关试验的准确结果；此外，在试验过程中的静态间歇沉降稳定宏微观评价标准是基于界面沉降随时间变化的曲线、微观结构特征随时间变化的曲线以及稳态样本的物理力学指标等宏微观指标建立的统一的理论判定表达式，这解决了“传统的仅基于界面沉降随时间变化的曲线特征进行判定的方法因无法统一和理论化而导致结论的片面性”这一长期困扰学者的难题。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统的示意图。
34.图2为在建立静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准时的泥面沉降值与沉积时间的变化曲线图。
35.图3为在建立静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准时的平均含水率与沉积时间的变化曲线图。
36.图4为在建立静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准时的平均湿密度与沉积时间的变化曲线图。
37.图5为在建立静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准时的平均孔隙比与沉积时间的变化曲线图。
38.图6为在建立静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准时的泥面沉降值与平均孔隙比的关系曲线图。
39.图7为在建立静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准时的平均含水率与平均孔隙比的关系曲线图。
40.图8为在建立静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准时的平均湿密度与平均孔隙比的关系曲线图。
41.图9为不同条件下的孔隙比累计变化率与沉积时间的关系曲线。
42.其中：
43.1-数据分析系统，2-智能实时微观监测系统，3-整体式模型筒，4-分段组装式模型筒，41-缸体，42-活套法兰。
具体实施方式
44.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发
明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
45.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
46.实施例1
47.参见图1，本实施例公开一种适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统，包括用于建立静态间歇沉降稳态评价标准的整体式模型筒3、若干个用于获取静态间歇沉降过程中物理力学指标的分段组装式模型筒4、用于跟踪监测样本微观结构特征的智能实时微观监测系统2、用于获取样本宏观物理力学指标的宏观试验系统以及数据分析系统1；所述智能实时微观监测系统2对整体式模型筒3和若干个所述分段组装式模型筒4中的试样进行在线实时的微观结构特征监测，并将监测获得的数据传输至所述数据分析系统1中；所述宏观试验系统对整体式模型筒3和若干个所述分段组装式模型筒4中的试样进行物理力学指标测试，并将检测获得的数据传输至所述数据分析系统1中；所述数据分析系统1对获取的数据进行处理分析，所述数据分析系统1包括计算机和数据后处理分析系统，数据后处理分析系统包括与智能实时微观监测系统2相应的专业后处理软件系统、以及与宏观试验系统相应的专业后处理软件系统。
48.进一步地，所述智能实时微观监测系统2包括主机、成像探头以及配套软件系统；在对所述整体式模型筒3中的试样进行在线实时监测时，所述成像探头设置在所述整体式模型筒3内腔的中轴线位置处，且成像探头距离整体式模型筒3内腔底部20cm。具体地，本实施例的智能实时微观监测系统2，采用pvm颗粒显微镜技术，是一种小型化探头式的显微镜技术；pvm探头可直接置于固液两相流中，进行实时在线的固体或液体颗粒的微观结构图像监测，获得研究对象的形状、尺寸变化以及聚合破碎等现象的显微图像，而不需要对观测对象进行取样、稀释或者制备样品。
49.进一步地，所述宏观试验系统包括物理力学指标测试装置、固结仪以及剪切仪。其中，物理力学指标测试装置包括《土工试验方法标准》(gb t 50123-2019)中的比重试验设备、含水率试验设备、密度试验设备、颗粒分析试验设备、界限含水率试验设备等。
50.参见图1，所述分段组装式模型筒4包括多个缸体41，多个所述缸体41沿竖向方向拼接组合形成所述分段组装式模型筒4，多个所述缸体41之间通过活套法兰42连接。具体地，本实施例中，所述缸体41拼接端部设有径向延伸的凸缘，两个缸体41的拼接端面之间设有密封圈，以提高密封效果，防止渗漏；缸体41设有四个，在分段组装式模型筒4的高度方向上形成四段。进一步地，分段组装式模型筒4的尺寸为φ25cm
×
130cm，筒壁均有刻度标尺。
51.本实施例中，所述整体式模型筒3的外表面设有刻度。根据整体式模型筒3上的刻度，定时读取清液与沉降固体之间的界面距离，以便绘制界面沉降随时间变化的曲线。具体地，整体式模型筒3所用的材料为亚克力板，尺寸为φ25cm
×
130cm。
52.本实施例还公开一种适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验方法，包括以下步骤：
53.s1、向整体式模型筒中装入固液两相流试样，对固液两相流试样进行处理，形成典
型样本，开始进行静态间歇沉降试验；
54.s2、对整体式模型筒中的典型样本进行清液与沉降固体之间的界面沉降跟踪测试，获取界面沉降随时间变化的曲线；通过智能实时微观监测系统实时跟踪分析所述典型样本中固相演化的微观结构特征，获取微观结构特征随时间变化的曲线；通过宏观试验系统检测分析所述典型样本中固相演化的物理力学指标，获取物理力学指标随时间变化的曲线；
55.s3、结合所述界面沉降随时间变化的曲线、所述微观结构特征随时间变化的曲线以及所述物理力学指标随时间变化的曲线，分析判断所述典型样本是否达到静态间歇沉降稳定状态，并记录所述典型样本在静态间歇沉降试验过程中的多个典型沉积时间；并为静态间歇沉降试验分段组装式模型筒中各活套法兰所处截面的高度提供数据支撑；
56.当整体式模型筒中的典型样本达到静态间歇沉降稳定状态后，进行步骤s4；
57.s4、在整体式模型筒中获取达到沉降稳定状态的稳态样本，通过宏观试验系统中的物理力学指标测试装置，对所述稳态样本进行测试，获取所述稳态样本的物理力学指标；
58.s5、根据所述稳态样本的物理力学指标、以及步骤s3中到达静态间歇沉降稳定状态时的所述界面沉降随时间变化的曲线、所述微观结构特征随时间变化的曲线和所述物理力学指标随时间变化的曲线，建立典型样本到达静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准；优选地，本实施例将平均孔隙比累计变化率作为到达静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准中的其中一个评价指标(具体分析可参见下文)；
59.s6、制作多套分段组装式模型筒，向多套所述分段组装式模型筒中分别装入相同的固液两相流试样，对固液两相流试样进行处理，在每套分段组装式模型筒中形成试验样本，开始进行静态间歇沉降试验；本步骤中每套分段组装式模型筒的多个缸体的高度，根据步骤s3中到达静态间歇沉降稳定状态时的所述界面沉降随时间变化的曲线进行设计；
60.s7、基于步骤s3中记录的多个典型沉积时间，采用智能实时微观监测系统和宏观试验系统的物理力学指标测试装置对多套分段组装式模型筒中的试验样本进行微观结构特征的监测和物理力学指标的检测，获取试验样本在静态间歇沉降过程中的典型微观结构特征数据和典型物理力学指标数据；
61.同时，基于步骤s3中记录的多个典型沉积时间和所述步骤s5的静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准，进行原位十字板剪切试验和固结压缩试验；其中，原位十字板剪切试验，采用剪切仪对分段组装式模型筒中不同高度的试验样本进行原位检测试验，获取抗剪强度数据；固结压缩试验，采用固结仪获取分段组装式模型筒中的处于间歇沉降稳定状态的试验样本进行固结压缩试验，获取固结变形特性数据。
62.s8、基于所述步骤s5的静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准，结合所述步骤s7中获取的各项数据(典型微观结构特征数据、典型物理力学指标数据、抗剪强度数据和固结变形特性数据等)，总结分析固液两相流试样的静态间歇沉降宏微观行为。
63.具体地，所述步骤s8中，所述智能实时微观监测系统对分段组装式模型筒中的试验样本进行微观结构特征的监测，包括平均弦长、平均孔隙率以及平均分形维数。所述宏观试验系统的物理力学指标测试装置对分段组装式模型筒中的试验样本进行物理力学指标的检测，还包括颗粒比重、含水率、密度、液塑限以及颗粒组成。
64.在本实施例的步骤s1和步骤s6中，典型样本和试验样本的配置，可参见以下步骤：
(1)获取海洋领域中典型工程的淤泥；(2)用含大约3％食盐的盐水代替海水作为室内稀释用水，配制固液两相流(浮泥)试样；(3)将试样封存24小时使固相颗粒充分浸润；(4)利用机动搅拌器搅拌均匀。
65.本实施例的步骤s3中，多个典型沉积时间可依据实际情况灵活选择，例如可根据界面沉降的幅度变化情况进行选择。此外，步骤s3中，根据界面沉降随时间变化的曲线，确定泥面的最终沉降量，并根据最终沉降量计算得出沉降稳定状态下的稳态泥面高度，将该稳态泥面高度作为其中一个活套法兰的位置；随后，根据具体试验情况、界面沉降随时间变化的曲线、以及结合实验人员所期望的高度值，灵活设置其他活套法兰位置，最终依此确定所有缸体的高度。
66.本实施例的步骤s7的固结压缩试验中，利用自制的大型泥浆固结仪对分段组装式模型筒中到达间歇沉降稳定的试验样本进行超低荷载下的固结试验，测试固结过程中各试验样本在当前固结状态下的含水率、密度、孔隙比和十字板抗剪强度，以分析其固结变形特性。固结压缩试验方案详见下表。表中各级加载时间均参考土工试验规程《sl 237-1999》中2cm高度试样所需的时间，其中1～4级加载是为了保证土样不被压坏。
[0067][0068]
为提供一种具体的静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准，本实施例公开一种针对新近吹填淤泥的南沙试样和惠州试样进行测试。具体地，参见图2-图5，可以发现，i组南沙试样自重沉积30d后，各项指标(泥面沉降值、土体平均含水率、土体平均湿密度、土体平均孔隙比)均基本趋于稳定，而ii惠州组试样则需自重沉积91d，各项指标才基本趋于稳定。其主要原因是ii组惠州试样中黏粒含量远大于i组南沙试样，这也直接导致ii组惠州试样的自重沉积速度较后者更加缓慢、沉积稳定后的土体平均含水率和土体平均孔隙比均高出i组南沙试样2倍左右。因此，结合其他物理力学指标和微观结构特征的数据情况，上述各项指标(包括沉积时间)均不宜直接作为不同地理位置的新近吹填淤泥自重沉积稳定的统一评价标准。
[0069]
进一步地，参见图6-图8，可以发现，i组南沙试样和ii组惠州试样的泥面沉降值、平均含水率、平均湿密度基本上都与平均孔隙比呈线性关系。同时考虑到孔隙比可用来评价土体结构的密实性，因此，本实施例将“平均孔隙比”这项物理力学指标作为不同地理位置的新近吹填淤泥自重沉积稳定的核心评价指标。
[0070]
然而，不同地理位置的新近吹填淤泥的成因可能存在较大的差异，这往往导致其平均孔隙比值悬殊较大。鉴于此，本实施例引入“平均孔隙比累计变化率”作为评价不同地理位置的新近吹填淤泥自重沉积稳定状态的无量纲指标。由于新近吹填淤泥的自重沉积稳定状态受多方面因素影响，如沉积环境(海水和淡水)、沉积空间尺寸(室内沉积筒直径和高度)、初始泥浆密度、初始黏粒含量、初始含水率、初始孔隙比等，因此，对不同条件下新近吹填淤泥室内静置期间的孔隙比累计变化率进行了统计，统计结果参见图9，根据图发现，不同地理位置的新近吹填淤泥室内自重沉积稳定后的平均孔隙比累计变化率为39.6％～75.5％。此外，已有研究结果表明：沉积筒截面尺寸越大，新近吹填淤泥自重沉积过程中受
泥浆和容器内壁之间的黏滞阻力的影响越小，因此，沉积空间尺寸，尤其是截面尺寸(如直径)，是影响新近吹填淤泥自重沉积稳定状态的重要因素之一。鉴于此，基于本实施例中的i组南沙试样、ii组惠州试样等的试验结果，本实施例将平均孔隙比累计变化率为60％～70％作为不同地理位置的新近吹填淤泥自重沉积稳定的其中一个统一评价指标。
[0071]
本实施例中的其他物理力学指标和微观结构特征的静态间歇沉降行为的评价标准，可参见上述方法，根据整体式模型筒中典型样本到达稳定状态时的相关数据，选择合适的物理力学指标和微观结构特征作为评价指标，并由多个评价指标构成到达静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准，以便进行后续分段组装式模型筒中的试验样本的静态间歇沉降宏微观行为。例如，可将物理力学指标中的黏粒含量作为其中一个评价指标，具体可将黏粒小于50％时取大值、黏粒大于50％时取小值作为具体的评价指标数值；可将微观结构特征中的平均分形维数作为其中一个评价指标；综合本实施例提出的三个评价指标(平均孔隙比累计变化率、黏粒、平均分形维数)，从而构成静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准。
[0072]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。