专利名称：一种泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置及其使用方法
技术领域：
本发明属于水利与港航工程试验中的交叉技术领域，具体涉及一种泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置及其使用方法。
背景技术：
泥砂沉降柱模拟试验是研究河口、航道、港口、湖泊等水利工程设施的基本试验装置，能够有效模拟泥砂沉降淤积过程，通过泥砂淤积影响因素模拟，获取淤积泥砂的主要影响因素。泥砂沉降柱试验结果可以为现阶段河道清淤拓宽整治、港口深水港建设、湖泊扩容清淤等提供基本工程参数，泥砂沉降柱模拟试验为工程治理方案与清淤技术革新提供必要的技术支持。泥砂沉降过程中具体涉及泥砂内部超孔压的形成与消散、沉积泥砂的密度发展变化以及沉降变形等方面，特别是泥砂颗粒沉降过程中的分选沉降效应等均对泥砂淤积规律与清淤技术开发产生直接影响，因而有必要对沉积泥砂密度分布、沉积颗粒竖向分布 等进行测试。因而，本试验装置在河道、湖泊、港口治理，沿海填海造陆等工程中都有着重要指导意义，为沉积泥砂取样测试提供较可靠的取样手段。现阶段关于沉积泥砂密度测试以直接测定为主，具有测试指标简单可靠的优点。现阶段直接法测试装置主要为不同直径的底泥取样器，取样器直径flOcm，取样管长度LOm左右，适用于湖泊、池塘、河流等自然水域沉积泥砂层现场取样，取样泥砂为塑 流塑状，不能进行流态泥砂取样。现有底泥取样器取样管直径与长度均较大，但室内泥砂沉降模拟试验中形成的泥砂沉积层厚度有限，同时沉降柱内径较小，并不适用于现有底泥取样器取样操作。由于泥砂沉降过程泥砂颗粒散粒流体逐渐沉积形成塑性固体过程，针对泥砂沉降过程中的流态泥砂沉积层取样尚无有效取样装置。间接测试手段中，以核子射线扫描、波速测试、红外线测试等手段为主，通过标定射线衰减指数与泥砂浓度之间关系直接获取沉积泥砂密度指标，但是由于沉积泥砂存在大小颗粒的差异，通过间接法测定的泥砂密度仍存在不可忽视的误差，由于不能直接取样测试，无法获取不同淤积深度处泥砂颗粒级配情况。因此直接法测试仍是泥砂沉降柱试样中的主要测试方法。直接法测试结果的准确定主要依赖于沉积泥砂样的取样方法，有赖于取样技术的进一步开发创新，克服传统取样方法中取样量少，取样工艺复杂以及取样深度定位不准确的弊端。
发明内容
本发明的目的在于在原有沉降柱试验装置的基础上，进一步开发出准确测定淤积泥砂超孔压分布、密度分布以及不同粒径泥砂在沉积过程中的分布规律的沉降柱试验取样装置，设计制造出一个沉积泥砂原位取土、取土位置定位准确、制作与操作过程相对简单可靠的泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置，并确定其使用方法。本发明的技术方案概括如下
一种泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置，由泥砂沉降柱、取样杯、取样管、活塞式抽气装置组成，泥砂沉降柱外侧设有测压管，测压管开孔沿沉降柱壁竖向成一列布置，泥砂沉降柱上设有取样孔，取样孔从泥砂沉降柱底部开始沿柱外壁等高螺旋式布置；取样管与取样杯通过密封盖连接，取样杯与活塞式抽气装置间通过连接管连接，活塞式抽气装置包括手柄和活塞。所述取样孔等高螺旋式布置中，取样孔竖向间距2 3cm;螺旋线方程为x=rcos Θ ；y=rsin θ ；ζ=2 η r/ θ ,其中r为泥砂沉降柱外壁圆周半径，其取值范围为5 10cm，Θ为弧度变量，取值范围为(Γ2 。活塞式抽气装置的抽气口上设置单向阀。取样孔外壁孔口设置外凸中空管，便于泥砂沉降过程中的密封与原位取样过程中的开启；取样孔的内径大于取样管的外径，取样管水平段长度大于沉降柱内半径值，保证取样管插入取样孔后管口位置位于沉降柱中心位置。所述的泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置的使用方法，包括如下步骤I)泥砂沉降柱进行泥砂沉降试验，测压管读取沉积泥砂内部孔隙水压力分布，取样孔填充密封，可以采用橡胶密封，保证泥砂沉降过程中泥砂沉降柱的密封性；2)步骤I)泥砂沉降试验完成后进行取样操作，取样管密封固定在密封盖上，取样杯杯口涂抹凡士林后与密封盖对接，并通过橡胶管与活塞式抽气装置抽气口连接，通过手柄将活塞回推至最底端，打开单向阀；3)取下待取样位置的取样孔的密封(橡胶)，将取样管插入至泥砂沉降柱中心区域，抽拉活塞式抽气装置的手柄，减小取样杯中气压，使泥砂沉降柱中相应位置沉积泥砂样沿取样管进入取样杯，活塞式抽气装置中活塞抽拉至极限位置时，关闭单向阀；通过手柄将活塞回推至初始位置，打开单向阀继续新一轮次抽气过程；4)取样杯中泥砂试样取满后，关闭单向阀，取出取样管，同时填充密封取样孔，完成一次取样过程。本发明的有益效果I、取样孔竖向布置中采用等距螺旋布置方式，可有效避免各取样孔取土位置的过度集中问题，同时采用从上之下逐孔取样方式，有效避免单孔取样操作对下部取样孔泥砂土样的扰动影响；2、取样管水平段长度大于沉降柱半径，可以保证取样管口进入沉降柱中沉积泥砂中心区域，提取最有代表性沉积泥砂样。3、取样杯口为毛边本口，涂抹凡士林后可与密封盖紧密对接，保证取样杯抽气期间的密封性；取样杯容积一定，泥砂样取满削平后可以直接获得泥砂体积。4、活塞式抽气装置抽气管口设置单向阀，可以在手柄活塞回推过程中保证取样杯中的气压的相对稳定，可顺利完成抽气装置的抽推转换过程。本发明装置的优点是可对不同沉积位置沉积泥砂准确定位，获取相应位置泥砂样，取样装置密封后通过抽推活塞式抽气装置实现沉积泥砂样流入至取样杯中，整体操作较为简单实用有效，通过取样杯体积和质量量测直接测定泥砂密度。本取土装置结合泥砂沉降柱试验能有效提高取样数据的可靠性和最终试验精度。
说明书附图为泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置示意图。其中标号1泥砂沉降柱；2测压管；3取样孔；4取样杯；5取样管；6密封盖；7活塞式抽气装置；8活塞；9手柄；10单向阀。
具体实施例方式结合说明书附图对泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置的进一步说明泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置由泥砂沉降柱I、取样杯4、取样管5、活塞式抽气装置7组成，泥砂沉降柱I外侧设有测压管2，测压管2开孔沿沉降柱壁竖向成一列布置，泥砂沉降柱I上设有取样孔3，取样孔3从泥砂沉降柱I底部开始沿柱外壁等高螺旋式布置；取样孔竖向间距2. Ocm ;螺旋线方程为x=rcos Θ ；y=rsin θ ;z=2nr/0，其中r=7. Ocm为泥砂沉降柱外壁圆周半径，弧度变量Θ取值范围为(Γ2 π。取样管5与取样杯 4通过密封盖6连接，取样杯4与活塞式抽气装置7间通过橡胶管连接，活塞式抽气装置包括手柄9和活塞8。活塞式抽气装置7的抽气口上设置单向阀10。取样孔外壁孔口设置外凸中空管，取样孔的内径大于取样管的内径，取样管水平段长度大于沉降柱内半径值。泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置取样操作主要过程为( I)泥砂沉降试验中，泥砂沉降柱I进行泥砂沉降试验，测压管2读取沉积泥砂内部孔隙水压力分布，取样孔3采用橡胶填充密封，保证泥砂沉降过程中泥砂沉降柱的密封性。(2)泥砂沉降试验完成后，开始沉积泥砂样取样操作。取样管5密封固定在密封盖6上，取样杯4毛边杯口涂抹凡士林后与密封盖6对接，并通过橡胶管与活塞式抽气装置7抽气口连接，通过手柄9将活塞8回推至最底端，打开单向阀。(3)取下泥砂沉降柱I上部第一个取样孔3的密封橡胶，快速将取样管5通过取样口 3插入至泥砂沉降柱I中心区域；同时抽拉活塞式抽气装置手柄，减小取样杯4中气压，使泥砂沉降柱I中相应位置沉积泥砂样沿取样管5进入取样杯。活塞式抽气装置I中活塞8抽拉至极限位置时，关闭单向阀10，通过手柄9将活塞8回推至初始位置，打开单向阀10开始新一轮次抽气过程。(4)取样杯4中泥砂试样取满后，关闭单向阀10，快速将取样管5取出，同时用橡胶填充密封相应取样孔3。取下密封盖6，削平取样杯4中泥砂样上顶面，称量取样杯4总质量，减去取样杯4质量后得到取样杯4内泥砂质量，根据取样杯4体积直接计算不同取样位置处沉积泥砂饱和密度。(5)泥砂密度测试完成后，将取样杯I中泥砂样转移至其他容器中进行进一步物理指标(含水率、颗粒分析等)测试，清洗擦干取样杯I并称量其质量后，开始新一轮次取样操作。
权利要求
1.一种泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置，其特征在于由泥砂沉降柱(I)、取样杯(4)、取样管(5)、活塞式抽气装置(7)组成，泥砂沉降柱(I)外侧设有测压管(2)，测压管(2)开孔沿沉降柱竖向成一列布置，泥砂沉降柱(I)上设有取样孔(3)，取样孔(3)从泥砂沉降柱(I)底部开始沿柱外壁等高螺旋式布置；取样管(5)与取样杯(4)通过密封盖(6) 连接，取样杯(4)与活塞式抽气装置(7)间通过连接管连接，活塞式抽气装置(7)包括手柄 (9)和活塞⑶。
2.根据权利要求I所述的泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置，其特征在于所述取样孔(3)等高螺旋式布置中，取样孔竖向间距2 3 cm ;螺旋线方程为Θ ,y=rsin θ，，其中r为泥砂沉降柱外壁圆周半径，其取值范围为5 10 cm, Θ为弧度变量，取值范围为(Γ2 π。
3.根据权利要求I所述的泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置，其特征在于活塞式抽气装置(7)的抽气口上设置单向阀(10)。
4.根据权利要求I所述的泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置，其特征在于取样孔(3)外壁孔口设置外凸中空管，取样孔⑶的内径大于取样管(5)的外径，取样管(5)水平段长度大于沉降柱内半径值。
5.权利要求f4所述的泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置的使用方法，其特征在于包括如下步骤1)泥砂沉降柱(I)进行泥砂沉降试验，测压管(2)读取沉积泥砂内部孔隙水压力分布，取样孔(3)填充密封；2)步骤I)泥砂沉降试验完成后进行取样操作，通过手柄(9)将活塞(8)回推至最底端，打开单向阀(10)；3)取下取样孔(3)的密封，将取样管(5)通过取样孔(3)插入至泥砂沉降柱(I)中心区域，抽拉手柄(9)，使泥砂沉降柱(I)中相应位置沉积泥砂样沿取样管(5)进入取样杯(4)，活塞式抽气装置(I)中活塞(8)抽拉至极限位置时，关闭单向阀(10)；4)取样杯(4)中泥砂试样取满后,取出取样管(5),同时填充密封取样孔(3),完成一次取样过程。
全文摘要
本发明公开了一种泥砂沉降柱试验原位抽吸式取土装置及其使用方法，取土装置由泥砂沉降柱、取样杯、取样管、活塞式抽气装置组成，泥砂沉降柱外侧设有测压管，测压管开孔沿沉降柱竖向成一列布置，泥砂沉降柱上设有取样孔，取样孔沿泥砂沉降柱外壁和设定的螺旋方程等间距螺旋向上布置，取样孔竖向间距h为2~3cm；取样管与取样杯通过密封盖连接，取样杯与活塞式抽气装置间通过橡胶管连接，活塞式抽气装置包括手柄和活塞。活塞式抽气装置的抽气口上设置单向阀。本泥砂沉降柱原位取土装置具有原理简单、手动操作方便、能够准确获取原状沉积泥砂等优点，特别适用于室内泥砂沉降柱试验沉积泥砂土样的取样试验工作。
文档编号E02D1/04GK102926371SQ20121049902
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者张福海, 郭帅杰, 陈雷, 任鹏勋 申请人:河海大学