三维大功率超声控制含气泡淤泥固结试验系统及其方法与流程

本发明涉及环境岩土工程试验技术，尤其涉及一种三维大功率超声控制含气泡淤泥固结试验系统及其方法，用来测定不同的气泡大小和浓度、不同的三维大功率超声波以及不同的固结压力条件下含气泡淤泥固结特性。

背景技术：

为了改善水质，建设港、码头，加宽航道、港池，需要进行大规模的疏浚清淤作业，不可避免地产生大量的淤泥。目前国内对疏浚淤泥的处置主要是直接废弃于陆地抛填区或低洼地区，有些甚至占用鱼塘和耕田，海洋疏浚也面临由于深海抛泥带来的环境问题而多数转为陆域吹填。但是，疏浚淤泥含水率高、强度低，很难直接对疏浚淤泥进行开发利用。其次，疏浚淤泥粘粒含量高、透水性差，在自重作用下需要几年甚至更长时间才能完成固结。因此，需要快速降低疏浚淤泥的含水率，快速排出疏浚淤泥中所含大量的水，解决疏浚淤泥处置占地时间长，浪费宝贵的土地资源的问题。

近年来，超声波技术凭借其环保性、操作简便以及实用性强等优点，在激励淤泥脱水效应中得到越来越广泛的应用。在大功率超声波作用下，淤泥孔隙内部流体中的微小泡核被激活，超声波振动不断快速交替使得空化泡核崩溃，在极短时间内产生局部高温和高压，并伴随强烈的冲击波和射流，从而造成淤泥中水分和细颗粒的迁移运动。然而，现有的室内淤泥固结试验大多是在无超声波条件下进行的，忽略超声波激励的影响。其次，淤泥中有机物在堆放时极易自发进行厌氧生物反应，使得淤泥中的孔隙被液体和一种或者多种气体饱和，气体在孔隙中以小气泡或者大气泡包含颗粒的形式存在，气泡的存在改变了孔隙流体性质并与骨架产生耦合作用，对超声波速度和能量衰减有很大影响。虽然由于淤泥固结技术的发展，使得饱和淤泥固结特性的研究已取得一定的成果，但是忽略淤泥气泡的影响得到的淤泥特性将是不准确的，也不能满足实际工程的需要。因此，大功率超声波激励下含气泡淤泥的固结特性的研究在诸如固体废弃物填埋、污水处理、河道疏浚以及软基处理等方面有十分重要的应用价值。

为了研究大功率超声波激励下含气泡淤泥的固结特性，常规的室内固结试验设备已不能满足要求，研制新型大功率三维超声波固结试验系统显得尤为迫切和重要。

常规的固结试验设备是测定一维和三维压力条件下土体固结变形的有效工具，但是常规的固结试验设备不能对施加超声波激励和调节气泡大小和浓度，无法满足考虑超声波激励下含气泡淤泥的固结特性的试验要求。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服现有常规固结试验设备不能考虑大功率超声波激励和气泡的缺陷，提供一种灵敏度高的三维大功率超声控制含气泡淤泥固结试验系统及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

一、三维大功率超声控制含气泡淤泥固结试验系统（简称系统）

本系统包括三维超声波试验单元、含气泡土样试验单、压力室单元和量测单元；

其位置和连接关系是：

三维超声波试验单元、含气泡土样试验单元和量测单元分别与压力室单元连接。

二、三维大功率超声控制含气泡淤泥固结试验方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

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用于分层填装土样，对每层捣实相同次数以保证土样整体的均匀性，每次填装时水面高于土样顶面1-2cm，确保填装的土样为饱和土样；同时，调节温度控制装置，在50℃条件下填装，土样中不含气体成分；

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

⑤当土样内部孔隙被溶气水完全充满以后，逐级缓慢降低土样的竖向压力，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，当土样体积不再变化时，记录土样体积的总变化量，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对土样底部流出液的体积进行测定，同时结合压力体积控制器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和微型压力传感器的数据进行分析，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。

与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：

①采用振动模式转换型大功率超声换能器施加纵向超声波激励，采用空心圆柱式压电陶瓷换能器施加二维超声波激励，可开展不同超声波激励形式下淤泥固结特性试验；

②在系统内设置有液体溶气装置、环形加热圈和高进气值陶土板，利用轴平移技术制备含有一定气泡特征的淤泥土样，可开展不同气泡大小和浓度条件下淤泥固结特性试验；

③通过不锈钢压力室的顶部小孔接压力体积控制器，可用在施加超声波激励的同时对土样施加竖向固结压力以及量测土样变形，可满足不同竖向压力下淤泥固结特性试验；

④为了提高精度，通过液体体积量测装置对流出液的体积进行测定，同时结合压力体积控制器的土样变形量测结果，对超声波固结排水效果进行精确评价；

⑤在土样不同位置和不同深度处均匀布设微型孔隙水压力计和微型压力传感器，可同时对超声波作用下土样中孔隙水压力和振动衰减演化规律进行量测；

⑥对超声波激励和气泡的控制操作简便，对超声波衰减以及孔隙水压力实现自动化测量和采集，且所测数据精确。

总之，本发明可满足对淤泥施加三维大功率超声波激励、调节气泡大小和浓度、对固结变形、孔压以及超声能量衰减等进行精确控制和量测的试验的需要。

附图说明

图1是本系统的结构方框图；

图2是本系统的结构示意图。

图中：

10—三维超声波试验单元，

11—竖向一维超声波单元，

111—一维超声波发生器，

112—一维超声波换能器；

113—一维超声波信号传输电缆；

12—径向二维超声波单元，

121—二维超声波发生器，

122—二维超声波换能器，

123—二维超声波信号传输电缆；

20—含气泡土样试验单元，

21—土样，

22—液体溶气装置，

23—透水石，

24—高进气值陶土板，

25—环形加热圈，

26—温度控制装置，

27—导线；

30—压力室单元，

31—不锈钢压力室，

32—不锈钢顶盖，

33—不锈钢底板，

34—纳基隔热软毡，

35—压力体积控制器，

36—活动螺栓，

37—注水口螺栓，

38—排水管；

40—量测单元，

41—液体体积量测装置，

42—微型孔隙水压力计，

43—微型压力传感器，

44—数据采集仪，

45—信号传输线；

a—阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、总体

如图1、2，本系统包括三维超声波试验单元10、含气泡土样试验单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。

2、功能单元

1）三维超声波试验单元10

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；

（1）竖向一维超声波单元11由一维超声波发生器111和一维超声波换能器112通过一维超声波信号传输电缆113前后连接组成。

一维超声波换能器112的侧面通过橡胶圈与二维超声波换能器122密封，并且一维超声波换能器112在二维超声波换能器122内能够自由上下移动。

一维超声波发生器111将电压转换成与一维超声波换能器112相匹配的高频交流电信号；一维超声波换能器112将接受到的高频电信号转化成超声波；一维超声波换能器112发射的超声波荷载通过透水石23从土样21顶部自上向下进行施加。

一维超声波换能器112采用振动模式转换型大功率超声换能器，该换能器内纵向夹心式压电陶瓷换能器产生纵向振动，然后驱动与其相连的金属圆柱辐射器产生振动；一维超声波换能器112的尺寸为外直径80cm，厚度2cm。

（2）径向二维超声波单元12由二维超声波发生器121和二维超声波换能器122通过二维超声波信号传输电缆123前后连接组成；

二维超声波换能器122采用空心圆柱式压电陶瓷换能器，该换能器由压电陶瓷元件与金属元件在径向复合而成，超声波荷载向土样21内部辐射，内圆柱面充当辐射面，可以看成是一个声波聚焦器。

二维超声波换能器122的设计原则如下：第一，换能器的内外金属圆管必须采用不同的金属材料，换能器内侧金属圆柱一般为轻金属，而外侧金属圆柱应选用重金属；第二，金属圆管形电极材料应为铍青铜材料，并且压电陶瓷圆管的数目应为偶数，这样可以很好地解决压电陶瓷圆管的接地和绝缘问题。

二维超声波换能器122的尺寸为：内直径80cm，高度123cm，壁厚1.5cm，在该换能器内部装填土样。

另外，一维超声波发生器111和二维超声波发生器121都采用同样类型的自激式超声波发生器，该类型发生器输出功率0-20kw，输出频率10-35khz。

2）含气泡土样试验单元20

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和温度控制装置26以及导线27组成；

其位置和连接关系是：

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的中心小孔，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。

土样21呈圆柱形，尺寸为：直径80cm，高度120cm；这一尺寸范围的土样21可以较好地研究超声波激励淤泥固结变形的规律；

环形加热圈25采用最大功率为3000w的电阻式发热圈；

温度控制装置26为常用装置，用来调节土样21制作过程中不锈钢压力室31内的温度。

含气泡土样试验单元20的工作机理：

液体溶气装置22通过向一定质量的水中反复注入高压空气，同时增加水的围压来提高空气在水中的溶解度，然后将溶气水通过透水石23注入土样21中；同时，土样21底部的高进气值陶土板24饱和时，由于高进气值陶土板24表面微细孔形成收缩膜，这种收缩膜将高进气值陶土板24表面众多小孔连接而产生表面张力，从而阻止空气通过高进气值陶土板24，但水分可以排出；高进气值陶土板24的进气值为1500kpa，从而利用轴平移技术制备含有一定气泡特征的土样；当需要承受更高气压时，可采用进气值高达10mpa的特种纤维膜。

3）压力室单元30

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和压力体积控制器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，用来对土样21施加竖向固结压力以及量测土样变形，压力体积控制器35选用gds土工三轴试验仪压力体积控制器。

纳基隔热软毡34是目前市面上最高效的软质隔热制品之一。

4）量测单元40

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中，测量孔隙水压力和超声波振动。

3、工作原理

1）在二维超声波换能器122中分层填装土样21，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，在较高温度（50℃）下填装土样21，这样可以减少空气在填装时进入土样21；这样制备的土样21为完全饱和土样，并且土样21中不含气体成分；土样21填装完以后，将不锈钢顶盖32和相关管路安装好，调节压力体积控制器35对土样21施加竖向压力。

2）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处注入土样21，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；注入溶气水的体积要达到土样21中孔隙体积的10倍以上，才能将土样21中残留的无气水排出；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，这样能避免溶气水中气体释放引起的试验误差。

3）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；逐级降低竖向压力时，土样21中溶解在水中的气体转变为超饱和状态，这时土样21中开始形成气泡；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21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；在测定土样中气泡体积时，竖向压力的施加时间必须非常短，避免施加过程中气泡重新溶解到水中。

4）采用一维超声波换能器112对土样21施加竖向一维超声波激励；通过二维超声波换能器122对土样21施加径向二维超声波激励；在大功率超声波作用下，淤泥孔隙内部流体中的微小泡核被激活，超声波振动不断快速交替使得空化泡核崩溃，在极短时间内产生局部高温和高压，并伴随强烈的冲击波和射流，从而造成淤泥中水分和细颗粒的迁移运动；同时利用压力体积控制器35对土样21施加竖向固结压力以及量测土样变形，该系统可对固结变形、孔压以及超声能量衰减等进行测试。

二、方法

①高进气值陶土板24及其管路是否饱和关系到试验成败，为此，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，测试系统管路的饱和则是利用蠕动泵预先向管路中注入无气水进行冲洗，直至没有气泡为止；

②在阴凉条件下对淤泥进行自然风干，按照试验要求，将一定质量的无气水加入淤泥风干样品中；

③将加水后的淤泥样品在二维超声波换能器122内分层填装土样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21为饱和土样；同时，调节温度控制装置26，在较高温度下填装土样21，这样可以减少空气在填装时进入土样21；然而，温度过高会对淤泥成分产生影响，初步拟定在50℃条件下填装；因此，通过上述步骤就能制备一定密度的饱和土样21，并且土样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的顶部透水石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；查阅相关资料，注入的溶气水的体积要达到土样21中孔隙体积的10倍以上，才能将土样中残留的无气水排出，这个过程需要较长时间；同时，通过调节压力体积控制器35对土样21施加竖向压力；

向土样注入溶气水时，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，这样能避免溶气水中气体释放引起的试验误差；

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；逐级降低竖向压力时，土样21中溶解在水中的气体转变为超饱和状态，这时土样中开始形成气泡；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；

在测定土样中气泡体积时，竖向压力的施加时间必须非常短，避免施加过程中气泡重新溶解到水中。

⑥正式试验时，在一定的竖向压力下对土样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。