适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统及方法

本发明属于固液两相流试验，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：

1、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

4、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；

5、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；

6、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；

7、所述数据分析系统对获取的数据进行处理分析。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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：

13、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；

14、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；

15、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；

16、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；

17、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；

18、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；

19、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；

20、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；

21、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；

22、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。

23、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。

24、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。

25、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。

26、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。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

28、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。

29、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。

技术特征：

1.适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统，其特征在于，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；

2.根据权利要求1所述的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统，其特征在于，所述整体式模型筒的外表面设有刻度。

6.基于权利要求1-5任一项所述的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验系统的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验方法，其特征在于，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。

8.根据权利要求6或7所述的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验方法，其特征在于，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，采用宏观试验系统的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。

9.根据权利要求8所述的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验方法，其特征在于，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，采用宏观试验系统的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。

10.根据权利要求9所述的适用于分析静态间歇沉降行为的宏微观试验方法，其特征在于，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。

技术总结
本发明属于固液两相流试验技术领域，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及方法，其中的系统包括整体式模型筒、若干个分段组装式模型筒、智能实时微观监测系统、宏观试验系统以及数据分析系统；所述智能实时微观监测系统对整体式模型筒和若干个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；所述宏观试验系统对整体式模型筒和若干个分段组装式模型筒中的试样进行物理力学指标测试；所述数据分析系统对获取的数据进行处理分析。本发明实现对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并建立静态间歇沉降稳定状态的宏微观评价标准。

技术研发人员：鲍树峰,张劲文,杨春山,谢志红,张永兴,彭峰
受保护的技术使用者：广州航海学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12