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申请/专利权人：浙江工业大学

摘要：一种室内测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性的装置，包括密封插装在亚克力模型箱顶部的布氏漏斗，布氏漏斗的顶端开口密封连接有密封盖，亚克力模型箱与布氏漏斗之间形成密闭的真空室；亚克力模型箱内设有自动计数电子秤，自动计数电子秤上放置有玻璃烧杯，玻璃烧杯设置在布氏漏斗的下方；亚克力模型箱通过第一橡胶导管与水汽分离瓶连通，水汽分离瓶通过第二橡胶导管与真空泵连接。本发明还提供一种室内测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性的方法。本发明操作简单，易于上手，制作成本低廉，能够简单明了地采集实验数据，为岩土工程测定高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性提供了一种合适的模拟装置。

主权项：1.一种室内高含水率疏浚淤泥压缩性和渗透性的测定方法，其特征在于：所用的测定装置包括密封插装在亚克力模型箱2顶部的布氏漏斗1，布氏漏斗1的顶端开口密封连接有密封盖，布氏漏斗1内部设有排水板滤膜15，布氏漏斗1的下端延伸至亚克力模型箱2的内部，亚克力模型箱2与布氏漏斗1之间形成密闭的真空室；所述亚克力模型箱2上设有真空表14，亚克力模型箱2内设有自动计数电子秤3，自动计数电子秤3上放置有玻璃烧杯4，玻璃烧杯4设置在布氏漏斗1的下方；亚克力模型箱2通过第一橡胶导管6与水汽分离瓶5连通，第一橡胶导管6上设有阀门；水汽分离瓶5通过第二橡胶导管7与真空泵13连接；水汽分离瓶5通过第一PU管8与压力传感器11连接，水汽分离瓶5通过第二PU管9与压力控制阀12连接，压力传感器11和压力控制阀12分别与压力控制器10电连接；水汽分离瓶5上设有泄压口，泄压口处安装有泄压阀门；测定方法，包括A组和B组两组平行实验，步骤如下：S1.A组实验开始前，在布氏漏斗内部填充一定含水率的泥浆，使用密封盖将布氏漏斗密封，将压力控制器的压力阀值设置在第一级目标值，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，启动真空泵对水汽分离瓶中的空气进行抽气，直至压力控制器的压力读数达至第一级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对亚克力模型箱及布氏漏斗中的泥浆中的空气进行抽气，布氏漏斗中的泥浆中的水经过排水孔排放到亚克力模型箱的玻璃烧杯中；待泥浆在第一级目标压力下排水一定时间t1后，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第二级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第二级目标值后，打开所关闭的阀门，待泥浆在第二级目标压力下排水一定时间t2后，关闭阀门并将压力控制器的压力阀值设置在第三级目标值，待压力控制器的压力读数达至第三级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，待泥浆在第三级目标压力下排水一定时间t3后，表示A组实验完成，关闭真空泵；然后打开水汽分离瓶上的泄压阀门，此时整个系统与大气相连，待真空表的读数为零时，将布氏漏斗与亚克力模型箱进行拆分，统计自动计数电子秤实时记录的数据，并清除掉布氏漏斗中的余土与玻璃烧杯中的滤液，以备进行B组平行实验；在A组实验中，应严格控制时间t1，t2，t3的值，以使整个A组实验结束时刻还有悬浮液泥浆存在；S2.B组实验开始前，在布氏漏斗内部填充一定含水率的泥浆，使用密封盖将布氏漏斗密封，将压力控制器的压力阀值设置在第一级目标值，关闭连接亚克力模型箱和水汽分离瓶的第一橡胶导管上的阀门，启动真空泵对水汽分离瓶中的空气进行抽气，在真空泵对水汽分离瓶进行抽气一段时间压力控制器的压力读数达至第一级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对亚克力模型箱及布氏漏斗中的泥浆中的空气进行抽气，布氏漏斗中的泥浆中的水经过排水孔排放到亚克力模型箱的烧杯中，待布氏漏斗内部浆料不再渗出滤液且自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，关闭阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第二级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第二级目标值后，打开第一橡胶导管上的阀门，对整个系统继续进行施加压力，待布氏漏斗内部浆料不再渗出滤液且自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，关闭阀门，然后将压力控制器的压力阀值设置在第三级目标值，直至压力控制器的压力读数达至第三级目标值后，打开导管上的阀门，待自动计数电子秤的读数在10分钟内不发生变化后，表示B组实验完成，关闭真空泵；然后打开水汽分离瓶上的泄压阀门，此时整个系统与大气相连，待真空表的读数为零时，将布氏漏斗与亚克力模型箱进行拆分，统计自动计数电子秤实时记录的数据，并清除掉布氏漏斗中的余土与烧杯中的滤液，以备进行下次实验；S3.分别对A组实验、B组实验所得到的数据进行分析；a.将联系局部滤饼比阻与压缩应力的本构关系式，具体如下： 式中：α为局部滤饼比阻；α0为零应力状态下的局部滤饼比阻；Ps为压缩应力；Pa为压缩应力的归一化参数；n为由压缩应力引起的局部滤饼比阻的响应指数；及联系局部固含率与压缩应力的本构关系式，具体如下： 式中：ε为局部固含率；ε0零应力状态下的局部固含率；Ps为压缩应力；Pa为压缩应力的归一化参数；β为由压缩应力引起的局部滤饼孔隙率的响应指数；整个滤饼范围内积分，分别得到平均滤饼比阻及平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔPc之间的关系，具体如下： 式中：αav为均滤饼比阻；α0零应力状态下的局部滤饼比阻；Pa为压缩应力的归一化参数；ΔPc为滤饼上的压降；εav为平均滤饼固含率；ε0零应力状态下的局部固含率；n为由压缩应力引起的局部滤饼比阻的响应指数；β为由压缩应力引起的局部滤饼孔隙率的响应指数；b.通过A组实验过程中出水量随时间的变化关系，可以对其进行微分然后得到出水速率随时间的变化关系，随后通过关系式3.5，具体如下： 即得到实验过程中滤饼上的有效压降ΔPc与出水速率的倒数之间的关系，公式3.5中dtdvm指初始时刻出水速率的倒数，其值通过对出水速率随时间的变化关系进行外插拟合得到；P在三个不同的阶段分别对应其目标压力值，P1则对应第一级目标压力值；c.随后根据过滤过程的控制方程，具体如下： 式中：αav为均滤饼比阻；ΔPc为滤饼上的压降；μ为滤液的粘度；ρ为滤液的密度；s为泥浆中固相的质量分数；m为干滤饼与湿滤饼的质量比；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；并将联系无限平均滤饼比阻αav,i与平均滤饼比阻αav的关系式，具体如下： 式中：αav,i为无限平均滤饼比阻；s为泥浆中固相的质量分数；m为干滤饼与湿滤饼的质量比；将公式3.7代入到公式3.6中，得到公式3.8： 即得到无限平均滤饼比阻αav,i与滤饼上的有效压降ΔPc之间的关系，公式3.8中，μ代表水的粘度；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；ρ和s分别代表水的密度和实验浆料的固体质量分数；m代表湿滤饼与干滤饼的质量比，通过公式3.9，具体如下： 将其与平均滤饼固含率联系起来；d.通过B组实验过程中出水量随时间的变化关系，可以对其进行微分得到和t+tm之间的变化关系，随后将二者的关系绘制成双对数关系，即可从图中直观的得到B组实验过程中过滤阶段与压缩阶段的转折点，随即便可得到转折点时刻所排出的滤液量vt；其中tm指形成阻力大小为滤膜阻力厚度的滤饼所需要的时间，通过对tv和v之间的关系进行线性拟合然后得到该拟合直线的斜率及截距，随后通过关系式3.10，具体如下： 式中：a为对tv和v之间的关系进行线性拟合得到的直线的斜率；vm为形成与滤膜阻力相等的滤饼时所产生的每单位滤膜面积的滤液体积；v为每单位滤膜面积的累积滤液体积；vm和a可以通过式tm＝avm2与tm相关联，最后便可得到tm具体的数值；e.在确定转折点时刻所排出的滤液量vt后，便可通过表达式，具体如下： 确定该时刻对应的滤饼固含率，公式3.11中Ws表示过滤泥浆的净质量，A和ρs分别表示过滤面积和泥浆中固体的密度；f.确定转折点时刻所排出的滤液量vt及B组实验过程中出水量随时间的变化关系，便可获得每一级目标压力下压缩阶段渗出的滤液量vc,1,vc,2及vc,3，之后通过公式3.12，具体如下： 便可得到每一级压缩阶段结束时刻对应的固含率，其中ω0表示每单位过滤面积的压缩滤饼的净固体体积；g.将实验得到的无限平均滤饼比阻αav,i与滤饼上的有效压降ΔPc之间的数据用关系式，具体如下： 进行拟合，便可得到相应的拟合参数α1,n1,Pa,1，α1,n1,Pa,1分别对应α0,n,Pa；随后将得到的n1,Pa,1的值作为n,Pa的初始值；h.将上述得到的Pa的初始值及实验得到的每一级压缩阶段结束时刻对应的固含率与压缩应力之间的数据用关系式3.2进行拟合，便可得到相应的拟合参数ε0,β；i.将上述拟合得到的参数n,Pa,ε0,β代入到关系式3.4中，得到平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔPc之间的关系；j.将步骤i中得到的平均滤饼固含率与滤饼上的有效压降ΔPc之间的关系，应用到关系式3.9当中，便可得到湿滤饼与干滤饼的质量比与滤饼上的有效压降ΔPc之间的关系；k.结合上述得到的湿滤饼与干滤饼的质量比与滤饼上的有效压降ΔPc之间及A组实验得到的滤饼上的有效压降ΔPc与出水速率的倒数之间的关系，再通过关系式3.6，便可得到平均滤饼比阻αav与滤饼上的有效压降ΔPc之间的关系；l.将步骤k中得到的平均滤饼比阻αav与滤饼上的有效压降ΔPc之间的关系用关系式3.3进行拟合，便可得到相应的拟合参数α0,n,Pa；m.将步骤c得到的滤饼上的有效压降ΔPc对应的无限平均滤饼比阻αav,i的值与步骤l得到的相同的滤饼上的有效压降ΔPc对应的平均滤饼比阻αav的值进行比较，若满足关系式则可以得到最终的本构参数，最终的拟合参数即为步骤l和步骤h得到的α0,n,Pa,ε0,β，反之若不满足上述关系式，则对步骤h-m进行迭代循环，直至迭代前后分别计算得到的平均滤饼比阻满足上述关系式。

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