一种尾矿砂动力表观黏度测量装置及方法与流程

本发明属于环境岩土工程技术领域，特别是涉及一种尾矿砂动力表观黏度测量装置及方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，各项经济建设与基础工程越来越密不可分，并且生态环境也越来越得到重视，这势必对矿产资源的绿色开采、安全生产和稳定运营提出了更高的要求。

以尾矿坝为例，其作为选矿厂生产设施中的重要组成部分，而尾矿坝的安全则事关重大。目前，我国至少存在两千多座尾矿坝，其中很大一部分建设地震带甚至是强震带附近，一旦发生地震，则会引起坝体内尾矿砂的孔隙水压力不断升高，而尾矿砂的有效应力和抗剪强度不断降低，导致坝体内的尾矿砂颗粒逐渐处于悬浮状态，从而丧失原有的强度，并从欠固结状态转变成一种类似液体的状态，进而形成大面积的流动破坏，会对于坝体下游环境和人民群众的生命财产安全造成巨大危害。

而砂土液化特性是土动力学的研究热点，饱和砂土的总应力由有效应力和孔隙水压力两部分组成，一般情况下，由于有效应力的存在砂土的孔隙水压力小于总应力。然而，在地震、爆炸等动荷载作用下，饱和砂土中的孔隙水压力会不断升高，当孔隙水压力增大到与总应力相等时，砂土中的有效应力等于零，砂土骨架丧失了作用力，导致砂土颗粒“悬浮”在水中，此时砂土变成像流体一样的物质，从而丧失抗剪强度和承载能力，这就是饱和砂土的液化现象。而尾矿砂液化后处于流动状态，从流体力学的角度来分析液化大变形，则表观黏度是表征流体的力学性质最基本的参数，表观黏度基于牛顿内摩擦定律，通过切应力与剪切应变率之间的关系，表示流体的简单剪切流动。

目前，一般流体的表观黏度测量通常采用毛细管黏度计、旋转黏度计、落球黏度计。毛细管黏度计测量原理为：使流体在重力作用下缓慢流过一个标定好的玻璃毛细管勃度计，通过测量流体流过黏度计的时间来反映流体的黏度。旋转黏度计测量原理为：使流体在狭缝间产生剪切流动，测量流动过程中的扭矩来计算流体的表观黏度。落球黏度计测量原理为：将一刚性球放入盛满流体的透明量筒，刚性球凭重力下落，测量刚性球在流体中匀速通过时的速度来计算流体的表观黏度。

上述三种表观黏度测量方式，均为测纯流体的动力表观黏度装置，无法测定液化砂土的表观黏度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种尾矿砂动力表观黏度测量装置及方法，有效克服纯流体力学中表观黏度测量的应用局限性，能够满足液化砂土表观黏度的测量，并可实现不同深度的液化砂土表观黏度的同时测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，包括模型箱、动力牵引组件、数据采集组件及供水组件；所述模型箱固装在振动台上；所述动力牵引组件包括刚性框架、调速电机、丝杠、丝母、滑台、导向杆、牵引杆、牵引钢丝、拖杆及拖杆导轨；所述刚性框架与地面相固连；所述调速电机通过电机支架固装在刚性框架上；所述丝杠通过轴承座水平安装在刚性框架顶部，丝杠一端通过联轴器与调速电机的电机轴相固连；所述丝母套装在丝杠上；所述导向杆固装在刚性框架上，导向杆与丝杠相平行；所述滑台下端连接在导向杆上，滑台在导向杆上具有直线移动自由度；所述滑台上端与丝母相固连；所述牵引杆竖直固装在滑台下端；所述拖杆导轨设置在模型箱的内表面，拖杆导轨与丝杠相平行；所述拖杆的杆体两端采用球头结构，拖杆的端部球头位于拖杆导轨内，拖杆与拖杆导轨相垂直，拖杆的端部球头在拖杆导轨内具有直线移动自由度；所述牵引钢丝一端固连在拖杆的中部，牵引钢丝另一端固连在牵引杆上；所述数据采集组件位于模型箱内部；所述供水组件位于模型箱外部。

所述数据采集组件包括拉力传感器、位移传感器、孔压传感器及土压传感器；所述拉力传感器安装在牵引钢丝上；所述位移传感器、孔压传感器及土压传感器安装在模型箱的内表面。

所述供水组件包括水箱、水龙头及注水管；所述水箱固定在地面上方，水龙头设置在水箱底部；所述注水管底端管口与模型箱底部相连通，注水管竖直设置，注水管为透明材质，在注水管表面设有刻度尺，通过刻度尺标示液面高度；所述注水管顶端采用漏斗形状。

所述拖杆数量若干，若干拖杆在模型箱内部沿高度方向均布设置，每一根拖杆均配套有一组拖杆导轨，每一根拖杆均通过一根牵引钢丝与牵引杆相连。

所述模型箱为矩形箱体且采用可拆装式结构，模型箱由底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板组成，底板与振动台相固连，所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板与底板之间通过插槽相连，且前侧板采用透明板；所述底板、前侧板、后侧板、左侧板及右侧板之间接缝通过密封胶进行密封；在所述左侧板、右侧板的内表面加装有内衬层，用于降低边界效应。

所述拖杆采用空心杆结构，拖杆的端部球头采用空心球头结构，所述拖杆导轨截面形状采用圆弧形，使拖杆的端部球头与拖杆导轨之间为点接触形式，且拖杆导轨与模型箱之间采用可拆卸式结构。

一种尾矿砂动力表观黏度测量方法，采用了所述的尾矿砂动力表观黏度测量装置，包括如下步骤：

步骤一：将组装好的模型箱固装到振动台上；

步骤二：将动力牵引组件、数据采集组件及供水组件分别安装到位；

步骤三：采用砂雨法在模型箱内铺设尾矿砂，每铺设一层尾矿砂，都需要对砂层表面进行平整，然后向模型箱内注水，直到模型箱内的水面超过砂层表面至少5cm，保证尾矿砂处于饱和状态；

步骤四：当模型箱内的尾矿砂全部铺设完毕后，静置24小时；

步骤五：启动振动台，使模型箱内饱和尾矿砂发生液化；

步骤六：启动调速电机，输出拖拽力，使拖杆在液化尾矿砂中匀速移动；

步骤七：通过公式η＝2(f-eddl)/3vl计算表观黏度，式中，η为表观黏度，f为拖拽力，ed为土压力，d为拖杆直径，l为拖杆长度，v为拖杆移动速度。

本发明的有益效果：

本发明的尾矿砂动力表观黏度测量装置及方法，有效克服纯流体力学中表观黏度测量的应用局限性，能够满足液化砂土表观黏度的测量，并可实现不同深度的液化砂土表观黏度的同时测量。

附图说明

图1为本发明的一种尾矿砂动力表观黏度测量装置正视图；

图2为本发明的一种尾矿砂动力表观黏度测量装置俯视图；

图中，1—模型箱，2—刚性框架，3—调速电机，4—丝杠，5—丝母，6—滑台，7—导向杆，8—牵引杆，9—牵引钢丝，10—拖杆，11—拖杆导轨，12—电机支架，13—轴承座，14—拉力传感器，15—位移传感器，16—孔压传感器，17—土压传感器，18—水箱，19—水龙头，20—注水管，21—联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种尾矿砂动力表观黏度测量装置，包括模型箱1、动力牵引组件、数据采集组件及供水组件；所述模型箱1固装在振动台上；所述动力牵引组件包括刚性框架2、调速电机3、丝杠4、丝母5、滑台6、导向杆7、牵引杆8、牵引钢丝9、拖杆10及拖杆导轨11；所述刚性框架2与地面相固连；所述调速电机3通过电机支架12固装在刚性框架2上；所述丝杠4通过轴承座13水平安装在刚性框架2顶部，丝杠4一端通过联轴器21与调速电机3的电机轴相固连；所述丝母5套装在丝杠4上；所述导向杆7固装在刚性框架2上，导向杆7与丝杠4相平行；所述滑台6下端连接在导向杆7上，滑台6在导向杆7上具有直线移动自由度；所述滑台6上端与丝母5相固连；所述牵引杆8竖直固装在滑台6下端；所述拖杆导轨11设置在模型箱1的内表面，拖杆导轨11与丝杠4相平行；所述拖杆10的杆体两端采用球头结构，拖杆10的端部球头位于拖杆导轨11内，拖杆10与拖杆导轨11相垂直，拖杆10的端部球头在拖杆导轨11内具有直线移动自由度；所述牵引钢丝9一端固连在拖杆10的中部，牵引钢丝9另一端固连在牵引杆8上；所述数据采集组件位于模型箱1内部；所述供水组件位于模型箱1外部。

所述数据采集组件包括拉力传感器14、位移传感器15、孔压传感器16及土压传感器17；所述拉力传感器14安装在牵引钢丝9上；所述位移传感器15、孔压传感器16及土压传感器17安装在模型箱1的内表面。

所述供水组件包括水箱18、水龙头19及注水管20；所述水箱18固定在地面上方，水龙头19设置在水箱18底部；所述注水管20底端管口与模型箱1底部相连通，注水管20竖直设置，注水管20为透明材质，在注水管20表面设有刻度尺，通过刻度尺标示液面高度；所述注水管20顶端采用漏斗形状。

所述拖杆10数量若干，若干拖杆10在模型箱1内部沿高度方向均布设置，每一根拖杆10均配套有一组拖杆导轨11，每一根拖杆10均通过一根牵引钢丝9与牵引杆8相连。

所述模型箱1为矩形箱体且采用可拆装式结构，模型箱1由底板、前侧板、后侧板、左侧板和右侧板组成，底板与振动台相固连，所述前侧板、后侧板、左侧板、右侧板与底板之间通过插槽相连，且前侧板采用透明板；所述底板、前侧板、后侧板、左侧板及右侧板之间接缝通过密封胶进行密封；在所述左侧板、右侧板的内表面加装有内衬层，用于降低边界效应。

所述拖杆10采用空心杆结构，拖杆10的端部球头采用空心球头结构，所述拖杆导轨11截面形状采用圆弧形，使拖杆10的端部球头与拖杆导轨11之间为点接触形式，如此可以最大程度的降低拖杆10端部球头与拖杆导轨11之间的摩擦力，提高测量精度；并且拖杆导轨11与模型箱1之间采用可拆卸式结构，如此可以任意调整拖杆导轨11的数量和位置，当测试条件需要调整时，也不用整体更换模型箱1，只需根据需要调整拖杆导轨11即可，有效提高了测量装置的适用性。

本实施例中，测试对象选用细粒尾矿砂；振动台输出的振动波选用ei-centro地震波；模型箱1的底板、后侧板、左侧板和右侧板均采用q235b钢板，模型箱1的前侧板采用钢化玻璃板，模型箱1各板接缝处采用的密封胶为704硅橡胶，模型箱1的左右侧板内表面的内衬层采用聚苯乙烯泡沫，模型箱1的底板与振动台之间采用螺栓进行固定连接；调试电机3采用低速电机，最大功率为15w，支持远程操控调速；刚性框架2采用钢材焊接制造；在模型箱1内部沿高度方向均布设置3根拖杆10。

一种尾矿砂动力表观黏度测量方法，采用了所述的尾矿砂动力表观黏度测量装置，包括如下步骤：

步骤一：将组装好的模型箱1固装到振动台上；在本实施例中，由于在模型箱1内部沿高度方向均布设置3根拖杆10，在实际测试时，只需通过一次拖拽，就可同步完成3种深度下的尾矿砂动力表观黏度测试；

步骤二：将动力牵引组件、数据采集组件及供水组件分别安装到位；

步骤三：采用砂雨法在模型箱1内铺设尾矿砂，每铺设一层尾矿砂，都需要对砂层表面进行平整，然后向模型箱1内注水，直到模型箱1内的水面超过砂层表面至少5cm，保证尾矿砂处于饱和状态；本实施例中，尾矿砂共铺设10层；

步骤四：当模型箱1内的尾矿砂全部铺设完毕后，静置24小时；

步骤五：启动振动台，使模型箱1内饱和尾矿砂发生液化；

步骤六：启动调速电机3，输出拖拽力，使拖杆10在液化尾矿砂中匀速移动；拖拽力的传递过程为：首先通过调速电机3带动丝杠4转动，再通过丝杠4转动同步带动丝母5、滑台6及牵引杆8直线移动，最后通过牵引杆8的直线移动借助牵引钢丝9对拖杆10进行拖拽；由于整个动力牵引组件并不与振动台发生接触，因此有效避免了振动台输出振动对动力牵引组件产生的影响，保证了测试精度。

步骤七：通过公式η＝2(f-eddl)/3vl计算表观黏度，式中，η为表观黏度，f为拖拽力，ed为土压力，d为拖杆直径，l为拖杆长度，v为拖杆移动速度。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。