一种土石料起动剪应力测试试验装置及方法与流程

本发明属于土石坝溃坝机理研究，特别涉及一种土石料起动剪应力测试试验装置及方法。

背景技术：

1、土石料冲蚀特性是决定土石坝溃口扩展速率的关键因素，其中土石料冲蚀特性主要由颗粒起动剪应力和冲蚀速率表征。颗粒起动剪应力是判定坝料是否起动的关键参数，通常通过理论推导或经验公式计算得到，因此得到的土水界面剪应力并不能真实反映土颗粒起动时的受力状态。

2、发明名称为一种土料冲蚀试验装置及方法，申请号为202111263147.6的中国专利，公开了一种基于霍尔效应的电磁效应测力计，将试样下方永磁铁的相对位移转换为电压信号而实现对水流剪切应力的测量。该电磁效应测力计受周围电磁场影响较大，对于微小水流剪应力测量精度差，对于微小位移的捕捉能力较差，通常黏性土和粉质土的起动剪应力范围在0.2pa~10pa之间，因此在测量上述类型土体起动剪应力时误差较大。

技术实现思路

1、为了克服现有冲蚀装置对于微小水流剪应力测量精度差、对于微小位移的捕捉能力差的缺陷，发明了一种用于土石料起动剪应力测试的试验装置，可以直接测量得到起动剪应力，具有较强的抗干扰能力，能够在较小流速下，捕捉微小位移，实现对土体起动剪应力的精准测量。

2、本发明的技术方案为：

3、一种土石料起动剪应力测试试验装置，包括试验管道、变频水泵和控制系统，试验管道的下侧壁开设有供试样伸入试验管道内的试样通道，试样通道外围的试验管道下侧壁连接有固定环，试样通道位于固定环内；固定环中滑动设置有移动活塞，移动活塞的顶部固连有水流剪应力传感器，水流剪应力传感器位于固定环中，水流剪应力传感器的顶部连接在承载试样的试样托盘的底部；试样设置在试样托盘上，试样及试样托盘的外径较固定环的内径小，试样及试样托盘与固定环内壁之间具有间隙；试样的顶部穿过试样通道位于试验管道内，变频水泵将水泵入试验管道内，冲刷试样表面；试样正上方的试验管道侧壁设置有实时检测试样冲刷高度的超声波传感器；

4、移动活塞的底部竖向连接有升降机构，超声波传感器、水流剪应力传感器、变频水泵、升降机构都与控制系统电性连接。

5、水流剪应力传感器实时测量水作用在试样表面的剪应力，超声波传感器实时测量试样表面与超声波传感器之间的距离，判断试样表面被冲刷的高度，可以通过控制系统设置，当试样表面被冲刷掉1mm时，由控制系统启动电机，电机驱动试样向上顶升1mm。通过改变变频水泵的频率，从而改变试验管道中水的流速，变频水泵的频率与试验管道中水的流速之间的关系可通过率定得到，为了进一步得知试验管道中水的流速，还可以在试验管道中设置水流传感器，控制系统可以设置采集数据的时间间隔。

6、超声波在气体及液体中以不同速度传播，定向性好、能量集中，传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，通过测定超声波往返所用时间就可计算出试样与瞄点的实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响。

7、优选地，水流剪应力传感器包括工字型的连接架、连接板、应变片和安装块，连接架、连接板和安装块都为聚碳酸酯材质，连接架有两个，每个连接架包括固定杆和位于固定杆两端的连接杆一和连接杆二，连接板竖向设置，两个固定杆水平连接在连接板的上下两端，两个连接架平行设置，连接板上端的连接架命名为连接架一，连接板下端的连接架命名为连接架二，从连接架一上方向下看，两个连接架的投影完全重合；

8、连接架一的连接杆一和连接杆二的两端都分别通过安装块与一个应变片的一端连接，每个应变片的另一端均与连接架二的相应连接杆对应连接，至少包括四个应变片，且都竖向设置，并与连接板平行；应变片通过全桥电路连接，传感器信号线伸出装置外，通过传感器信号线测量水流剪应力传感器内部电路输出电压。

9、优选地，试样托盘与水流剪应力传感器之间的连接结构为：试样托盘下底面向上凹陷形成一个用于容纳传感器安装板的腔体，传感器安装板卡设于该腔体中，水流剪应力传感器的连接架一通过固定螺栓一与传感器安装板连接。

10、优选地，水流剪应力传感器与移动活塞之间的连接结构为：移动活塞顶部向下凹陷，形成凹槽一，水流剪应力传感器的连接架二通过固定螺栓二固定于移动活塞的凹槽一中，位于传感器两侧的凹槽一的底壁开设有穿线孔和过水孔；移动活塞底部向上凹陷，形成凹槽二，穿线孔、过水孔连通凹槽一和凹槽二，穿线孔中连接有穿线管，传感器信号线穿过穿线管向下伸出凹槽二，与控制系统连接；过水孔中连接有排水管，排水管竖向设置并伸出凹槽二。

11、优选地，升降机构包括固定套管、滚珠丝杠副和底板，固定套管和滚珠丝杠副竖向设置，固定套管的顶端与移动活塞固连，固定套管的底端与滚珠丝杠副的螺帽固连，滚珠丝杠的顶端伸入固定套管内，滚珠丝杠的底端转动连接在底板上；固定套管、滚珠丝杠副的中心轴线与试样、固定环的中心轴线重合；

12、底板上设置有电机和减速器，减速器的输出端连接有同步带轮一，滚珠丝杠的相应位置连接有同步带轮二，同步带轮一与同步带轮二通过同步带连接；

13、超声波传感器、水流剪应力传感器、变频水泵、电机都与控制系统电性连接。

14、减速器可采用行星减速器，与滚珠丝杠副通过同步带轮、同步带连接，驱动滚珠丝杠转动，带动试样向上顶升；受超声波传感器信号及控制系统的控制。

15、优选地，为了盛接、回收排水管中的水，固定套管上固连有上定位环，上定位环上设置有接水盘，接水盘位于排水管的下方。

16、为了对固定套管的上、下移动设置限位，使移动活塞移动的更平稳，位于上定位环下方的固定套管上固连有下定位环，底板上位于滚珠丝杠的两侧各连接有一个滑杆，滑杆竖向设置，两个滑杆都穿过上定位环和下定位环，两个滑杆的顶端连接在试验管道下侧壁；其中一个滑杆上竖向连接有一个金属管，金属管与该滑杆之间具有间隙，位于上定位环上方的金属管设置有上限位器，位于下定位环下方的金属管设置有下限位器；为了检测试验管道中水的流速，金属管的顶端连接有l型的皮托管，皮托管的全压进气孔伸入试验管道中。

17、变频水泵可将蓄水箱内的水泵入试验管道中，皮托管实时测量进入试验管道中水的流速，并将数据传输给控制系统，控制系统通过调节变频水泵的频率，控制泵入试验管道中水的流量，通过控制流量大小进而控制入流流速。

18、一种土石料起动剪应力测试试验装置的试验方法，包括以下步骤：

19、步骤1，率定水流剪应力传感器，将水流剪应力传感器固定安装在试样托盘底部，试样托盘的一侧设置一个定滑轮，定滑轮与试样托盘间隔设置，在试样托盘上固定一根绳索，绳索的一端固定在试样托盘上，另一端绕过定滑轮后连接砝码，砝码的质量已知，保持试样托盘与定滑轮之间的绳索为水平张紧状态；

20、步骤2，率定好水流剪应力传感器后，在试样托盘上制样，将试样、试样托盘及水流剪应力传感器一同安装于移动活塞顶部，再将试样、水流剪应力传感器和移动活塞整体放置于固定环内；

21、步骤3，根据试验所需流速值设置变频水泵的变频器频率；

22、步骤4，检查试验装置的密封性，依据制备试样高度，调整上、下行限位器位置，设置滚珠丝杠副的行程；

23、步骤5，调整水流剪应力传感器数值为0pa；

24、步骤6，针对黏性土或粉质土这类颗粒较小的试样，至少开展5组试验：

25、第1组试验：开启变频水泵，通过变频水泵将水泵入试验管道，肉眼观察试样表面颗粒起动时，读取其流速数值，并保持该流速恒定，测定单位时间内试样冲蚀高度，得到相应的冲蚀速率；并读取水流剪应力传感器的数值，将水流剪应力传感器的数值与步骤1中率定得到的数值相乘，再除以试样截面面积，即为此时的水流剪应力；

26、第2组试验：待第1组试验结束后，重新更换试样，继续增大变频器频率，并保持该流速恒定冲蚀试样表面，得到相应的冲蚀速率和水流剪应力；以此类推，做至少5组试验；

27、以多组试验得到的冲蚀速率为横轴，水流剪应力为纵轴，通过在坐标轴绘制点数据，选择合适的拟合曲线，取交于纵轴的点，该点的纵坐标数值即为黏性土或粉质土的起动剪应力。

28、进一步地，针对以粗粒土为主的土石料，肉眼观察到颗粒起动的时刻，即为土石料的临界启动时刻，该时刻对应的剪应力数值即为起动剪应力。

29、优选地，步骤1中率定水流剪应力传感器的具体方法为：分别选取1g、2g、5g、10g、20g和50g砝码，绕过定滑轮挂在绳索的一端，分别测量传感器信号线输出电压，得到6个不同的电压数值，6个不同重量的砝码对应的6个电压数值为1组测试，通过线性拟合得出线性函数，该函数的斜率，即为1个数值；再将砝码质量分别替换为50g、20g、10g、5g、2g和1g，并按此顺序分别测试，按与前述方法一样，拟合得到另1个数值，按此方法进行2次或多次重复测量，得到多个数值，取多个数值的平均数为最终常数值，不同测试所得数值与其平均值的相对误差小于0.1%；步骤6中读取水流剪应力传感器的数值，与该最终常数值相乘，再除以试样截面面积，即为水流剪应力的数值。

30、进一步地，步骤1之前还包括：

31、步骤a，测定土石料的基本物理力学性质参数，针对黏性土或粉质土，测定其最大干密度、最优含水率、黏聚力、内摩擦角、比重和颗粒级配参数；针对以粗粒土为主的土石混合料，测定其最大密实度、比重和颗粒级配参数。

32、测定最优含水率和最大干密度主要是为了制样用，而其余力学性质参数是为了后续分析用，建立不同力学性质参数与土石料抗侵蚀能力的关系。

33、有益效果：本发明克服了现有技术测量水流剪应力不准确、对于微小位移的捕捉能力差的缺陷，先通过微小水流使土体颗粒启动冲蚀，测量冲蚀速率和水流剪应力，然后增大水流流速，相应测量每个流速下的冲蚀速率和水流剪应力，最后通过拟合曲线，得到启动剪应力；本发明设计的基于全桥电路的水流剪应力传感器可提高测量精度，并有较好的稳定性，尤其是针对起动剪应力较小的黏性土或粉质土测试结果可靠。

34、本发明利用超声波传感器测距，计算得到坝体材料冲蚀速率的方法，使冲蚀速率测量精准度更高，将水流剪应力传感器、流速传感器及超声波传感器与升降机构共同受控制系统驱动，能够实现冲蚀试验自动化控制过程，并能够实现自动采集土体冲蚀试验过程中的起动剪应力、实时水流剪应力与冲蚀速率。