專利名稱：一種原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可原位評價土體沖刷特性的噴射探頭裝置及方法，屬于水利工程、巖土工程與海洋工程等領(lǐng)域中能夠方便、快速的評價砂土沖刷侵蝕特性的原位測試裝置。
背景技術(shù)：
基礎(chǔ)沖刷特性評價對構(gòu)筑物設(shè)計和使用過程的穩(wěn)定性估算是十分重要的。2001年美國學(xué)者Briaud指出60%的橋梁破壞是由于橋墩或橋臺結(jié)構(gòu)沖刷失穩(wěn)引起的。對各種類型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來說，設(shè)計階段明確基礎(chǔ)尤其是砂土地基的沖刷特性以及最大抗沖刷深度是十分重要的；使用階段評估沖刷潛勢和確定侵蝕率對于保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和建立合理的維修養(yǎng)護制度也是十分必要的。在土木工程及相應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)，評價基礎(chǔ)沖刷特性和估算侵蝕率不僅對于橋樁基礎(chǔ)十分重要，對于涵洞、大壩、防洪堤和海洋石油鉆井平臺等都是十分重要的。隨著人類對環(huán)境的不斷破壞，自然災(zāi)害頻發(fā)，颶風(fēng)就是其中的一種，如2011年的“艾琳”颶風(fēng)就使得北卡羅萊那州的某個海岸產(chǎn)生了一個長達(dá)274m的缺口，阻斷了當(dāng)?shù)氐慕煌ㄟ\輸，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。因此，砂土沖刷特性的評價對于沿海地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施增強抵御自然災(zāi)害有著十分重要的意義。國內(nèi)現(xiàn)有評價砂土或砂土地基沖刷特性的方法主要是基于室內(nèi)試驗，如水槽試驗等，雖然這些評價方法具有一定的優(yōu)點，但是仍存在一些無法克服的缺陷，如砂土或砂性土黏結(jié)性較差，原位取樣具有一定的困難且擾動較大、室內(nèi)模型試驗費用較高、耗時較長且難以模擬現(xiàn)場原位條件，試驗結(jié)果可靠度較差，評價效果不理想，繼而重點轉(zhuǎn)向原位測試技術(shù)。原位測試技術(shù)避免了上述取樣擾動、耗時長和可靠度差等特點，具有方便、快捷、原位、準(zhǔn)確等特點。本發(fā)明公布的一種原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置及方法，提供了一種可以原位、方便的測試砂土的侵蝕率，可靠準(zhǔn)確的評價砂土的沖刷特性的裝置及方法。整個測試過程簡單、易操作，數(shù)據(jù)采集`自動化，數(shù)據(jù)處理簡單、快捷。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對國內(nèi)現(xiàn)有評價砂土沖刷特性存在的取樣困難、室內(nèi)試驗耗時長、費用高等缺陷，提出一種可用于水利工程、巖土工程和海洋工程等領(lǐng)域的可現(xiàn)場原位評價砂土沖刷、侵蝕特性的一種原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置。技術(shù)方案:本發(fā)明的一種原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置上部為空心不銹鋼導(dǎo)桿，下部為噴射探頭，噴射探頭的底部為圓錐錐頭，圓錐錐頭的底端分布有噴射孔；噴射探頭的頂部為螺紋接頭，用于與空心不銹鋼導(dǎo)桿的下部連接；整個空心不銹鋼導(dǎo)桿和噴射探頭沿長度方向上均設(shè)置有刻度標(biāo)識線，空心不銹鋼導(dǎo)桿的頂部通過橡膠水管與抽水泵相連接，整個測試裝置通過鋁合金三腳架固定?？招牟讳P鋼導(dǎo)桿的外徑為50mm,內(nèi)徑為45mm,長度為2m。
噴射探頭為不銹鋼材料，外徑為50mm,內(nèi)徑為45mm,總長度為152cm ;底部圓錐錐頭的錐角為60°，高度為20mm，噴射孔的直徑為20mm。本發(fā)明的一種原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置，其測試裝置部分主要由噴射探頭、空心不銹鋼導(dǎo)桿、抽水泵以及鋁合金三腳架組成。首先將導(dǎo)桿與噴射探頭連接，連接好橡膠水管和抽水泵，通過鋁合金三腳架將導(dǎo)桿和噴射探頭垂直放置，安裝完成后，在測試設(shè)備一旁放置一個數(shù)碼錄像機，開動抽水泵以及數(shù)碼錄像機，水流經(jīng)導(dǎo)管流向?qū)U，最終由噴射探頭的噴射孔流出，此時導(dǎo)桿與噴射探頭逐漸垂直往下沉降。通過數(shù)碼錄像機以及測試裝置上的刻度標(biāo)識線記錄每一時刻噴射探頭下降的數(shù)值，由抽水泵的功率、型號以及記錄時間計算出水流的噴射速度，統(tǒng)計分析相關(guān)記錄數(shù)據(jù)并根據(jù)Annandale G W(2006)提出的侵蝕率計算式評價砂土的沖刷特性，其計算表達(dá)式如下:E=k’d (Papplie d-Pc)式中，E為砂土侵蝕率cm/s ;k’ d脫離速率系數(shù)；Papplied水流功率w/m2 ；PC臨界水流功率w/m2。有益效果:橋梁樁基、堤壩以及海岸構(gòu)筑物的設(shè)計及使用時，都需要考慮水流對砂土地基的沖刷侵蝕作用，沖刷程度的大小與構(gòu)筑物的安全使用和正常使用壽命密切相關(guān)，如設(shè)計不當(dāng)則會使得構(gòu)筑物破壞或未達(dá)到規(guī)定的設(shè)計使用年限，造成社會資源浪費。侵蝕率是表征砂土抗沖刷性能的重要參數(shù)之一，本發(fā)明解決了國內(nèi)現(xiàn)有的評價砂土沖刷特性方法存在的缺陷，如取樣困難、室內(nèi)試驗程序繁多、耗時長、費用高等，能原位、方便、快速的測定砂土的侵蝕率，有效評價其沖刷特性。該項發(fā)明技術(shù)具有簡便、易操作和可靠性的特點。


圖1是本發(fā)明的測試裝置示意圖；圖2是噴射探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2的底面圖；其中有:空心不銹鋼導(dǎo)桿1、噴射探頭2、圓錐錐頭3、噴射孔4、螺紋接頭5、刻度標(biāo)識線6、橡膠水管7、抽水泵8、鋁合金三腳架9。
具體實施例方式本發(fā)明的可以原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置及方法，該裝置頂部為空心不銹鋼導(dǎo)桿1，空心不銹鋼導(dǎo)桿I的下部連接為噴射探頭2，噴射探頭2的底部為圓錐錐頭3，圓錐探頭3的底端分布有噴射孔4，噴射探頭2的頂部為螺紋接頭5，整個空心不銹鋼導(dǎo)桿I和噴射探頭2沿長度方向上均設(shè)置有刻度標(biāo)識線6，空心不銹鋼導(dǎo)桿I的頂部連接有橡膠水管7，橡膠水管7與抽水泵8相連接，整個測試裝置通過鋁合金三腳架9固定。所述的空心不銹鋼導(dǎo)桿I的外徑為50mm,內(nèi)徑為45mm,長度為2m。所述的噴射探頭2為不銹鋼材料,外徑為50mm,內(nèi)徑45mm,總長度152cm ;底部圓錐錐頭3的錐角為60°，高度為20mm，噴射孔4的直徑為20mm。侵蝕率是表征砂土抗沖刷特性的重要參數(shù)之一，與砂土的顆粒粒徑分布、水流速度、水流形態(tài)等因素密切相關(guān)。砂土由于現(xiàn)場取樣困難，擾動較大，室內(nèi)試驗測試結(jié)果精確度較差且耗時、費用高，難以合理的對其抗沖刷特性進行評價，因此需要原位測試技術(shù)來測試與評價。可測試砂土侵蝕率的噴射探頭裝置主要由噴射探頭、空心不銹鋼導(dǎo)桿、抽水泵以及鋁合金三腳架組成。首先將導(dǎo)桿與噴射探頭連接，連接好橡膠水管和抽水泵，通過鋁合金三腳架將導(dǎo)桿和噴射探頭垂直放置，安裝完成后，在測試設(shè)備一旁放置一個數(shù)碼錄像機，開動抽水泵以及數(shù)碼錄像機，水流經(jīng)導(dǎo)管流向?qū)U，最終由噴射探頭的噴射孔流出，此時導(dǎo)桿與噴射探頭逐漸垂直往下沉降。通過導(dǎo)桿與噴射探頭上的刻度標(biāo)識線以及數(shù)字解碼技術(shù)將錄制的錄像按最低45s間隔讀取一個沉降數(shù)值，繪制探頭貫入速率與水流功率之間的半對數(shù)關(guān)系圖，得到兩參數(shù)間的擬合曲線，其中水流功率可通過下式計算:P = Y qH其中，P為水流功率W/m2 ； Y為水的重度kg/m3 ；q為單位面積的流量m/t ；H為水頭差m。根據(jù)探頭貫入速率與水流功率之間的半對數(shù)關(guān)系圖，可以得到臨界水流功率P。，即貫入速率為零時的水流功率和砂土顆粒在水流作用下的脫離速率系數(shù)k’ d，即擬合曲線的斜率。根據(jù)Annandale G W(2006)提出的侵蝕率計算式評價砂土的沖刷特性,其計算表達(dá)式如下:E=k’d (Papplied-Pc)式中，E為砂土侵蝕率cm/s ;k’ d脫離速率系數(shù)；Papplied水流功率w/m2 ；PC臨界水流功率w/m2。上述測試數(shù)據(jù)處理及計算過程通常采用計算機編程或編制相應(yīng)的Excel表格，將讀取數(shù)據(jù)記錄之中，即可得到相應(yīng)的擬合曲線以及侵蝕率等計算結(jié)果。該評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置及方法 具有操作簡便、準(zhǔn)確可靠且避免了原位取樣擾動和室內(nèi)試驗等缺陷。
權(quán)利要求
1.一種原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置，其特征在于該裝置上部為空心不銹鋼導(dǎo)桿(1)，下部為噴射探頭(2 )，噴射探頭(2 )的底部為圓錐錐頭(3 )，圓錐錐頭(3 )的底端分布有噴射孔(4);噴射探頭(2)的頂部為螺紋接頭(5)，用于與空心不銹鋼導(dǎo)桿(I)的下部連接；整個空心不銹鋼導(dǎo)桿(I)和噴射探頭(2)沿長度方向上均設(shè)置有刻度標(biāo)識線(6)，空心不銹鋼導(dǎo)桿(I)的頂部通過橡膠水管(7 )與抽水泵(8 )相連接，整個測試裝置通過鋁合金三腳架(9)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置，其特征在于空心不銹鋼導(dǎo)桿(1)的外徑為50mm,內(nèi)徑為45mm,長度為2m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置，其特征在于噴射探頭(2)為不銹鋼材料，外徑為50mm，內(nèi)徑為45mm，總長度為152cm ;底部圓錐錐頭(3)的錐角為60°，高度為20mm，噴射孔(4)的直徑為20mm。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種原位評價砂土沖刷特性的噴射探頭裝置，該裝置上部為空心不銹鋼導(dǎo)桿(1)，下部為噴射探頭(2)，噴射探頭(2)的底部為圓錐錐頭(3)，圓錐錐頭(3)的底端分布有噴射孔(4)；噴射探頭(2)的頂部為螺紋接頭(5)，用于與空心不銹鋼導(dǎo)桿(1)的下部連接；整個空心不銹鋼導(dǎo)桿(1)和噴射探頭(2)沿長度方向上均設(shè)置有刻度標(biāo)識線(6)，空心不銹鋼導(dǎo)桿(1)的頂部通過橡膠水管(7)與抽水泵(8)相連接，整個測試裝置通過鋁合金三腳架(9)固定。采用該測試裝置，具有原位、方便、快速、經(jīng)濟等特點，為水利、巖土和海洋工程領(lǐng)域砂土的沖刷、侵蝕特性提供有力的評價手段。
文檔編號E02D1/00GK103255758SQ20131022010
公開日2013年8月21日 申請日期2013年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年6月3日
發(fā)明者張濤, 蔡國軍 申請人:東南大學(xué)