[发明专利]一种原位评价砂土冲刷特性的喷射探头装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可原位评价土体冲刷特性的喷射探头装置及方法，属于水利工程、岩土工程与海洋工程等领域中能够方便、快速的评价砂土冲刷侵蚀特性的原位测试装置。

背景技术

基础冲刷特性评价对构筑物设计和使用过程的稳定性估算是十分重要的。2001年美国学者Briaud指出60%的桥梁破坏是由于桥墩或桥台结构冲刷失稳引起的。对各种类型的基础结构来说，设计阶段明确基础尤其是砂土地基的冲刷特性以及最大抗冲刷深度是十分重要的；使用阶段评估冲刷潜势和确定侵蚀率对于保持结构稳定性和建立合理的维修养护制度也是十分必要的。在土木工程及相应领域内，评价基础冲刷特性和估算侵蚀率不仅对于桥桩基础十分重要，对于涵洞、大坝、防洪堤和海洋石油钻井平台等都是十分重要的。随着人类对环境的不断破坏，自然灾害频发，飓风就是其中的一种，如2011年的“艾琳”飓风就使得北卡罗莱那州的某个海岸产生了一个长达274m的缺口，阻断了当地的交通运输，造成了严重的经济损失。因此，砂土冲刷特性的评价对于沿海地区基础设施增强抵御自然灾害有着十分重要的意义。

国内现有评价砂土或砂土地基冲刷特性的方法主要是基于室内试验，如水槽试验等，虽然这些评价方法具有一定的优点，但是仍存在一些无法克服的缺陷，如砂土或砂性土黏结性较差，原位取样具有一定的困难且扰动较大、室内模型试验费用较高、耗时较长且难以模拟现场原位条件，试验结果可靠度较差，评价效果不理想，继而重点转向原位测试技术。原位测试技术避免了上述取样扰动、耗时长和可靠度差等特点，具有方便、快捷、原位、准确等特点。本发明公布的一种原位评价砂土冲刷特性的喷射探头装置及方法，提供了一种可以原位、方便的测试砂土的侵蚀率，可靠准确的评价砂土的冲刷特性的装置及方法。整个测试过程简单、易操作，数据采集自动化，数据处理简单、快捷。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对国内现有评价砂土冲刷特性存在的取样困难、室内试验耗时长、费用高等缺陷，提出一种可用于水利工程、岩土工程和海洋工程等领域的可现场原位评价砂土冲刷、侵蚀特性的一种原位评价砂土冲刷特性的喷射探头装置。

技术方案：本发明的一种原位评价砂土冲刷特性的喷射探头装置上部为空心不锈钢导杆，下部为喷射探头，喷射探头的底部为圆锥锥头，圆锥锥头的底端分布有喷射孔；喷射探头的顶部为螺纹接头，用于与空心不锈钢导杆的下部连接；整个空心不锈钢导杆和喷射探头沿长度方向上均设置有刻度标识线，空心不锈钢导杆的顶部通过橡胶水管与抽水泵相连接，整个测试装置通过铝合金三脚架固定。

空心不锈钢导杆的外径为50mm，内径为45mm，长度为2m。

喷射探头为不锈钢材料，外径为50mm，内径为45mm，总长度为152cm；底部圆锥锥头的锥角为60°，高度为20mm，喷射孔的直径为20mm。

本发明的一种原位评价砂土冲刷特性的喷射探头装置，其测试装置部分主要由喷射探头、空心不锈钢导杆、抽水泵以及铝合金三脚架组成。首先将导杆与喷射探头连接，连接好橡胶水管和抽水泵，通过铝合金三脚架将导杆和喷射探头垂直放置，安装完成后，在测试设备一旁放置一个数码录像机，开动抽水泵以及数码录像机，水流经导管流向导杆，最终由喷射探头的喷射孔流出，此时导杆与喷射探头逐渐垂直往下沉降。通过数码录像机以及测试装置上的刻度标识线记录每一时刻喷射探头下降的数值，由抽水泵的功率、型号以及记录时间计算出水流的喷射速度，统计分析相关记录数据并根据Annandale G W(2006)提出的侵蚀率计算式评价砂土的冲刷特性，其计算表达式如下：

E=k'_d(P_applied-P_c)

式中，E为砂土侵蚀率cm/s；k'_d脱离速率系数；P_applied水流功率w/m²；P_c临界水流功率w/m²。

有益效果：桥梁桩基、堤坝以及海岸构筑物的设计及使用时，都需要考虑水流对砂土地基的冲刷侵蚀作用，冲刷程度的大小与构筑物的安全使用和正常使用寿命密切相关，如设计不当则会使得构筑物破坏或未达到规定的设计使用年限，造成社会资源浪费。侵蚀率是表征砂土抗冲刷性能的重要参数之一，本发明解决了国内现有的评价砂土冲刷特性方法存在的缺陷，如取样困难、室内试验程序繁多、耗时长、费用高等，能原位、方便、快速的测定砂土的侵蚀率，有效评价其冲刷特性。该项发明技术具有简便、易操作和可靠性的特点。

附图说明