一种模拟水下土体切削与耙齿优化的多功能设备

摘要

本发明涉及一种模拟水下土体切削与耙齿优化的多功能设备，包括构成密封空间的试验土槽和土槽盖板，以及于试验土槽内的弹簧加载装置；设于弹簧加载装置上的耙齿固定装置；设于耙齿固定装置上的耙齿；设于土槽盖板上的孔隙水汽化观测装置；试验土槽内依次填入试验土体和密封水体，耙齿通过耙齿固定装置调节耙齿安装角度，并通过弹簧加载装置的作用切削试验土体，孔隙水汽化观测装置观测试验土体切削过程中的汽化程度。与现有技术相比，本发明构造简单，易于改造，可靠性强，适用性广，成本低；能直观再现水下土体切削过程与切削阻力形成机制；容易实现水下土体切削所需最低牵引动力、耙齿最佳行进速度、孔隙水汽化的定量测试。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程中的疏浚工程领域，尤其是涉及一种模拟水下土体切削 与耙齿优化的多功能设备。

背景技术

现代疏浚工程的快速发展，使得挖掘深度变深、规模增大，这对挖泥船的疏 浚能力和疏浚技术改进的需求越来越高。同时，我国漫长海岸线上的主要港口与进 港航道的底质复杂多变，经常会遇到密实板结粉土、细沙和硬质粘土的情况，这种 难挖的土质直接影响挖泥船的生产效率和施工进度。如何提高挖泥船的泥沙挖掘效 率，是一个亟待解决的问题。耙吸式挖泥船所用耙头的性能直接影响其施工效率， 因此，如何科学模拟水下土体切削过程和进行高效能耙齿的自主研发，已经成为我 国疏浚技术领域亟待解决的难点问题。然而，目前国内外还缺乏实用有效的分析方 法，通常是依靠工程经验设计耙齿，具有很大的盲目性。为弥补理论分析的局限性， 对于新型耙齿的自主研发，迫切需要结合简单易行的室内模型试验进行分析，其中 的关键技术是如何有效模拟水下土体切削过程中的孔隙水高负压及定量分析孔隙 水汽化强度，从水下土体切削阻力形成机制的模型试验进行新型耙齿的研发，目前 尚未发现该类模拟装置的报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟水下土 体切削与耙齿优化的多功能设备，可以实现水下土体切削阻力形成机制的模拟、剪 胀特性的测试、孔隙水汽化规律的观测以及对耙齿优化设计提供试验依据。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟水下土体切削与耙齿优化的多功能设备包括构成密封空间的试验土 槽和土槽盖板，还包括：

设于试验土槽内的弹簧加载装置；

设于弹簧加载装置上的耙齿固定装置；

设于耙齿固定装置上的耙齿；

设于土槽盖板上的孔隙水汽化观测装置；

试验土槽内依次填入试验土体和密封水体，耙齿通过耙齿固定装置调节耙齿安 装角度，并通过弹簧加载装置的作用切削试验土体，孔隙水汽化观测装置观测试验 土体切削过程中的汽化程度。

所述弹簧加载装置包括弹簧移动端滑块、加载弹簧、弹簧固定端滑块、滑块固 定螺丝、水平加载滑杆和弹簧张拉固定机构，所述弹簧移动端滑块、加载弹簧、弹 簧固定端滑块依次连接并套设在水平加载滑杆上，所述滑块固定螺丝分别设于弹簧 移动端滑块和弹簧固定端滑块上，旋转滑块固定螺丝使其压紧水平加载滑杆，所述 水平加载滑杆的两端设于试验土槽内，所述弹簧张拉固定机构设于试验土槽上，弹 簧张拉固定机构固定弹簧移动端滑块的初始位置，所述耙齿固定装置设于弹簧移动 端滑块上。

所述弹簧移动端滑块、弹簧固定端滑块与水平加载滑杆的接触面上均设有滚 珠。

所述弹簧张拉固定机构包括夹线螺栓、螺母和连接钢丝，所述试验土槽上设有 与夹线螺栓配合连接的螺纹孔，所述螺母设于螺纹孔上，并与夹线螺栓配合连接， 所述夹线螺栓的螺杆端部设有开口，所述连接钢丝的一端连接弹簧移动端滑块，旋 转夹线螺栓使得连接钢丝的另一端固定于闭合的开口内。

所述耙齿固定装置包括耙齿固定支架和耙齿安装角度调节螺栓，所述耙齿固定 支架设于弹簧加载装置上，并与耙齿的端部铰接，所述耙齿安装角度调节螺栓一端 与耙齿固定支架螺纹配合连接，另一端与耙齿的中部铰接，通过调节耙齿安装角度 调节螺栓进而调节耙齿安装角度。

所述耙齿安装角度为耙齿与水平线的夹角，取值范围为30°～120°。

所述孔隙水汽化观测装置为固定在土槽盖板上的细玻璃管，所述细玻璃管一端 开口连通试验土槽的内腔，细玻璃管侧面上刻有刻度标识。

所述试验土槽和土槽盖板通过地脚螺栓固定连接，试验土槽和土槽盖板之间设 有密闭橡胶垫。

所述试验土槽的一侧板和土槽盖板采用供试验摄像与观测的钢化玻璃。

所述土槽盖板上设有用于抽真空的真空抽气管路。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)试验土体置于试验土槽中，土体可以是现场原状取土，也可以是按设计要 求填筑土体。耙齿固定装置与弹簧加载装置为刚性连接，在弹簧加载装置的水平牵 引动力下产生运动，并带动耙齿水平切削土体。因此本发明能直观再现水下土体切 削过程与切削阻力形成机制。若采用现场原状土样，则测试结果更具生产指导意义， 适用于水利工程中的疏浚工程领域的研究开发。

2)耙齿切削土体的速度可通过变换加载弹簧初始张拉力实现，弹簧加载能连 续可调。水下土体切削牵引动力可通过改变加载弹簧伸长量和刚度进行调节。通过 孔隙水汽化观测装置可以定量观测水下土体切削过程中的孔隙水汽化强度。因此本 发明容易实现水下土体切削所需最低牵引动力、耙齿最佳行进速度、孔隙水汽化等 的定量测试。

3)耙齿为凿型齿模型，耙齿安装在耙齿固定装置上，其切削土体的角度可通 过连接螺栓调节。因此本发明易于定量测试耙齿的工作性能，实现研发新型、高性 能耙齿。

4)本发明构造简单，易于改造，可靠性强，适用性广，成本低。

5)弹簧移动端滑块与弹簧固定端滑块内有滑动滚珠，可有效地消除其与水平 加载滑杆的摩擦阻力，保证耙齿顺利切削水下土体。

6)土槽盖板与试验土槽以地脚螺栓固定，并以密封橡胶垫进行密封，形成刚 性密闭容器，真空抽气管路进一步进行真空抽气，使得土体饱和，保证试验测试的 精准，且试验土槽的一面侧板和土槽盖板为透明的钢化玻璃，以提供试验中的摄像 与观测之用，直观性好。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的侧视结构示意图；

图4为弹簧张拉固定机构部分的局部放大图；

图5为耙齿部分的局部放大图。

图中：1、试验土槽，2、试验土体，3、耙齿，4、耙齿固定支架，5、耙齿安 装角度调节螺栓，6、弹簧移动端滑块，7、加载弹簧，8、弹簧固定端滑块，9、滑 块固定螺丝，10、水平加载滑杆，11、土槽盖板，12、螺孔，13、密封橡胶垫，14、 弹簧张拉固定机构，15、孔隙水汽化观测装置，16、密封水体，17、真空抽气管路， 18、阀门，51、夹线螺栓，52、螺母，53、连接钢丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

如图1、图2、图3所示，一种模拟水下土体切削与耙齿优化的多功能设备包 括试验土槽1、土槽盖板11、弹簧加载装置、耙齿3固定装置、耙齿3和孔隙水汽 化观测装置15，具体连接关系如下：

试验土体2置于试验土槽1中，试验土体2可以是现场原状取土，也可以是按 设计要求填筑土体。试验土槽1和土槽盖板11通过螺孔12以地脚螺栓固定，并以 密封橡胶垫13进行密封，且土槽盖板11上设有用于抽真空的真空抽气管路17。

耙齿3固定装置包括耙齿固定支架4和耙齿安装角度调节螺栓5，耙齿固定支 架4并与耙齿3的端部铰接，可自由转动，耙齿安装角度调节螺栓5一端与耙齿固 定支架4螺纹配合连接，另一端与耙齿3的中部铰接，通过调节耙齿安装角度调节 螺栓5的长度进而实现耙齿3的不同安装角度。

弹簧加载装置包括弹簧移动端滑块6、加载弹簧7、弹簧固定端滑块8、滑块 固定螺丝9、水平加载滑杆10和弹簧张拉固定机构14，弹簧移动端滑块6、加载 弹簧7、弹簧固定端滑块8依次连接并套设在水平加载滑杆10上，滑块固定螺丝9 分别设于弹簧移动端滑块6和弹簧固定端滑块8上，旋转滑块固定螺丝9使其压紧 水平加载滑杆10，水平加载滑杆10的两端设于试验土槽1内，弹簧张拉固定机构 14设于试验土槽1上，弹簧张拉固定机构14固定弹簧移动端滑块6的初始位置， 耙齿固定支架4设于弹簧移动端滑块6上。弹簧移动端滑块6被加载推至左侧预定 位置，临时拧紧滑块固定螺丝9后，以弹簧张拉固定机构14将弹簧移动端滑块6 固定，接着可拧松滑块固定螺丝9。

其中，弹簧移动端滑块6、弹簧固定端滑块8与水平加载滑杆10的接触面上 均匀设置有滚珠，其与水平加载滑杆10的摩擦阻力可忽略。

如图4所示，弹簧张拉固定机构14包括夹线螺栓51、螺母52和连接钢丝53， 试验土槽1上设有与夹线螺栓51配合连接的螺纹孔，螺母52设于螺纹孔上，并与 夹线螺栓51配合连接，夹线螺栓51的螺杆端部设有V型的开口，连接钢丝53的 一端连接弹簧移动端滑块6，连接钢丝53的另一端为圆体状，V型的开口内设有 圆体状凹槽，夹线螺栓51在往回拧过程中开口闭合，将连接钢丝53的另一端夹紧， 即连接钢丝53的圆体状端部位于圆体状凹槽内，拧紧螺母52可固定夹线螺栓51， 而夹线螺栓51向前拧时，则开口张开，连接钢丝53被释放。试验时，只需拧松弹 簧张拉固定机构14，释放其与弹簧移动端滑块6的连接，则可实现耙齿3的前行 切削模拟。

孔隙水汽化观测装置15为固定在土槽盖板11上的细玻璃管，细玻璃管一端开 口连通试验土槽1的内腔，细玻璃管侧面上刻有刻度标识，用以表征水下土体切削 过程中的汽化程度，通过细玻璃管内的水柱长度增加量，直观、定量地反映水下土 体在切削过程中的孔隙水汽化强度。

所以，弹簧移动端滑块6在加载弹簧7拉力作用下向右侧运动过程中，耙齿3 以相同速度移动、切削土体，模拟水下土体的耙齿3切削过程。弹簧移动端滑块6、 弹簧固定端滑块8和加载弹簧7都在水平加载滑杆10上滑动，均以滑块固定螺丝 9临时固定。调整弹簧移动端滑块6与弹簧固定端滑块8之间距离、加载弹簧7的 刚度，可得到不同的弹簧最大加载张拉力，从而实现耙齿3移动速度的调节。

本实施例中，试验土槽1的内空尺寸包括：长为200cm，宽为75cm，高为50cm。 试验土槽1的一侧板和土槽盖板11为钢化玻璃，以提供试验中的摄像与观测之用， 试验土槽1的其它侧板与底板都是钢板，钢化玻璃与钢板厚度均为20mm。水平加 载滑杆10为两个平行设置的钢棒，直径30mm，长度与试验土槽1长度相同。加 载弹簧7自由长度100cm，设计最大伸长85cm，每根弹簧设计最大加载5kN。耙 齿3为凿型齿模型，长度20cm，宽度10cm，如图5所示，虚线为理论切削线，试 验土体2高h₂，表层水高h₁，耙齿3与水平线的夹角为θ，则安装切削角θ可连续 调整的范围为30°～120°，切削速度可连续可调，最大速度v可达1.0m/s以上，耙 齿3在试验土体2中的深度h_c，与饱和土接触面设置孔压监测面。

本装置的工作过程：

1)在试验土槽1底部铺设25cm厚度的粉细砂；

2)调整耙齿安装角度调节螺栓5的长度，取得设计耙齿3切削角，并按耙齿 3底端高程和土体切削厚度清除设计土面高程以上的多余土体，挖除土槽左侧 10～50cm范围的耙齿3底端以上土体，用以耙齿3切削作业中的初始加速；

3)将耙齿3、耙齿3固定装置和弹簧加载装置安装就位；

4)将弹簧固定端滑块8移动到预定位置，拧紧滑块固定螺丝9进行固定，再 以千斤顶将弹簧移动端滑块6推至土槽左侧，先拧紧滑块固定螺丝9临时固定；

5)安装弹簧张拉固定机构14，将弹簧移动端滑块6与连接钢丝53进行固定， 连接钢丝53另一端嵌入夹线螺栓51开口中，并回拧夹线螺栓51直至连接钢丝53 完全绷紧；

6)确认弹簧加载装置所有连接无误后慢慢拧松弹簧移动端滑块6上的滑块固 定螺丝9，使得后续步骤中的弹簧移动端滑块6能在水平加载滑杆10上自由滑动；

7)向试验土槽1中缓慢加水直至加满，再将土槽盖板11安装就位，通过真空 抽气管路17对试验土槽1抽真空，使得土体完全饱和，并补充密封水体16直至试 验土槽1完全被水充满，且孔隙水汽化观测装置15内的水柱长度必须达到测读刻 度最低值以上，便于试验中观测其变化值；

8)最后，确定试验土槽1完全密封后，打开孔隙水汽化观测装置15的阀门 18，拧松夹线螺栓51直至连接钢丝53脱开，耙齿3随着弹簧移动端滑块6在加载 弹簧7的回弹力作用下向右侧加速移动直至切削土体，在水下土体切削过程中，弹 簧因伸长量不断缩短而牵引动力降低，当弹簧所提供牵引力等于土体切削阻力时， 耙齿3停止前进，此时的弹簧拉力即为水下土体切削所需最低牵引动力；

9)试验测定水下土体切削所需最低牵引动力、耙齿3最佳行进速度、孔隙水 汽化强度，判断耙齿3的工作性能。

综上，本发明多功能设备具有以下主要功能：

1)水下土体切削最低牵引动力测试。若采用现场原状土样，则测试结果更具 生产指导意义。

2)水下土体切削耙齿3最佳行进速度确定。本功能以同一产量下的能耗最低 为目标函数。

3)水下土体切削过程中的孔隙水汽化测试。孔隙水负压达到最大真空时必然 发生汽化，不同土体的汽化发生条件不同，也就决定了其阻力特性是不同的。

4)水下土体切削过程中的孔隙水相变临界切削速度测试。该速度与孔隙水发 生汽化初始时刻相对应，该速度的测试值可用于指导生产，一般高于该速度时，其 切削阻力进入平缓区，不再显著增加。

5)水下土体切削阻力形成机理研究。以埋设在指定位置的土中传感器、耙齿 3的齿面传感器，研究耙齿3运行过程中的动态演变过程，用于分析水下土体切削 阻力形成机理机制。

6)针对目标土体(包括现场原状土样)，采用不同的耙齿模型，测试其最低牵 引动力、耙齿最佳行进速度、临界切削速度，可以分析、优化耙齿性能，研发新型 耙齿。