[科普中国]-沉降试验

沉降

组成悬浮系的流体和悬浮物因密度差异，在力场中发生相对运动而分离，是一种属于流体动力过程的单元操作。靠重力实现分离的操作是重力沉降；靠惯性离心力实现分离的操作是离心沉降。

沉降用于气相悬浮系时，是从气体中分离出所含固体粉尘或液滴；用于液相悬浮系时，是从液体中分离出所含固体颗粒或另一液相的液滴。这种分离在生产上的目的有二：①获得清净的流体，如空气的净化、水的澄清、油品脱水等；②为了回收流体中的悬浮物，如从干燥器出口气体中回收固体产品、从流化床反应器出口气体中回收催化剂等。有时两个目的兼而有之。沉降操作在化工、医药、冶金、食品、环境保护等部门都有广泛应用。
沉降的推动力是悬浮颗粒受到的重力或惯性离心力，它正比于粒径的立方；而流体作用于沉降颗粒表面的阻力，正比于粒径的平方。因之颗粒越细，则沉降速度越小,分离也越困难。通常,用重力沉降分离的最小粒径为30～40m;用离心沉降分离的最小粒径为5～10m。更小的颗粒则用电除尘、超声波除尘等分离方法（见流体动力过程）。

沉降试验应用实例路基沉降研究方法太沙基(Karl Terzaghi)于1923年提出了渗透固结理论和有效应力原理，在此基础上，地基沉降计算理论的研究己取得了长足进展。

研究路基沉降的方法很多，基本上可以分为分层总和法、有限元法、数学计算法，试验推演法及组合预测法。其中，有限元法是近年来得到了广泛应用的一种方法，这种方法的优点是不仅可以考虑土体应力应变的非线性特征，而目可以考虑侧向变形和水平向渗流对固结沉降的影响。本文以路基沉降试验为基础，利用有限元法ANSYS软件进行数值模拟分析，研究路基沉降变形规律。数值模拟材料各参数取值详见表1。1

本文试验以十慢高速公路建设为依托，在十慢高速公路三个标段(K36+660"-K36+900段的填方路基、K47+570附近的半填半挖路基和K47+700～K47+900段的填方路基)进行路基沉降试验。试验采用在每段路基埋设了五个沉降观测桩，间距为50 m，观测桩的序号排列是按照从小里程到大里程进行编号，沉降桩截面的尺寸为30 cm×30 cm，长1 m，外露60 cm，在桩顶露出～节长3 cm的钢筋头。

在85天内，K36-6660～K36+900段的填方路基沉降已逐渐趋于稳定状态，沉降量增长率在逐渐减小，将降水情况和图进行对照，便可以发现降水对路基沉降有较大的影响，一般来说降水之后一段时间，路基沉降将明显增加，比如在2006年12月31日的一次较大的降雪之后，路基的沉降明显增加。从5根桩的沉降平均值来看，该曲线可分为三段：开始快速沉降阶段、均匀沉降阶段、沉降速率减小阶段，分别对应的时间段为：2006年12月份、2007年1月～3月份和2007年3月之后。图1以日期为横坐标，累计沉降量为纵坐标建立沉降量和时间关系图。1

矿浆沉降试验矿浆沉降试验是矿物加工作业尾矿、精矿或中间物料处理的基础试验之一，其目的在于测试一定浓度的矿浆其固体物料群的沉降速度，作为选矿厂设计选择分泥斗、浓密机、尾矿坝、回水池等的依据。下面的方法是在实验室内用量筒进行矿浆沉降试验的方法，并分析比较每种方法的优缺点。

接观测沉降界面法

直接观测沉降界面法是实验室进行矿浆沉降试验普遍的方法，也是选矿教科书提供的沉降试验方法¨。其测试方法为：取容量为1L或2L的透明玻璃量简数只(一般3—5只即可)，清洗干净后烤干，在量筒外壁粘贴宽度为2em左右、长度与量筒高度相当的坐标纸。为便于测定和计算沉降试验的料浆浓度，一般应将料浆装满至量筒的标称容积，并使坐标纸的整刻度与量筒标称满容积的刻度线对齐，该刻度线为沉降的起始点，即沉降零点，向下依次标注沉降高度，直至量筒底部，如图1所示。

将不同浓度的矿浆分别倒人贴有坐标纸的量筒内，分别进行试验。量筒内矿浆用搅拌器充分搅拌均匀，取出搅拌器静置-10see后开始计时，并观测量筒内物料群的沉降高度或清水层的高度，记录不同沉降时间点的物料群沉降高度。开始沉降时，量筒内的矿浆处于均质状态，浓度较低，物料的沉降速度较快，记录的时间间隔应较短，一般以5、10或30see为沉降时间段，沉降到中后期后，沉降区的浓度逐渐增大，干涉沉降严重，物料的沉降速度变慢，此时记录的沉降时间间隔可延长至数分钟到数十分钟，物料处于压缩沉降后，记录时间间隔以小时计。2

实验结论

1．矿浆的沉降速度试验是选矿厂选择计算浓密机和分级设备的主要依据，不同的沉降试验方法会得到不同的测试结果。

2．上清液含固量测试法测定的物料群沉降速度，考虑了浓密机溢流的排放质量，其参数作为浓密机的设计选择较为准确可靠。

3．直接观测界面法测定物料的沉降速度比较简单，在条件简陋的地方仍可使用，建议采用本文所述的第二种方法计算沉降速度和浓密机面积。

4．上清液含固量测试法作为一种新的沉降试验方法，宜在科研和生产中广泛推广应用。

其他应用实例强夯处理红粘土沉降试验研究：红粘土作为高填方体的底基时，由于上部附加荷载很大，其沉降和不均匀沉降可能导致高填方工程的失败。如何在保证质量、技术可行和经济合理的原则下有效地减少红粘土地基的沉降和不均匀沉降将是高填方工程研究的重点问题。

高泥化煤泥水絮凝沉降试验研究：煤泥水处理是整个选煤工艺中涉及面广、投资大、最难管理的工艺环节，而高泥化煤泥水中细泥含量高，灰分高，更难以处理，这种状况在淮南、淮北新矿区表现得较为明显，是亟需解决的问题。在高泥化煤泥水处理过程中，需要根据煤泥水特性进行煤泥水沉降试验，以得出特定条件下处理煤泥水所需的最佳药剂种类、用量、添加方式以及处理工艺等，以达到煤泥水处理的最优化。基于此笔者对淮南矿区某选煤厂高泥化煤泥水进行了絮凝沉降优化试验，以达到减少药剂用量、节约成本的目的。

动荷载下冻土中模型桩的沉降试验研究：在多年冻土地区,尤其是在地下冰比较发育的地区进行建筑物基础设计时,桩基是首选的一种基础形式. 大量的工程实践已经证明,架空通风式桩基础是保持建筑物基础下多年冻土热稳定状态最有效、最经济、最广泛使用的结构形式 . 因此,研究冻土中桩在各种受力条件下的沉降规律及承载能力具有非常重要的意义.