一种分级真空预压室内模拟实验装置的制作方法

本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种分级真空预压室内模拟实验装置。

背景技术：

真空预压法是利用真空泵对土体抽真空来加固软土地基的一种地基加固手段，是沿海城市围海造陆的主要手段之一。目前，真空预压法主要适用于软土、粉土、杂填土、充填土等，但对于新近吹填的粘粒含量极高的泥浆(粘粒含量大于50％)来讲，采用传统的真空预压方法加固效果并不理想。主要原因在于传统的真空预压法真空荷载是一次性施加至80kpa，吹填泥浆尚处在流动的状态，没有形成稳定结构，而其中细颗粒在强大的真空吸力作用下随着自由水的排出而朝着竖向排水体迁移，在竖向排水体外侧形成低渗透性的粘土层，即泥皮。当粘粒大量的聚集到竖向排水体周围，并达到一定厚度时，就会造成竖向排水体的淤堵，使竖向排水体部分或全部失效，不能为吹填土进一步排水固结提供排水通道，从而导致加固工程失败。专利zl201210301339.6中提出采用分级施加真空预压荷载的方式，可以有效地减少细颗粒的迁移，减轻真空预压下排水板的淤堵问题，提高土体的固结效率，使吹填泥浆逐级加固。该专利的分级真空预压的效果有待进一步研究和提高。

目前，国内许多院校、研究机构对真空预压法进行了室内模拟实验，以期更深入地探索真空预压法的机理并进行改进。但是，目前大多数真空预压模拟装置的技术尚未成熟，例如模拟装置的排水系统与实际工程并不是很贴合。在实际工程中，真空预压法的排水方式可以大致分成两个阶段：在真空预压前，高粘性吹填土的含水量较大，水分主要通过向下渗流的方式排泄，还有少部分在土体表层以蒸发的方式排泄；对地基进行真空预压后，土体中的水分在真空泵形成的负压作用下向埋设在土体中的排水板近似做横向渗流，最后沿着排水管向上排出。排水路径的方向、长度、排水速率对土体颗粒的排列方式、土体含水率、孔隙水压力的分布特征等都有较大的影响，但目前的真空预压模拟实验装置往往忽略了这一点，而仅采用单向排水的方式；所以在模拟实验装置的研发中有必要考虑实际工程中土体的排水方式。

另外，目前的真空预压装置对于孔隙水压力的监测还不够完善。真空预压加固吹填土时，孔隙水压力的变化可反应土体固结程度的好坏。经研究发现，排水管的水位、渗流路径的长短、渗流末端土体的密实度都会引起土体中孔隙水压力的变化。所以，在自重应力垂向作用以及真空加压形成的负压作用下，不同深度、位于排水板不同距离的土体的压力梯度、附加应力、含水率、排水速率等都存在一定的规律性，所以土体的孔隙水压力也可能存在横向和纵向两个方向的变化规律。然而，目前的真空预压装置往往只在沉降桶底板和筒壁设置孔压计，并不能达到对不同深度、位于离排水板不同距离的位置进行布点，从而获得孔隙水压力横纵向的变化规律。

本申请希望通过利用分级真空预压法模拟实验装置从室内模拟的方法分析分级真空预压加固吹填土的加固机理，以期更好解决竖向排水体的淤堵问题，增加工程效益。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种分级真空预压室内模拟实验装置，用于模拟分级真空预压处理软土地基。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分级真空预压室内模拟实验装置，包括沉降系统，量测系统和真空系统；

所述沉降系统包括实验筒、排水板和一号排水池，实验筒侧壁嵌有透明的土水观察窗，土水观察窗标有以实验筒底板为零点的刻度，实验筒中的排水板与实验筒下部的一号排水池通过一号排水管相连，所述一号排水管上设置一号阀门；

所述量测系统包括孔压计和真空表，真空表安装在实验筒的筒盖上，孔压计固定于实验筒底部的多个竖向伸缩杆上，伸缩杆等长度分为多节，每节通过金属软管连接夹子，孔压计通过夹子固定；

所述真空系统包括水汽分离器、二号排水池和真空泵，水汽分离器通过二号排水管与实验筒中的排水板相连，水汽分离器上设有排气阀，真空泵通过真空管与水汽分离器相连，二号排水管和真空管上分别设置二号阀门和真空阀，二号排水池设置二号阀门下方，二号排水池底部设置三号排水管，三号排水管上设有三号阀门。

优选地，所述实验筒采用底面直径750mm、高500mm的圆柱筒，以避免尺寸效应带来的影响。

优选地，所述排水板与所述实验筒的底板螺纹连接，方便实验前排水板的清理装卸。

其中，通过伸缩杆调节纵向上相邻两个孔压计的距离，通过伸缩杆的横向距离调节孔压计的横向距离；通过孔压计对不同深度、位于离排水板不同距离的位置进行布点，从而获得孔隙水压力横纵向的变化规律；金属软管可以调节方向，并且具备一定的抗变形能力；优选地，所述实验筒内部由筒壁至中心等距离布置伸缩杆，进一步优选实验筒内部由筒壁至中心等距离布置设置3个伸缩杆，每个伸缩杆等长度分为3节，每节固定1个孔压计。

其中，连接孔压计的网路由实验筒底部穿出；优选沉降筒的筒底与网路之间用胶进行密封。

优选地，所述排水板采用孔径为0.03-0.05mm的滤网制作。

其中，水汽分离器既能保存土中抽出的水，也保证了真空泵的正常工作。同时，通过调节水汽分离器上的排气阀，可以实现实验筒中真空压强的大小的调节。

利用上述实验装置进行分级真空预压模拟实验的方法，包括以下步骤：

(1)打开实验筒上部的筒盖，在实验筒底板铺设砂垫层，用与排水板内径相等的实心杆封闭部分排水板，排水板底部留有与砂垫层相同高度未封闭以用于排水，关闭一号阀门，标记孔压计的位置，记录砂垫层高度和孔压计初始读数；将充分搅匀的泥浆倒入实验筒中，待土水分离后，通过土水观察窗观察并记录泥面高度、水面的高度和孔压计读数；

(2)自重固结阶段：打开一号阀门，记录开阀时间，并进行间隔记录实验数据，待水面与泥面相重合，对土体进行取样；

(3)自重固结阶段后期，土体排出的水量趋于零时，实验进入分级真空预压阶段，将之前封闭排水板的实心杆取出，关闭一号阀门，合上实验筒上部的筒盖；打开二号排水管上的二号阀门、真空阀、排气阀，然后开启真空泵，调节排气阀使得真空表所示的载荷稳定在第一设定值，进行间隔记录实验数据；

(4)待排水量趋于零时，增加真空度至第二设定值进行排水并间隔记录实验数据；

(5)重复步骤(4)，依次增加载荷并间隔记录实验数据。

优选地，分级真空预压模拟实验的载荷依次为10kpa、20kpa、40kpa、60kpa、80kpa。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明分阶段采用不同排水方式，真空预压之前，铺设砂垫层和用实心杆封闭砂垫层上部的排水板，使得粘性土层的水无法通过横向的渗流进入排水板，所以大部分水都先向下渗流进入砂垫层，这样便实现了土体在土水分离及自重固结阶段以向下渗流为主。分级真空预压阶段，利用真空泵形成的负压将土体中的水由排水板抽出。与以往的真空预压装置相比，本发明分级真空预压实验筒更好地模拟了实际工程中土体分阶段不同的方式排水、渗流方向，使得实验结果更贴合实际，对实际工程也更加有参考价值。

(2)本发明较为全面的布设了孔压计，完善了对孔隙水压力的监测。孔压计通过伸缩杆固定在同一纵面上，由上至下、由筒壁至中心排水板等间距排列，获得实验各阶段横、纵两个方向上的孔隙水压力数据，并实现了实时监测，使获得孔隙水压力数据更加详尽，有助于进一步研究孔隙水压力横、纵向的变化规律。

附图说明

图1：分级真空预压室内模拟实验装置的装置主视图。

图2：孔压计与伸缩杆结构剖面图。

图3：分级真空预压法加固吹填泥浆模拟实验

图中：1：真空表，2：孔压计，3：土水观察窗，4：一号排水池，5：实验筒，6：筒盖，7：排水板，8：一号排水管，9：砂垫层，10：一号阀门，11：二号排水管，12：水汽分离器，13：二号排水池，14：二号阀门，15：排气阀，16：真空阀，17：真空管，18：真空泵，19：伸缩杆，20：三号排水管，21：三号阀门，22：金属软管，23：夹子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

一种分级真空预压室内模拟实验装置，如图1-2所示，包括沉降系统，量测系统和真空系统；

所述沉降系统包括实验筒5、排水板7和一号排水池4，实验筒5侧壁嵌有透明的土水观察窗3，土水观察窗3标有以实验筒5底板为零点的刻度，实验筒5中的排水板7与实验筒5下部的一号排水池4通过一号排水管8相连，所述一号排水管8上设置一号阀门10；

所述量测系统包括孔压计2和真空表1，真空表1安装在实验筒5的筒盖6上，孔压计2固定于实验筒5底部的多个竖向伸缩杆19上，伸缩杆19等长度分为多节，每节通过金属软管22连接夹子23，孔压计2通过夹子23固定；

所述真空系统包括水汽分离器12、二号排水池13和真空泵18，水汽分离器12通过二号排水管11与实验筒5中的排水板7相连，水汽分离器12上设有排气阀15，真空泵18通过真空管17与水汽分离器12相连，二号排水管11和真空管17上分别设置二号阀门14和真空阀16，二号排水池13设置二号阀门14下方，二号排水池13底部设置三号排水管20，三号排水管20上设有三号阀门21。

所述实验筒5采用底面直径750mm、高500mm的圆柱筒。

所述排水板7与所述实验筒5的底板螺纹连接。

实验筒5内部由筒壁至中心等距离布置设置3个伸缩杆19，每个伸缩杆19等长度分为3节，每节固定1个孔压计2。

连接孔压计2的网路由实验筒5底部穿出，沉降筒5的筒底与网路之间用胶进行密封。

所述排水板7采用孔径为0.03-0.05mm的滤网制作。

其中，水汽分离器12既能保存土中抽出的水，也保证了真空泵18的正常工作。同时，通过调节水汽分离器12上的排气阀15，可以实现实验筒5中真空压强的大小的调节。

利用上述实验装置进行分级真空预压模拟实验的方法，包括以下步骤：

(1)打开实验筒5上部的筒盖6，在实验筒5底板铺设砂垫层9，用与排水板7内径相等的实心杆封闭部分排水板7，排水板7底部留有与砂垫层9相同高度未封闭以用于排水，关闭一号阀门10，标记孔压计2的位置，记录砂垫层9高度和孔压计2初始读数；将充分搅匀的泥浆倒入实验筒5中，待土水分离后，通过土水观察窗3观察并记录泥面高度、水面的高度和孔压计2读数；

(2)自重固结阶段：打开一号阀门10，记录开阀时间，并进行间隔记录实验数据，待水面与泥面相重合，对土体进行取样；

(3)自重固结阶段后期，土体排出的水量趋于零时，实验进入分级真空预压阶段，将之前封闭排水板7的实心杆取出，关闭一号阀门10，合上实验筒5上部的筒盖6；打开二号排水管11上的二号阀门14、真空阀16、排气阀15，然后开启真空泵18，调节排气阀15使得真空表1所示的载荷稳定在第一设定值，进行间隔记录实验数据；

(4)待排水量趋于零时，增加真空度至第二设定值进行排水并间隔记录实验数据；

(5)重复步骤(4)，依次增加载荷并间隔记录实验数据。

分级真空预压模拟实验的载荷依次为10kpa、20kpa、40kpa、60kpa、80kpa。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。