本发明属于地基处理技术领域，具体涉及一种真空预压联合加热的地基模型试验装置及试验方法。
背景技术：
我国沿海及内陆河湖地区广泛分布着深厚的软土层。软土的突出特点是含水量高、压缩性大、透水性差、天然强度低。真空预压法作为一种负压排水固结法，因其设备简单、操作方便、加固面积大、能源消耗少、加固效果好、无环境污染等显著优点而被认为是加固软黏土地基行之有效的方法之一。真空预压法是指在软黏土中设置袋装砂井或塑料排水板作为排水通道，利用抽真空的方法，在土体中形成一个局部的负压源，通过排出土体中的孔隙水来降低土中的孔隙水压力，从而增加土体有效应力来压密土层的地基加固方法。自1952年提出以来，真空预压法的密封技术、抽真空技术、气水分离技术、垂直排水通道等关键技术得到了长足的发展。
虽然真空预压法具有很多优点，但在处理渗透性差的超软弱土时存在工期长、工后沉降大的问题。为解决这一问题，国内外学者近来提出了真空负压联合加热的技术。例如，叶观宝和安新提出了一种增温型真空预压想法，其核心思想是通过高温(62℃以上)使土中孔隙水汽化并被抽出，从而加速软基固结过程；林伟岸等也提出了真空预压联合热排水的设想，即利用u型管中的循环热水对地基软土进行加热并辅以真空预压。上述研究尚处于设想阶段，关于真空预压联合加热的试验装置研发和试验研究等均未开展。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种能够对地基模型全方位、持续、均匀加热并且能够同时施加真空负压和模拟堆载正压的真空预压联合加热的地基模型试验装置及试验方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：真空预压联合加热的地基模型试验装置，包括热水循环仪、活塞和金属制成的加热桶，所述的加热桶的周围设置有环形空腔，所述的环形空腔的入水端和出水端分别与所述的热水循环仪的出水端和入水端连通，所述的加热桶的内侧为用于填筑软土的内腔，所述的内腔内设置有孔压计、土压力盒、真空测头和温度探头，所述的真空测头上连接有真空表，所述的加热桶的侧壁上开设有走线孔，所述的加热桶的上端安装有盖板，所述的活塞包括上下设置的活塞筒和压板，所述的活塞筒固定在所述的压板的中部，所述的压板的外形尺寸与所述的内腔的横截面的外形尺寸相适配，所述的活塞筒安装在所述的盖板上，所述的活塞筒的上部自所述的盖板伸出，所述的活塞筒的下部连同所述的压板一起位于所述的内腔内，所述的盖板、活塞筒、压板和加热桶的侧壁围成堆载正压舱，所述的盖板上安装有与所述的堆载正压舱相通的气动接头，所述的活塞筒与所述的压板围成真空负压舱，所述的活塞筒内塞设有抽真空导管，所述的抽真空导管伸入所述的真空负压舱的底部，所述的抽真空导管与一气液分离装置相连，所述的压板的中部开设有与所述的真空负压舱相通的排水孔，所述的内腔内设置有与所述的排水孔位置相应的排水机构。
本发明真空预压联合加热的地基模型试验装置使用时，将软土填筑至加热桶内侧的内腔内建立地基模型，以水作为储能和传热介质，将水通入加热桶的周围的环形空腔内对地基模型进行加热，能够使地基模型均匀受热，且加热桶的桶壁面积大，因此热源面积大，从而可实现对地基模型的全方位、持续、均匀加热。地基模型建立后，向堆载正压舱内通气模拟堆载正压，正压通过活塞筒底部的压板均匀作用在地基模型上，土体发生沉降的同时固结，固结过程中排出的水经排水机构和压板上的排水孔进入真空负压舱内，由气液分离装置经抽真空导管抽离真空负压舱。
优选地，所述的堆载正压舱由一密封机构密封，所述的密封机构包括第一密封圈、第二密封圈和环形的橡胶密封膜，所述的第一密封圈安装在所述的活塞筒与所述的盖板之间，所述的橡胶密封膜的外圈由所述的盖板和所述的加热桶的顶端压紧固定，所述的橡胶密封膜的内圈由所述的第二密封圈压紧固定在所述的活塞筒的底端。
优选地，所述的盖板上固定有支撑筒，所述的活塞筒的上部自所述的支撑筒伸出，所述的活塞筒与所述的支撑筒之间安装有第三密封圈。支撑筒可防止活塞倾斜，确保正压能够均匀作用在土体上。
优选地，所述的加热桶的外侧设置有保温层。保温层的设置可减少环形空腔内水的热量损失，确保试验结果的准确性。
优选地，所述的加热桶包括外桶、内桶和底板，所述的外桶和所述的内桶固定在所述的底板上，所述的外桶设置在所述的内桶的外侧，所述的外桶、内桶和底板围成所述的环形空腔，所述的外桶和所述的内桶的上端安装有环形密封板，所述的环形密封板将所述的环形空腔密封，所述的环形密封板上分别安装有入水管和出水管，所述的入水管穿过所述的盖板并经第一水管与所述的热水循环仪的出水端连通，所述的出水管穿过所述的盖板并经第二水管与所述的热水循环仪的入水端连通。上述加热桶的设计，结构简单，装配方便。入水管和出水管对盖板也可起到一定的定位作用。
进一步地，所述的盖板与所述的底板之间安装有钢拉杆，所述的钢拉杆的下端固定在所述的底板上，所述的钢拉杆的上端与所述的盖板螺纹连接并由螺帽压紧盖板。钢拉杆可固定盖板，保证整个试验过程中盖板保持静止，确保试验的顺利进行。
优选地，所述的排水机构为竖向设置的排水板或砂井。
利用上述试验装置进行真空预压联合加热的地基模型试验方法，包括以下步骤：
(1)准备均质土体，测量土体的总质量、含水量和液塑限，根据土体的三相比例指标计算掺水量，控制土体的含水量在其液限，向加热桶的内腔分层填筑软土，每层软土厚度为15～25cm，每层软土填筑完成后对其进行预压，在填筑软土过程中，在填筑的土体的中央装设排水机构，并在预定位置分别埋设孔压计、土压力盒、真空测头和温度探头，同时将孔压计、土压力盒、真空测头和温度探头的导线经走线孔从加热桶内接到加热桶外；土体全部填筑完成后，以3～7kpa的压力对土体进行预压，待土体24h的沉降量小于1mm时，预压结束，地基模型即建立完成；
(2)安装活塞，将压板置于土体之上，安装盖板，并将环形空腔的入水端和出水端分别与热水循环仪的出水端和入水端连接；
(3)打开热水循环仪，设定热水循环仪的出水温度，待出水温度达到要求时，经热水循环仪向环形空腔通入热水，即可进行相应的试验。
优选地，所述的试验包括堆载预压试验、真空预压试验、正负压试验、耦合温度的堆载预压试验、耦合温度的真空负压试验、耦合温度的正负压试验。
优选地，步骤(1)中，预压结束后，在土体上表面铺设排水砂垫层，进行不同排水条件下的试验。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明公开的真空预压联合加热的地基模型试验装置及试验方法使用时，将软土填筑至加热桶内侧的内腔内建立地基模型，以水作为储能和传热介质，将水通入加热桶的周围的环形空腔内对地基模型进行加热，能够使地基模型均匀受热，且加热桶的桶壁面积大，因此热源面积大，从而可实现对地基模型的全方位、持续、均匀加热。本发明真空预压联合加热的地基模型试验装置及试验方法为堆载预压试验、真空预压试验、正负压试验、耦合温度的堆载预压试验、耦合温度的真空负压试验、耦合温度的正负压试验以及不同排水条件下的地基试验提供了一种新思路。
附图说明
图1为实施例中真空预压联合加热的地基模型试验装置的结构连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例的真空预压联合加热的地基模型试验装置，如图1所示，包括热水循环仪1、活塞和金属制成的加热桶2，加热桶2的外侧设置有保温层3，加热桶2的周围设置有环形空腔21，环形空腔21的入水端和出水端分别与热水循环仪1的出水端和入水端连通，加热桶2的内侧为用于填筑软土的内腔22，内腔22内设置有孔压计71、土压力盒72、真空测头73和温度探头74，真空测头73上连接有真空表(图中未示出)，加热桶2的侧壁上开设有走线孔23，加热桶2的上端安装有盖板24，活塞包括上下设置的活塞筒41和压板42，活塞筒41固定在压板42的中部，压板42的外形尺寸与内腔22的横截面的外形尺寸相适配，活塞筒41安装在盖板24上，活塞筒41的上部自盖板24伸出，活塞筒41的下部连同压板42一起位于内腔22内，盖板24、活塞筒41、压板42和加热桶2的侧壁围成堆载正压舱43，盖板24上安装有与堆载正压舱43相通的气动接头44，活塞筒41与压板42围成真空负压舱45，活塞筒41内塞设有抽真空导管46，抽真空导管46伸入真空负压舱45的底部，抽真空导管46与一气液分离装置(图中未示出)相连，气液分离装置采用现有技术，压板42的中部开设有与真空负压舱45相通的排水孔47，内腔22内设置有与排水孔47位置相应的排水机构，本实施例中，排水机构为竖向设置的塑料排水板48。
本实施例中，堆载正压舱43由一密封机构密封，密封机构包括第一密封圈51、第二密封圈52和环形的橡胶密封膜53，第一密封圈51安装在活塞筒41与盖板24之间，橡胶密封膜53的外圈由盖板24和加热桶2的顶端压紧固定，橡胶密封膜53的内圈由第二密封圈52压紧固定在活塞筒41的底端；盖板24上固定有支撑筒25，活塞筒41的上部自支撑筒25伸出，活塞筒41与支撑筒25之间安装有第三密封圈54。
本实施例中，加热桶2包括外桶26、内桶27和底板28，外桶26和内桶27固定在底板28上，外桶26设置在内桶27的外侧，外桶26、内桶27和底板28围成环形空腔21，外桶26和内桶27的上端安装有环形密封板29，环形密封板29将环形空腔21密封，环形密封板29上分别安装有入水管13和出水管14，入水管13穿过盖板24并经第一水管11与热水循环仪1的出水端连通，出水管14穿过盖板24并经第二水管12与热水循环仪1的入水端连通；盖板24与底板28之间安装有钢拉杆，钢拉杆的下端固定在底板28上，钢拉杆的上端与盖板24螺纹连接并由螺帽压紧盖板24。
利用上述试验装置进行真空预压联合加热的地基模型试验方法，包括以下步骤：
(1)准备均质土体，测量土体的总质量、含水量和液塑限，根据土体的三相比例指标计算掺水量，控制土体的含水量在其液限，向加热桶2的内腔22分层填筑软土，每层软土厚度为20cm，每层软土填筑完成后对其进行预压，在填筑软土过程中，在填筑的土体的中央装设排水机构，并在预定位置分别埋设孔压计71、土压力盒72、真空测头73和温度探头74，同时将孔压计71、土压力盒72、真空测头73和温度探头74的导线经走线孔23从加热桶2内接到加热桶2外；土体全部填筑完成后，以3～7kpa的压力对土体进行预压，待土体24h的沉降量小于1mm时，预压结束，地基模型6即建立完成；
(2)将活塞放置在地基模型6上，将橡胶密封膜53的内圈套在活塞筒41的底端，再安装第二密封圈52，通过第二密封圈52将橡胶密封膜53的内圈固定在活塞筒41的底端，然后安装盖板24，通过盖板24和加热桶2的顶端压紧固定橡胶密封膜53的外圈，同时在盖板24与活塞筒41之间安装第一密封圈51、在支撑筒25与活塞筒41之间安装第三密封圈54，最后将入水管13和出水管14分别与热水循环仪1的出水端和入水端连接，即完成地基模型试验装置的安装，检测装置的气密性，具体方法为：利用真空泵从真空负压舱45抽气，观察真空表的变化，若真空表读数在半小时以内能稳定，且稳定后读数大于80kpa，表明地基模型的气密性完好；
(3)打开热水循环仪1，设定热水循环仪1的出水温度，待出水温度达到要求时，经热水循环仪1向环形空腔21通入热水，即可进行相应的试验，试验包括堆载预压试验、真空预压试验、正负压试验、耦合温度的堆载预压试验、耦合温度的真空负压试验、耦合温度的正负压试验。
若需要进行不同排水条件下的试验，则其他试验步骤与上述实施例的步骤相同，不同之处在于，在步骤(1)中，预压结束后，应在土体上表面铺设排水砂垫层。
试验过程中，根据应力路径和温度路径确定加(卸)压和升(降)温的顺序，可通过监测仪器全程监测真空负压温度孔压和沉降的发展过程。