一种振动电渗联合作用下的砂、土固结试验装置及方法与流程

本发明属于砂、土固结试验技术领域，特别是涉及一种振动电渗联合作用下的砂、土固结试验装置及方法。

背景技术

当前，随着选矿水平的不断提高，尾矿砂粒径水平越来越细，导致细尾矿砂筑坝具有了渗透性差、排水固结慢及浸润线高的特点，而长期处于较高浸润线水平的尾矿坝很容易发生溃坝，因此必须加快细尾矿砂的渗流排水速度，才能降低坝体的浸润线，从而提升坝体安全度。

目前，能够用于提高砂、土体排水速度的方法主要有两种，第一种为振动排水法，第二种为电渗排水法。

振动排水法是通过人工震源建立起波动场，以将一定频率的机械波传至某一深度范围的砂、土体内部，进而使砂、土体在机械波的作用下更加快速及高效地完成固结排水。

电渗排水法是通过人工方式建立起电场，使砂、土体中的水在电场作用下朝一定方向运动，以实现排水，同时带负电荷的砂、土颗粒在电场作用下会向阳极移动，从而使阳极附近的砂、土体的密实度和强度得到一定程度的提升，以提高固结效果。

但是，在面对粒径水平越来越细的细尾矿砂时，振动排水法和电渗排水法在独立应用时的效果也变得越来越弱，那么是否可以将两种方法进行联合应用，并且联合应用后能否进一步增强细尾矿砂的排水效果，目前还是一个未知数。由于之前并没有人做过这样的研究，因此非常有必要对上述设想进行试验验证。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种振动电渗联合作用下的砂、土固结试验装置及方法，能够在振动电渗联合作用下完成砂、土固结排水试验，并且可获得不同振动电渗联合作用下的固结排水效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种振动电渗联合作用下的砂、土固结试验装置，包括试验台、试验箱及支架；所述试验箱位于试验台上，试验箱采用矩形箱体，在试验箱的内部设置有透水隔离内套，透水隔离内套采用矩形内套，透水隔离内套用于填装砂土试样；所述试验箱的左箱壁与透水隔离内套之间的空间设为第一集水腔，试验箱的右箱壁与透水隔离内套之间的空间设为第二集水腔；在所述第一集水腔内设有左传力板，所述透水隔离内套的左套面与左传力板抵靠接触；在所述第二集水腔内设有右传力板，所述透水隔离内套的右套面与右传力板抵靠接触；在所述左传力板和右传力板上分布有若干透水孔；在所述透水隔离内套的内部设有一对主电极板，包括左主电极板和右主电极板，在左主电极板和右主电极板上分布有若干透水孔；所述左主电极板与透水隔离内套的左套面抵靠接触，且透水隔离内套的左套面被左传力板及左主电极板夹在中间；所述右主电极板与透水隔离内套的右套面抵靠接触，且透水隔离内套的右套面被右传力板及右主电极板夹在中间；在所述第一集水腔的底部开设有第一排水孔，在第一排水孔处安装有第一排水管，在第一排水管上安装有第一阀门，在第一排水管下方设置有第一排水量测量容器；在所述第二集水腔的底部开设有第二排水孔，在第二排水孔处安装有第二排水管，在第二排水管上安装有第二阀门，在第二排水管下方设置有第二排水量测量容器；在所述支架分别安装有第一激振器和第二激振器；所述第一激振器通过振动传导支架与左传力板相固连，所述第二激振器通过振动传导杆与右传力板相固连，且振动传导支架和振动传导杆均采用长度可调结构。

所述左主电极板和右主电极板结构相同，均由三块独立的电极板拼装构成，且三块独立的电极板之间通过绝缘材料进行隔离。

在所述透水隔离内套的内部还设有一对副电极板，包括前副电极板和后副电极板；所述前副电极板与透水隔离内套的前套面抵靠接触，且透水隔离内套的前套面被前副电极板及试验箱的前箱壁夹在中间；所述后副电极板与透水隔离内套的后套面抵靠接触，且透水隔离内套的后套面被后副电极板及试验箱的后箱壁夹在中间。

在所述透水隔离内套的内部设有超声波测速机构，超声波测速机构的超声波发射端和超声波接收端分别安装在前副电极板和后副电极板上；通过所述超声波测速机构测量砂土试样中的实时波速，通过测得的实时波速确定砂土试样的实时含水率，具体通过以下关系式进行计算确定：u＝320+980e^-0.047θ或式中，u为波速，θ为含水率。

在所述透水隔离内套的内部设有若干综合测量桩，在综合测量桩内分别安装有电势传感器、孔隙水压力传感器和温度传感器；所述综合测量桩竖直设置，综合测量桩底部与试验箱的底部箱板相固连。

一种振动电渗联合作用下的砂、土固结试验方法，采用了所述的振动电渗联合作用下的砂、土固结试验装置，包括如下步骤：

步骤一：制备饱和状态的砂土试样；

步骤二：将透水隔离内套放入试验箱内，使透水隔离内套的四个套面分别与左传力板、试验箱前箱壁、右传力板及试验箱后箱壁抵靠接触，然后通过振动传导支架将左传力板的位置进行固定，同时通过振动传导杆将右传力板的位置进行固定；

步骤三：分别将左主电极板、右主电极板、前副电极板及后副电极板安装到位；

步骤四：分别将超声波测速机构的超声波发射端和超声波接收端安装到位，同时将综合测量桩安装到位；

步骤五：将制备好的砂土试样装填到透水隔离内套中，直到达到设定高度；

步骤六：砂土试样在自身重力作用下进行静载固结，砂土试样中排出的水分由第一排水量测量容器和第二排水量测量容器进行共同收集和测量；

步骤七：当砂土试样达到静载固结稳定状态后，同步启动第一激振器和第二激振器，按照设定值输出激振频率、激振力和初相，并使砂土试样内形成驻波，同时按照设定电压施加电场，并通过第一排水量测量容器和第二排水量测量容器对砂土试样中排出的水分进行收集和测量；

步骤八：按照步骤一至步骤七进行下一次试验，并调整振动和电场的施加状态，完成后续对比试验。

当需要模拟有水源补给条件时，在向透水隔离内套中装填砂土试样之前，先将第一阀门关闭，再移除第一排水量测量容器；当砂土试样达到静载固结稳定状态后，需要向第一集水腔中注满水，用来模拟补给用的水源。

通过第一激振器和第二激振器在砂土试样内形成驻波的方法为：

步骤①：测量透水隔离内套的左套面与右套面之间砂土试样的水平向厚度，将该厚度记为l；

步骤②：将第一激振器的激振频率设为f1，将第一激振器的激振力设为a1，将第一激振器的初相设为将第二激振器的激振频率设为f2，将第二激振器的激振力设为a2，将第二激振器的初相设为其中，f1＝f2，a1＝a2，式中，λ为振动在砂土试样中的波长；并且，取λ＝l，则f1＝f2＝u/λ，式中，u为振动在砂土试样中的波速；由于波速随砂土试样含水率发生变化，则激振频率需要根据实时波速进行调整；

步骤③：按照步骤②将第一激振器和第二激振器的激振频率、激振力和初相设定好，同步启动第一激振器和第二激振器，即可在砂土试样内形成驻波。

当砂土试样处于水源补给条件时，则振动在砂土试样中的波速不发生变化，其中，f1＝f2＝u/(λ+αt)，且式中，α为驻波移动速度，t为时间，f1为第一激振器的激振频率，f2为第二激振器的激振频率，为第一激振器的初相，为第二激振器的初相，λ为振动在砂土试样中的波长，l为砂土试样的厚度，此时形成驻波移动效果。

本发明的有益效果：

本发明首次实现了振动与电渗联合作用下的多种固结排水试验，通过设定无水源补给条件和有水源补给条件，同时通过设定不同的振动与电渗联合作用条件，从而可以获得不同振动电渗联合作用下的排水效果，以获得最佳排水方案，同时可准确监测正负极附近的含水率变化情况，并且能够获得含水率变化与排水量之间的关系。

附图说明

图1为本发明的振动电渗联合作用下的砂、土固结试验装置(无水源补给条件)结构示意图；

图2为本发明的振动电渗联合作用下的砂、土固结试验装置(有水源补给条件)结构示意图；

图3为本发明的试验箱的俯视图；

图4为本发明的左/右主电极板的正视图；

图5为本发明的左/右传力板的正视图；

图6为实施例一中排水量随时间变化的曲线图；

图7为实施例一中正极附近含水率监测图；

图8为实施例一中负极附近含水率监测图；

图9为实施例二中排水量随时间变化的曲线图；

图10为实施例二中正极附近含水率监测图；

图11为实施例二中负极附近含水率监测图；

图12为实施例三中排水量随时间变化的曲线图；

图13为实施例四中排水量随时间变化的曲线图；

图14为实施例四中正极附近含水率监测图；

图15为实施例四中负极附近含水率监测图；

图中，1—试验台，2—试验箱，3—支架，4—透水隔离内套，5—砂土试样，6—第一集水腔，7—第二集水腔，8—左传力板，9—右传力板，10—左主电极板，11—右主电极板，12—第一排水孔，13—第一排水管，14—第一阀门，15—第一排水量测量容器，16—第二排水孔，17—第二排水管，18—第二阀门，19—第二排水量测量容器，20—第一激振器，21—第二激振器，22—振动传导支架，23—振动传导杆，24—前副电极板，25—后副电极板，26—超声波发射端，27—超声波接收端，28—综合测量桩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～5所示，一种振动电渗联合作用下的砂、土固结试验装置，包括试验台1、试验箱2及支架3；所述试验箱2位于试验台1上，试验箱2采用矩形箱体，在试验箱2的内部设置有透水隔离内套4，透水隔离内套4采用矩形内套，透水隔离内套4用于填装砂土试样5；所述试验箱2的左箱壁与透水隔离内套4之间的空间设为第一集水腔6，试验箱2的右箱壁与透水隔离内套4之间的空间设为第二集水腔7；在所述第一集水腔6内设有左传力板8，所述透水隔离内套4的左套面与左传力板8抵靠接触；在所述第二集水腔7内设有右传力板9，所述透水隔离内套4的右套面与右传力板9抵靠接触；在所述左传力板8和右传力板9上分布有若干透水孔；在所述透水隔离内套4的内部设有一对主电极板，包括左主电极板10和右主电极板11，在左主电极板10和右主电极板11上分布有若干透水孔；所述左主电极板10与透水隔离内套4的左套面抵靠接触，且透水隔离内套4的左套面被左传力板8及左主电极板10夹在中间；所述右主电极板11与透水隔离内套4的右套面抵靠接触，且透水隔离内套4的右套面被右传力板9及右主电极板11夹在中间；在所述第一集水腔6的底部开设有第一排水孔12，在第一排水孔12处安装有第一排水管13，在第一排水管13上安装有第一阀门14，在第一排水管13下方设置有第一排水量测量容器15；在所述第二集水腔7的底部开设有第二排水孔16，在第二排水孔16处安装有第二排水管17，在第二排水管17上安装有第二阀门18，在第二排水管17下方设置有第二排水量测量容器19；在所述支架3分别安装有第一激振器20和第二激振器21；所述第一激振器20通过振动传导支架22与左传力板8相固连，所述第二激振器21通过振动传导杆23与右传力板9相固连，且振动传导支架22和振动传导杆23均采用长度可调结构。

所述左主电极板10和右主电极板11结构相同，均由三块独立的电极板拼装构成，且三块独立的电极板之间通过绝缘材料进行隔离。由于在试验中随着时间的发展，砂土试样5中的水分在空间分布上必然发生变化，此时只需在水分含量较高的区域施加电场即可，对于水分含量已经较低的区域则可以撤去电场，进而通过减少电极板的通电数量来减少电能的浪费。

在所述透水隔离内套4的内部还设有一对副电极板，包括前副电极板24和后副电极板25；所述前副电极板24与透水隔离内套4的前套面抵靠接触，且透水隔离内套4的前套面被前副电极板24及试验箱2的前箱壁夹在中间；所述后副电极板25与透水隔离内套4的后套面抵靠接触，且透水隔离内套4的后套面被后副电极板25及试验箱2的后箱壁夹在中间。

在所述透水隔离内套4的内部设有超声波测速机构，超声波测速机构的超声波发射端26和超声波接收端27分别安装在前副电极板24和后副电极板25上；通过所述超声波测速机构测量砂土试样5中的实时波速，通过测得的实时波速确定砂土试样5的实时含水率，具体通过以下关系式进行计算确定：u＝320+980e^-0.047θ或式中，u为波速，θ为含水率。

在所述透水隔离内套4的内部设有若干综合测量桩28，在综合测量桩28内分别安装有电势传感器、孔隙水压力传感器和温度传感器；所述综合测量桩28竖直设置，综合测量桩28底部与试验箱2的底部箱板相固连。

一种振动电渗联合作用下的砂、土固结试验方法，采用了所述的振动电渗联合作用下的砂、土固结试验装置，包括如下步骤：

步骤一：制备饱和状态的砂土试样5；将砂土材料与水混合搅拌，直至砂土试样5达到饱和状态，然后将饱和状态的砂土试样5放置到密闭容器内静置24小时，促进砂土试样5的饱和状态更加充分均匀；

步骤二：将透水隔离内套4放入试验箱2内，使透水隔离内套4的四个套面分别与左传力板8、试验箱2前箱壁、右传力板9及试验箱2后箱壁抵靠接触，然后通过振动传导支架22将左传力板8的位置进行固定，同时通过振动传导杆23将右传力板9的位置进行固定；

步骤三：分别将左主电极板10、右主电极板11、前副电极板24及后副电极板25安装到位；

步骤四：分别将超声波测速机构的超声波发射端26和超声波接收端27安装到位，同时将综合测量桩28安装到位；

步骤五：将制备好的砂土试样5装填到透水隔离内套4中，直到达到设定高度；

步骤六：砂土试样5在自身重力作用下进行静载固结，砂土试样5中排出的水分由第一排水量测量容器15和第二排水量测量容器19进行共同收集和测量；

步骤七：当砂土试样5达到静载固结稳定状态后，同步启动第一激振器20和第二激振器21，按照设定值输出激振频率、激振力和初相，并使砂土试样5内形成驻波，同时按照设定电压施加电场，并通过第一排水量测量容器15和第二排水量测量容器19对砂土试样5中排出的水分进行收集和测量；

步骤八：按照步骤一至步骤七进行下一次试验，并调整振动和电场的施加状态，完成后续对比试验。

当需要模拟有水源补给条件时，在向透水隔离内套4中装填砂土试样5之前，先将第一阀门14关闭，再移除第一排水量测量容器15；当砂土试样5达到静载固结稳定状态后，需要向第一集水腔6中注满水，用来模拟补给用的水源。

通过第一激振器20和第二激振器21在砂土试样5内形成驻波的方法为：

步骤①：测量透水隔离内套4的左套面与右套面之间砂土试样5的水平向厚度，将该厚度记为l；

步骤②：将第一激振器20的激振频率设为f1，将第一激振器20的激振力设为a1，将第一激振器20的初相设为将第二激振器21的激振频率设为f2，将第二激振器21的激振力设为a2，将第二激振器21的初相设为其中，f1＝f2，a1＝a2，式中，λ为振动在砂土试样5中的波长；并且，取λ＝l，则f1＝f2＝u/λ，式中，u为振动在砂土试样5中的波速；由于波速随砂土试样5含水率发生变化，则激振频率需要根据实时波速进行调整；

步骤③：按照步骤②将第一激振器20和第二激振器21的激振频率、激振力和初相设定好，同步启动第一激振器20和第二激振器21，即可在砂土试样5内形成驻波。

当砂土试样5处于水源补给条件时，则振动在砂土试样5中的波速不发生变化，其中，f1＝f2＝u/(λ+αt)，且式中，α为驻波移动速度，t为时间，f1为第一激振器20的激振频率，f2为第二激振器21的激振频率，为第一激振器20的初相，为第二激振器21的初相，λ为振动在砂土试样5中的波长，l为砂土试样5的厚度，此时形成驻波移动效果。

实施例一：在无水源补给条件下进行试验，本实施例中，电渗载荷的直流电压设为30v，振动载荷的激振力设为100n，振动载荷的振动频率和初相进行动态调整，保证在砂土试样5内始终形成驻波；左主电极板10设为正极，右主电极板11设为负极。

本实施例中共设计了六组对比试验，试验条件如下：

第一组：仅保持静载荷；

第二组：以第一组试验为第一阶段，在第一组试验结束后，进行第二次试验，并作为试验的第二阶段，在第二阶段的试验中，施加振动载荷；

第三组：以第一组试验为第一阶段，以第二组试验为第二阶段，在第二组试验结束后，进行第三次试验，并作为试验的第三阶段，在第三阶段的试验中，施加电渗载荷；

第四组：仅保持静载荷；

第五组：以第四组试验为第一阶段，在第四组试验结束后，进行第二次试验，并作为试验的第二阶段，在第二阶段的试验中，施加电渗载荷；

第六组：以第四组试验为第一阶段，以第五组试验为第二阶段，在第二组试验结束后，进行第三次试验，并作为试验的第三阶段，在第三阶段的试验中，施加振动载荷。

试验结果分析：

从图6中可以看出，第一组和第四组的两次静载试验的排水量曲线基本重合，说明试验总体重复性较好。从第二组、第三组、第五组和第六组的载荷试验来说，无论是先施加振动载荷后施加电渗载荷，或是先施加电渗载荷后施加振动载荷，均会产生新的排水。但是，排水量却有较明显的差别，第二组与第三组载荷试验的总排水量要明显大于第五组与第六组载荷试验的总排水量，原因分析如下：

由于振动排水效果与砂土试样5内颗粒紧密程度密切相关，若是采用第一组至第三组的试验顺序，则振动开始时，砂土试样5的密度不是很大，颗粒比较容易振动，因此振动排水效果比较好；若是采用第四组至第六组的试验顺序，在振动之前砂土试样5由于电渗作用已经排除了一部分水，其密度得到了加强，因此振动排水能力降低，进而削弱了整体排水效果。

采用第一组至第三组的试验顺序，其优势还在于，由于前期振动排水效果比较好，使砂土试样5体积减小很多，导电离子浓度增加，同时前期的振动使砂土试样5与电极板的接触变得更紧密，进一步增强了导电效果，因此电渗排水的效果也得到了加强。总体看来，采用第一组至第三组的试验顺序，有助于振动和电渗效果的发挥，也实现了振动和电渗效果的互补。

如图7所示，为正极附近含水率监测图；如图8所示，为负极附近含水率监测图；从图7、8中可以看出，图7中的含水率水平总体低于图8中的含水率水平，原因分析为：由于试验中水的运移方向为由正极到负极，因此正极附近的含水率必然低于负极。另外，从图中还可以看出，含水率的变化曲线基本与排水量的变化曲线对应，随着砂土试样5中水分的排出，含水率逐渐降低，并且排水速率大的时候，含水率降低的速度也会比较大，而排水曲线较为平缓时，含水率下降也较为平缓。

实施例二：在无水源补给条件下进行试验，本实施例中，电渗载荷的直流电压设为30v，振动载荷的激振力设为100n，振动载荷的振动频率和初相进行动态调整，保证在砂土试样5内始终形成驻波；左主电极板10设为正极，右主电极板11设为负极。

本实施例中共设计了五组对比试验，试验条件如下：

第一组：仅保持静载荷；

第二组：在保持静载荷的同时以单电场施加电渗载荷；

第三组：在保持静载荷的同时施加振动载荷；

第四组：在保持静载荷的同时以双电场施加电渗载荷；

第五组：在保持静载荷的同时既施加振动载荷又以双电场施加电渗载荷。

试验结果分析：

在图9中可以看出，由第一组到第五组载荷试验的排水量由小到大，其中，第二组和第三组载荷试验的排水量差距相对较小，而总体看来，在静载的基础上，只要施加外载荷，排水量就会有较大的增加；其中，以双电场施加电渗载荷的作用要明显大于以单电场施加电渗载荷的作用，是因为在副电场的作用下，水分变得集中，导电性比较好，所以排水效果就会比较好。

如图10所示，为正极附近含水率监测图；如图11所示，为负极附近含水率监测图；从图中可以看出，含水率变化曲线与排水量变化曲线基本对应。另外，从图中还可以看出，排水速度大的时候，含水率下降的相对比较快；并且，在相同的时间点，正极附近含水率一定小于负极附近含水率。

实施例三：在有水源补给条件下进行试验，本实施例中，电渗载荷的直流电压设为30v，振动载荷的激振力设为100n，振动载荷的振动频率和初相进行动态调整，保证在砂土试样5内始终形成驻波；左主电极板10设为正极，右主电极板11设为负极。

本实施例中共设计了六组对比试验，试验条件如下：

第一组：仅保持静载荷；

第二组：以第一组试验为第一阶段，在第一组试验结束后，进行第二次试验，并作为试验的第二阶段，在第二阶段的试验中，施加振动载荷；

第三组：以第一组试验为第一阶段，以第二组试验为第二阶段，在第二组试验结束后，进行第三次试验，并作为试验的第三阶段，在第三阶段的试验中，施加电渗载荷；

第四组：仅保持静载荷

第五组：以第四组试验为第一阶段，在第四组试验结束后，进行第二次试验，并作为试验的第二阶段，在第二阶段的试验中，施加电渗载荷；

第六组：以第四组试验为第一阶段，以第五组试验为第二阶段，在第二组试验结束后，进行第三次试验，并作为试验的第三阶段，在第三阶段的试验中，施加振动载荷。

试验结果分析：

在图12中可以看出，第一组和第四组的两次静载试验的排水量曲线基本重合，说明试验总体重复性较好；与无水源补给条件下的试验相比，每条排水量曲线都不再趋近于恒定值，而是趋近于一个恒定的增加速率；结果说明，每一种载荷开始作用的时候，都会引起排水状态发生明显变化，并经过一定时间之后就会稳定下来，并保持恒定的速率进行排水，从任意时刻的排水总量来看，仍然是第二组与第三组载荷试验的总排水量要明显大于第五组与第六组载荷试验的总排水量。另外，含水率变化曲线并未给出，是因为在静载阶段，砂土试样5的饱和状态基本保持不变，使含水率也基本保持不变。

实施例四：在有水源补给条件下进行试验，本实施例中，电渗载荷的直流电压设为30v，振动载荷的激振力设为100n，振动载荷的振动频率和初相进行动态调整，保证在砂土试样5内始终形成驻波；左主电极板10设为正极，右主电极板11设为负极。

本实施例中共设计了五组对比试验，试验条件如下：

第一组：仅保持静载荷；

第二组：在保持静载荷的同时以单电场施加电渗载荷；

第三组：在保持静载荷的同时施加振动载荷；

第四组：在保持静载荷的同时以双电场施加电渗载荷；

第五组：在保持静载荷的同时既施加振动载荷又以双电场施加电渗载荷。

试验结果分析：

在图13中可以看出，各曲线前期发展情况与无水源补给条件下的试验曲线基本相同，不同之处在于，无水源补给条件下的试验曲线的最终排水量会趋于恒定值，而有水源补给条件下的最终排水量会一直发展下去，因为在渗流排水过程中，将不断有新的水分补充进来，从而使砂土试样5内有了持续不断的水源补充，渗流排水过程就可以一直持续下去，最后进入一种稳定的动态平衡之中。

通过详细分析数据会发现，各曲线最后会以一个近似不变的斜率增大，且由第一组至第五组的斜率由小到大变化，而与无水源补给条件下的最终排水量的大小顺序完全相同。

如图14所示，为正极附近含水率监测图；如图15所示，为负极附近含水率监测图；在图中可以看出，各曲线的特点均为先下降然后增加，当增加到初始含水率之后基本保持不变，直至试验结束；其中，正极附近含水率恢复到初始含水率的时间要短一些，而负极附近含水率恢复到初始含水率的时间要长一些，原因是由于正极距水源更近一些，导致水源中的水渗入正极附近所需的时间更少，而负极距水源距离远，反应时间更长。另外，无论是正极附近还是负极附近，含水率恢复最快的都是第五组，含水率恢复最慢的是第一组。

除了以上四个实施例，对其他试验效果的展望：在振动因素中，可对驻波移动速度和激振力进行调整，以研究不同的驻波移动速度和激振力对固结排水效果的影响；在电渗因素中，可改变电压值和通电方式，或是将正负极进行反转，再进一步研究经过上述调整后对固结排水效果的影响。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。