复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪

摘要

本发明公开了一种复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪，模型槽上部的立柱可放置并固定反力板，反力板下面依次放有加压气囊和承压板。土样中可按预先设计的排布方式插入孔压传感器、电势传感器和可压缩排水电极。它们的端部导线通过导线管分别连接孔压数据采集仪、电势数据采集仪和电渗自动控制器。砂垫层中的可压缩排水电极端部与水平排水管紧贴，水平排水管通过橡胶软管与水气分离瓶相连。本发明可调控土体中真空度的幅值并按设计要求排布电渗电极，结合自动间歇通电与电极转化技术，全面演示工程实际中土体渗流场、应力场和电场的分布形式，可对土体开展电渗、真空和堆载预压相结合的复式负压固结技术效果的定量室内模拟分析。

权利要求

1.一种复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪，其特征在于：方形模型槽(4)上部四个角点处设置四个立柱(17)，立柱(17)上放置并固定反力板(19)，反力板(19)下面依次放有加压气囊(20)、承压板(21)和真空膜(11)，以对土体施加模拟荷载，模型槽(4)内的土样(3)中按预先设计的排布方式插入孔压传感器(6)、电势传感器(5)和可压缩排水电极(1)，孔压传感器(6)、电势传感器(5)和可压缩排水电极(1)的端部导线(25)通过导线管(10)分别连接孔压数据采集仪(22)、电势数据采集仪(23)和电渗自动控制器(26)，砂垫层(8)位于承压板(21)的下方，砂垫层(8)中的可压缩排水电极(1)端部与水平排水管(9)紧贴，水平排水管(9)通过橡胶管(13)与水气分离瓶(29)相连。

2.根据权利要求1所述复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪，其特征在于承压板(21)尺寸与模型槽(4)内部尺寸一致；承压板(21)的两端中心处各开一孔，以便橡胶管(13)与导线管(10)深入到承压板(21)下的砂垫层(8)中。

3.根据权利要求1所述复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪，其特征在于方形模型槽(4)、反力板(19)与承压板(21)均由钢化玻璃板制成；加压气囊(20)由能够承受很大压力的高强橡胶制成。

4.根据权利要求1所述复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪，其特征在于可压缩排水电极(1)由非腐蚀材料制成，周身均匀布有排水孔，其外面及顶部包裹滤布(2)，上部连接弹簧导线(7)，同时承担电极和竖向排水通道的作用。

5.根据权利要求4所述的复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪，其特征在于弹簧导线(7)上面由滤布(2)封顶，仅留有供导线(25)伸出的孔洞。

说明书

复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪

技术领域

[0001] 本发明涉及一种试验装置，尤其是涉及一种复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪。

背景技术

[0002] 随着我国经济的迅猛发展，沿海地区特别是经济发达地区土地的需求量持续增加，土地资源的供求矛盾日渐突出，人工填筑地基与吹填造陆技术为解决这一问题提供了一种新的思路与途径，并在近二、三十年来迅速得以推广应用。目前，我国沿海许多地区都在规划或实施填海造陆工程，以带动当地经济的飞速发展。

[0003] 但由于吹填土的特殊工程性质，其地基处理往往成为生产建设中的难点。吹填土多为淤泥质土，具有压缩性高、渗透系数小、结合水含量高的特点。堆载预压法产生的超孔隙水压力难于消散，加固效果缓慢，且各向不等的加载应力组合可能导致土体在完成固结前即产生破坏；真空预压只能排除地基土中的自由水，真空传递效率低；电渗法则可以有效的排除结合水，加快超孔隙水压力的消散，且不受渗透系数小的影响。

[0004] 结合以上分析，一种复式真空负压加固软基新技术被提出并在工程中应用起来，取得了很好的加固效果。它把真空预压、堆载预压和电渗三大技术有机结合起来，并有效解决了常规排水固结法真空度传递效率低、排水固结缓慢，和单纯电渗法电极附近产生气体和裂缝导致耗电量大工程造价高等问题，具有广阔市场前景和社会效益。

[0005] 然而，目前对复式真空负压固结法的理论研究相对较少，其设计理论和工程实践目前还处于起步阶段，存在很多不足，其设计与施工参数多依靠设计人员的经验来确定。

[0006] 在 本 发 明 之 前，中 国 专 利 ZL200810163315.2、CN201110273567.2 和CN201210006833.X先后公开了用于各类软基加固技术室内试验分析的电渗联合加载固结仪、电渗固结处理软土模型和真空联合电渗固结仪，但它们具有以下几点不足：

[0007] （1）电渗联合加载固结仪的加载系统无法保证杠杆系统竖直施力给加载顶盖，这样土体易受力不均匀；而电渗固结处理软土模型中砝码或千斤顶加载形式也存在同样问题，并且其压力板位于电极内侧，未能覆盖全部土体，土体亦受力不均；真空联合电渗固结仪的真空预压排水系统仅能模拟排水管同轴布置时的渗流场，这与实际工程中的渗流边界条件不同，且设计的是单根排水管，如若排水管部分排水孔於堵，试验结果将受到显著干扰。

[0008] （2）电渗联合加载固结仪与真空联合电渗固结仪中的电渗系统采用的是中间阴极管加周边阳极的形式，这不符合工程实际电极阴极、阳极交替布置的排布方式以及相应土体中的电场分布形式。此外，在试验模拟过程中没有加入电渗中的被证明行之有效的电极转换与间歇通电技术，不能展示这两大技术创新对加固效果的影响；电渗固结处理软土模型中仅能布置位置固定的两排电极，不能通过不同电极间距间的对比试验，进行试验方案的优选，且不能模拟复杂多变的工程实际情况。

[0009] （3）此外，电渗联合加载固结仪与真空联合电渗固结仪都是两种方法的结合，其试验结构也不能对土体施加第三种处理方法，电渗固结处理软土模型虽能进行三种方法的联合试验，但其在加载系统、真空预压系统、电渗系统中存在不足。故以上专利均不能全面真实的模拟复式真空负压固结技术加固软土地基的实际情况，较难为该方法的实际工程应用服务。

发明内容

[0010] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪，可对土体进行复式真空负压固结技术的效果、影响因素和机理进行室内定量模拟分析，还可开展真空预压法、覆水预压法、电渗法中三者结合、两两联合或是单独作用的试验研究。此外，可实现自动电极转换和间歇通电，真实模拟排水管与电极的排布方式，对土体施加均匀压力，全面演示工程实际中的渗流场、应力场和电场的分布形式，对真实的电势、电流、孔压、表层沉降、土层电阻变化等情况进行实时监测，以指导复式真空负压固结技术在实际工程中的推广应用。

[0011] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：

[0012] 一种复式真空负压软基加固技术室内模拟分析仪，其特征在于方形模型槽上部四个角点处设置四个立柱，立柱上放置并固定反力板，反力板下面依次放有加压气囊、承压板和真空膜，以对土体施加模拟荷载，模型槽内的土样中按预先设计的排布方式插入孔压传感器、电势传感器和可压缩排水电极，孔压传感器、电势传感器和可压缩排水电极的端部导线通过导线管分别连接孔压数据采集仪、电势数据采集仪和电渗自动控制器，砂垫层中的可压缩排水电极端部与水平排水管紧贴，水平排水管通过橡胶软管与水气分离瓶相连。

[0013] 所述的立柱直径略大于反力板的预留孔径，其端部刻有螺纹，可通过螺母将反力板固定；反力板预留孔与四个立柱的位置保持一致。

[0014] 所述的加压气囊的尺寸略小于承压板，并通过橡胶管与打气泵相连；橡胶管上依次布有压力表与止气阀。

[0015] 所述的承压板尺寸与模型槽内部尺寸一致；承压板的两端中心处各开一孔，以便橡胶软管与导线管深入到承压板的砂垫层中；

[0016] 所述的承压板开口附近有可装卸的外承架，外承架由立撑与水平板组成；

[0017] 所述的外承架的水平板上放有百分表，其由百分表固定支架固定。

[0018] 所述的方形模型槽、反力板与承压板均由钢化玻璃板制成。加压气囊由能够承受很大压力的高强橡胶制成。

[0019] 所述的孔压数据采集仪与电势数据采集仪通过导线与电脑相连；电渗自动控制器通过导线与直流电源相连，应用电子电力技术与单片机技术，其能根据预先设定的参数，自动完成电路的间歇通电与电极转换，并能监视电路中电压电流的大小。

[0020] 所述的可压缩排水电极电极由非腐蚀性材料制成，周身均匀布有排水孔，其外面及顶部包裹滤布，上部连接弹簧导线，可同时承担电极和竖向排水通道的作用。

[0021] 所述的弹簧导线上面由滤布封顶，仅留有供导线伸出的孔洞。

[0022] 所述的水气分离瓶上带有刻度，其上部与真空表和真空泵连通；在水气分离瓶与真空泵之间有一电接点真空表。

[0023] 所述的水平排水管采用PPR柔性波纹滤管，波纹滤管周身螺旋形打满小孔并用滤布包裹；

[0024] 所述的导线管端部与橡胶管穿出承压板处用密封胶密封。

[0025] 根据以上技术方案，本发明可以实现的有益效果是：

[0026] （1）可对不同土体进行复式真空负压固结技术的室内模拟，还可进行真空预压法、覆水预压法、电渗法中两两联合或是单独作用的试验研究。

[0027] （2）电渗电极采用新型可压缩排水电极，兼具电渗与排水功用，且可以随着土层一起压缩，有效消除电极在土体压缩固结中阻力效应；电渗自动控制器依据预设的试验参数，可自动实现电路的间歇通电与电极转化，并通过试验对比优选施工参数。

[0028] （3）可按照预设的排布方式（如矩形、梅花形等）来插设电渗电极，能很好地模拟工程实际中土体所处真实渗流场与电场的分布形式。此外试验时可先放入试验土样，再插可压缩排水电极，这与实际工程处理的施工流程保持一致。

[0029] （4）通过设计的气囊加压，可便捷地对土体施加非常大的堆载压力，且土体受力均匀；通过电接点真空表可方便的调整真空抽气系统的真空度，来准确模拟实际工程中压缩加固区土体的真实真空情况。

[0030] （5）可对电路中电流、电压和土体不同深度的孔压、电势、表层沉降等进行全面全程监测，结合土体含水率与承载力的测试，能够有效评价地基土的加固效果。并为进一步研究试验中的各项参数对应力场、渗流场和电场的影响提供依据。

[0031] 综上所述，本发明所述的复式真空负压软基加固技术室内模型分析仪，可调控土体中真空度的幅值和按设计要求排布电渗电极，同时结合自动间歇通电与电极转化技术，全面演示工程实际中土体渗流场、应力场和电场的分布形式。该分析仪结构简单，操作方便，耐久实用，能够有效指导复式真空负压固结技术在实际工程中的推广应用。

附图说明

[0032] 图1 是本发明结构示意图。

[0033] 图2 是本发明真空排水系统结构图。

[0034] 图中：1、可压缩排水电极；2、虑布；3、土样；4、模型槽；5、电势传感器；6、孔压传感器；7、弹簧导线；8、砂垫层；9、水平排水管；10、导线管；11、真空膜；12、打气泵；13、橡胶管；14、止气阀；15、压力表；16、密封胶；17、立柱；18、固定螺母；19、反力板；20、加压气囊；21、承压板；22、孔压数据采集仪；23、电势数据采集仪；24、电脑；25、导线；26、电渗自动控制器；27、直流电源；28、真空泵；29、水气分离瓶；30、电接点真空表；31、真空表； 32、外承架；33、百分表；34、百分表固定架。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明做进一步说明。

[0036] 如图1所示，本发明所述的复式真空负压加固软基室内模型分析仪，包括方形模型槽4，模型槽4上部四个角点处设置四个立柱17。立柱17的直径略大于反力板19的预留孔径，其端部刻有螺纹，可通过螺母18将反力板19固定在立柱17上。反力板19预留孔与四个立柱17的位置保持一致，其下面依次放有加压气囊20、承压板21和真空膜11。加压气囊20与打气泵21之间依次布有压力表15与止气阀14，可有效控制施加荷载的大小。承压板21尺寸与模型槽4内部尺寸一致，其两端中心处各开一孔，以便橡胶软管13与导线管10深入到承压板21下的砂垫层8中。承压板21开口附近有可装卸的由立撑与水平板组成的外承架32，由固定支架34固定的百分表33的触头顶在水平板上，以测量试验过程中表层沉降。

[0037] 模型槽4内的土样3上按预先设计的排布方式插入孔压传感器6、电势传感器5和可压缩排水电极1。孔压传感器6、电势传感器5和可压缩排水电极1的端部导线25通过导线管10分别连接孔压数据采集仪22、电势数据采集仪23和电渗自动控制器26，导线管10端部用密封胶16密封以防止真空系统漏气。孔压数据采集仪22与电势数据采集仪23通过导线25与电脑24相连。电渗自动控制器26通过导线25与直流电源27相连，其能根据预先设定的参数，自动完成电路的间歇通电与电极转换，并能监视电路中电压电流的大小。

[0038] 参照图1和2，砂垫层8中的可压缩排水电极1端部与水平排水管9紧贴。可压缩排水电极1外面及顶部包裹滤布2，上部连接弹簧导线7，弹簧导线7上面由滤布2封顶，仅留有供导线25伸出的孔洞。水平排水管9通过橡胶管13与水气分离瓶29相连。橡胶管13穿出承压板处用密封胶16密封，水气分离瓶29上带有刻度，其上部与真空表31和真空泵28连通；在水气分离瓶29与真空泵28之间有电接点真空表30，可控制真空系统的真空度的大小。

[0039] 具体操作过程如下：

[0040] （1）试验前首先设计好相关试验参数，如：真空度、电压、电流、间歇通电与电机转化的时间间隔、可压缩排水电极1的排布形式与间距、施加荷载转化为气囊20的压强以及土样3的含水率等等。

[0041] （2）根据试验设计，调配需要的土样3并放入模型槽4中，放入所需砂土8的一半，整平。接着按照预先设计的排布方式，将可压缩排水电极1插入土体3中，并埋入孔压传感器6与电势传感器5。

[0042] （3）将可压缩排水电极1、孔压传感器6、电势传感器5的端部导线25穿过导线管10。将水平排水管9放在每排可压缩排水电极1正上方，贴紧。

[0043] （4）放入剩余的砂土8，整平。在砂垫层8上依次铺真空膜11和承压板21。注意将橡胶管13与导线管10从承压板21的预留孔中穿出，并将橡胶管13与导线管10穿出承压板21处用密封胶16密封。

[0044] （5）在承压板21上放置加压气囊20，尽量使加压气囊20居中。在加压气囊20与打气泵12之间依次连接压力表15与止气阀14。将反力板19放在模型槽4的立柱17上，并用螺母18固定。

[0045] （6）将可压缩排水电极1导出的导线25经电渗自动控制器26与直流电源27连接；孔压传感器6、电势传感器5导出的导线25分别经孔压数据采集仪22和电势数据采集仪23与电脑24连接。

[0046] （7）将水气分离瓶29与伸出承压板21的橡胶管13相连，其上部与真空表31与真空泵28连通，并在水气分离瓶29与真空泵28之间连接电接点真空表30。

[0047] （8）安装好外承架32，将百分表33的触头顶在外承架32的水平板，并用固定架34固定百分表33。

[0048] （9）设定好电接点真空表30的真空值以及电渗自动控制器26的相关试验参数，接通真空泵28、打气泵12的电源，开始复式真空负压软基加固技术室内模拟分析试验。