CN103091471B

CN103091471B - 一种加速冲填土固结的模型及其试验方法

Info

Publication number: CN103091471B
Application number: CN201310028170.6A
Authority: CN
Inventors: 杨坪; 邓涛; 杨阳; 安新; 唐益群; 王建秀
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: CN103091471A

Abstract

一种加速冲填土固结的模型，该模型包括模型桶、载荷板和模拟材料；模型桶的桶底和桶身完整密封，桶顶为唯一排水途径，载荷板与桶顶面尺寸相合，使模拟材料中的土体无法由载荷板边缘与桶壁间的缝隙溢出，载荷板沿径向设有若干钻孔；模拟材料包括试验用土、排水板立体网格，置于模型桶内本发明可以研究塑料排水板网格参数的改变对排水固结效果的影响，由此获得加速冲填土排水固结的优化方法，本发明进一步还公开了该方法的具体内容。

Description

一种加速冲填土固结的模型及其试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及用于冲填土固结的模型及其试验方法。

背景技术

冲填土(亦称吹填土)系由水力冲填泥沙形成的沉积土，即在整理和疏浚江河航道时，有计划地用挖泥船，通过泥浆泵将泥沙夹大量水分，吹送至江河两岸而形成的一种填土。近年来,随着我国经济的快速发展,城市化进程步伐不断加快,对土地资源的需求日益迫切,在沿海及江湖地区将疏浚出来的淤泥和泥沙用来造地,已成为沿海城市缓解土地资源紧张的有效方法。目前，冲填土地区的利用规模越来越大，如上海临港新城建设，大部分是在冲填土上进行，还有天津、珠海、广州、深圳等沿海城市，都在利用冲填土进行市政建设和港口建设。

冲填土的形成方式特殊，具有孔隙比大、天然含水量高、压缩性高、渗透性小等特点，因此，冲填土的工程性质具有明显的个性。具体表现在其自重固结时间长，冲填土工后固结沉降大，冲填土在外荷载作用下变形明显，如何加速冲填土的排水固结，减少工后固结沉降，避免由于冲填土地基固结变形、破坏所产生的工程地质灾害是目前冲填土地区所面临的重要课题。

关于冲填土地基排水固结处理，国内外开展过一些工作，如:Stark在1994年提出的将带状排水体用于加速冲填土的排水固结(Stripdrainsindredgedmaterialplacementareas.InternationalConferenceonDredgingandDredgedMaterialPlacement,1,pp.420–429)；Sato在2001年进行的圆柱状的自重固结试验将塑料排水板用于加速排水固结(Accelerationofself-weightconsolidationfordredgedclayusingplasticboarddrain.ProceedingsoftheInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference,2,pp.715–721.)；Nagaoka在2004年也将塑料排水板竖向排水体应用于吹填土自重固结(Acceleratedself-weightconsolidationmechanismfordredgedclayusingdewateringmethodandplasticboarddrains.ProceedingsoftheInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference,pp.703–708.)。除此之外，也有提出水平塑料排水带固结流态吹填，竖向排水体联合堆载、强历联合真空预压进行处理等方法。

上述方法在冲填土排水固结中，起到了一定的效果，但也存在一些不足的地方，如井阻效应和涂抹效应会减小渗透率数，插排水板会对土造成扰动,会影响排水效果，塑料排水板的形状也会影响到排水效果。与此同时，上述处理方法时，往往要求冲填土具有一定承载力，对刚吹填的冲填土来讲，显得无能为力。

发明内容

针对上述的技术缺陷和应用时的不利影响，本发明的目的是提供一种通过预埋塑料排水板立体网格加速冲填土固结的模型及其试验方法。

本发明的技术方案如下：

一种通过预埋排水板立体网格加速冲填土固结的模型，该模型包括模型桶、载荷板和模拟材料；所述模型桶的桶底和桶身完整密封，桶顶为唯一排水途径，所述载荷板与所述桶顶面尺寸相合，使模拟材料中的土体无法由所述载荷板边缘与桶壁间的缝隙溢出，所述载荷板沿径向设有若干钻孔；所述模拟材料包括试验用土、排水板立体网格，置于所述模型桶内。

所述模型桶的桶壁设有桶壁支架，所述桶壁支架沿所述桶顶的直径方向设有固定支架。

所述模型桶为圆柱体，所述圆柱体的高度为直径的0.6～2倍。

所述试验用土为砂质粉土。

所述排水板立体网格由所述排水板构成的横向网格与竖向排水板固定连接，所述排水板立体网格中的排水板有多条排水通道。

本发明还提出了一种通过预埋塑料排水板立体网格加速冲填土固结的试验方法，包括以下步骤：步骤一，根据模拟排水板的尺寸与间距及模型桶的平面尺寸，确定各相似常数；步骤二，制备模型材料，包括试验用土、排水板网格；步骤三：制作模型箱、准备模拟材料、测量设备和数据采集设备；步骤四，进行模型试验，包括以下步骤：(1)制备冲填土并分层装入模型桶；(2)预埋排水板立体网格；(3)安装测量设备；(4)加载及测量。

步骤一还包括确定所需研究的影响因素，根据固结理论以及模拟排水板的尺寸与间距及模型桶的平面尺寸，确定各几何相似常数。

所述测量设备包括土压力计、孔压计、沉降标、百分表，在模型桶底部及中部各布置所述孔压计及土压力计，两者与介质直接接触的面朝上，所述土压力计或所述孔压计上下两端均铺设有细砂垫层。

所述百分表分别安置在载荷板之上，与分层沉降杆上，用于记录土体表面的沉降变形及位于试验桶中部土层的变形。

进一步，所述冲填土为试验用土加水充分搅拌而成，所述冲填土的含水率根据实验要求而定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明能够对预埋塑料排水板立体网格加速冲填土固结进行试验研究，减少了实际施工的不确定性，具有通用性广、准确性高的特点，创造良好的经济效益和科研价值。

附图说明

图1为本发明实施例试验模型结构示意图。

其中：1-上部堆载；2-百分表支架；3-顶部砂垫层；4-沉降标；5-土压力计(或孔压力计)；6-塑料排水板立体网格；7-堆载板；8-模型铁桶；9-动态应变仪。

图2为图1中所示塑料排水板立体网格示意图。其中：10-竖向网格；11-横向网格。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的实施例作进一步描述。

请参阅图1、2，本实施例为预埋塑料排水板立体网格加速冲填土固结的模型装置，其包括模型桶、模拟材料、测量设备和数据采集设备，模型桶内放置模拟材料，并在模型桶内设置测量设备进行参数测量，数据采集设备与测量设备相连，采集并处理测量设备测量得到的参数。

模型桶8为铁质，由桶身、桶壁支架2、载荷板7构成。桶底桶身完整密封，桶顶为唯一排水途径。桶壁支架2沿直径方向有两只伸出的铁架，用于固定百分表。装土完后需要使用大小与桶顶面尺寸相合的载荷板7封盖，并在载荷板7上采用静力砝码上部堆载，载荷板7沿径向左右各有两只直径约五公分的钻孔，分别用于预埋压力计绕线和安置分层沉降标4的沉降杆。沉降标4与百分表连接，从百分表可以读出土压、层降等参数。

模拟材料包括试验用土、排水板、土工布。试验用土为砂质粉土。根据模型桶的大小，选择使用相应大小的排水板，为增强器排水能力，每条排水板设有三条排水通道，每条排水板用与之大小匹配的土工布包裹，并订起，进而制作排水板立体网格6。当立体网格6层数较多时，用土工布条将横向网格与竖向排水板紧系。

为了监测冲填土在排水固结过程中土体内部土压力的增长以及孔隙水压力的消散规律，测量设备应包括土压力计5、孔压计。在埋设土压力计5时，应使其工作面朝上(所谓工作面就是与介质直接接触的面)。由于土压力计5在模型土中可能会出现少量下沉或偏转，试验中在其上下两端均铺设有细砂垫层3，同时也应注意电缆线的保护。共安置两只百分表，分别记录土体表面的沉降变形及位于试验桶中部土层的变形，一只安置在载荷板之上，另一只安置于沉降杆上，沉降杆探入土体约35cm。

通过多次试验，可以得出排水板立体网格6的长、宽、高的改变获取对冲填土排水固结最有利的尺寸组合，因此，严格控制其它的试验条件显得尤为重要。固定水和土的用量，可以提高实验结果的可比性。模型桶应与实际工程情况尽可能能地相同，减少对土体侧限。

本发明还提出一种通过预埋塑料排水板立体网格加速冲填土固结的试验方法，其包括以下步骤：

第一步，根据研究目的，确定所需研究的影响因素，根据固结理论，考虑模拟排水板的尺寸与间距及模型桶的平面尺寸，采用相似理论来确定各几何相似常数。在确定几何相似常数时，主要满足以下几点要求：

(1)排水板的尺寸大小应与模型桶尺寸相适应；

(2)排水板的尺寸大小应满足边界条件的要求；

(3)排水板的尺寸大小应满足处理深度的要求；

(4)确定排水板尺寸时，还应考虑到试验操作的便利度；

(5)模型的尺寸大小要与工程实际土层厚度，模拟时间等相协调。

第二步，确定模型材料，包括试验用土、排水板和土工布；模型土属于砂质粉土，为获得冲填土效果，加水充分搅拌。每桶土的含水率要求相近，保证试验整齐可比。试验中配置的模型土含水率均控制在38％以上。含水率为38％的土样重度约17.7kg/m³，计算得孔隙比约1.11，土粒比重为2.7，则饱和度约0.924，认为其已经饱和。塑料排水板是工地上常见的10cm宽排水板，模型试验中用到的排水板宽1cm。具体制作方法如下：

(1)将购买来的10cm宽排水板裁成约1cm宽，并控制每条排水板有三条排水通道。

(2)每条排水板用与之大小匹配的土工布包裹，使用订书针订起。

(3)使用订书针制作排水板网格，遇到层数较多的网架，用土工布条将横向网格与竖向排水板紧系。

第三步：模型试验前期准备，包括制作模型箱、准备试验仪器、模拟材料、测量设备和数据采集设备；

第四步，进行模型试验，包括以下步骤：

(1)制备冲填土装入模型桶并预埋排水板立体网格；(2)埋设压力计；(3)平整模型土表面并铺砂；(4)安置百分表；(5)加载及测量。

下面以具体的试验方案为例阐述本实施例的试验方法：

1.考虑到实际工程中的塑料排水板宽度多为10cm以及模型桶的尺寸，确定本次试验的相似常数n为10。即塑料排水带的宽度定为1cm。确定各试验参数如下：

表1试验参数表

参数	相似比	模型	原型	单位
					排水板宽度	1/n	1	10	cm
冲填土表面积	1/n²	0.228	22.9	m²
					冲填土土厚度	1/n	0.75	7.5	m
预压荷载	1/n³	0.392	392	kN

确定了以上相似比尺之后，便可明确该模型试验所能代表的实际工程的土体范围并预估其排水固结过程大致稳定所需的时间

2.均匀设计

本发明进行的冲填土中预埋立体网格排水固结试验共包含三个因素，即排水板立体网格的长、宽、高。综合考虑到模型桶、排水板的尺寸以及试验所需时间，每个因素拟取五个水平。试验指标为固结变形稳定历时。由于正交试验的试验次数至少为水平数的平方，采用均匀设计进行多因素多水平试验更为合理。同时，在对试验结果进行回归分析时，均匀设计不仅可以计算出回归模型中因素的主效应和交互效应，还可预测试验最佳效果时的各因素水平数值，提供更加优化的参考值。

表2试验安排表

序号	x₁/m	x₂/m	x₃/m	T(min)
					1	0.40	0.20	0.23
2	0.35	0.12	0.35
					3	0.20	0.35	0.65
4	0.12	0.17	0.70
					5	0.08	0.09	0.175

以上为五次常规实验的安排，为了更好地对比分析排水板立体网格处理冲填土地基的效果，使得试验更为完整，加入了空白试验，即没有加入排水板的模型土在荷载作用下的排水固结试验。

3、试验布置：模型制作；土压力计、孔压计的布置；沉降观测点的布置。

(1)模型制作

制作模型时，要保证每次试验的装土高度相同。试验中的圆柱形模型铁桶由桶身，桶壁支架，载荷板构成。桶底桶身完整密封，桶顶为唯一排水途径。桶壁沿直径方向有两只伸出的铁架，用于固定百分表。装土完后需要使用大小与桶顶面尺寸相合的载荷板封盖，载荷板沿径向左右各有两只直径约五公分的钻孔，用于预埋压力计绕线和安置分层沉降杆。

(2)土压力计、孔压计的布置

按照固结理论，排水固结的过程中，孔隙水压力将逐渐减小，与此同时土压力将逐渐增加。为进一步明确土中应力的变化并帮助确定沉降稳定时间，在模型桶底部及中部各布置孔压计及土压力计各一只。在埋设土压力5计时，使其工作面朝上，在其上下两端均铺设有细砂垫层3。孔压计两端各有透水石，孔隙水渗流进入孔压计后，相应的灵敏度数据传入应变仪9。根据测得的微应变，即可获得孔压实际值。孔压计的埋设与安装过程与土压力计相同。

(3)沉降观测点的布置

本试验在加载后利用百分表测读土体即时沉降值，并安装分层沉降杆，获得1/2深度处的土层沉降，为最终沉降及稳定历时提供参照。

4、试验材料制备：试验用土、塑料排水板

为获得冲填土效果，加水充分搅拌试验用土。每桶土的含水率要求相近，保证试验整齐可比。试验中配置的模型土含水率均控制在38％以上。

5、预埋塑料排水板、孔压计、土压力计。

(1)塑料排水板立体网格预埋

试验桶底面直径为54cm，高度约85cm。排水板立体网格6体积大体定为40*35*70cm。首先向模型桶中均匀加入配置好的试验土，在模型土距桶底约5cm时加入底层塑料排水板，随着模型土的加入，完成排水板立体网格的搭接。加土至其淹没横向排水板网格，竖向排水板需探出少许。为优化其排水效果并防止挤土，在土面均匀铺设约0.5cm厚的砂层，至此再将竖向排水板多余的长度用剪刀剪去。完成后将载荷板缓缓覆盖其上，载荷板尺寸应略小于桶顶尺寸，若控制不当则土体易由载荷板边缘与桶壁间的缝隙溢出。

(2)孔压计与土压力计的埋设

在距离桶底10cm及40cm两个深度处分别埋设水压计和土压力计。预埋压力计要求其受压面水平受压，可以在其下方铺撒少量砂帮助其稳定位置。

6、试验监测：固结变形监测、孔隙水压力与土压力监测：

固结变形监测：

模型土发生固结排水是一个缓慢、长期的过程，采用百分表进行对其沉降变形的观测。本试验中共安置两只百分表，分别记录土体表面的沉降变形及位于试验桶中部土层的变形。即一只与载荷板7之上，另一只与分层沉降杆连接，分层沉降杆探入土体约35cm。沉降观测在加载后开始，由于前期排水迅速，沉降较快，测读间隔一分钟，往后慢慢变长。每次试验约持续一周。

孔隙水压力及土压力监测：对孔隙水压力、土压力进行监测，进而得到实际压力值。为对比固结排水效果并获得处理后的模型土强度指标，在每次拆卸模型桶时于三个不同深度进行取样，进行室内土工试验，包括含水率试验、快剪试验及标准固结试验。

熟悉本领域技术的人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种加速冲填土固结的模型，其特征在于：

该模型包括模型桶、载荷板和模拟材料、测量设备和数据采集设备，测量设备设置在模型桶内，数据采集设备与测量设备相连，所述测量设备包括土压力计、孔压计、沉降标、百分表，在模型桶底部及中部各布置所述孔压计及土压力计，所述百分表分别在载荷板之上与分层沉降标的沉降杆上，所述百分表与沉降标连接；

所述模型桶的桶底和桶身完整密封，桶顶为唯一排水途径，所述载荷板与桶顶面尺寸相合，使模拟材料中的土体无法由所述载荷板边缘与桶壁间的缝隙溢出，所述载荷板沿径向左右各有两只直径五公分的钻孔，以分别预埋压力计绕线和安置分层沉降标的沉降杆；

所述模拟材料包括试验用土、预埋塑料排水板立体网格，置于所述模型桶内；

所述预埋塑料排水板立体网格由所述排水板构成的横向网格与竖向排水板固定连接，所述预埋塑料排水板立体网格中的排水板有多条排水通道；

所述模型桶的桶壁设有桶壁支架，所述桶壁支架沿所述桶顶的直径方向设有固定支架，用于固定百分表；

所述模型桶为圆柱体，所述圆柱体的高度为直径的0.6～2倍。

2.如权利要求1所述的模型，其特征在于：所述试验用土为砂质粉土。

3.一种采用权利要求1所述的模型进行加速冲填土固结的试验方法，包括以下步骤：

步骤一，根据模拟排水板的尺寸与间距及模型桶的平面尺寸，确定各相似常数；

步骤二，制备模型材料，包括试验用土、塑料排水板立体网格；

步骤三：制作模型桶、准备模拟材料、测量设备和数据采集设备；

步骤四，进行模型试验，包括以下步骤：

(1)制备冲填土并分层装入模型桶；

(2)预埋塑料排水板立体网格；

(3)安装测量设备；

(4)加载及测量；

4.如权利要求3所述的试验方法，其特征在于：所述测量设备包括土压力计、孔压计、沉降标、百分表，在模型桶底部及中部各布置所述孔压计及土压力计，两者与介质直接接触的面朝上，所述土压力计或所述孔压计上下两端均铺设有细砂垫层。

5.如权利要求4所述的试验方法，其特征在于：所述百分表分别安置在载荷板之上与分层沉降杆上，用于记录土体表面的沉降变形及位于试验桶中部土层的变形。

6.如权利要求3所述的试验方法，其特征在于：所述冲填土为试验用土加水充分搅拌而成，所述冲填土的含水率根据实验要求而定。