CN108008116A - 真空堆载预压联合电渗试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空堆载预压联合电渗试验装置，包括试验桶、加压***、气水分离***、电极回路和数据采集***；试验桶包括桶体和桶盖，及顶面覆盖有密封膜的砂垫层；加压***包括依次相连的加压导管、压力室、供气导管和气动设备，及第一电子天平；气水分离***包括依次相连的排水导管、气水分离装置、抽气导管和真空泵，及第二电子天平和真空表；电极回路包括通过导线串联的阳极、电流表、电源和阴极柔性排水组合体，阴极柔性排水组合体为内层袋装石墨颗粒、外层袋装砂的双层无纺土工布管袋；数据采集***包括各种传感器及数据采集仪与计算机。可对不同土体试样开展真空预压、堆载预压、电渗排水联合或单独作用的室内探索试验。

Description

真空堆载预压联合电渗试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别是涉及一种真空堆载预压联合电渗试验装置，属于试验设备技术领域。

背景技术

在我国东南沿海和内陆局部地区，海相、湖相及河相沉积的深厚软弱黏性土层广泛分布。软黏土具有含水量高、压缩性大、渗透性低、抗剪强度低、承载能力弱、触变性强以及结构性差等诸多不利的工程特性。高压缩性会导致地基有相当大的沉降和沉降差；低渗透性使得固结沉降的持续时间加长，影响建筑物的正常使用；低强度使得地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求。

近几年，随着国民经济的飞速发展和区域人口的日益膨胀，大量的基础设施工程（高速公路、铁路、港口航道工程、围海造地工程、堤防等）将修建在这些软黏土和超软黏土地基上，这对软黏土地基处理提出了更新、更高的要求。

排水固结法是处理软黏土地基的有效方法之一，包括真空预压、堆载预压以及真空堆载联合预压等常用地基处理方法。真空预压近年来得到迅速发展和大量应用，但在取得良好效果的同时也暴露出不少问题，如真空预压对地基承载力的提高有限，对边界处理施工的要求较高，排水固结速率受限于黏土的水力传导系数，在黏粒含量高的土中真空传递效率低，处理用时较长，有时甚至难以达到预期的加固目的。堆载预压的主要问题是堆载材料的来源及可能导致的地基失稳。真空堆载联合预压克服了堆载过程中地基土容易产生侧向挤出变形而导致失稳破坏的缺点，并可使加固区在抽真空和堆载作用下产生压力差，从而加快软黏土中的水排出来。然而遇到土颗粒粒径小、黏粒含量高的软黏土地基时，真空堆载联合预压同样无法解决排水缓慢，加固效果不明显的问题。

电渗排水固结是较有应用前景的一种地基加固方法，因为其排水速率与土颗粒大小无关，即使在渗透性很差的黏土中仍能正常排水，但电极腐蚀、能量消耗过高等因素制约了电渗排水方法的工程应用。

所以，提供一种不仅能够提高土体的强度，而且还可以加快固结速度、提高施工效率的研究软黏土地基加固机理的试验装置，将有利于工程实践的推广和应用。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种真空堆载预压联合电渗试验装置，特别适用于研究软黏土地基加固机理。

本发明所要解决的技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的真空堆载预压联合电渗试验装置，可以对不同土体试样开展真空预压、堆载预压、电渗排水联合或单独作用的室内探索试验，并能在土样固结过程中实时测定其各项参数，以对固结过程进行定量分析，极具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种真空堆载预压联合电渗试验装置，包括试验桶、加压***、气水分离***、电极回路和数据采集***。

其中，所述试验桶包括顶面开口的桶体和盖于桶体开口上的桶盖，所述桶体的桶腔自下而上包括用于填充土样的土样仓和用于注满水体的堆载加压仓；所述土样仓和堆载加压仓之间设置有铺设于土样表面上的砂垫层，所述砂垫层的顶面为堆载加压仓的仓底，堆载加压仓的仓底覆盖有密封膜，所述密封膜沿着堆载加压仓的仓壁铺设并延伸出桶体的边沿后外翻于桶体边沿，盖于桶体开口上的桶盖与密封膜一起使得堆载加压仓密闭；位于堆载加压仓的仓壁上的密封膜预留有膜预留量。

其中，所述加压***包括依次相连的加压导管、压力室、供气导管和气动设备，以及第一电子天平；所述压力室中存储有水，所述加压导管的一端延伸入桶盖与堆载加压仓的仓顶相通，加压导管的另一端延伸入压力室并伸入水面之下，位于压力室内的供气导管的管口位于水面之上；所述压力室置于第一电子天平上，所述第一电子天平用于量测压力室的质量变化。

其中，所述气水分离***包括依次相连的排水导管、气水分离装置、抽气导管和真空泵，以及第二电子天平和真空表；所述排水导管的一端依次贯穿过桶盖、堆载加压仓和密封膜后延伸入砂垫层至砂垫层底面而与土样仓相通，排水导管的另一端延伸入气水分离装置；所述气水分离装置置于第二电子天平上，所述第二电子天平用于量测土体的排水量；位于堆载加压仓中的排水导管预留有管预留量。

其中，所述电极回路包括通过导线串联的阳极、电流表、电源和阴极柔性排水组合体，所述阳极为若干根，若干根阳极均沿着土样仓的内壁竖向设置光滑连接、并均与土样等高，所述阴极柔性排水组合体设置于砂垫层和土样仓仓底之间、并分布于土样仓的中心竖轴线上，所述电流表和电源设置于试验桶外；所述阴极柔性排水组合体的顶端与排水导管相连，阴极柔性排水组合体为双层无纺土工布管袋，双层无纺土工布管袋的内层袋装满石墨颗粒，双层无纺土工布管袋的外层袋装满砂，排水导管的另一端延伸入砂中。

其中，所述数据采集***包括设置于土样仓中的电势测针、孔隙水压力计、空隙气压力计和真空度传感器，以及设置于试验桶外的数据采集仪与计算机；所述电势测针、孔隙水压力计、空隙气压力计和真空度传感器分别通过数据采集仪与计算机相连。

本发明进一步设置为：所述桶体包括底座和垂直设置于底座上的中筒，所述顶盖和底座分别罩设住中筒的顶底两端，顶盖和底座之间通过位于中筒外侧的若干根拉杆连接固定。

本发明进一步设置为：所述顶盖、中筒和底座均采用绝缘有机玻璃制成。

本发明进一步设置为：所述拉杆为4根，4根拉杆均匀分布于中筒外侧。

本发明进一步设置为：所述顶盖的底面和底座的顶面设置有与中筒相匹配对接的凹槽，所述凹槽内设有橡胶密封圈。

本发明进一步设置为：所述底座开设有供电势测针、孔隙水压力计、空隙气压力计和真空度传感器穿入土样仓中的导孔。

本发明进一步设置为：所述土样仓的内壁上均匀设置有8个竖向凹槽，所述阳极内嵌入竖向凹槽。

本发明进一步设置为：所述密封膜外翻于桶体边沿后反包住桶体外壁，密封膜为双层膜，所述排水导管与密封膜之间用橡皮扎扎紧。

本发明进一步设置为：所述加压导管和排水导管均通过开设于顶盖上的密封口贯穿过顶盖，所述密封口采用密封压紧螺母进行密封处理。

本发明进一步设置为：所述压力室与气动设备之间设置有气压调节控制器，所述气水分离装置与试验桶之间和气水分离装置与真空泵之间均设置有阀门；所述压力室和气水分离装置均采用钢化玻璃制作。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、可对不同土样试样开展真空预压试验、堆载预压试验、电渗排水试验，以及三种固结方法两两联合的试验和真空堆载预压联合电渗试验。

2、在试验过程中可以实时监测土样的各项参数，主要包括土样表面沉降、排水量、电势、孔隙水压力、空隙气压力和真空度；并通过对各项参数的处理分析，可以对堆载荷载、电压、真空度对土样固结的影响进行评价。

3、通过第一电子天平可监测压力室中水的质量变化，然后将其转化为水的体积变化，由此便可得知堆载加压仓的体积变化，进而得到土样表面的平均沉降；由于土样沉降的不均匀性，相比于传统的采用位移计或沉降标的测量方法，该试验装置可以使测量更为精确且极为方便。

4、通过数据采集***的设置，对土样的表面沉降、排水量、电势、孔隙水压力、空隙气压力和真空度的监测进行记录，无须人工量测或读数，自动化程度高，数据可靠。

5、试验装置中的土样设置为轴对称形式，不同径向、相同半径、相同高度处的土样，其电势、孔压、真空度等参数均相同，故对不同径向、相同半径、相同高度处的土样分别测量电势、孔压、真空度等参数，即可同时得到某一特定点上的各项参数，获取参数高效、可靠、精确，便于对固结过程进行定量分析，适用于真空堆载预压联合电渗加固软基机理的理论研究。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明真空堆载预压联合电渗试验装置的正视结构示意图；

图2为本发明真空堆载预压联合电渗试验装置中底座的俯视结构示意图；

图3为本发明真空堆载预压联合电渗试验装置中顶盖的仰视结构示意图；

图4为本发明真空堆载预压联合电渗试验装置中中筒和底座的结构分解示意图；

图5为本发明真空堆载预压联合电渗试验装置中阴极柔性排水组合体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1至图4所示，一种真空堆载预压联合电渗试验装置，包括试验桶、加压***、气水分离***、电极回路和数据采集***。

所述试验桶包括顶面开口的桶体和盖于桶体开口上的桶盖3，所述桶体包括底座2和垂直设置于底座2上的中筒1，所述顶盖3和底座2分别罩设住中筒1的顶底两端，顶盖3和底座2之间通过位于中筒1外侧的若干根拉杆29连接固定。所述顶盖3、中筒1和底座2均采用绝缘有机玻璃制成；所述拉杆29为4根，4根拉杆29均匀分布于中筒1外侧。

所述顶盖3的底面和底座2的顶面设置有与中筒1相匹配对接的凹槽30，所述凹槽30内设有橡胶密封圈31，确保试验桶的密封性。

所述桶体的中筒1桶腔自下而上包括用于填充土样4的土样仓和用于注满水体的堆载加压仓6；所述土样仓和堆载加压仓6之间设置有铺设于土样4表面上的砂垫层5，所述砂垫层5的顶面为堆载加压仓6的仓底，堆载加压仓6的仓底覆盖有双层的密封膜10，所述密封膜10沿着堆载加压仓6的仓壁铺设并延伸出中筒1的边沿外翻于中筒1边沿后反包住中筒1外壁，盖于中筒1开口上的桶盖3与密封膜10一起使得堆载加压仓6密闭；位于堆载加压仓6的仓壁上的密封膜10预留有膜预留量（如图1中所示的沿着中筒1内壁的密封膜10弯曲段），这是考虑在试验过程中土样4的沉降因素。

所述加压***包括依次相连的加压导管11、压力室12、供气导管13和气动设备14，以及第一电子天平34；所述压力室12中存储有水，所述加压导管11的一端延伸入桶盖3与堆载加压仓6的仓顶相通，加压导管11的另一端延伸入压力室12并伸入水面之下，位于压力室12内的供气导管13的管口位于水面之上；所述压力室12置于第一电子天平34上，所述第一电子天平34用于量测压力室12的质量变化。

所述加压导管11和排水导管22均通过开设于顶盖3上的密封口36贯穿过顶盖3，所述密封口36采用密封压紧螺母32进行密封处理，防止气水泄露。所述压力室12与气动设备14之间设置有气压调节控制器，所述气水分离装置23与试验桶之间和气水分离装置23与真空泵26之间均设置有阀门；试验过程需要承受高压，所述压力室12采用钢化玻璃制作。

所述气水分离***包括依次相连的排水导管22、气水分离装置23、抽气导管25和真空泵26，以及第二电子天平35和真空表24；所述排水导管22的一端依次贯穿过桶盖3、堆载加压仓6和密封膜10后延伸入砂垫层5至砂垫层5底面而与土样仓相通，排水导管22的另一端延伸入气水分离装置23；所述气水分离装置23置于第二电子天平35上，所述第二电子天平35用于量测土体4的排水量；位于堆载加压仓6中的排水导管22预留有管预留量（如图1中所示的位于堆载加压仓6中的排水导管22螺旋段），这也是考虑在试验过程中土样4的沉降因素。试验过程需要承受高压，所述气水分离装置23也采用钢化玻璃制作；所述排水导管22与密封膜10之间用橡皮扎33扎紧，防止气水泄露。

所述电极回路包括通过导线串联的阳极27、电流表8、电源9和阴极柔性排水组合体7，所述土样仓的内壁上均匀设置有8个与土样4等高的竖向凹槽28，所述阳极27也为8根，8根阳极27均沿着土样仓的内壁内嵌入竖向凹槽28且光滑连接，这样可以使阳极27在土样4沉降过程中不受影响；所述阴极柔性排水组合体7设置于砂垫层5和土样仓仓底之间、并分布于土样仓的中心竖轴线上，所述电流表8和电源9设置于试验桶外；试验桶的中心竖轴线即土样4中心竖轴线处设有阴极柔性排水组合体7，由此在试验中可以形成轴对称的电势分布，使得孔隙水由四周向轴线处汇聚。

如图5所示，所述阴极柔性排水组合体7的顶端与排水导管22相连，阴极柔性排水组合体22为双层无纺土工布管袋37，双层无纺土工布管袋37由一个直径较小的管状袋置于一个直径较大的管状袋中缝制而成；双层无纺土工布管袋37的内层袋装满石墨颗粒38，双层无纺土工布管袋37的外层袋装满砂39，排水导管22的另一端延伸入砂39中。排水导管22***外层砂39后，将双层无纺土工布管袋37的顶部和排水导管22一起捆扎好，确保密封性。

所述数据采集***包括设置于土样仓中的电势测针16、孔隙水压力计17、空隙气压力计18和真空度传感器19，以及设置于试验桶外的数据采集仪20与计算机21；所述电势测针16、孔隙水压力计17、空隙气压力计18和真空度传感器19分别通过数据采集仪20与计算机21相连。所述底座2开设有供电势测针16、孔隙水压力计17、空隙气压力计18和真空度传感器19穿入土样仓中的导孔15，对导孔15要做好密闭处理，防止气水泄露；对于导孔15的数量可根据试验的传感器位置和数量具体要求进行相应调整。通过上述这些传感器的设置可以在试验过程中实时监测土样4的电势、孔隙水压力、空隙气压力和真空度各参数。

具体使用和试验过程为，在中筒中设置好电势测针16和阴极柔性排水组合体7，然后填入土样4，在填至相应位置时设置孔隙水压力计17、空隙气压力计18和真空度传感器19；在填好的土样4表面上铺设砂垫层5，在砂垫层5上铺设密封膜10；将加压导管11和排水导管22与顶盖3连接，而排水导管22要连接至阴极柔性排水组合体7；然后将堆载加压仓6注满水，再盖上顶盖3并用拉杆29固定；需要说明的是，在顶盖3盖上前要注意留有沉降预留（密封膜10和排水导管22均需要预留），并对试验桶引出导线、传感器数据线以及压力室12和气水分离装置23上的进出口均采用密封压紧螺母进行密封处理；连接好加压***和气水分离***中的各连接导管，在压力室12中装好满足土样4沉降要求的适量用水；最后，打开气动设备14、真空泵26和/或电极的电源9即可开始试验。

在试验过程中，堆载加压仓6通过水压施加荷载，压力室12置于第一电子天平34之上，通过量测压力室12的质量变化即可换算土样4的表面沉降。通过真空泵26抽真空将阴极柔性排水组合体7中的气、水一同抽出，气、水进入气水分离装置23后，水将储存在该气水分离装置23中，气则通过抽气导管25被抽走，气水分离装置23置于第二电子天平35上，通过第二电子天平35的数据变化即可量测土体4的排水量；其中，要求排水导管22和抽气导管25伸入气水分离装置23中的管口均要求在抽出水面以上。

本发明可以对不同土体试样开展真空预压、堆载预压、电渗排水三者联合或单独作用的室内探索试验，并能在土样固结过程中实时测定其各项参数，以对固结过程进行定量分析，适用于真空堆载预压联合电渗加固软基机理的理论研究。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：包括试验桶、加压***、气水分离***、电极回路和数据采集***；

所述试验桶包括顶面开口的桶体和盖于桶体开口上的桶盖，所述桶体的桶腔自下而上包括用于填充土样的土样仓和用于注满水体的堆载加压仓；所述土样仓和堆载加压仓之间设置有铺设于土样表面上的砂垫层，所述砂垫层的顶面为堆载加压仓的仓底，堆载加压仓的仓底覆盖有密封膜，所述密封膜沿着堆载加压仓的仓壁铺设并延伸出桶体的边沿后外翻于桶体边沿，盖于桶体开口上的桶盖与密封膜一起使得堆载加压仓密闭；位于堆载加压仓的仓壁上的密封膜预留有膜预留量；

所述加压***包括依次相连的加压导管、压力室、供气导管和气动设备，以及第一电子天平；所述压力室中存储有水，所述加压导管的一端延伸入桶盖与堆载加压仓的仓顶相通，加压导管的另一端延伸入压力室并伸入水面之下，位于压力室内的供气导管的管口位于水面之上；所述压力室置于第一电子天平上，所述第一电子天平用于量测压力室的质量变化；

所述气水分离***包括依次相连的排水导管、气水分离装置、抽气导管和真空泵，以及第二电子天平和真空表；所述排水导管的一端依次贯穿过桶盖、堆载加压仓和密封膜后延伸入砂垫层至砂垫层底面而与土样仓相通，排水导管的另一端延伸入气水分离装置；所述气水分离装置置于第二电子天平上，所述第二电子天平用于量测土体的排水量；位于堆载加压仓中的排水导管预留有管预留量；

所述电极回路包括通过导线串联的阳极、电流表、电源和阴极柔性排水组合体，所述阳极为若干根，若干根阳极均沿着土样仓的内壁竖向设置光滑连接、并均与土样等高，所述阴极柔性排水组合体设置于砂垫层和土样仓仓底之间、并分布于土样仓的中心竖轴线上，所述电流表和电源设置于试验桶外；所述阴极柔性排水组合体的顶端与排水导管相连，阴极柔性排水组合体为双层无纺土工布管袋，双层无纺土工布管袋的内层袋装满石墨颗粒，双层无纺土工布管袋的外层袋装满砂，排水导管的另一端延伸入砂中；

所述数据采集***包括设置于土样仓中的电势测针、孔隙水压力计、空隙气压力计和真空度传感器，以及设置于试验桶外的数据采集仪与计算机；所述电势测针、孔隙水压力计、空隙气压力计和真空度传感器分别通过数据采集仪与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：所述桶体包括底座和垂直设置于底座上的中筒，所述顶盖和底座分别罩设住中筒的顶底两端，顶盖和底座之间通过位于中筒外侧的若干根拉杆连接固定。

3.根据权利要求2所述的真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：所述顶盖、中筒和底座均采用绝缘有机玻璃制成。

4.根据权利要求2所述的真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：所述拉杆为4根，4根拉杆均匀分布于中筒外侧。

5.根据权利要求2所述的真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：所述顶盖的底面和底座的顶面设置有与中筒相匹配对接的凹槽，所述凹槽内设有橡胶密封圈。

6.根据权利要求2所述的真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：所述底座开设有供电势测针、孔隙水压力计、空隙气压力计和真空度传感器穿入土样仓中的导孔。

7.根据权利要求1所述的真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：所述土样仓的内壁上均匀设置有8个竖向凹槽，所述阳极内嵌入竖向凹槽。

8.根据权利要求1所述的真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：所述密封膜外翻于桶体边沿后反包住桶体外壁，密封膜为双层膜，所述排水导管与密封膜之间用橡皮扎扎紧。

9.根据权利要求1所述的真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：所述加压导管和排水导管均通过开设于顶盖上的密封口贯穿过顶盖，所述密封口采用密封压紧螺母进行密封处理。

10.根据权利要求1所述的真空堆载预压联合电渗试验装置，其特征在于：所述压力室与气动设备之间设置有气压调节控制器，所述气水分离装置与试验桶之间和气水分离装置与真空泵之间均设置有阀门；所述压力室和气水分离装置均采用钢化玻璃制作。