CN102011388B - 水下真空预压离心模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下真空预压离心模型试验装置及方法，包括离心机，还包括水下土体自重固结系统及真空驱动系统，所述水下土体自重固结系统包括装有土体的试验模型箱，所述真空驱动系统包括真空气水分离箱、真空吸气泵、转动接合器及高压供气装置等。本发明可以模拟土体自重固结，即可模拟土体的初始应力状态。同时本发明采用高压空气获得真空并应用于离心模型试验技术中既能模拟水下真空预压，也能模拟陆上真空预压，能模拟真空预压固结过程及固结后土体的最终应力状态，并达到测试水下试验土体位移的目的。本发明的试验模拟可进行二维(即平面应变问题)或三维与真空预压问题有关的模拟，能较有效的测得土体加固区内应力和位移场。

Description

水下真空预压离心模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种物理模型试验方法及由该方法获得的模型试验装置，尤其是与水下真空预压或真空预压有关的离心模型试验装置。

背景技术

在离心机里采用真空泵产生真空并利用真空使土体中的水渗出发生固结是真空预压离心模型试验。由于真空泵是机械传动，在离心机里各部件增重几十倍，真空泵很难运行，而且真空泵需在启动离心机前打开，试验土体自重固结的模拟将失效，因此在离心机里运用真空泵技术产生真空的实例国内外仅有两例，影响了对真空预压尤其是水下真空预压理论的深入研究。据文献可知河海大学1988年将真空泵置于离心机转轴处，减小真空泵处的离心力，真空泵方能以较低效率运行。然而因其装置原因，真空泵需在离心机运转前启动，土体没时间发生自重固结即开始进行真空预压，此时土体的初始应力状态不能模拟，对土体的变形将产生很大的影响。日本西松建设公司(Nishimatsu Construction Co.，Ltd)2006年同样在离心机里采用真空泵对土体进行真空井点降水预压，试验土体中的水下流动，不能很好模拟现场情况，真空度为86kPa。

另一方面，现有在离心机里采用真空泵产生真空使土体固结的技术，仅能使试验土体底部孔隙水压力降低值大于试验土体的表面，从表面附近土体孔水压力下降较小可以看出，底部土体加固好于表面土体，土体表面孔隙水压力并没有下降或下降很小，与实际情况不符。因此现有采用真空泵的真空预压离心模型试验装置使水在土里向下渗流，不能模拟土体实际的真空固结状态，并且所获得的真空度也不大。同样由于土体中的水向下渗流，在现有两例离心模型试验中土体的水平位移不能很好反映现场情况，而且水位位移在试验中也没有很好测试。

以上所提及的离心模拟真空预压试验技术存在问题一是采用真空泵的离心模型获得真空度较小，二是模拟土体初始应力状态存在问题，三是模拟土体终了应力状态存在问题，四是不能模拟水下真空预压。

发明内容

本发明的目的旨在克服上述现有技术之不足，提供一种能有效进行真空预压或水下真空预压的离心试验模拟方法及装置，两者主要区别在于密封膜上是否有水。该发明的模拟技术能够巧妙利用试验装置以解决上述四个问题。

上述目的是通过以下技术方案实现的：一种真空预压离心模型试验系统，包括离心机，还包括水下土体自重固结系统及真空驱动系统，所述水下土体自重固结系统包括装有土体的试验模型箱，所述真空驱动系统包括真空气水分离箱、真空吸气泵、转动接合器及高压供气装置，所述真空气水分离箱中部设有进水口并与试验模型箱底部的排水口通过连接管连接，转动接合器设于所述离心机上方，其上部静止，分别连接一条来自于高压供气装置的静止供气管，及一条来自于离心机外的静止输入水管，其下部随离心机主轴转动，分别连接一条可转动的高压供气输出管及一条开口于试验模型箱上方的可转动的供水管，所述高压供气输出管连接于所述真空吸气泵的输入端，所述真空吸气泵的真空输出管接于所述气水分离箱的顶部开口，所述气水分离箱的下底设有排水管及排水阀。

如需要控制模型箱土体底部的孔隙水压力，则所述水下土体自重固结系统还包括用于控制所述试验模型箱底部水位的竖管，试验模型箱与竖管的底部由管路连通并设有控制阀门。

具体地来说，所述试验模型箱内的填充物由下至上包括置于底层的排水层；试验土体，内插设竖向排水体；土体上方水平排水层及密封膜。

对水下真空预压来说，所述密封膜上还承载有膜上水体，以模拟水下真空预压的情形。

所述密封膜上还布设有堆载层，以模拟真空联合堆载预压的情形，堆载层采用砂、土等固体。

作为优选方式，所述置于底层的排水层、及土体上方的表面水平排水层由水平排水管和砂垫层构成。

在所述试验模型箱内还设置有竖向连接管，把试验箱底排水层内的水平排水管与土体上方的表面水平排水层的水平排水滤管连结起来，所述竖向连接管采用可纵向压缩伸展的螺纹管，其作用是土体内的水通过竖向排水体汇集到土体上方的水平排水层，并通过水平排水层将土体固结排出的水汇集到气水分离箱。

本发明还提供了一种真空预压离心模型试验方法，该方法包括：采用如上所述的真空预压离心模型试验系统，通过离心模拟自重固结获得土体初始应力状态、通过埋设试验测试仪器取得试验过程中的相关数据、重新进行离心模拟自重固结后并通过真空驱动系统进行真空预压以达到所期望的应力状态。

进一步地，上述真空预压离心模型试验方法，包括以下步骤：

(A)将所述试验模型箱、竖管等置于所述离心机上，转动离心机使模型箱中的淤泥或流泥状态的试验土体在离心模拟自重情况下固结，使试验土体达到自重情况下的强度；

(B)对经模拟自重固结后的试验土体埋设测试仪器，通过出膜装置将仪器导线引出并对欲加固土体进行排气饱和与密封，将所述试验模型箱、竖管及气水分离箱置于离心机上，启动离心机；

(C)重新进行离心模拟自重固结，待主固结完成后开启所述高压供气装置，高压气体高速流过所述真空吸气泵，在所述气水分离箱中产生真空；

(D)当所述气水分离器中真空计读数低于-90kPa时，打开所述气水分离箱与所述试验模型箱间底部连接管上的阀门；

(E)所述试验模型箱中的试验土体中的孔隙水在水头差的作用下发生渗流固结，排出的水在水头差的作用下流向所述气水分离箱，当所述气水分离箱中的水位即将漫过所述进水口时，打开所述气水分离箱的排水阀排水；

(F)依据试验土体孔隙水压力计或位移计读数求得的固结度达到需要时，则可停离心机。

作为二维真空预压优选方式，所述密封膜边缘夹设于上下两层密封框中固定于所述试验模型箱箱体并以橡胶圈置于两层密封框和密封膜间密封固定，所述排气饱和与密封步骤包括：

在试验土体底部将去离子去气的水缓慢从底部通过土中竖向排水体渗入土中至其顶部；

当水位达到试验土顶部时，渗入的水以极慢速度上升，并使其漫过密封框；

水从密封框上的预留孔排出，此时挤压密封膜使其贴于土体或水平排水体和砂垫层表面，多余的水继续排出，同时在密封膜上注水使水漫过密封框；

封堵密封框上的预留孔中，达到试验土体饱和密封的效果。

作为三维真空预压优选方式，所述密封膜四周边缘埋入试验土体中，密封膜上预留有排气孔，以供加固土体的排气饱和与密封。

进一步来说，进入所述真空吸气泵的高压气体气压大于700kPa。

根据本发明的真空预压离心模型试验系统，采用上述水下真空预压离心模型试验装置及方法可得到通过离心模拟自重固结获得的土体初始应力状态、通过驱动真空装置进行水下真空预压或陆上真空预压并达到所期望的应力状态、并通过预埋的试验测试仪器取得试验过程中的相关数据。试验测试包括对土体竖向位移、水平位移、土体内孔隙水压力、土体内总应力、土体强度及气水分离箱中的真空度测试。本发明的试验装置能模拟土体自重固结，当土体自重固结完成后才进行真空预压。真空预压时土中的水向上流动，模拟了现场实际土体的真空固结，也就是说，该装置既能模拟土体的初始应力状态，也能模拟真空预压固结后土体的最终应力状态。同时该装置既能模拟水下真空预压，也能模拟陆上真空预压，并达到测试水下试验土体位移的目的。

附图说明

图1示出本发明的一种模拟加固区边界剖面图。

图2示出本发明的一种模拟水下真空预压加固大面积土体中部的全断面试验剖面图。

图3示出本发明的离心试验模拟真空预压全断面三维固结渗流的试验剖面图。

图4为密封膜固定于密封框上的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，当模拟平面应变问题时，试验模型箱1一般为矩形箱，正面嵌有机玻璃窗，可观查测试土体位移。根据所分析情况也可采用其他形状，如立方体或圆柱体形模型箱和试验土体以模拟三维情况，如图3所示。图1中箱内由下至上分成几层，第一层为排水层7，是在箱底铺设水平排水管及砂垫层，厚度为h1，h1一般为0～200mm，其作用是升高土体表面高度和实行土体固结双面排水用；当不需双面排水，该砂垫层可以省略，即h1为0，表示该层仅有排水管或排水管埋于模型箱底板中。第二层为试验土体8，厚度为h2，h2一般为200～600mm，试验土体内插设竖向排水体11，竖向排水体可以是砂井或塑料排水体。图1中第三层为试验土体上方的表面水平排水层9，包含水平排水管和砂层，厚度为h3，约为5～20mm，砂层的具体厚度根据需要考虑堆载量确定，其作用是及时排去土体8压缩产生的水，并在水头差的作用下，汇集于排水滤管28，然后流向竖向连接管29中。竖向排水体11直接与排水滤管28连接时，表面水平排水层中9的砂垫层也可以省略。第四层为密封膜12。对于水平排水层9采用砂层的情况，砂层可全部，也可部分地置于密封膜12上以模拟真空联合堆载预压。由于砂层置于密封膜12之下可起到增强排水的作用，因此水平排水层9与密封膜12在位置上并不限定哪个处于上方，密封膜可处于水平排水层的上方，此时水平排水层9处于膜下可起增强排水作用；而密封膜12处于水平排水层的中间或下方时，试验土体中的水只通过滤管28汇集，则为模拟真空联合堆载预压的情况，膜上砂垫层的重量根据预设的堆载量而确定并在离心机中以相应的厚度来获得堆载要求的堆载重量。密封膜三个边固定于密封框上，另一边插入试验土中模拟真空预压加固区周边固结变形情况，参见图1，密封膜在加固区周边埋入试验土体深为h6，而密封膜在箱体边缘的三边则固定在密封框27上。图4示出密封框27为两层形状相同的适配于模型箱内壁的闭合金属框271，两层闭合金属框271中间加设闭合橡胶圈272，密封膜12的边缘就固定在橡胶圈272和金属框之间，采用螺丝273拧紧将两层金属框紧固即可压紧密封膜。密封膜12也可全断面铺设，通过上下两层密封框夹紧固定夹于中间的橡胶圈和密封膜，模拟大面积真空预压中间土体的固结变形情况，参见图2。最顶层为膜上水体，厚度为h4，约为0～200mm，当模拟陆上真空预压时，厚度为0；当厚度不为0时，根据施加在模型箱上不同的离心加速度，模拟不同的水深。土体表面的水压由水的深度h3+h4控制，根据需要选择不同深度模拟不同深度下的水下真空预压，当膜上没有水时则模拟陆上真空预压。

自重固结由竖管系统控制水位，竖管系统还可控制真空预压期试验土体底部水位。竖管系统包括竖管2、竖管底部水压力计13、阀门14及竖管2与模型箱1的连接管。

真空气水分离箱3是一钢质箱，钢箱内储存由试验土体排出的水。抽真空前，钢箱内先储存约30～100mm厚的水，用以淹没水压力计13，使水压力计13处于水下饱和状态。当抽真空时，真空计15将显示为负压，同时气水分离箱3中水压力计13也显示为负压，水压力计13因有既存水的压力，其负压值没有真空计15的大。打开阀门16，模型箱1内的水将流向气水分离箱3，随着试验土体不断排出水，钢箱内的水面将逐渐上升，水面以上为真空负压。为控制试验土体中施加真空的大小，气水分离箱上的进水口17(或试验模型箱排水口)高度应根据向模型箱提供真空的大小事先设定并以h5表示，当钢箱内水位要漫过进水口17，同时钢箱底孔隙水压力计13测得水压力大于50kPa(理论值应为大于0kPa)时，应对钢箱内进行排水处理，可打开阀门18使气水分离箱3内水压力计13测读数回到适当数值后关闭阀门。气水分离箱3中的负压由箱外的真空吸气泵4形成，为免意外情况发生漏气，采用止回阀19联于气水分离箱3与真空吸气泵4之间。按照本发明，气水分离箱3水面上的真空由真空计15测得可达-95kPa。

真空吸气泵4采用文丘里原理获得真空。文丘里原理是当管路中高压气体或液体通过缩小的管径时，流速增大并将在附近区域产生低于大气压的真空。真空吸气泵4可以自制或采用商用真空吸气器。

高压供气装置6是能提供高于大气压的流体(气体或液体)的气压机或射流泵，当打开阀门20，静止管21内可获得流体压力大于700kPa的高压空气流，通过转动接合器5将高压空气流通过随离心机主轴转动的管路传到真空吸气泵4中，并由真空吸气泵4产生真空传递到气水分离箱3内。高压空气流也可换成高压水流，但在离心机中效果不很好并且也浪费水，本发明不建议采用。

离心机可采用香港科技大学的400gt大型土工离心机，该离心机自带有转动接合器5，该转动接合器5位于离心机主轴上方，转动接合器5上部是静止的，连接静止管路，其下部随离心机的主轴转动，连接转动管路。

通过静止供水管22经转动接合器5和电子阀门23向模型箱内加水。由于模型箱进行试验时处于高速旋转中，土体表面水份易失去，采用密封膜上的水压力计13进行监测，当水压力减小时，打开电子阀门23对模型箱加水到需要水位。另外为做不同水位的试验，也需要该加水装置。

除了上述采用水压力计13和真空计15对模型试验边界条件进行控制外，对试验土体固结变形行为需采用相应的测试仪器。本发明涉及的测试仪器如图1，包括埋于土中的孔隙水压力计24、埋于土中的土压力盒25、置于密封膜上的竖向位移计26(一般为LVDT)及高分辨率相机(未在图中示出)置于有机玻璃窗前用于拍摄不同时段土体的成相，采用剑桥大学PIV技术经成相分析可以得到土体水平位移和竖向位移。

在模型箱外的连接管一般均采用直径12mm耐高压的塑料管。在模型箱内密封膜下的水平排水管则采用耐高压的滤水管28，滤水管直径6mm。为不影响土体压缩变形，密封膜下的竖向连接管29采用可纵向压缩的螺纹管并保证横向不可压缩，并从试验土表面的排水管连接到气水分离箱3。

试验步骤与方法是关系到土体固结与变形行为的关键，主要表现是土体为弹塑性体，与其应力历史有关。其主要步骤包括试验土体自重固结及前期应力状态模拟，标定和埋设测试仪器，重新进行自重固结及前期应力状态模拟，启动真空进行真空预压固结模拟。

(1)试验土体自重固结及前期应力状态模拟

该过程是考虑土体应力历史的影响。为达到准确模拟前期应力并要求土体前期是横断面各向同性体，要求试验土体应首先和去离子水搅拌并要求土体含水量为试验土体液限的两倍以上，搅拌在可以同时抽真空的搅拌机中进行配制，试验土体通过充分搅拌变成流泥，将流泥通过勺舀至模型箱中，勺中的流泥表面应与箱内流泥表面大致齐平方能倒入箱内，避免直接倒入箱内挟带气泡。每一勺流泥转到模型箱后的应用勺夯击，将可能卷入的气泡击出。在模型箱3中的流泥应采用静荷载逐级加压使其在30kPa以上竖向应力状态下固结。固结基本完成再将装有土体的模型箱1及竖管2等搬至离心机上，此时土体具有一定强度，不会因离心机开始转动而破坏。当要求试验土体为正常固结时，不需外加荷载，对于正常固结土，表面土体强度很小，不便于埋设测试仪器及进行后期真空预压模拟的准备工作。当要求试验土体前期竖向有效应力大于正常固结土前期应力，试验土体表面应加需求的荷载，根据土类一般前期固结外加荷载大于30kPa为宜。按图1，安装好位移计26(LVDT)以便测竖向位移，评价自重固结效果并判断停机。启动离心机进行自重固结的离心试验模拟，控制离心机的旋转速度，使试验土体中部径向离心加速度达到预定值，如50g。当位移计26(LVDT)所测位移基本稳定并且固结度达90％以上时，表明主固结已完成，可以停机。自重固结时间由土体的渗透系数、土体厚度和排水条件确定。一般400mm厚的粘土在施以50g离心加速度的离心机中大约需固结30～80小时。

(2)测试仪器标定与埋设

测试仪器埋设是为真空预压离心试验模拟阶段相关测试做准备。仪器埋设前，应对所有测试仪器进行标定。其中孔隙水应力计24标定前必须进行饱和处理，真空计15标定时必须重新联接电路，根据适当的输入电压(如12～24V)和给定的压力测试值(如-100～100kPa)进行标定。土压力盒25、位移计26等的标定均按仪器使用说明进行即可，在此不再赘述。

当自重固结的离心模拟完成后，将相关已标定的仪器，如孔隙水压力计24、土压力盒25、位移计26(LVDT)等测试仪器及真空计15、水压力计13等监控仪器埋于土中或如图1和图2中预定位置。

测试仪器埋好后，将出膜装置固定在密封膜12上并将测试仪器导线穿过出膜装置并做密封处理。出膜装置包括上下两层中间开孔的金属盘，中间夹内外两圈闭合橡胶圈，一个橡胶圈直径较大，一个橡胶圈直径较小，当用螺丝将上下两层金属盘紧固后，则内外两圈橡胶圈之间的空间就完全密封。当仪器导线在上下两层金属盘及两密封圈间穿过时，只需对金属盘开孔处导线穿过的位置进行密封即可。出膜装置与密封膜的联接则与密封框27的处理相似，以达到密封效果。

把密封框27固定在模型箱1上，见图1或图2。密封框27(见图4)包括夹于密封膜12边缘上下侧的两个与箱体横截面相配合的矩形金属框271。将橡胶密封圈272置于下层密封框上并在橡胶圈周围涂上硅胶，然后将密封膜12置于下层密封框和橡胶密封圈上，最后将上层密封框置于密封膜12的边缘上，并采用螺丝273将密封框27的上、下两层密封框的预留螺纹孔拧紧。这样密封膜12的边缘就密封的夹于两层密封框27上。在密封框与箱体间的缝隙用玻璃胶274进行密封。密封框27上设有供水和气排出的预留孔，可供水、气在试验土体泡和的过程中流出。

打开阀门14，使去离子去气的水经竖管2，从模型箱试验土体底部缓慢通过土体上下方的水平排水体间的竖向连接管29或土中竖向排水体11渗入土中和其顶部。当水达到试验土顶部时，渗入的水以极慢速度上升，并使其漫过密封框27，该过程可将密封膜12下的气体排出；当水从密封框上的预留孔排出，此时挤压密封膜12使其贴于土体或垫层表面，多余的水从预留孔排出，同时在密封膜12上注水使水漫过密封框27，这样在模型箱1内密封框27以下除土体外，均被水充满；

将螺丝采用止水胶包裹后在水中拧于密封框27上的预留孔中密封，达到试验土体饱和密封的效果。

(3)重新在离心机里进行自重固结

前期离心机模拟自重固结主要是使土体达到要求的前期固结应力，并形成一种具有预期强度的试验土，以便进行仪器埋设。埋设后的仪器其位置除受土体卸载回弹的影响外，相对位置比没进行自重固结时埋设准确。当测试仪器装好后，采用图1或图2的装置再进行离心模拟自重固结，离心加速度可设置在20～100g，如50g，主要是获得真空预压前土体的初始应力状态，并消除因离心加载形成的超静孔隙水压力，使试验土体的孔隙水压力回到静水压力状态。图1的装置需要控制土体底部孔隙水压力，因此竖管2和阀门14需要安装；图2为模拟大面积土体真空预压中部的固结情况，底部孔隙水压力不需控制，因此不需安装竖管2和阀门14。

启动离心机，当土体内的孔隙水压力计24测得孔隙水应力稳定或位移计25测得土体沉降稳定后，即可启动真空预压。因有竖向排水体11，自重固结时间一般为20～30小时。当竖向排水体11间距较密时，自重固结时间可缩短至10小时左右。

(4)真空预压固结

在不停离心机的情况下，并在离心模拟自重固结主固结完成后，启动高压气泵6并打开供气开关20供气，此时高压气高速流过转动接合器5后跟随供气管一起绕离心机的转轴转动并高速流过真空吸气泵4后在气水分离箱3中产生真空。当气水分离箱3中真空计15读数超过90kPa负压后，打开气水分离箱3与试验模型箱1间的阀门16，试验模型箱1中试验土8中的水在水头差的作用下发生固结，排出的水在水头差的作用下流向土体顶部的水平排水滤管28并经可纵向压缩的竖向连接管29流向气水分离箱3。当气水分离箱3中的水位快要漫过进水口17时，打开气水分离箱3的排水阀18排水。当试验土体真空预压时依据孔隙水压力计24或位移计26读数求得的固结度达到需要，则可停离心机。离心机中真空预压固结时间与离心机里重新进行自重固结时间基本相若。

实施例1

如图1，示意示出本发明的一种模拟水下真空预压加固区边界范围的实施例。

其中竖管2用于控制底部水位，在加固区边上，底部水位受外界水的影响，必须对此进行模拟。而在加固区周边，密封膜插入试验土8中深度为h6。为保证试验土8中的水向竖向排水体11和顶部滤管28流动，与竖向连接管29底部相连的管采用耐压塑料管并与气水分离箱3相连。降低气水分离箱3中的压力可降低滤管28的水头，使试验土8中的水经滤管28和可纵向压缩管29流向气水分离箱3。考虑到采用真空泵在离心机外抽真空将使转动接合器5的密封润滑油等处于负压状态，易使转动接合器5的密封失效，因此在转动接合器5处采用高压供气，并选用真空吸气泵4利用文丘里原理获得真空负压，该负压在气水分离箱3中经真空计15测得可低至-95kPa以下。

实施例2

如图2，示出本发明的一种水下真空预压加固离心模型双面排水加固实施例。其中竖向排水体11穿透试验土8，使试验土的上下面水平排水层7和9相连，同时滤管28也分布于上下水平排水层中，起到双面排水效果，对于验证水下真空预压解析解有特殊的作用。联接上下排水滤管28的竖向水管29为可纵向压缩的螺纹管，该螺纹管可在纵向压缩，而不能在横断面上压缩，可减小对土体压缩的负面影响，又不影响土体的水平位移。该实施例真空的施加与图1所示的一样。

实施例3

如图3，示出本发明的离心试验模拟真空预压全断面三维固结渗流的实施例。其中，密封膜12四周边缘均插入试验土8中，深度为h6。由于密封膜四边插入土中，因此在图1和图2中的密封框27可以取消。离心试验模拟三维水下真空预压，即模拟现场加固区较小，土体变形不能再简化为平面应变情况和一维压缩应变情况，密封膜边缘需插入土中。

实施例4

本例采用了如图1所示的装置，不同之处在于表面水平排水层9之上不承载水体，即试验土体的水位控制在土体表面，即为模拟陆上真空预压。

实施例5

本例采用如图1所示的装置，不同之处在于密封膜上加载固定荷载，如砂石、土等固体，模拟真空联合堆载预压的情形。

Claims (9)

1.一种水下真空预压离心模型试验装置，包括离心机，其特征在于：还包括水下土体自重固结系统及真空驱动系统，所述水下土体自重固结系统包括装有土体的试验模型箱，所述试验模型箱内的填充物由下至上包括置于底层的排水层；试验土体，内插设竖向排水体；土体上方的表面水平排水层及密封膜；所述真空驱动系统包括真空气水分离箱、真空吸气泵、转动接合器及高压供气装置，所述真空气水分离箱中部设有进水口并与试验模型箱底部的排水口通过连接管连接，转动接合器设于所述离心机上方，其上部静止，分别连接一条来自于高压供气装置的静止供气管，及一条来自于离心机外的静止输入水管，其下部随离心机主轴转动，分别连接一条可转动的高压供气输出管及一条开口于试验模型箱上方的可转动的供水管，所述高压供气输出管连接于所述真空吸气泵的输入端，所述真空吸气泵的真空吸气管接于所述气水分离箱的顶部开口，所述气水分离箱的下底设有排水管及排水阀。

2.根据权利要求1所述的水下真空预压离心模型试验装置，其特征在于：所述水下土体自重固结系统还包括用于控制所述试验模型箱底部水位的竖管，试验模型箱与竖管的底部由管路连通并设有控制阀门。

3.根据权利要求1所述的水下真空预压离心模型试验装置，其特征在于：所述密封膜上还承载有膜上水体。

4.根据权利要求1所述的水下真空预压离心模型试验装置，其特征在于：所述密封膜上还布设有堆载层。

5.根据权利要求1所述的水下真空预压离心模型试验装置，其特征在于：所述置于底层的排水层、及土体上方的表面水平排水层由水平排水管和砂垫层构成。

6.根据权利要求5所述的水下真空预压离心模型试验装置，其特征在于：在所述试验模型箱内还设置有竖向连接管，把试验箱底层排水层内的水平排水管与所述表面水平排水层内的水平排水管连结起来，所述竖向连接管采用可纵向压缩伸展的螺纹管。

7.一种水下真空预压离心模型试验方法，其特征在于包括：采用如权利要求1至6任一权利要求所述的真空预压离心模型试验装置，依次进行如下步骤：

(1)试验土体自重固结及前期应力状态模拟，使土体达到前期固结应力以形成具有预期强度的试验土；

(2)测试仪器标定与埋设；

(3)把所述试验模型箱移至离心机里，重新在离心机里进行自重固结；

(4)当离心模拟自重固结主固结完成后进行真空预压固结，当试验土体真空预压时依据孔隙水压力计或位移计读数求得的固结度达到需要时停离心机。

8.根据权利要求7所述的水下真空预压离心模型试验方法，其特征在于包括以下步骤：

(A)将所述试验模型箱、竖管置于所述离心机上，转动离心机使模型箱中的淤泥或流泥状态的试验土体在离心模拟自重情况下固结，使试验土体达到自重情况下的强度；

(B)对经模拟自重固结后的试验土体埋设测试仪器，通过出膜装置将仪器导线引出并对欲加固土体进行排气饱和与密封，将所述试验模型箱、竖管及气水分离箱置于离心机上，启动离心机；

(C)重新进行离心模拟自重固结，待主固结完成后开启所述高压供气装置，高压气体高速流过所述真空吸气泵，在所述气水分离箱中产生真空；

(D)当所述气水分离箱中真空计读数低于-90kPa时，打开所述气水分离箱与所述试验模型箱底部连接管上的阀门；

(E)所述试验模型箱中的试验土体中的孔隙水在水头差的作用下发生渗流固结，排出的水在水头差的作用下流向所述气水分离箱，当所述气水分离箱中的水位即将漫过所述进水口时，打开所述气水分离箱的排水阀排水；

(F)依据试验土体孔隙水压力计或位移计读数求得的固结度达到需要时，则可停离心机。

9.根据权利要求7所述的水下真空预压离心模型试验方法，其特征在于：所述密封膜边缘夹设于上下两层密封框中固定于所述试验模型箱箱体并以橡胶圈置于两层密封框和密封膜之间密封固定，所述排气饱和与密封步骤包括：

在试验土体底部将去离子去气的水缓慢从底部通过土中竖向排水体渗入土中至其顶部；

当水位达到试验土顶部时，渗入的水以极慢速度上升，并使其漫过密封框；

水从密封框上的预留孔排出，此时挤压密封膜使其贴于土体或水平排水体和砂垫层表面，多余的水继续排出，同时在密封膜上注水使水漫过密封框；

封堵密封框上的预留孔中，达到试验土体饱和密封的效果。

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