CN102565139A - 一种室内真空电渗联合固结试验仪 - Google Patents

Abstract

一种室内真空电渗联合固结试验仪，主筒周围布置有阳极铁丝并与电极圈连接，主筒的土样层和蓄水层通过竖向排水管连通，竖向排水管外包裹一层土工布，土工布外缠绕有阴极铁丝，阴阳极铁丝、电流表及电源串联形成回路；主筒上部顶板上呈中心对称开有四排导孔分别穿有孔压传感器、电势传感器、表面沉降标和分层沉降标，传感器经采集仪与电脑相连，主筒下层的蓄水层与气水分离装置相连通，气水分离装置上部连通有真空仪表和真空泵；本发明可以对不同土体试样开展真空电渗联合或者单独作用的室内探索试验，同时能对过程中土样内的各项参数的实时变化情况进行监测，对固结效果进行定量分析。

Description

一种室内真空电渗联合固结试验仪

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别涉及一种室内真空电渗联合固结试验仪，可对不同的土体开展真空电渗联合或者单独作用的室内探索试验。

背景技术

近年来，随着我国经济建设的不断发展，沿海各种工业园区、人工岛(飞机场)、旅游胜地等工程越来越多，例如澳门国际机场和香港国际机场的建设。在城市内，地铁和高铁技术也得到了快速的发展和广泛的应用。所有这些实际工程都面临着一个重大的问题，那就是软粘土地基的处理问题。除此之外，近年来越来越受到关注的尾矿、污泥等的处理也成为一个难题。软粘土、尾矿、污泥这一类土，含水量高、孔隙比大、渗透性小，对工程建设会造成很大的安全隐患，必须采取措施进行排水固结。采用传统的排水固结法如堆载预压固结等方法，初期效果可能比较明显，但是后期效果不好，沉降缓慢，因此必须要有一种更有效的地基处理方法来适应经济的快速发展。

真空预压法是一种有效的地基处理方法，1952年由瑞典学者Kjellman教授提出，之后被各国学者关注，在实际工程中也有较多的应用。相对于传统的堆载预压方法，真空预压法具有操作方便并且不会引起土体剪切破坏的优势。近年来，Indraratna、Shang、Chu、龚晓南、刘汉龙等人对真空预压法进行了更加深入的研究，使其理论日趋完善，并开发了相关有限元数值计算模型，逐步应用到实际工程中。实际应用真空预压法时，所采用的方法是：首先在待处理地基中打入塑料排水板，一般呈正方形或者三角形布置，随后在地基上铺上砂垫层，紧接着铺上密封膜，密封膜在地基边界处引入到粘土浆中进行密封。在砂垫层中插入真空泵的导管，随后开始抽真空，从而在地基表面的砂垫层和竖直打入的塑料排水板中形成真空区域，实际应用中，真空压力可以达到80～90kPa。在真空作用下，地基中的水会由边界向真空区域流动，到达砂垫层中或者塑料排水管中后再被抽出，从而达到排水固结效果。由于真空作用下，地基中形成负的超静孔压，而总应力是不变的，因此不会引起土体剪切破坏。但是，实际应用时发现，采用真空预压法处理后的地基，在靠近塑料排水板处沉降较大，而边界处沉降较小，会引起不均匀沉降。

电渗现象早在1809年就被俄国学者Reuss发现，1938年Cassagrand首次将电渗法应用在实际工程中。在电渗的理论研究方面，Esrig，Wan和Mitchell等人发展了电渗的一维固结理论。我国在20世纪50年代末期对电渗降水和地基加固进行了试验研究，并在实践方面也取得了良好的效果。研究发现，土的水力渗透系数能够从砂土的10^-4cm/s变化到粘土的10^-9cm/s。当土的水力渗透系数小于10^-7m/s时，采用传统的排水法如预压堆载法等对地基进行处理会变得很困难。而土体的电渗透系数基本落在10^-5～10^-4cm²/v·s的较窄范围内，这种低渗透率的土体就非常适合用电渗法进行处理。在实际应用时，电渗法的操作与真空预压法相似，在地基中打入电渗管，一般呈正方形或者三角形布置，阴阳极交替。随后，施加电压，进行电渗。由于土颗粒一般带负电，其外围会吸引阳离子，在外加电场作用下，阳离子会拖曳水分子从阳极向阴极运动。因此，电渗时，水不断由阳极向阴极运动，最后再阴极处被排出，达到排水固结效果。理论、数值、室内试验的结果分析均表明，电渗时，土体内也会形成负超静孔压，阳极处最大，阴极处为0，相应地，沉降在阳极处最大，阴极处相对较小。

根据以上分析，如果将真空和电渗方法联合使用，将会在土体中形成更大的负超静孔压，达到更好的排水固结效果。可以预想，真空与电渗联合作用时，不仅可以有效对软粘土、尾矿、污泥等工程性质较差的土体进行排水固结，而且可以通过合理布置阴阳两极的位置使得地基表面的沉降更加均匀，是一种前景良好的地基处理方法，笔者已进行的数值研究已经验证了这一点，国内也已经有应用真空电渗联合预压固结的工程实例。

然而，目前对真空电渗联合固结法的研究相对较少，对其内部作用机理以及工程实践中的设计问题研究不够透彻，实际应用时多是依靠设计人员的经验来确定相关参数。目前已有的室内真空电渗试验仪器不能准确的反映实际工程中土体受力变形的情况，无法对土体内部不同位置的超静孔隙水压力发展、表面沉降发展、土层内部不同径向和深度处的沉降发展、土层电阻变化等情况进行监测，这使得研究人员无法准确的把握真空电渗联合固结时土样内部的应力和变形情况，无法准确获得相关的设计计算参数。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种室内真空电渗联合固结试验仪，可以对不同土体试样开展真空电渗联合或者单独作用的室内探索试验，同时能对过程中土样内的各项参数的实时变化情况进行监测，对固结效果进行定量分析。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种室内真空电渗联合固结试验仪，包括上层为土样层11和下层为蓄水层20的主筒，主筒周围布置有阳极铁丝15并与主筒内径相同且主筒位置上、中、下三处的电极圈16连接，主筒的土样层11和蓄水层20通过竖向排水管19连通，竖向排水管19外包裹一层土工布13，土工布13外缠绕有阴极铁丝14，阴阳极铁丝、电流表17及电源18串联形成回路；

主筒上部设置有顶板8，顶板8上呈中心对称开有四排导孔26分别穿有孔压传感器5、电势传感器6、表面沉降标27和分层沉降标28，孔压传感器5经孔压数据采集仪3与电脑1相连，电势传感器6经电势数据采集仪4与电脑1相连；

主筒下层的蓄水层20通过蓄水层导管21与气水分离装置23相连通，气水分离装置23上部连通有真空仪表24和真空泵25。

所述的竖向排水管19上设置有排水孔12。

所述的气水分离装置23上带有刻度。

所述的主筒、竖向排水管19和顶板8由绝缘的有机玻璃制成。

所述的气水分离装置23与真空泵25之间连接一阀门。

所述的土样层11上层铺有砂垫层10和密封膜9，砂垫层10与竖向排水管19顶部接触，密封膜9铺设在砂垫层10之上，绕过主筒边壁后向下贴于主筒外壁上，密封膜9在砂垫层10表面预留适应土样沉降的长度。

本发明具有以下功能及特点：

1、能够对不同试样进行电渗试验、真空试验、真空电渗联合固结试验，以及先真空预压后电渗固结的试验。

2、试验中能实时监测各项参数，主要包括孔压、电势、出水量、表面沉降、分层沉降、电流。对出水量、沉降的观测结果能对试验效果进行定量评价，对电流的观测结果能对能耗进行定量评价，对电势和孔压的观测能对真空或电渗的影响进行评价。

3、孔压、电势的监测通过传感器和采集仪连接到电脑进行记录，自动化程度高。表面沉降、分层沉降、电流、出水量的监测手段可靠，在沉降标、气水分离装置上有相应刻度，虽然需要人工读数，但是操作简单方便，数据较为可靠。

4、该仪器中土样为轴对称形式，其各个径向上的渗流、应力、应变情况均相同，不同径向上具有相同半径位置和深度位置的点，其渗流和受力情况相同。因此，在不同径向上对相同半径和深度的点进行监测，实际上就同时得到了该点的孔压、电势、沉降数据。另外，根据需要可以在顶板上增加开孔数，以穿过更多的传感器和沉降标。

5、除固结试验之外，该仪器也可用来进行对被污染土样的电动力学修复试验，可通过插入污染物浓度测量装置，对电渗中污染物浓度的变化进行监测，分析电渗在处理被污染土样中的作用，通过分析气水分离装置中水的化学成分，可以分析污染物排出的效率等问题。

附图说明

图1是本发明X-Z方向示意图。

图2是本发明Y-Z方向示意图。

图3是本发明X-Y方向示意图。

图4是本发明的顶板8俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1、图3，一种室内真空电渗联合固结试验仪，包括上层为土样层11和下层为蓄水层20的主筒，主筒周围布置有32根竖向阳极铁丝15，并与主筒内径相同且主筒位置上、中、下三处的电极圈16连接，主筒的土样层11和蓄水层20通过竖向排水管19连通，竖向排水管19外包裹一层土工布13，防止土样进入排水管，土工布13外缠绕有阴极铁丝14，阴阳极铁丝、电流表17及电源18串联形成回路，可监测土样内电流，电极材料为铁丝或铜丝等导电金属材料，阳极铁丝15也可用石墨棒替代。

参照图1、图2和图4，主筒上部设置有顶板8，顶板8上呈中心对称开有四排导孔26分别穿有孔压传感器5、电势传感器6、表面沉降标27和分层沉降28，表面沉降标27上的刻度也使得沉降数据的读取简单方便，分层沉降标28可以监测处理过程中土样中不同位置处的实时分层沉降。

具体方式为：顶板上8呈中心对称地开有4排导孔26，每排5个。第一排导孔用来穿过并固定孔压传感器5，孔压传感器6穿过顶板8、密封膜9、砂垫层10布置于土样7中的不同径向和深度位置，孔压传感器6与密封膜9相穿处用玻璃胶进行密封；第二排导孔用来穿过并固定电势传感器，电势传感器穿过顶板、密封膜、砂垫层布置于土样中的不同径向位置，电势传感器与密封膜相穿处用玻璃胶进行密封。第三排的5个导孔穿过5个表面沉降标27，表面沉降标27穿过顶板8、密封膜9、砂垫层10之后放置于土样上方，用以监测土样表面的实时沉降；第四排的5个导孔穿过分层沉降标28，这5个分层沉降标28穿过顶板8、密封膜9、砂垫层10之后继续穿入土中一定深度处，用以监测土样内部的实时沉降，沉降标与密封膜相穿处用玻璃胶密封。沉降标是一种表面有刻度的有机玻璃棒，其底部为圆球状，以方便将其固定于土中。

参照图1，孔压传感器5经孔压数据采集仪3通过导线2与电脑1相连，电势传感器6经电势数据采集仪4通过导线2与电脑1相连，可自动记录采集数据。；

参照图1，主筒下层的蓄水层20通过蓄水层导管21与气水分离装置23相连通，气水分离装置23上部通过胶皮管22连通有真空仪表24和真空泵25，工作时形成真空泵-气水分离装置-主筒蓄水层-竖向排水管-主筒土样层-砂垫层的连接体，保证真空可以作用到土样上，以监测土样内真空度。

参照图1，所述的竖向排水管19上设置有排水孔12。

参照图1，所述的气水分离装置23上带有刻度，可方便测量某时刻的出水量。

所述的主筒、竖向排水管19和顶板8由绝缘的有机玻璃制成，可以保证电渗的进行。

所述的气水分离装置23与真空泵25之间连接一阀门，从而控制所施加真空度的大小。

所述的土样层11上层铺有砂垫层10和密封膜9，砂垫层10与竖向排水管19顶部接触，使得土样表面和中间竖向排水管内均为真空区域。密封膜9铺设在砂垫层10之上，绕过主筒边壁后向下贴于主筒外壁上，达到密封效果，密封膜9在砂垫层10表面预留适应土样沉降的长度。

本发明的工作原理为：

在试验主筒土样层11中填入待处理土样7至与竖向排水管19顶部齐高，在土样7上部填入砂垫层10，在砂垫层上方紧贴铺一层密封膜9并绕过主筒边壁之后向下贴于主筒外壁，铺密封膜9时，在砂垫层上预留一部分，以适应土样的沉降，接着将孔压传感器5、电势传感器6、表面沉降标27和分层沉降标28穿过密封膜9和砂垫层10布置于土样中不同径向和深度处，与密封膜相穿处均用玻璃胶；检查完线路无误后，按照试验计划施加一定电压，打开真空泵25，调整阀门使试样中真空压力为计划真空压力。试验过程中，随时检测孔压、电势数据，若有问题，及时调整。

图中：1.电脑，2.导线，3.孔压数据采集仪，4.电势数据采集仪，5.孔压传感器，6.电势传感器，7.土样，8.顶板，9.密封膜，10.砂垫层，11.主筒土样层，12.排水孔，13.土工布，14.阴极铁丝，15.阳极铁丝，16.电极圈17.电流表，18.电源，19.竖向排水管，20.主筒蓄水层，21.蓄水层导管，22.胶皮管，23.气水分离装置，24.真空仪表，25.真空泵，26.导孔，27.表面沉降标，28.分层沉降标。

Claims (6)

1.一种室内真空电渗联合固结试验仪，其特征在于，包括上层为土样层(11)和下层为蓄水层(20)的主筒，主筒周围布置有阳极铁丝(15)并与主筒内径相同且主筒位置上、中、下三处的电极圈(16)连接，主筒的土样层(11)和蓄水层(20)通过竖向排水管(19)连通，竖向排水管(19)外包裹一层土工布(13)，土工布(13)外缠绕有阴极铁丝(14)，阴阳极铁丝、电流表(17)及电源(18)串联形成回路；

主筒上部设置有顶板(8)，顶板(8)上呈中心对称开有四排导孔(26)分别穿有孔压传感器(5)、电势传感器(6)、表面沉降标(27)和分层沉降标(28)，孔压传感器(5)经孔压数据采集仪(3)与电脑(1)相连，电势传感器(6)经电势数据采集仪(4)与电脑(1)相连；

主筒下层的蓄水层(20)通过蓄水层导管(21)与气水分离装置(23)相连通，气水分离装置(23)上部连通有真空仪表(24)和真空泵(25)。

2.根据权利要求1所述的一种室内真空电渗联合固结试验仪，其特征在于，所述的竖向排水管(19)上设置有排水孔(12)。

3.根据权利要求1所述的一种室内真空电渗联合固结试验仪，其特征在于，所述的气水分离装置(23)上带有刻度。

4.根据权利要求1所述的一种室内真空电渗联合固结试验仪，其特征在于，所述的主筒、竖向排水管(19)和顶板(8)由绝缘的有机玻璃制成。

5.根据权利要求1所述的一种室内真空电渗联合固结试验仪，其特征在于，所述的气水分离装置(23)与真空泵(25)之间连接一阀门。

6.根据权利要求1所述的一种室内真空电渗联合固结试验仪，其特征在于，所述的土样层(11)上层铺有砂垫层(10)和密封膜(9)，砂垫层(10)与竖向排水管(19)顶部接触，密封膜(9)铺设在砂垫层(10)之上，绕过主筒边壁后向下贴于主筒外壁上，密封膜(9)在砂垫层(10)表面预留适应土样沉降的长度。

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