CN102707034A - 气压劈裂真空预压法室内模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气压劈裂真空预压法室内模型试验装置，包括模型槽、堆载系统、真空加载系统、气压劈裂系统及量测系统；所述模型槽包括塑料圆桶、塑料圆桶底座、塑料圆桶顶盖和钢筋；所述堆载系统为杠杆式加载装置；所述真空加载系统包括排水系统、密封系统和抽真空系统；所述气压劈裂系统包括喷气头、输气管路、压力流速控制器和空气压缩机；所述量程系统包括位移传感器、孔隙水压力计和数据采集仪。本发明还公开了一种使用上述气压劈裂真空预压法室内模型试验装置的方法。本发明模型试验装置结构合理、简单，操作方便，能用于开展气压劈裂真空预压法加固软土的模型试验。

Description

气压劈裂真空预压法室内模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及软土地基加固领域，更具体涉及一种气压劈裂真空预压法加固软土模型试验装置及试验方法，适用于气压劈裂真空预压法加固软土模型试验。

背景技术

软土地基处理是我国沿江沿海地区工程建设经常面临的技术难题，特别是我国东南沿海地区，深厚海相软土处理是城市建设、港口工程、交通设施建设的关键技术之一。

常用的软土地基处理方法有换填法、排水固结法、水泥土搅拌法、碎石及砂桩法、注浆法、振冲法、土工聚合物和托换技术等。大量的工程实践证明，真空预压法是一种经济有效的软土地基处理技术。但是，采用真空预压法处理地基也存在以下局限性，一是排水固结时间相对较长，沉降速率难稳定，工后沉降难以控制；二是真空度沿深度衰减，对深厚软土地基加固效果不理想，处理深度有限。为解决这些问题，工程技术人员发展真空预压与其他地基加固技术联合使用，但对于我国东南沿海工程建设中经常遇到的深厚软土，这些技术仍然存在局限性，主要原因是真空度传递的深度有限和深部土体渗透性难以提高。因此需要探索新的思路，使真空预压法加固深厚软土得以取得突破发展。

气压劈裂真空预压法是在常规真空预压法的基础上增加气压劈裂系统而形成的一种新型地基处理方法。该方法的特点是通过向深部土体中喷入高压气体，使土体中形成气压劈裂裂隙，可迅速提高深部土体渗透性；同时在土体深部喷入高压气体相当于施加瞬时荷载，改善了地表附加应力沿深度衰减的局限性；另外由气压劈裂裂隙和竖向排水体组成了排水导气网络，可以加快土中水气的排出，缩短固结时间。该方法仅在已有真空预压法的基础上增加气压劈裂系统，施工方便，经济高效。因此，该加固软土的方法应具有很大的生命力，但遗憾的是此方法并未被实际工程广泛使用，究其原因可能为：①对本方法的加固机理缺乏一定的研究，其加固的有效性、持续性尚未被工程技术人员所认识；②对不同类型的软土的加固工艺、施工控制方法与措施缺乏研究，尚未形成成套的加固技术。气压劈裂真空预压法是新近提出的，仅在东南大学岩土工程研究所进行过少量室内研究和小范围的现场试验，但还远远不够深入。为全面推动软土地基处理的气压劈裂真空预压法的应用，有必要开展系统的试验研究，以探讨气压劈裂真空预压法的加固机理、工艺及施工控制方法与措施，而目前尚无用于气压劈裂真空预压法加固软土模型试验的专用装置，需要研发相应的试验装置。本发明将填补此方面的空白。

总之，气压劈裂真空预压法是一种优良的地基处理方法，具有非常广阔的应用前景，应该大力予以研究和开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气压劈裂真空预压法室内模型试验装置，该装置可以模拟气压劈裂真空预压法的加固过程，模拟现场工作条件。

本发明的另一个目的在于提供一种气压劈裂真空预压法室内模型试验方法。

本发明采用的技术方案是：一种气压劈裂真空预压法室内模型试验装置，包括模型槽、堆载系统、真空加载系统、气压劈裂系统及量测系统；

所述模型槽包括塑料圆桶、塑料圆桶底座、塑料圆桶顶盖和钢筋，所述塑料圆桶与塑料圆桶底座完全密封，所述塑料圆桶底座通过钢筋与塑料圆桶顶盖固定在一起，所述塑料圆桶内设有承压板，承压板与塑料圆桶底座之间设有待加固软土；

所述堆载系统为杠杆式加载装置，堆载系统与所述承压板连接；

所述真空加载系统包括排水系统、密封系统和抽真空系统，所述排水系统主要包括砂垫层、排水板、导气排水管，所述砂垫层在待加固软土的上面和下面各设置一层，所述排水板设在待加固软土内，排水板的底部埋入砂垫层中，所述导气排水管埋入待加固软土上面的砂垫层中；所述密封系统包括密封膜，密封膜设在所述承压板与砂垫层之间，密封膜上下铺设土工布；所述抽真空系统包括抽真空管路、电子秤、气水分离器、真空表、负压稳定控制器和真空泵，所述抽真空管路一端与所述导气排水管连接，另一端与气水分离器连接，气水分离器下面设有电子秤，气水分离器上面安装有真空表，气水分离器与负压稳定控制器连接，负压稳定控制器与真空泵连接；

所述气压劈裂系统包括喷气头、输气管路、压力流速控制器和空气压缩机，所述喷气头设在所述待加固软土内，喷气头通过输气管路与连接，压力流速控制器与空气压缩机连接；

所述量程系统包括位移传感器、孔隙水压力计和数据采集仪，所述位移传感器安装在所述承压板上，所述孔隙水压力计设置在所述待加固软土内，并与数据采集仪连接。

作为优选，所述杠杆式加载装置杠杆比例为1:20。

一种使用上述气压劈裂真空预压法室内模型试验装置的方法：

（a）将待加固软土放入搅拌机内搅拌，在搅拌的过程中慢慢加水；

（b）在模型槽内表面涂抹凡士林，减少土样和模型槽的摩擦力；

（c）模型槽最下层铺设了砂层，铺平，压实，砂层作为排水层；

（d）在砂层之上填入重塑粘土，在土样的放入过程中，在水平方向和深度位置埋设已预先经过抽气饱和的微型孔隙水压力计，为了加速固结，模型槽土样内按正三角形布置三根塑料排水板，喷气管位于正三角形的形心，排水板底部与砂垫层相连；

（e）在土样上表层铺设砂层，在砂层中埋入导气排水管；在砂层上铺设土工布，并铺上一层塑料薄膜，再放上玻璃板，孔压计的导线从玻璃板边缘和模型槽间的缝隙中导出，并与数据采集仪连接，在玻璃板上架设位移百分表，记录孔压计和位移百分表的初始读数；

（f）采用堆载系统对土样进行加载，进行静压法固结制样；

（h）待试验土样固结完成后进行气压劈裂真空预压法加固软土试验，启动真空泵，抽真空至稳定状态，同时利用气压劈裂系统按设计压力向土体中喷入高压气体，联合加固软土。

作为优选，所述步骤（a）中搅拌时间为10分钟，使得最后土样的含水量约为1.5倍液限。所述步骤（b）中在模型槽内预先注入20cm厚的水防止倒入土样时产生气泡。所述步骤（c）中砂层厚度为5cm。所述步骤（d）中重塑粘土高度为100cm，排水板高度为1100mm，宽50mm，厚4mm。所述步骤（e）中砂层厚度为5cm。

作为优选，所述步骤（f）中静压法固结制样模拟现场土层0~20m不同深度处的土体，固结压力根据圆桶面积换算可得，范围为0~400kPa。

作为优选，所述步骤（h）中喷气压力根据土体强度及应力状态由起劈压力计算公式计算；首先进行土体劈裂，然后抽真空至稳定状态，保持真空荷载同时进行间歇性喷气；每一轮的喷气时间、间隔时间根据砂垫层表面出气和出水情况、孔压变化和真空度等进行调整。作为优选，喷气时间5分钟、间隔12小时。

有益效果：本发明是一种气压劈裂真空预压法加固软土试验装置，该装置施工简单、成本低廉，能提供合理的物理模拟条件和较好的、易于描述的边界条件，能在一定条件下实现气压劈裂真空预压法加固软土的过程，可用于研究气压劈裂真空预压法的加固机理与工艺及施工控制方法与措施。

附图说明

图1为本发明气压劈裂真空预压法室内模型试验装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示：一种气压劈裂真空预压法室内模型试验装置，包括模型槽、堆载系统、真空加载系统、气压劈裂系统及量测系统；

模型槽由塑料圆桶1，塑料圆桶底座2，塑料圆桶顶盖3，钢筋4组成；其中塑料圆桶1为直径50cm、高120cm的有机透明塑料圆桶。塑料圆桶底座2为厚度2cm、直径60cm的高强塑料板（PVC）或钢板；塑料圆桶顶盖3材质与底座一致。塑料圆桶底座2与塑料圆桶1完全密封。塑料圆桶底座2和塑料圆桶顶盖3开有直径10mm且带有螺纹的圆孔，用于固定圆桶的底座和上盖的六根钢筋4，接口处必须具备较大的抗拉能力。

堆载系统5是采用杠杆原理进行加载的装置，高度2m、长宽为1.0m，杠杆比例为1:20，最大加载压力为200kPa压力。

真空加载系统由排水系统、密封系统和抽真空系统组成。排水系统主要包括砂垫层6，排水板7，导气排水管8。排水板7采用现场施工使用的C型排水板，塑料排水板成梅花形布置，间距为208mm；砂垫层6厚度为50mm，上下各设置一层，为双面排水，排水板埋入底部砂垫层6中。导气排水管8为直径2.5cm的塑料管，管内有螺旋钢丝支撑，可承受较大的竖向压力而不会压扁。沿导管每隔5cm钻有一直径约为0.5cm的小洞，导管外用土工布包裹。导气排水管8埋入上部砂垫层6中，与抽真空管路11连接。密封系统主要为密封膜9。密封膜9采用现场施工使用的密封膜（或一般透明密封膜）。上部密封膜的密封性需要要注意，密封膜采用两层，一层埋入土体中，另外一层沿圆桶内壁铺向上，并由顶盖压封，保证密封性。密封膜上下铺设土工布，土工布上部放置承压板10。抽真空管路11采用5~10mm的透明塑料管，但是必须能承受吸力1Mpa，外压力1Mpa，即径向压力2MPa以上，连接导气排水管8和气水分离器13。气水分离器13由高强度钢质缸体和缸盖组成，缸盖上安装有真空表14和负压稳定控制器15，经过负压稳定控制器15连接到真空泵16，同时利用电子秤12测量气水分离器13中水的质量。真空泵16用于形成真空压力，真空压力的大小真空表14测量。

气压劈裂系统包括喷气头17、输气管路18、压力流速控制器19、空气压缩机20。喷气头17为圆锥体，在喷头外部布设一层土工布，主要防止停止喷气时，泥水倒吸进喷气管，从而堵塞喷气管。喷气头位于待加固土体一半深度处。输气管路18采用金属管，直径为10mm，承受压力为1MPa以上，连接喷气头17和压力流速控制器19。压力流速控制器19可测并可控制气体流速、气体压力、流量、时间。空气压缩机20提供气源，量程为0~2MPa。

量程系统包括位移传感器21、孔隙水压力计22和数据采集仪23。量测系统监测真空度、堆载压力、孔隙水压力、土体沉降变形、出水量、喷气压力、喷气时间、抽气流速、喷气流速等。

气压劈裂真空预压法模型试验详细步骤如下：

（a）将待加固软土放入搅拌机内搅拌，搅拌时间为10分钟，在搅拌的过程中慢慢加水，使得最后土样的含水量约为1.5倍液限。

（b）在塑料圆桶1内表面涂抹凡士林，减少土样和塑料圆桶1的摩擦力。在塑料圆桶1内预先注入20cm厚的水防止倒入土样时产生气泡。

（c）塑料圆桶1最下层铺设了约5cm厚的砂垫层6，铺平，压实，砂垫层6作为排水层。

（d）在砂垫层6之上填入高度为100cm的重塑粘土。在土样的放入过程中，在相应的位置（水平方向和深度）埋设已预先经过抽气饱和的孔隙水压力计22。为了加速固结，模型槽土样内按正三角形布置三根排水板7，喷气头17位于正三角形的形心。排水板7底部与砂垫层6相连，高度为1100mm，宽50mm，厚4mm。

（e）在土样上表层铺设厚度约为5cm的砂垫层6，在砂垫层6中埋入导气排水管8；在砂垫层6上铺设土工布，并铺上一层密封膜9，再放上承压板10。孔压计的导线从承压板10边缘和模型槽间的缝隙中导出，并与数据采集仪23连接。在玻璃板上架设位移传感器21。

（f）采用堆载系统5对土样进行加载，进行静压法固结制样。静压法固结制样模拟现场土层0~20m不同深度处的土体，固结压力根据圆桶面积换算可得，范围为0~400kPa。

（h）待试验土样固结完成后进行气压劈裂真空预压法加固软土试验。启动真空泵16，抽真空至稳定状态。真空泵16可提供最大约80kPa～90kPa的负压力。同时利用气压劈裂系统按设计压力向土体中喷入高压气体，联合加固软土。喷气压力根据土体强度及应力状态由起劈压力计算公式计算；保持真空荷载同时进行间歇性喷气；每一轮的喷气时间5分钟、间隔12小时。

本发明是一种气压劈裂真空预压法加固软土试验装置，该装置能在一定条件下实现气压劈裂真空预压法加固软土的过程，可用于研究气压劈裂真空预压法的加固机理与工艺及施工控制方法与措施。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1. 一种气压劈裂真空预压法室内模型试验装置，其特征在于：包括模型槽、堆载系统、真空加载系统、气压劈裂系统及量测系统；

所述模型槽包括塑料圆桶、塑料圆桶底座、塑料圆桶顶盖和钢筋，所述塑料圆桶与塑料圆桶底座完全密封，所述塑料圆桶底座通过钢筋与塑料圆桶顶盖固定在一起，所述塑料圆桶内设有承压板，承压板与塑料圆桶底座之间设有待加固软土；

所述堆载系统为杠杆式加载装置，堆载系统与所述承压板连接；

所述真空加载系统包括排水系统、密封系统和抽真空系统，所述排水系统主要包括砂垫层、排水板、导气排水管，所述砂垫层在待加固软土的上面和下面各设置一层，所述排水板设在待加固软土内，排水板的底部埋入砂垫层中，所述导气排水管埋入待加固软土上面的砂垫层中；所述密封系统包括密封膜，密封膜设在所述承压板与砂垫层之间，密封膜上下铺设土工布；所述抽真空系统包括抽真空管路、电子秤、气水分离器、真空表、负压稳定控制器和真空泵，所述抽真空管路一端与所述导气排水管连接，另一端与气水分离器连接，气水分离器下面设有电子秤，气水分离器上面安装有真空表，气水分离器与负压稳定控制器连接，负压稳定控制器与真空泵连接；

所述气压劈裂系统包括喷气头、输气管路、压力流速控制器和空气压缩机，所述喷气头设在所述待加固软土内，喷气头通过输气管路与连接，压力流速控制器与空气压缩机连接；

所述量程系统包括位移传感器、孔隙水压力计和数据采集仪，所述位移传感器安装在所述承压板上，所述孔隙水压力计设置在所述待加固软土内，并与数据采集仪连接。

2. 根据权利要求1所述的一种气压劈裂真空预压法室内模型试验装置，其特征在于：所述杠杆式加载装置杠杆比例为1:20。

3. 一种使用权利要求1气压劈裂真空预压法室内模型试验装置的方法，其特征在于：

（a）将待加固软土放入搅拌机内搅拌，在搅拌的过程中慢慢加水；

（b）在模型槽内表面涂抹凡士林，减少土样和模型槽的摩擦力；

（c）模型槽最下层铺设了砂层，铺平，压实，砂层作为排水层；

（d）在砂层之上填入重塑粘土，在土样的放入过程中，在水平方向和深度位置埋设已预先经过抽气饱和的微型孔隙水压力计，为了加速固结，模型槽土样内按正三角形布置三根塑料排水板，喷气管位于正三角形的形心，排水板底部与砂垫层相连；

（e）在土样上表层铺设砂层，在砂层中埋入导气排水管；在砂层上铺设土工布，并铺上一层塑料薄膜，再放上玻璃板，孔压计的导线从玻璃板边缘和模型槽间的缝隙中导出，并与数据采集仪连接，在玻璃板上架设位移百分表，记录孔压计和位移百分表的初始读数；

（f）采用堆载系统对土样进行加载，进行静压法固结制样；

（h）待试验土样固结完成后进行气压劈裂真空预压法加固软土试验，启动真空泵，抽真空至稳定状态，同时利用气压劈裂系统按设计压力向土体中喷入高压气体，联合加固软土。

4. 一种根据权利要求3所述的气压劈裂真空预压法室内模型试验方法，其特征在于：所述步骤（a）中搅拌时间为10分钟，使得最后土样的含水量约为1.5倍液限；所述步骤（b）中在模型槽内预先注入20cm厚的水防止倒入土样时产生气泡；所述步骤（c）中砂层厚度为5cm；所述步骤（d）中重塑粘土高度为100cm，排水板高度为1100mm，宽50mm，厚4mm；所述步骤（e）中砂层厚度为5cm。

5. 一种根据权利要求3所述的气压劈裂真空预压法室内模型试验方法，其特征在于：所述步骤（f）中静压法固结制样模拟现场土层0~20m不同深度处的土体，固结压力根据圆桶面积换算可得，范围为0~400kPa。

6. 一种根据权利要求3所述的气压劈裂真空预压法室内模型试验方法，其特征在于：所述步骤（h）中喷气压力根据土体强度及应力状态由起劈压力计算公式计算；首先进行土体劈裂，然后抽真空至稳定状态，保持真空荷载同时进行间歇性喷气；每一轮的喷气时间、间隔时间根据砂垫层表面出气和出水情况、孔压变化和真空度等进行调整。

7. 一种根据权利要求6所述的气压劈裂真空预压法室内模型试验方法，其特征在于：所述每一轮的喷气时间5分钟、间隔12小时。

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