CN108414728A - 一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置和试验方法，包括渗流系统、真空预压系统以及数据采集分析系统；所述渗流系统由供水箱、供水管和水位控制阀组成；供水管与透明模型箱底部相连，透明模型箱底部铺设多层卵石，多层卵石上方放置饱和透明土；所述真空预压系统由透明土、横向塑料排水板、纵向塑料排水板、真空管、真空泵组成；饱和透明土上方放置垫层，垫层上方铺设PVC薄膜；所述数据采集分析系统由CCD相机、激光器和计算机组成。本发明技术利用饱和透明土技术和计算机图像处理软件实现了真空预压法下软土位移场和渗流场的可视化观测，试验装置简单，可重复使用，经济可行性高。

Description

一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置和 试验方法

技术领域

本发明涉及地基处理可视化技术领域，特别涉及一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置和试验方法。

背景技术

随着我国经济社会的快速发展，越来越多的人涌入东部沿海城市导致沿海省市的基础设施建设急速增多，然而国家“耕地红线”政策的限制使得东部沿海人均可利用国土资源面积急剧下降，建设用地的不足已成为制约东部沿海省市经济继续快速增长的瓶颈。为了缓解这种用地紧张的局面，东部沿海省市纷纷选择利用滩涂围海造陆，大面积的吹填软土迅速出现。但由于吹填软土的含水率较高，承载力远远低于正常土，无法满足建设工程的要求，因此在工程建设前必须对吹填软土进行地基处理以满足承载力要求。目前常用的处理吹填软土的方法是真空预压法，利用土体表面形成的真空环境，将土体中的水沿着排水体排出土体。但真空预压法的施工要求大都来自于工程实践，对其研究还不够深入，这需要科研工作者投入更多的经历对其作用机理进行清楚的解释，以更好地指导工程实践。室内模型试验就是一种非常好的方法。

在本发明前，中国申请发明专利“超低位真空预压法快速固结软土试验装置”(申请号201710096897.6)，公开了一种由模型槽、砾石层、真空管网、中粗砂垫层、潜水泵等组成的一种超低位真空预压法快速固结软土试验装置，该技术方案中的软土层在内外压力作用下排水固结，同时还可以将排出的水作为堆载荷载施加于软土层上部，进一步对软土层进行预压，加速土体固结。但该发明技术没有很好的考虑到渗流场对真空预压下土体排水固结的影响，并且，由于土体的不透明性，难以对真空预压过程中土体的应力、应变和渗流场等变化过程进行可视化观测，因为存在一定的局限性。

饱和透明土材料是由物理力学性质与天然土颗粒相似的透明颗粒材料混和具有相同折射率的液体制备而成，因固、液两相折射率相同而呈现透明状，并且其物理力学性质与天然土相似；饱和透明土材料因其具备透明可视性好、制备容易、与土的性质相似等优点在土木工程试验领域得到了广泛的应用。因此，利用饱和透明土材料，提出一种真空预压下软土位移场和渗流场可视化的试验装置和试验方法就显得尤为必要了。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足和缺陷，提出一种真空预压下软土位移场和渗流场可视化的试验装置和试验方法，解决了真空预压下软土位移场和渗流场不可见的难题，实现了真空预压下软土位移场和渗流场可视化观测的目的。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置，其特征在于：包括渗流系统、真空预压系统以及数据采集分析系统；所述渗流系统由供水箱、供水管和水位控制阀组成；供水管与透明模型箱底部相连，透明模型箱底部铺设多层卵石，多层卵石上方放置饱和透明土；所述真空预压系统由透明土、横向塑料排水板、纵向塑料排水板、真空管、真空泵组成；饱和透明土上方放置垫层，垫层上方铺设PVC薄膜；所述数据采集分析系统由CCD相机、激光器和计算机组成；

所述的出水管插入供水箱液面以下，与供水箱、供水管、透明模型箱共同构成循环系统；

所述的透明模型箱的内壁上侧设置有位移传感器，位移传感器与计算机相连；

所述的PVC薄膜的尺寸大于透明模型箱的横向尺寸，四周埋入饱和透明土中；

所述的供水管上设置有流量计，可实时读取试验过程中流入透明模型箱的渗透流体的流量；

所述的供水管上设有止水夹；

所述的饱和透明土为正十二烷和十五号白油的混和溶液与熔融石英砂混和搅拌直至均匀透明所制成；

所述的垫层的材料为折射率与饱和透明土一致的熔融石英砂颗粒；

所述的供水箱外侧设有水位控制阀；

所述的计算图像机处理软件为PIV；

所述的透明模型箱由有机玻璃制成，其长为300-400mm，宽为300-400m，高为300mm左右；

一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)按照试验的参数要求制备好相应的饱和透明土，将其分层置于透明模型箱中，并依次插入竖向塑料排水板和横向塑料排水板，铺设垫层和PVC薄膜；

2)组装渗流系统的试验设备，并在供水箱中注入与饱和透明土具有相同折射率的孔隙流体；

3)打开扇形激光发射器，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入饱和透明土样，形成明亮的散斑场；

4)调整CCD相机的可视范围，使其能够包含整个饱和透明土，并设置其以2幅/s的速度采集饱和透明土图像并传送至计算机；

5)通过水位控制阀调节供水箱内的水位并保持水位不变，使得在试验过程中饱和透明土的渗透水头恒定；

6)打开位移传感器，记录下位移传感器至PVC薄膜的距离；启动真空泵，开始排水固结，水流依次流经横向塑料排水体、竖向塑料排水体、真空管、出水管，最后流入供水箱；

7)当位移传感器所记录的数据不再发生明显改变时，停止试验并拔掉真空泵的电源；

8)试验结束后，试验结束后，通过计算机处理软件PIV对所获得的图片进行分析，得到真空预压法下土体位移场和渗流场的变化过程。

有益效果：

1)本发明试验装置简单、操作方便、可重复使用，经济可行性高；

2)本发明创新性地将饱和透明土技术与计算机图像处理软件相结和并应用于真空预压模型试验中，解决了真空预压下软土位移场和渗流场不可见的难题，实现了真空预压下软土位移场和渗流场可视化观测的目的；

3)本发明将出水管伸入供水箱液面以下，与供水箱、供水管、透明模型箱构成了渗透流体循环系统，减少了试验过程中渗透流体的使用量，有效降低了试验所需的成本；

附图说明：

图1为本发明试验装置的正视系统示意图

图2为本发明试验装置透明模型箱的俯视系统示意图

其中：1为激光器；2为计算机；3为透明模型箱；4为多层卵石；5为位移传感器；6为横向塑料排水板；7为CCD相机；8为真空管；9为真空泵；10为PVC薄膜；11为垫层；12为竖向塑料排水体；13为饱和透明土；14为供水箱；15为流量计；16为出水管；17为水位控制阀；18为止水夹；19为供水管。

具体实施方式：

下面将结和具体实施例以及本发明实例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，本发明一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置，其特征在于：包括渗流系统、真空预压系统以及数据采集分析系统；所述渗流系统由供水箱14、供水管19和水位控制阀17组成；供水管19与透明模型箱3底部相连，透明模型箱3底部铺设多层卵石4，多层卵石4上方放置饱和透明土13；所述真空预压系统由饱和透明土13、横向塑料排水板6、纵向塑料排水板12、真空管8、真空泵9组成；饱和透明土13上方放置垫层11，垫层11上方铺设PVC薄膜10；所述数据采集分析系统由CCD相机7、激光器1和计算机2组成；

作为本发明的一个优选实施例，出水管16插入供水箱14液面以下，与供水箱14、供水管19、透明模型箱3共同构成循环系统；

作为本发明的一个优选实施例，透明模型箱3的内壁上侧设置有位移传感器5，位移传感器5与计算机2相连；

作为本发明的一个优选实施例，PVC薄膜10的尺寸大于透明模型箱3的横向尺寸，四周埋入饱和透明土13中；

作为本发明的一个优选实施例，供水管19上设置有流量计15，可实时读取试验过程中流入透明模型箱3的渗透流体的流量；

作为本发明的一个优选实施例，供水管上设有止水夹18；

作为本发明的一个优选实施例，饱和透明土13为正十二烷和十五号白油的混和溶液与熔融石英砂混和搅拌直至均匀透明所制成；

作为本发明的一个优选实施例，垫层11的材料为折射率与饱和透明土13一致的熔融石英砂颗粒；

作为本发明的一个优选实施例，供水箱14外侧设有水位控制阀17；

作为本发明的一个优选实施例，计算图像机处理软件为PIV；

作为本发明的一个优选实施例，透明模型箱3由有机玻璃制成，其长为300-400mm，宽为300-400m，高为300mm左右；

实施例1:

第一步：在一个平整的实验室放置一张标准的光学平台，光学平台上安放透明模型箱3，并保持场地内光线均匀；本实例中所采用的透明模型箱3由满足透光性要求的有机玻璃制成，其尺寸为400(长)×400(宽)×300(高)(单位：mm)，厚度为5mm，上部开口，所述的透明模型箱3内的底部铺设多层卵石4，以模拟真实条件下渗透流体对饱和透明土13的冲击；

按照本试验所模拟软土的物理力学性质(包括含水率、孔隙比、摩擦角、粘聚力等)设计饱和透明土13各组成成分的配和比；本实例中所采用的饱和透明土13的制备方法是将正十二烷和十五号白油在一定的温度下(本实例中设置为24℃)按照一定的质量比(本实例中设置为1:4)组成混和溶液，并与适量的石英砂混和搅拌直至均匀透明，制备成模拟软土的饱和透明土13；

将制备好的饱和透明土13分层倒入已在底部铺设多层卵石4的透明模型箱13中并振捣密实，插入16根竖向塑料排水板12和8根横向塑料排水板6，竖向塑料排水板12与横向塑料排水板6相连；填筑由折射率与饱和透明土13一致的熔融石英砂颗粒组成的垫层11，垫层11上部铺设PVC薄膜10，本实例中所采用的PVC薄膜10尺寸为400(长)×400(宽)(单位：mm)，四周插入饱和透明土13中；安装真空管8并与横向塑料排水板6相连；安装真空泵9，真空泵9一端与真空管8相连，一端与出水管16相连，出水管16插入供水箱14液面以下，与供水箱14、供水管19、透明模型箱3共同构成循环系统；

第二步：按试验装置要求安装渗流系统，在供水箱中14注入与饱和透明土13具有相同折射率的孔隙流体，本实例中采用的是与饱和透明土13中透明液在相同温度下(本实例中为24℃)按照相同配和比(本实例中为1:4)制成的正十二烷和十五号白油混和溶液；

第三步；在透明模型箱3的正右方安放激光器1，本实例中所采用的激光器1为半导体片光源，采用内腔式氦氖激光器，功率为2V，并配有线性转换器，可将点光源转化为线性光源。打开激光器1，并调整其具体位置，使其对准透明模型箱3中的饱和透明土13，形成明亮的散斑场；本实例中的激光器1与透明模型箱3的外立面垂直相距350mm；

第四步：在透明模型箱3的正前方安放CCD相机，本实例中所采用的CCD相机是德国Basler产品(scA1600-14fm)；打开CCD相机，并调整其支架的高度和角度，使得CCD相机的镜头垂直对准透明模型箱3的外立面，保证其可视范围能够包含整个饱和透明土13；CCD相机7与计算机2相连，设置CCD相机7以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机2；

第五步：打开供水箱14侧壁某一水位控制阀17和止水夹18，使得供水箱14内的与饱和透明土13中透明液具有相同折射率的孔隙流体依次通过供水管16和多层卵石4进入透明模型箱3内冲击饱和透明土13，开展渗流试验；试验过程中保持渗透水头恒定；试验过程中实时记录流量计15的读数；

第六步：打开位移传感器5，记录下位移传感器5至PVC薄膜10的垂直距离；启动真空泵9，在PVC薄膜10以下的饱和透明土13中形成稳定真空负压，开始排水固结，竖向塑料排水板12将底部的真空负压荷载传递到饱和透明土13中，饱和透明土13中的渗透流体依次流经横向塑料排水体6、竖向塑料排水体12、真空管8、出水管16，最后流入供水箱19中；

第七步：当位移传感器5所记录的数据不再发生明显改变时，停止试验并拔掉真空泵9的电源；

第八步：试验结束后，试验结束后，通过计算机处理软件PIV对所获得的图片进行分析，得到真空预压法下土体位移场和渗流场的变化过程。

实施例2：

实施例1是在渗透水头恒定的前提下研究真空预压下软土位移场和渗流场的变化过程，而对于非稳定渗流下真空预压软土位移场和渗流场的变化过程，可在实施例1的基础上改变步骤五的实施方式，具体改进如下：打开供水箱14侧壁某一低水位控制阀17和止水夹18，使得供水箱14内的与饱和透明土13中透明液具有相同折射率的孔隙流体依次通过供水管19和多层卵石4进入透明模型箱3内冲击饱和透明土13，开展渗流试验；试验过程中逐一提升水位控制阀17；试验过程中实时记录流量计15的读数；其他步骤同实施例1。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置，其特征在于：包括渗流系统、真空预压系统以及数据采集分析系统；所述渗流系统由供水箱、供水管和水位控制阀组成；供水管与透明模型箱底部相连，透明模型箱底部铺设多层卵石，多层卵石上方放置饱和透明土；所述真空预压系统由饱和透明土、横向塑料排水板、纵向塑料排水板、真空管、真空泵组成；饱和透明土上方放置垫层，垫层上方铺设PVC薄膜；所述数据采集分析系统由CCD相机、激光器和计算机组成。

2.根据权利要求1所述的一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置和试验方法，其特征在于：所述的出水管插入供水箱液面以下，与供水箱、供水管、透明模型箱共同构成循环系统。

3.根据权利要求1所述的一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置和试验方法，其特征在于：所述的透明模型箱的内壁上侧设置有位移传感器，位移传感器与计算机相连。

4.根据权利要求1所述的一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验装置和试验方法，其特征在于：所述的PVC薄膜的尺寸大于透明模型箱的横向尺寸，四周埋入透明土中。

5.根据权利要求1所述的一种真空预压法下软土位移场和渗流场可视化的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)按照试验的参数要求制备好相应的饱和透明土，将其分层置于透明模型箱中，并依次插入竖向塑料排水板和横向塑料排水板，铺设垫层和PVC薄膜；

2)组装渗流系统的试验设备，并在供水箱中注入与饱和透明土具有相同折射率的孔隙流体；

3)打开扇形激光发射器，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入饱和透明土样，形成明亮的散斑场；

4)调整CCD相机的可视范围，使其能够包含整个饱和透明土，并设置其以2幅/s的速度采集饱和透明土图像并传送至计算机；

5)通过水位控制阀调节供水箱内的水位并保持水位不变，使得在试验过程中饱和透明土的渗透水头恒定；

6)打开位移传感器，记录下位移传感器至PVC薄膜的距离；启动真空泵，开始排水固结，水流依次流经横向塑料排水体、竖向塑料排水体、真空管、出水管，最后流入供水箱；

7)当位移传感器所记录的数据不再发生明显改变时，停止试验并拔掉真空泵的电源；

8)试验结束后，试验结束后，通过计算机处理软件PIV对所获得的图片进行分析，得到真空预压法下土体位移场和渗流场的变化过程。