CN109883851B - 用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
用于高含水率淤泥的注气‑真空固结试验装置及试验方法，淤泥试验筒为有机玻璃筒，淤泥试样装在有机玻璃筒内形成淤泥柱体；有机玻璃筒上面的顶盖通过开关及正压调压阀与空气压缩机相连接；下面设有多孔支承板和排水板滤膜；再下面为水分收集室；水分收集室的侧面通过真空调压阀接真空泵；下面通过水阀排水；有机玻璃筒侧壁设置TDR传感器和张力计；传感器的输出接TDR信号发射接收和分析装置。本发明弥补了现有技术的空白，能够用于分析不同类型土工织物的排水、保土效果。淤泥注气‑增压柱体相当于现场增压‑真空预压的一个处理单元，可用于模拟实际工况条件下淤泥地基增压‑真空预压加固方案，进而遴选出最佳增压控制参数；可操作性强。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程软土地基处理技术领域，具体涉及一种用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置及试验方法，可在室内从单元体尺寸模拟淤泥地基的原位增压-真空预压处理，为制订淤泥地基增压-真空预压处理方案提供可靠的技术支撑。
背景技术
真空预压技术是在土体中插设竖向排水体以缩短渗流路径，随后在排水体中施加真空荷载从而使土体固结，该技术广泛应用于处理软土地基。而采用真空预压技术处理高含水率的淤泥地基时，地基中会形成严重的局部密实区，也就是通常所说的“淤泥抱团区”、“封泥层”、“土桩”或“土柱”等。国内工程界和研究人员报道了温州、连云港、惠州、荃州湾等沿海地区的新近吹填淤泥在加固处理后，地基中形成以竖向排水体为中心的土柱，柱体内土体强度较高，而土柱之间几乎为稀泥状。研究人员指出部分土体细颗粒在负压作用下向排水板迁移，造成后期横向排水通道部分堵塞，是淤泥地基“局部密实区”形成的主要原因。
“淤泥地基的增压-真空预压”是近年来工程界提出的一种新技术，用于解决高含水率淤泥真空预压加固效果欠佳的问题。其中“增压”是将增压管设置于排水板中间区域，在排水板施加负压同时，间歇性地向增压管中注入气体。增压作用提高了土体与排水板间压力差，可产生驱水效果。国内工程界和研究人员对比了常规真空预压和增压-真空预压的加固效果，结果表明：实施增压后，地基中孔隙水压力消散速度加快，土层沉降增大，预压时间缩短，处理后土体物理力学指标显著改善。
然而目前关于增压方法中注气压力及控制的研究尚未见报道，增压控制仍然停留在经验阶段，增压驱水机理的研究有待深入。设置的增压压力过大（增压时间过长），虽然会提高驱水效果，但土体的饱和度将会大幅减小，导致导水系数急剧降低，反而影响土层整体排水固结效果。因此急需开发一种试验装置通过室内试验研究高含水率淤泥地基的注气-真空固结处理效果，进而确定最佳的增压-真空控制参数，为现场处理提供可靠的依据。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的空白，提供一种用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置和相应的试验方法。本发明能够用于分析不同类型土工织物的排水、保土效果。其中的淤泥注气-增压柱体相当于现场“增压-真空预压”的一个处理单元，可用于模拟实际工况条件下淤泥地基的加固方案，进而遴选出最佳的增压控制参数；可操作性强。
完成上述发明任务的技术方案是，一种用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置，淤泥试验筒为有机玻璃筒，淤泥试样装在该有机玻璃筒内，形成污泥柱体；其特征在于，所述有机玻璃筒上面的顶盖，通过开关及正压调压阀空气压缩机相连接（接正压）；所述有机玻璃筒下面设有多孔支承板，该多孔支承板上敷有排水板滤膜；该多孔支承板与排水板滤膜的下面为水分收集室；该水分收集室的侧面通过真空调压阀接真空泵；该水分收集室下面通过水阀排水（例如，将水排入玻璃皿）；所述有机玻璃筒侧壁设置有TDR传感器和张力计；TDR传感器的输出端接TDR信号发射接收和分析装置。
所述有机玻璃筒与顶盖之间设有橡胶垫片；并通过长螺栓固定；
所述有机玻璃筒与水分收集室之间设有O形圈密封，并通过螺栓固定；
水分收集室与真空调压阀之间可以设置真空表。
淤泥柱体底部采用不同材料的排水板滤膜，包括热轧长丝无纺布滤膜、针刺长丝无纺布滤膜、混轧短丝无纺布滤膜。
完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置的试验方法，其特征在于，步骤如下：
（1）从现场取高含水率淤泥试样，标定淤泥介电常数和体积含水率之间的关系，通过测试淤泥的介电常数可换算其含水率；
（2）在水分收集室上平铺多孔支承板、排水板滤膜。采用O型圈和螺栓连接淤泥有机玻璃筒和水分收集室，并验证连接的密封性。在有机玻璃筒筒壁不同高度安装TDR传感器和张力计；将取自现场并搅拌均匀的高含水率淤泥试样倒入有机玻璃筒中，淤泥试样的高度根据现场处理要求，可取为0.6m-1.0m；
（3）采用长螺杆和橡胶垫片连接有机玻璃筒和顶盖；
（4）接真空泵，通过真空调压阀调节真空压力为-80kPa左右，在淤泥柱体底端施加负压；
（5）接空气压缩机，通过正压调压阀调节正压为10kPa左右，在淤泥柱体顶端施加正压；
（6）试验过程中每隔1天，关闭真空泵，调节真空压力为0kPa；打开水阀，将水分收集室内的水分移至玻璃皿；
（7）收集水样后，立即调节真空压力为-80kPa左右，继续在有机玻璃筒底部抽真空，每组试验持续时间约为30天；
（8）试验过程中通过TDR传感器测试淤泥柱体的介电常数，进而换算得到淤泥柱体含水量变化；通过张力计测试淤泥柱体吸力变化；通过玻璃皿收集的水量记录总排水量和排水速率；采用马尔文激光粒度分析仪测试水样中颗粒粒径。根据淤泥柱体的含水量、基质吸力、排水量、排水速率等结果可研究增压后的驱水效应及其对淤泥真空固结排水的促进效果；
所述的淤泥柱体底端负压大小为-80kPa，所述的淤泥柱体通气正压分别为10kPa、20kPa、40kPa。
所述的间歇通气方式为每天通正压时间分别为2小时、4小时、8小时。
采用布置在不同高度的TDR传感器实时监测淤泥柱体的介电常数（含水率），采用布置在不同高度的张力计实时监测淤泥柱体的吸力。例如，淤泥试验筒为有机玻璃筒，在筒壁不同高度安装3个阵列的TDR传感器和张力计。
换言之，本发明的试验装置由有机玻璃筒、正压注气系统、抽真空系统、淤泥含水率TDR（时域反射法）测试系统、淤泥吸力测试系统、水分收集室等组成。试样筒的基本性能包括：材料为有机玻璃，通过o形圈、螺栓与底部的水分收集室连接；具有一定的厚度，在气压作用下筒壁不会发生开裂。正压注气系统为空气压缩机，输入到试样筒中的正压通过开关和调压阀控制。抽真空系统为真空泵，输入到试样筒中的负压通过开关和调压阀控制。水分收集室通过水阀与玻璃皿连接；试验结束后，可测试玻璃皿收集的水分总量。淤泥含水率TDR（时域反射法）测试系统由分布在不同高度的三个TDR探头组成，用以测试淤泥柱体的介电常数，进而换算得到淤泥柱体的含水率变化。淤泥吸力测试系统由分布在不同高度的三个张力计组成，用于测试增压后淤泥柱体的吸力（饱和度）变化。有机玻璃筒和水分收集室之间为多孔支承板，在多孔支承板上放置排水板滤膜。
本发明所提出的试验装置及试验方法具有以下特点：
（1）所述的一种新型淤泥注气-真空固结试验装置包含正压、负压输入系统，可同时对污泥柱体施加气压和真空压力。该装置还包含了阵列的TDR水分传感器和张力计，可实时监测淤泥柱体的物理性质变化；
（2）所述的一种新型淤泥注气-真空固结试验设备中可布置不同类型的排水板滤膜，用于分析不同类型土工织物的排水、保土效果。
（3）所述的一种淤泥注气-增压柱体相当于现场“增压-真空预压”的一个处理单元，可用于模拟实际工况条件下淤泥地基的加固方案，进而遴选出最佳的增压控制参数；
（4）所述的高含水率淤泥的注气-真空固结试验方法可操作性强。
附图说明
图1为高含水率淤泥的增压-真空固结试验装置构造图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、装置、技术方法及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施案例，对本发明作进一步详细说明。此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，一种用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置及试验方法。参照附图：淤泥试验筒为有机玻璃筒4，淤泥试样5装在该有机玻璃筒4内，形成淤泥柱体；有机玻璃筒4与顶盖19之间设有橡胶垫片14，并通过长螺栓20固定；有机玻璃筒4上面的顶盖19通过开关2及正压调压阀3与空气压缩机1相连接（形成正压）；有机玻璃筒4下面设有多孔支承板8，该多孔支承板8上敷有排水板滤膜9；该多孔支承板与排水板滤膜的下面为水分收集室13；水分收集室13的侧面通过真空表10、真空调压阀12接真空泵11；水分收集室13下面通过水阀21排水；将水排入玻璃皿17；所述有机玻璃筒侧壁设置有 TDR传感器6和张力计7；TDR传感器6的输出端接TDR信号发射接收和分析装置15。有机玻璃筒与水分收集室之间设有O形圈18密封，并通过螺栓16固定。
高含水率淤泥地基的增压-真空固结试验方法步骤为：
（1）从现场取高含水率淤泥试样，标定淤泥介电常数和体积含水率之间的关系，通过测试淤泥的介电常数可换算其含水率；
（2）在水分收集室上平铺多孔支承板、排水板滤膜。采用O型圈和螺栓连接淤泥有机玻璃筒和水分收集室，并验证连接的密封性。在有机玻璃筒筒壁不同高度安装TDR传感器和张力计；将取自现场并搅拌均匀的高含水率淤泥试样倒入有机玻璃筒中，淤泥试样的高度根据现场处理要求，可取为0.6m-1.0m；
（3）采用长螺杆和橡胶垫片连接有机玻璃筒和顶盖；
（4）接真空泵，通过真空调压阀调节真空压力为-80kPa左右，在淤泥柱体底端施加负压；
（5）接空气压缩机，通过正压调压阀调节正压为10kPa左右，在淤泥柱体顶端施加正压；
（6）试验过程中每隔1天，关闭真空泵，调节真空压力为0kPa；打开水阀，将水分收集室内的水分移至玻璃皿；
（7）收集水样后，立即调节真空压力为-80kPa左右，继续在有机玻璃筒底部抽真空，每组试验持续时间约为30天；
（8）试验过程中通过TDR传感器测试淤泥柱体的介电常数，进而换算得到淤泥柱体含水量变化；通过张力计测试淤泥柱体吸力变化；通过玻璃皿收集的水量记录总排水量和排水速率；采用马尔文激光粒度分析仪测试水样中颗粒粒径。根据淤泥柱体的含水量、基质吸力、排水量、排水速率等结果可研究增压后的驱水效应及其对淤泥真空固结排水的促进效果。
以上是第一组试验的完整步骤。
第二组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为20kPa；
第三组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为40kPa；
第四组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为20kPa，正压采用间歇式施加，每天增压时间为2小时，随后关闭正压开关。
第五组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为20kPa，正压采用间歇式施加，每天增压时间为4小时，随后关闭正压开关。
第六组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为20kPa，正压采用间歇式施加，每天增压时间为8小时，随后关闭正压开关。
以上6组试验结束后，通过比较不同方案的整体排水效果和淤泥物理力学指标，遴选出合理的增压控制参数。
Claims (4)
1.一种用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置的试验方法，其特征在于，步骤如下：
（1）从现场取高含水率淤泥试样，标定淤泥介电常数和体积含水率之间的关系，通过测试淤泥的介电常数换算其含水率；
（2）在水分收集室上平铺多孔支承板、排水板滤膜；采用O型圈和螺栓连接淤泥有机玻璃筒和水分收集室，并验证连接的密封性；在有机玻璃筒筒壁不同高度安装TDR传感器和张力计；将取自现场并搅拌均匀的高含水率淤泥试样倒入有机玻璃筒中，淤泥试样的高度根据现场处理要求，取为0.6m-1.0m；
（3）采用长螺杆和橡胶垫片连接有机玻璃筒和顶盖；
（4）接真空泵，通过真空调压阀调节真空压力为-80kPa，在淤泥柱体底端施加负压；
（5）接空气压缩机，通过正压调压阀调节正压为10kPa，在淤泥柱体顶端施加正压；
（6）试验过程中每隔1天，关闭真空泵，调节真空压力为0kPa；打开水阀，将水分收集室内的水分移至玻璃皿；
（7）收集水样后，立即调节真空压力为-80kPa，继续在有机玻璃筒底部抽真空，每组试验持续时间为30天；
（8）试验过程中通过TDR传感器测试淤泥柱体的介电常数，进而换算得到淤泥柱体含水量变化；通过张力计测试淤泥柱体吸力变化；通过玻璃皿收集的水量记录总排水量和排水速率；采用马尔文激光粒度分析仪测试水样中颗粒粒径；根据淤泥柱体的含水量、基质吸力、排水量、排水速率结果可研究增压后的驱水效应及其对淤泥真空固结排水的促进效果。
2.根据权利要求1所述的用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置的试验方法，其特征在于，增加有以下步骤：
第二组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为20kPa；
第三组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为40kPa；
第四组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为20kPa，正压采用间歇式施加，每天增压时间为2小时，随后关闭正压开关；
第五组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为20kPa，正压采用间歇式施加，每天增压时间为4小时，随后关闭正压开关；
第六组试验：重复以上试验步骤（1）-（8），试验过程中控制淤泥柱体顶端的正压为20kPa，正压采用间歇式施加，每天增压时间为8小时，随后关闭正压开关；
以上6组试验结束后，通过比较不同方案的整体排水效果和淤泥物理力学指标，遴选出合理的增压控制参数。
3.根据权利要求1所述的用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置的试验方法，其特征在于，采用布置在不同高度的TDR传感器实时监测淤泥柱体的介电常数，采用布置在不同高度的张力计实时监测淤泥柱体的吸力。
4.根据权利要求1-3之一所述的用于高含水率淤泥的注气-真空固结试验装置的试验方法，其特征在于，间歇通气方式为每天通正压时间分别为2小时、4小时、8小时。
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