CN110595886A - 一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程和地基相关技术领域，尤其是涉及一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置及方法。本发明所提供的模型试验装置操作简便，且可进行双面快速排水，并且可以研究升温对于软黏土固结过程的影响，从而研究软黏土的热固结效应。本发明所提供的基于模型试验装置的试验方法，设计合理，流程简单，便于操作，能够保证试验结果的准确性。本发明首次提出了通过模型试验标定热固结效应对土体固结影响的温度放大系数及其标定方法，可以为软土地基处理工程设计提供新的工法及设计方法。

Description

一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程和地基相关技术领域，尤其是涉及一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置及方法。

背景技术

我国浙江省和江苏省沿海区域，尤其是在浙江省，沿海区域浅层40m土体大多为淤泥质黏土，这些黏土具有孔隙比大、含水量大、强度低、灵敏度高、结构性强、压缩性高、渗透系数低等特点，且具有高触变性。随着港口物流、滨海旅游等的发展，港口建设等工程建设增多，而沿海区域软土地基不能直接作为建筑物的基础，需进行地基处理。另一方面，航道、江河、湖泊的疏浚淤泥或近海海域的淤泥、粉土和淤泥质粉质粘土常用来进行滨海区域滩涂吹填，吹填软黏土作为欠固结土同样需要进行地基处理。目前关于软黏土的地基处理方法中，常采用排水固结法，且此种方法对吹填软黏土的处理具有很好的效果。

排水固结法是软黏土中打设塑料排水板或砂井，表层铺设砂垫层，使之形成径向和竖向排水通道；而后通过堆载预压或者真空抽气形成负压的方法，施加固结压力；最后软黏土经过固结排水，抗剪强度和地基承载力提高。

鉴于吹填软黏土高含水率等性质，日本部分学者认为，对于吹填软基的处理不应仅限于吹填土填筑之后，如果能在吹填过程中采用一些有利于固结的措施，则会获得更好的加固效果和经济效果。而温度作为影响土体性质的一个因素，在温度升高后会提高软黏土的表观渗透系数，使得软黏土的固结系数增大，达到加快土体固结的效果。而目前对于软黏土热固结效应的研究大多数基于单元试验，对于软黏土在模型尺度的热固结效应研究开展较少，因此，建立软黏土热固结效应研究的室内模型试验装置，能够顺利开展室内模型试验研究，相对于单元试验更加可靠和精确，且具有重要的工程意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置，能够满足软黏土的热固结效应的室内模型试验研究要求。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置，所述模型试验装置包括模型槽，所述模型槽底部均匀地铺设有砂砾石排水层，所述模型槽底部的外侧壁上设有排水阀，所述排水阀的一端埋入至砂砾石排水层中，所述砂砾石排水层上部铺设于底层土工布，所述底层土工布上铺设软黏土，所述软黏土上铺设加载板，所述加载板上设有多个预留孔；所述加载板上均匀地设有加载块；所述模型试验装置还包括加热器，所述加热器穿过一个预留孔并穿入至软黏土中，所述加热器的上端连接有钢索，所述钢索的另一端固定至钢架上，所述钢架的两端分别设置在模型槽的边沿上，所述加热器与温度控制器相连接；所述模型试验装置还包括孔压传感器和温度传感器，所述孔压传感器和温度传感器穿入至软黏土中且设置在固定钢丝上，所述固定钢丝的另一端穿过加载板的预留孔并固定至钢架上；所述钢架和加载板之间设有位移传感器，所述孔压传感器、温度传感器和位移传感器经传感器数据线分别与数据采集器相连接。

在采用以上技术方案的基础上，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案，所述软黏土和加载板之间铺设有顶层土工布，所述加载板上设有多个排水孔。

作为本发明的优选技术方案，所述孔压传感器和温度传感器设置在传感器固定盒内，所述传感器固定盒固定至固定钢丝上。

作为本发明的优选技术方案，所述钢架上均匀间隔地设有多个固定钢丝，所述固定钢丝的下部设有孔压传感器和温度传感器。

作为本发明的优选技术方案，所述模型试验装置内单个固定钢丝上从上至下设有多个孔压传感器和温度传感器，且每个孔压传感器和每个温度传感器形成一对。

本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种根据前文所述的用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置进行软黏土热固结效应模型试验研究的试验方法。

为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种根据前文所述的用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置进行软黏土热固结效应模型试验研究的试验方法，包括以下步骤：

步骤一，试验准备：

步骤101，在模型槽内侧壁涂抹硅脂，将搅拌好的试验用软黏土泥浆倒入，打开排水阀；

步骤102，静置一天后，抽出泥浆顶部析出的多余水分，铺设顶层土工布，并吊装放入加载板；

步骤103，将钢架用螺栓紧固于模型槽上，将加热器涂抹润滑硅脂，同时将加热器穿过加载板预留孔放入软黏土泥浆中，加热器与钢索连接并穿过钢架上的预留孔，悬挂于钢架上；

步骤104，将温度传感器和孔压传感器固定于传感器固定盒，将连接传感器固定盒的固定钢丝涂抹上润滑硅脂，将固定钢丝穿过钢架预留孔和加载板预留孔放入软黏土中，并悬挂于钢架上；

步骤105，将位移传感器固定于钢架与加载板之间，将所有传感器连接至数据采集器；

步骤二，试验过程：

步骤201，打开温度控制器，将加热器温度升温至给定试验温度，将加载块放置于加载板上，记录整个过程的土体温度变化情况，绘制各个温度传感器所在位置温度与时间的变化曲线，记录孔压传感器和位移传感器数据；

步骤202，当位移传感器数据基本不变时，认为土体固结完毕，记录整个加载过程的土体孔压响应以及土体固结位移，绘制各个孔压传感器位置的孔压与时间的变化曲线，并可以绘制不同时间的温度场和孔压场分布；

步骤203，试验结束后，关闭加热器，移除加载块，拆卸钢架，卸除钢索和加热器、传感器固定盒和固定钢丝，移除加载板和顶部土工布，挖除土体，完成整个试验；

步骤三，重复步骤一至步骤二，在常温下进行对照试验，得到对照试验结果，并在不同给定温度下进行多组试验，得到多组不同温度条件下的试验结果；

步骤四，分析试验结果，总结在不同温度对土体固结时间以及固结位移大小的影响规律，同时基于对照试验结果，建立温度对固结时间、固结位移的影响计算标定公式；具体原理如下：

温度对软黏土渗透系数的影响：

其中k_T为T℃时土样的渗透系数(cm/s)，k₂₀为20℃时土样的渗透系数(cm/s)，η_T为20℃时水的粘滞系数(kPa·s)，η₂₀为20℃时水的粘滞系数；

土体的固结系数计算公式：

其中：C_v为土样的固结系数(cm²/s)，k为土样的渗透系数(cm/s)，e为土的孔隙比，a为土样的压缩系数(MPa^-1)，γ_w为水的重度(kN/m³)；

结合式(1)和式(2)，得到考虑温度影响的固结系数计算公式：

其中：C_v,T为T℃时土样的固结系数(cm²/s)，可以看出随着温度升高，粘滞系数η_T降低，固结系数C_v,T随着温度升高而增大；

一般情况下，固结度U>30％时，固结度U与时间t的关系可以用下式表示：

其中H为土体的排水距离(cm)，t为土体的固结时间(s)，而考虑温度影响的固结度U_T与时间t的关系可以表示为：

可以看出随着温度升高，固结速率增大，可以降低固结所需时间，提高固结效率；考虑到真实工况中考虑热固结效应的固结过程较为复杂，根据试验结果，引入温度放大系数，可以建立了考虑热固结效应的固结度U_T与时间t的关系经验公式：

U_T＝1-a·e^c(T)·bt (6)

其中a为8/π²，b为C_v,0为常温(20℃)时的固结系数(cm²/s)，c(T)为温度放大系数，可通过本试验标定得到。

在采用以上技术方案的基础上，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案，步骤101中，模型槽内侧壁中涂抹有硅脂，可以降低土体与模型槽内侧壁的摩擦力，将顶部荷载传递至整个土体。

作为本发明的优选技术方案，步骤103中，加热器具有润滑硅脂，并且预先放置于土体中，可以在土体固结的同时保持位置不变，并持续对土体进行加热。

作为本发明的优选技术方案，步骤104中，通过传感器固定盒可以同时在一个位置放置温度传感器和孔压传感器，以达到同时测量一个软黏土位置处的温度和孔压，同时用传感器固定盒固定于钢丝之上，并涂抹有硅脂，可以保证在软黏土固结的同时传感器的位置保持不变，并实现了在软黏土固结过程中温度和孔压的监测。

作为本发明的优选技术方案，步骤202中，可以得到整个固结过程中不同位置处土体温度、孔压与时间的关系曲线，同时可以绘制不同时间的二维温度场和孔压场分布，为今后实际工程中推广热固结效应堆载预压施工方法奠定理论基础。

作为本发明的优选技术方案，步骤四中，可以建立温度对固结时间、固结位移的影响计算标定公式，并给出不同软黏土的温度放大系数，可以进而应用于实际工程，对今后实际工程中考虑热固结效应的堆载预压进行指导设计。

本发明提供一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置，具有如下有益效果：加载板上设有预留孔，可放置加热器和传感器，在倒入软黏土泥浆后，可将加载板和加热器、传感器一同放入软黏土中，提前放置并固定了传感器与加热器；避免了软黏土固结后，再插入传感器与加热器导致的软黏土扰动；传感器与加热器可穿过钢架进行固定，同时钢架可用螺栓紧固于模型槽上，使得整体装置固定为一体，增加了稳定性；同时加载板均匀分布有排水孔，将加载板的下表面粘贴顶层土工布，可实现顶面排水；软黏土底部具有砂砾石排水层和底层土工布，可以实现底面排水；在加载板顶部放置加载块，可实现软黏土的固结；位移传感器固定于加载板与钢架之间，可通过加载板的移动，实时反映软黏土的固结位移大小，方便确定软黏土固结情况；温度控制器与加热器连接，可以稳定控制加热器温度，从而对周围软黏土进行加热，研究温度对于软黏土固结过程的影响，同时温度传感器和孔压传感器可以实时反映加热和固结过程中的温度和孔压响应；本发明所提供的模型试验装置操作简便，且可进行双面快速排水，并且可以研究升温对于软黏土固结过程的影响。

本发明所提供的基于模型试验装置的试验方法，设计合理，流程简单，便于操作，能够保证试验结果的准确性。首次提出了通过模型试验标定热固结效应对土体固结影响的温度放大系数及其标定方法，可以为软土地基处理工程设计提供新的工法及设计方法。

附图说明

图1为本发明所提供的用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置的正面透视图；

图2为本发明所提供的用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置的俯视图。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

实施例1：

如图1、图2所示，本发明提供一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置，该试验装置包括模型槽1、钢架2、砂砾石排水层3、排水阀4、底层土工布5、软黏土6、顶层土工布7、加载板8、加载板的预留孔9、排水孔10、加载块11、钢索12、加热器13、温度控制器14、固定钢丝15、传感器固定盒16、孔压传感器17、温度传感器18、位移传感器19、传感器数据线20、数据采集器21。

模型槽1水平放置于试验区域内，模型槽1为长方体，采用钢制板焊接而成；砂砾石排水层3均匀铺设在模型槽1底部，在模型槽1侧面安装有排水阀4，将底层土工布5铺设于整平的砂砾石排水层3之上，可以作为底部排水层；试验时，模型槽1侧壁涂抹硅脂，将试验研究的软黏土6充分加水搅拌均匀成泥浆后，倒入模型槽1中；将加载板8上进行钻孔，得到预留孔9和排水孔10；加热器13可刚好穿过加载板预留孔9，同时加热器13与钢索12连接，并可通过钢架2的预留孔固定于钢架2上；固定钢丝15通过孔和加载板预留孔9穿入土中，固定钢丝15上均匀装有传感器固定盒16；钢索12和固定钢丝15固定于钢架2上的预留孔上；在加载板8底部粘贴顶层土工布7，并将加载板8、顶层土工布9、加热器13、固定钢丝15和传感器固定盒16一同放置进入模型槽1中，在放置前在加热器13和固定钢丝15表面涂抹润滑硅脂，以实现加载板8单独向下运动，而传感器固定盒16与加热器13保持位置稳定不变；加载块11可完成对加载板8的加载，可实现加载板8对软黏土6的加载固结，加载过程中加载板8需保持水平；由于顶层土工布7与排水孔10的存在，可以实现软黏土的顶层排水；加热器13与温度控制器14连接，可以控制加热器13温度对软黏土进行加热；传感器固定盒16中安装有孔压传感器17和温度传感器18，位移传感器19固定于钢架2与加载板8之间，在试验过程中可实现对软黏土的温度以及孔压的监测，同时还可以测量软黏土固结引起的整体竖向位移；传感器数据线20连接所有的孔压传感器17、温度传感器18和位移传感器19，并接入数据采集器21上，可以得到传感器的实时数据；最终可以绘制不同温度情况下，软黏土孔压与时间关系曲线，软黏土竖向位移与时间关系曲线，可以得到温度对于软黏土固结的影响，评估软黏土的热固结效应，量化温度对于软黏土固结速率的影响，为工程实际提供设计指导和依据。

实施例2：

步骤一，试验准备：

步骤101，在模型槽内侧壁涂抹硅脂，将搅拌好的试验用软黏土泥浆倒入，打开排水阀；

步骤102，静置一天后，抽出泥浆顶部析出的多余水分，铺设顶层土工布，并吊装放入加载板。

步骤103，将钢架用螺栓紧固于模型槽上，将加热器涂抹润滑硅脂，同时将加热器穿过加载板预留孔放入软黏土泥浆中，加热器与钢索连接并穿过钢架上的预留孔，悬挂于钢架上；

步骤104，将温度传感器和孔压传感器固定于传感器固定盒，将连接传感器固定盒的固定钢丝涂抹上润滑硅脂，将固定钢丝穿过钢架预留孔和加载板预留孔放入软黏土中，并悬挂于钢架上；

步骤105，将位移传感器固定于钢架与加载板之间，将所有传感器连接至数据采集器。

步骤二，试验过程：

步骤201，打开温度控制器，将加热器温度升温至给定试验温度，将加载块放置于加载板上，记录整个过程的土体温度变化情况，绘制各个温度传感器所在位置温度与时间的变化曲线，记录孔压传感器和位移传感器数据；

步骤202，当位移传感器数据基本不变时，认为土体固结完毕，记录整个加载过程的土体孔压响应以及土体固结位移，绘制各个孔压传感器位置的孔压与时间的变化曲线，并可以绘制不同时间的温度场和孔压场分布；

步骤203，试验结束后，关闭加热器，移除加载块，拆卸钢架，卸除钢索和加热器、传感器固定盒和固定钢丝，移除加载板和顶部土工布，挖除土体，完成整个试验。

步骤三，重复步骤一至步骤二，在常温下进行对照试验，得到对照试验结果，并在不同给定温度下进行多组试验，得到多组不同温度条件下的试验结果。

步骤四，分析试验结果，总结在不同温度对土体固结时间以及固结位移大小的影响规律，同时基于对照试验结果，建立温度对固结时间、固结位移的影响计算标定公式。具体原理如下：

温度对软黏土渗透系数的影响：

其中k_T为T℃时土样的渗透系数(cm/s)，k₂₀为20℃时土样的渗透系数(cm/s)，η_T为20℃时水的粘滞系数(kPa·s)，η₂₀为20℃时水的粘滞系数。不同温度下水的粘滞系数，如表1所示，表1为不同温度下水的粘滞系数；其余温度可进行内插选用。

表1不同温度下水的粘滞系数

土体的固结系数计算公式：

其中C_v为土样的固结系数(cm²/s)，k为土样的渗透系数(cm/s)，e为土的孔隙比，a为土样的压缩系数(MPa^-1)，γ_w为水的重度(kN/m³)。

结合式(1)和式(2)，得到考虑温度影响的固结系数计算公式：

其中：C_v,T为T℃时土样的固结系数(cm²/s)，可以看出随着温度升高，粘滞系数η_T降低，固结系数C_v,T随着温度升高而增大。

一般情况下，固结度U>30％时，固结度U与时间t的关系可以用下式表示：

其中H为土体的排水距离(cm)，t为土体的固结时间(s)。而考虑温度影响的固结度U_T与时间t的关系可以表示为：

可以看出随着温度升高，固结速率增大，可以降低固结所需时间，提高固结效率。考虑到真实工况中考虑热固结效应的固结过程较为复杂，根据试验结果，引入温度放大系数，可以建立了考虑热固结效应的固结度U_T与时间t的关系经验公式：

U_T＝1-a·e^c(T)·bt (6)

其中a为8/π²，b为C_v,0为常温(20℃)时的固结系数(cm²/s)，c(T)为温度放大系数。可通过本试验标定得到。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置，其特征在于，所述模型试验装置包括模型槽，所述模型槽底部均匀地铺设有砂砾石排水层，所述模型槽底部的外侧壁上设有排水阀，所述排水阀的一端埋入至砂砾石排水层中，所述砂砾石排水层上部铺设于底层土工布，所述底层土工布上铺设软黏土，所述软黏土上铺设加载板，所述加载板上设有多个预留孔；所述加载板上均匀地设有加载块；所述模型试验装置还包括加热器，所述加热器穿过一个预留孔并穿入至软黏土中，所述加热器的上端连接有钢索，所述钢索的另一端固定至钢架上，所述钢架的两端分别设置在模型槽的边沿上，所述加热器与温度控制器相连接；所述模型试验装置还包括孔压传感器和温度传感器，所述孔压传感器和温度传感器穿入至软黏土中且设置在固定钢丝上，所述固定钢丝的另一端穿过加载板的预留孔并固定至钢架上；所述钢架和加载板之间设有位移传感器，所述孔压传感器、温度传感器和位移传感器经传感器数据线分别与数据采集器相连接。

2.根据权利要求1所述的用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置，其特征在于，所述软黏土和加载板之间铺设有顶层土工布，所述加载板上设有多个排水孔。

3.根据权利要求1所述的用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置，其特征在于，所述孔压传感器和温度传感器设置在传感器固定盒内，所述传感器固定盒固定至固定钢丝上。

4.根据权利要求1所述的用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置，其特征在于，所述钢架上均匀间隔地设有多个固定钢丝，所述固定钢丝的下部设有孔压传感器和温度传感器。

5.根据权利要求1或者3或者4所述的用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置，其特征在于，所述模型试验装置内单个固定钢丝上从上至下设有多个孔压传感器和温度传感器，且每个孔压传感器和每个温度传感器形成一对。

6.一种根据权利要求1所述的用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置进行软黏土热固结效应模型试验研究的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，试验准备：

步骤101，在模型槽内侧壁涂抹硅脂，将搅拌好的试验用软黏土泥浆倒入，打开排水阀；

步骤102，静置一天后，抽出泥浆顶部析出的多余水分，铺设顶层土工布，并吊装放入加载板；

步骤103，将钢架用螺栓紧固于模型槽上，将加热器涂抹润滑硅脂，同时将加热器穿过加载板预留孔放入软黏土泥浆中，加热器与钢索连接并穿过钢架上的预留孔，悬挂于钢架上；

步骤104，将温度传感器和孔压传感器固定于传感器固定盒，将连接传感器固定盒的固定钢丝涂抹上润滑硅脂，将固定钢丝穿过钢架预留孔和加载板预留孔放入软黏土中，并悬挂于钢架上；

步骤105，将位移传感器固定于钢架与加载板之间，将所有传感器连接至数据采集器；

步骤二，试验过程：

步骤201，打开温度控制器，将加热器温度升温至给定试验温度，将加载块放置于加载板上，记录整个过程的土体温度变化情况，绘制各个温度传感器所在位置温度与时间的变化曲线，记录孔压传感器和位移传感器数据；

步骤202，当位移传感器数据基本不变时，认为土体固结完毕，记录整个加载过程的土体孔压响应以及土体固结位移，绘制各个孔压传感器位置的孔压与时间的变化曲线，并可以绘制不同时间的温度场和孔压场分布；

步骤203，试验结束后，关闭加热器，移除加载块，拆卸钢架，卸除钢索和加热器、传感器固定盒和固定钢丝，移除加载板和顶部土工布，挖除土体，完成整个试验；

步骤三，重复步骤一至步骤二，在常温下进行对照试验，得到对照试验结果，并在不同给定温度下进行多组试验，得到多组不同温度条件下的试验结果；

步骤四，分析试验结果，总结在不同温度对土体固结时间以及固结位移大小的影响规律，同时基于对照试验结果，建立温度对固结时间、固结位移的影响计算标定公式；具体原理如下：

温度对软黏土渗透系数的影响：

其中：k_T为T℃时土样的渗透系数(cm/s)，k₂₀为20℃时土样的渗透系数(cm/s)，η_T为20℃时水的粘滞系数(kPa·s)，η₂₀为20℃时水的粘滞系数；

土体的固结系数计算公式：

其中：C_v为土样的固结系数(cm²/s)，k为土样的渗透系数(cm/s)，e为土的孔隙比，a为土样的压缩系数(MPa^-1)，γ_w为水的重度(kN/m³)；

结合式(1)和式(2)，得到考虑温度影响的固结系数计算公式：

其中：C_v,T为T℃时土样的固结系数(cm²/s)，可以看出随着温度升高，粘滞系数η_T降低，固结系数C_v,T随着温度升高而增大；

一般情况下，固结度U>30％时，固结度U与时间t的关系可以用下式表示：

其中：H为土体的排水距离(cm)，t为土体的固结时间(s)，而考虑温度影响的固结度U_T与时间t的关系可以表示为：

可以看出随着温度升高，固结速率增大，可以降低固结所需时间，提高固结效率；考虑到真实工况中考虑热固结效应的固结过程较为复杂，根据试验结果，引入温度放大系数，可以建立了考虑热固结效应的固结度U_T与时间t的关系经验公式：

U_T＝1-a·e^c(T)·bt (6)

其中a为8/π²，b为C_v,0为常温(20℃)时的固结系数(cm²/s)，c(T)为温度放大系数，可通过本试验标定得到。

7.按照权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤101中，模型槽内侧壁中涂抹有硅脂，可以降低土体与模型槽内侧壁的摩擦力，将顶部荷载传递至整个土体。

8.按照权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤103中，加热器具有润滑硅脂，并且预先放置于土体中，可以在土体固结的同时保持位置不变，并持续对土体进行加热。

9.按照权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤104中，通过传感器固定盒可以同时在一个位置放置温度传感器和孔压传感器，以达到同时测量一个软黏土位置处的温度和孔压，同时用传感器固定盒固定于钢丝之上，并涂抹有硅脂，可以保证在软黏土固结的同时传感器的位置保持不变，并实现了在软黏土固结过程中温度和孔压的监测。

10.按照权利要求6所述的试验方法，其特征在于：步骤202中，可以得到整个固结过程中不同位置处土体温度、孔压与时间的关系曲线，同时可以绘制不同时间的二维温度场和孔压场分布，为今后实际工程中推广热固结效应堆载预压施工方法奠定理论基础。