CN112945727B - 一种软土热固结模型试验装置及方法 - Google Patents

一种软土热固结模型试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软土热固结模型试验装置及方法，属于岩土工程和地基相关技术领域，本发明可以通过创新性的引入固结主球，其预埋于待试验软土内可以自主吸收水分然后触发气体生成反应，并携带导热石墨粉和固结辅球进入到待试验软土内，导热石墨粉沿待试验软土的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，固结辅球在磁场作用下向土工布处迁移，固结辅球在迁移过程中不仅可以加速水分的排出，同时在受到不均匀挤压时会释放出生石灰粉，与待试验软土残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土进行加强提高固结强度，与现有技术相比，本发明的热固结试验精度更高，效率更快，同时辅助提高待试验软土的热固结效果。

Description

一种软土热固结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，更具体地说，涉及一种软土热固结模型试验装置及方法。
背景技术
软土一般是指天然含水量大、压缩性高、承载力低和抗剪强度很低的呈软塑-流塑状态的黏性土。软土是一类土的总称，并非指某一种特定的土，工程上常将软土细分为软黏性土、淤泥质土、淤泥、泥炭质土和泥炭等。具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。
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
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种软土热固结模型试验装置及方法，可以通过创新性的引入固结主球，其预埋于待试验软土内可以自主吸收水分然后与内部的触发层进行配合，触发气体生成反应，然后携带导热石墨粉和固结辅球进入到待试验软土内，导热石墨粉沿待试验软土的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，从而提高待试验软土的热固结效果，固结辅球在磁场作用下向土工布处迁移，固结辅球在迁移过程中不仅可以加速水分的排出，同时在受到不均匀挤压时会释放出生石灰粉，与待试验软土残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土进行加强提高固结强度，与现有技术相比，本发明的热固结试验精度更高，效率更快，同时辅助提高待试验软土的热固结效果，具有重要的工程意义。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种软土热固结模型试验装置，包括砂砾石排水坑，所述砂砾石排水坑内端壁上贴覆有土工布，所述砂砾石排水坑上端放置有多孔磁板，所述多孔磁板与土工布之间填充有待试验软土，所述待试验软土内预埋镶嵌有多个均匀分布的固结主球，所述固结主球包括磁屏蔽球壳、触发层和加热内芯，且磁屏蔽球壳、触发层和加热内芯由外至内依次分布，所述加热内芯上连接有多根均匀分布的主吸水纤维，且主吸水纤维依次贯穿触发层和磁屏蔽球壳并延伸至外侧，所述磁屏蔽球壳上开设有多个均匀分布的释放孔，所述释放孔内连接有中心开孔的控压膜，所述触发层内均匀镶嵌有多个均匀分布的固结辅球。
进一步的，所述触发层为泡腾崩解剂和导热石墨粉的混合物，且经过挤压制成，泡腾崩解剂是专用于泡腾片的特殊崩解剂，最常用的是由碳酸氢钠与柠檬酸组成的混合物，其在溶解于水时会触发酸碱中和反应，然后释放出大量的二氧化碳，然后携带固结辅球和导热石墨粉通过控压膜均匀释放至待试验软土内，导热石墨粉沿待试验软土的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，从而提高待试验软土的热固结效果，固结辅球在磁场作用下向土工布处迁移，固结辅球在迁移过程中可以加速水分的排出。
进一步的，所述固结辅球包括外移球壳、吸水层和磁性内芯，且外移球壳、吸水层和磁性内芯由外至内依次分布，外移球壳可以降低其在待试验软土移动时的阻力，减少对待试验软土的热固结干扰，吸水层则可以对待试验软土内的水分进行吸收，磁性内芯则用来配合外加磁场进行迁移。
进一步的，所述外移球壳采用硬质光滑材料制成，所述吸水层采用高吸水性材料制成，所述吸水层内镶嵌连接有多个均匀分布的辅吸水纤维，且辅吸水纤维贯穿外移球壳并延伸至其外侧，辅吸水纤维可以提高吸水层在待试验软土内的吸水能力，从而辅助待试验软土内水分的加速排出。
进一步的，所述外移球壳外端开设有多个均匀分布的作用孔，所述作用孔内连接有储粉囊，所述储粉囊外端连接有外压球，外压球在外移球壳的迁移过程中受到不均匀挤压后，外压球对储粉囊进行二次挤压从而释放出相应的原料，从而作用于待试验软土。
进一步的，所述外压球延伸出外移球壳外侧的距离大于储粉囊的厚度，可以保证储粉囊内的原料即使在释放消耗后，外压球始终可以将待试验软土的挤压传递至储粉囊。
进一步的，所述储粉囊内填充有生石灰粉和氢气，所述氢气的压缩倍数为2-5倍，生石灰粉与待试验软土残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土进行加强提高固结强度，氢气较为容易压缩，在释放的时候可以扩大生石灰粉的扩散范围，从而提高作用效果，另外氢气的导热性十分优异，也可以起到辅助加热待试验软土的作用。
进一步的，所述储粉囊与外移球壳的接触端开设有气孔，所述气孔外侧覆盖有封堵片，且封堵片一端与储粉囊连接，所述封堵片远离外压球的一端与外压球之间连接有控制拉丝，封堵片在正常状态下对气孔进行屏蔽，防止出现提前外泄的现象，在外压球受到挤压后通过控制拉丝拉扯封堵片一端翘起，从而屏蔽作用失效，可以释放出适量的生石灰粉和氢气。
进一步的，所述加热内芯内安装有加热器，所述待试验软土内还预埋安装有温度传感器和孔压传感器，所述加热器、温度传感器和孔压传感器均无线连接有控制器。
一种软土热固结模型试验方法，包括以下步骤：
S1、在砂砾石排水坑外侧除却上侧外施加磁场，多孔磁板在磁场作用下挤压待试验软土排出水分；
S2、固结主球自主吸收待试验软土内的水分并释放出去固结辅球和导热石墨粉，导热石墨粉沿待试验软土的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，固结辅球在磁场作用下向土工布处迁移；
S3、固结辅球在迁移过程中不仅可以加速水分的排出，同时在受到不均匀挤压时会释放出生石灰粉，与待试验软土残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土进行加强提高固结强度；
S4、温度传感器和孔压传感器实时反馈采集数据至控制器，然后通过数据分析和计算即可实现对软土的热固结模型试验。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案可以通过创新性的引入固结主球，其预埋于待试验软土内可以自主吸收水分然后与内部的触发层进行配合，触发气体生成反应，然后携带导热石墨粉和固结辅球进入到待试验软土内，导热石墨粉沿待试验软土的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，从而提高待试验软土的热固结效果，固结辅球在磁场作用下向土工布处迁移，固结辅球在迁移过程中不仅可以加速水分的排出，同时在受到不均匀挤压时会释放出生石灰粉，与待试验软土残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土进行加强提高固结强度，与现有技术相比，本发明的热固结试验精度更高，效率更快，同时辅助提高待试验软土的热固结效果，具有重要的工程意义。
(2)触发层为泡腾崩解剂和导热石墨粉的混合物，且经过挤压制成，泡腾崩解剂是专用于泡腾片的特殊崩解剂，最常用的是由碳酸氢钠与柠檬酸组成的混合物，其在溶解于水时会触发酸碱中和反应，然后释放出大量的二氧化碳，然后携带固结辅球和导热石墨粉通过控压膜均匀释放至待试验软土内，导热石墨粉沿待试验软土的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，从而提高待试验软土的热固结效果，固结辅球在磁场作用下向土工布处迁移，固结辅球在迁移过程中可以加速水分的排出。
(3)固结辅球包括外移球壳、吸水层和磁性内芯，且外移球壳、吸水层和磁性内芯由外至内依次分布，外移球壳可以降低其在待试验软土移动时的阻力，减少对待试验软土的热固结干扰，吸水层则可以对待试验软土内的水分进行吸收，磁性内芯则用来配合外加磁场进行迁移。
(4)外移球壳采用硬质光滑材料制成，吸水层采用高吸水性材料制成，吸水层内镶嵌连接有多个均匀分布的辅吸水纤维，且辅吸水纤维贯穿外移球壳并延伸至其外侧，辅吸水纤维可以提高吸水层在待试验软土内的吸水能力，从而辅助待试验软土内水分的加速排出。
(5)外移球壳外端开设有多个均匀分布的作用孔，作用孔内连接有储粉囊，储粉囊外端连接有外压球，外压球在外移球壳的迁移过程中受到不均匀挤压后，外压球对储粉囊进行二次挤压从而释放出相应的原料，从而作用于待试验软土。
(6)外压球延伸出外移球壳外侧的距离大于储粉囊的厚度，可以保证储粉囊内的原料即使在释放消耗后，外压球始终可以将待试验软土的挤压传递至储粉囊。
(7)储粉囊内填充有生石灰粉和氢气，氢气的压缩倍数为2-5倍，生石灰粉与待试验软土残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土进行加强提高固结强度，氢气较为容易压缩，在释放的时候可以扩大生石灰粉的扩散范围，从而提高作用效果，另外氢气的导热性十分优异，也可以起到辅助加热待试验软土的作用。
(8)储粉囊与外移球壳的接触端开设有气孔，气孔外侧覆盖有封堵片，且封堵片一端与储粉囊连接，封堵片远离外压球的一端与外压球之间连接有控制拉丝，封堵片在正常状态下对气孔进行屏蔽，防止出现提前外泄的现象，在外压球受到挤压后通过控制拉丝拉扯封堵片一端翘起，从而屏蔽作用失效，可以释放出适量的生石灰粉和氢气。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明固结主球的结构示意图；
图3为图2中A处的结构示意图；
图4为本发明固结辅球的结构示意图；
图5为图4中B处的结构示意图。
图中标号说明：
1砂砾石排水坑、2土工布、3多孔磁板、4待试验软土、5固结主球、51磁屏蔽球壳、52触发层、53加热内芯、54主吸水纤维、55控压膜、6固结辅球、61外移球壳、62吸水层、63磁性内芯、64辅吸水纤维、7外压球、8储粉囊、9封堵片、10控制拉丝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种软土热固结模型试验装置，包括砂砾石排水坑1，砂砾石排水坑1内端壁上贴覆有土工布2，砂砾石排水坑1上端放置有多孔磁板3，多孔磁板3与土工布2之间填充有待试验软土4，待试验软土4内预埋镶嵌有多个均匀分布的固结主球5。
加热内芯53内安装有加热器，待试验软土4内还预埋安装有温度传感器和孔压传感器，加热器、温度传感器和孔压传感器均无线连接有控制器。
请参阅图2-3，固结主球5包括磁屏蔽球壳51、触发层52和加热内芯53，且磁屏蔽球壳51、触发层52和加热内芯53由外至内依次分布，加热内芯53上连接有多根均匀分布的主吸水纤维54，且主吸水纤维54依次贯穿触发层52和磁屏蔽球壳51并延伸至外侧，磁屏蔽球壳51上开设有多个均匀分布的释放孔，释放孔内连接有中心开孔的控压膜55，触发层52内均匀镶嵌有多个均匀分布的固结辅球6。
触发层52为泡腾崩解剂和导热石墨粉的混合物，且经过挤压制成，泡腾崩解剂是专用于泡腾片的特殊崩解剂，最常用的是由碳酸氢钠与柠檬酸组成的混合物，其在溶解于水时会触发酸碱中和反应，然后释放出大量的二氧化碳，然后携带固结辅球6和导热石墨粉通过控压膜55均匀释放至待试验软土4内，导热石墨粉沿待试验软土4的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，从而提高待试验软土4的热固结效果，固结辅球6在磁场作用下向土工布2处迁移，固结辅球6在迁移过程中可以加速水分的排出。
请参阅图4，固结辅球6包括外移球壳61、吸水层62和磁性内芯63，且外移球壳61、吸水层62和磁性内芯63由外至内依次分布，外移球壳61可以降低其在待试验软土4移动时的阻力，减少对待试验软土4的热固结干扰，吸水层62则可以对待试验软土4内的水分进行吸收，磁性内芯63则用来配合外加磁场进行迁移。
外移球壳61采用硬质光滑材料制成，吸水层62采用高吸水性材料制成，吸水层62内镶嵌连接有多个均匀分布的辅吸水纤维64，且辅吸水纤维64贯穿外移球壳61并延伸至其外侧，辅吸水纤维64可以提高吸水层62在待试验软土4内的吸水能力，从而辅助待试验软土4内水分的加速排出。
请参阅图5，外移球壳61外端开设有多个均匀分布的作用孔，作用孔内连接有储粉囊8，储粉囊8外端连接有外压球7，外压球7在外移球壳61的迁移过程中受到不均匀挤压后，外压球7对储粉囊8进行二次挤压从而释放出相应的原料，从而作用于待试验软土4。
外压球7延伸出外移球壳61外侧的距离大于储粉囊8的厚度，可以保证储粉囊8内的原料即使在释放消耗后，外压球7始终可以将待试验软土4的挤压传递至储粉囊8。
储粉囊8内填充有生石灰粉和氢气，氢气的压缩倍数为2-5倍，生石灰粉与待试验软土4残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土4进行加强提高固结强度，氢气较为容易压缩，在释放的时候可以扩大生石灰粉的扩散范围，从而提高作用效果，另外氢气的导热性十分优异，也可以起到辅助加热待试验软土4的作用。
储粉囊8与外移球壳61的接触端开设有气孔，气孔外侧覆盖有封堵片9，且封堵片9一端与储粉囊8连接，封堵片9远离外压球7的一端与外压球7之间连接有控制拉丝10，封堵片9在正常状态下对气孔进行屏蔽，防止出现提前外泄的现象，在外压球7受到挤压后通过控制拉丝10拉扯封堵片9一端翘起，从而屏蔽作用失效，可以释放出适量的生石灰粉和氢气。
一种软土热固结模型试验方法，包括以下步骤：
S1、在砂砾石排水坑1外侧除却上侧外施加磁场，多孔磁板3在磁场作用下挤压待试验软土4排出水分；
S2、固结主球5自主吸收待试验软土4内的水分并释放出去固结辅球6和导热石墨粉，导热石墨粉沿待试验软土4的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，固结辅球6在磁场作用下向土工布2处迁移；
S3、固结辅球6在迁移过程中不仅可以加速水分的排出，同时在受到不均匀挤压时会释放出生石灰粉，与待试验软土4残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土4进行加强提高固结强度；
S4、温度传感器和孔压传感器实时反馈采集数据至控制器，然后通过数据分析和计算即可实现对软土的热固结模型试验。
本发明可以通过创新性的引入固结主球5，其预埋于待试验软土4内可以自主吸收水分然后与内部的触发层52进行配合，触发气体生成反应，然后携带导热石墨粉和固结辅球6进入到待试验软土4内，导热石墨粉沿待试验软土4的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，从而提高待试验软土4的热固结效果，固结辅球6在磁场作用下向土工布2处迁移，固结辅球6在迁移过程中不仅可以加速水分的排出，同时在受到不均匀挤压时会释放出生石灰粉，与待试验软土4残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土4进行加强提高固结强度，与现有技术相比，本发明的热固结试验精度更高，效率更快，同时辅助提高待试验软土4的热固结效果，具有重要的工程意义。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：包括砂砾石排水坑(1)，所述砂砾石排水坑(1)内端壁上贴覆有土工布(2)，所述砂砾石排水坑(1)上端放置有多孔磁板(3)，所述多孔磁板(3)与土工布(2)之间填充有待试验软土(4)，所述待试验软土(4)内预埋镶嵌有多个均匀分布的固结主球(5)，所述固结主球(5)包括磁屏蔽球壳(51)、触发层(52)和加热内芯(53)，且磁屏蔽球壳(51)、触发层(52)和加热内芯(53)由外至内依次分布，所述加热内芯(53)上连接有多根均匀分布的主吸水纤维(54)，且主吸水纤维(54)依次贯穿触发层(52)和磁屏蔽球壳(51)并延伸至外侧，所述磁屏蔽球壳(51)上开设有多个均匀分布的释放孔，所述释放孔内连接有中心开孔的控压膜(55)，所述触发层(52)内均匀镶嵌有多个均匀分布的固结辅球(6)；
所述触发层(52)为泡腾崩解剂和导热石墨粉的混合物，且经过挤压制成；泡腾崩解剂在溶解于水时会触发酸碱中和反应，释放出大量的二氧化碳，然后携带固结辅球（6）和导热石墨粉通过控压膜（55）均匀释放至待试验软土内；
所述固结辅球(6)包括外移球壳(61)、吸水层(62)和磁性内芯(63)，且外移球壳(61)、吸水层(62)和磁性内芯(63)由外至内依次分布；
所述外移球壳(61)外端开设有多个均匀分布的作用孔，所述作用孔内连接有储粉囊(8)，所述储粉囊(8)外端连接有外压球(7)；所述储粉囊(8)内填充有生石灰粉和氢气，所述氢气的压缩倍数为2-5倍；所述储粉囊(8)与外移球壳(61)的接触端开设有气孔，所述气孔外侧覆盖有封堵片(9)，且封堵片(9)一端与储粉囊(8)连接，所述封堵片(9)远离外压球(7)的一端与外压球(7)之间连接有控制拉丝(10)；在外压球（7）受到挤压后，通过控制拉丝（10）拉扯封堵片（9）一端翘起，释放出适量的生石灰粉和氢气。
2.根据权利要求1所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述外移球壳(61)采用硬质光滑材料制成，所述吸水层(62)采用高吸水性材料制成，所述吸水层(62)内镶嵌连接有多个均匀分布的辅吸水纤维(64)，且辅吸水纤维(64)贯穿外移球壳(61)并延伸至其外侧。
3.根据权利要求1所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述外压球(7)延伸出外移球壳(61)外侧的距离大于储粉囊(8)的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种软土热固结模型试验装置，其特征在于：所述加热内芯(53)内安装有加热器，所述待试验软土(4)内还预埋安装有温度传感器和孔压传感器，所述加热器、温度传感器和孔压传感器均无线连接有控制器。
5.一种采用如权利要求4所述的软土热固结模型试验装置进行试验的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在砂砾石排水坑(1)外侧除却上侧外施加磁场，多孔磁板(3)在磁场作用下挤压待试验软土(4)排出水分；
S2、固结主球(5)自主吸收待试验软土(4)内的水分并释放出去固结辅球(6)和导热石墨粉，导热石墨粉沿待试验软土(4)的孔隙进行扩散从而对其进行全面均匀的加热，固结辅球(6)在磁场作用下向土工布(2)处迁移；
S3、固结辅球(6)在迁移过程中加速水分的排出，同时在受到不均匀挤压时释放出生石灰粉，与待试验软土(4)残留的水分反应进行消耗，提供热量辅助热固结的同时反应产物可以对待试验软土(4)进行加强提高固结强度；
S4、温度传感器和孔压传感器实时反馈采集数据至控制器，然后通过数据分析和计算即可实现对软土的热固结模型试验。
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