CN113686650A - 用于淤泥原状土的侧向围压加载设备 - Google Patents
用于淤泥原状土的侧向围压加载设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于淤泥原状土的侧向围压加载设备，包括：围压加载系统和三轴压力室；围压加载系统与三轴压力室管路连接，用于三轴压力室围压加载、卸载和保载；三轴压力室用于为淤泥原状土试件提供环向压力，本设备能显著提高周围土体的压力差，不仅能够加快固结速度，同时能够减缓竖向排水体淤堵，明显地改善了淤泥的淤堵情况。
Description
技术领域
本发明涉及地基处理技术领域，尤其涉及一种用于淤泥原状土的侧向围压加载设备。
背景技术
真空预压法是一种处理软土地基常用的方法。该方法按照一定间距在土体中铺设预制垂直排水体和真空管，通过向土体施加负压，使排水体与土体间存在一个压力差，以促进土体中自由水通过排水管排出及土体固结。真空预压法虽然有加固效果好、节省工期和人力物力、施工成本低等显著优点，但其缺点也在逐渐显露出来，在长时间的工程实践探索中，发现采用真空预压法处理软土地基时，存在真空压力的损失随土体深度增加而增大，PVD排水板附近形成土颗粒淤堵等缺点，在长时间的工程实践探索中，发现采用真空预压法处理软土地基时，存在真空压力的损失随土体深度增加而增大，PVD排水板附近形成土颗粒淤堵等问题。由此提出一种真空预压法的改进方法，即增压式真空预压法。增压式真空预压法加固软土地基的原理是在常规真空预压技术的基础上，通过在塑料排水板之间加设增压管，结合真空预压在塑料排水板中形成的负压，利用增压管向土体进行径向加压，加大塑料排水板与土体之间的气压差，使得土体中的自由水向塑料排水板的定向流动加快，从而在短时间内排出土体中的自由水，降低孔隙水压力，大幅度地提高软土地基固结度，起到加固土体的作用。增压式真空预压不同于常规真空预压的是该方法利用手型接头连接真空管与防淤堵排水板，以免塑料排水板之中进入泥沙粒；在抽真空作用下，地基中的自由水在压力差的作用下向排水板中流动；通过增压管向土体进行加压时，排水板与土体之间的压力差增大，自由水在压差作用下向排水板定向流动，使得软基快速固结，大幅度提高地基固结度。增压式真空预压法结构示意图如图1所示。用薄膜将土体密封起来，先采用真空泵将土体抽至部分真空后，再利用增压泵施加一定的压力，通过真空负压与增压加大土体与排水板之间的压力差，以此来加快土体中自由水排出，加速土体固结。但是该方法的竖向排水体常常会由于细颗粒的侵入而淤堵，导致竖向渗透性降低从而延缓了固结过程，仍未彻底解决淤堵问题。
因此，亟需一种可以加快固结速度以及减缓竖向排水体淤堵的装置。
发明内容
本发明提供了一种用于淤泥原状土的侧向围压加载设备，以解决现有技术问题中存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种用于淤泥原状土的侧向围压加载设备，包括：围压加载系统和三轴压力室；
所述围压加载系统与三轴压力室管路连接，用于三轴压力室围压加载、卸载和保载；
所述三轴压力室用于为淤泥原状土试件提供环向压力。
优选地，三轴压力室包括：底座、反力机构、有机玻璃筒和砂井机构；
所述反力机构固定于底座上，并与砂井机构通过膨胀力传感器相连，用于测试围压加载过程中试件的反力；
所述有机玻璃筒固定于底座上，且与底座密封，用于在有机玻璃筒内固定乳胶膜并于乳胶膜中放置试件，在乳胶膜周围留有空隙用于注入围压水与施加围压；
砂井机构包括上压头和固定于上压头上的砂井套筒、袋装砂井、真空管和排水管，所述上压头安装于有机玻璃筒顶部，用于对有机玻璃筒密封，真空管固定于上压头底部的中心，用于传递真空压力，真空管外部放置袋装砂井，用于加速土体内部的自由水排出，所述排水管位于上压头内部，排水管一端通过气动接头与真空管连接，排水管另一端连接真空桶，用于向真空管传递真空压力，以及将袋装砂井汇集的土体内自由水排出，袋装砂井外设置有砂井套筒，用于保证将上压头置于试件的过程中袋装砂井的形状与位置不变；
测试时，上压头直接从淤泥原状土试件上部插入，与试件直接接触，上压头与套在试件外的乳胶膜之间形成密封区域。
优选地，底座的中部设置有进水口，用于向有机玻璃筒内装有试件的乳胶膜周围的空隙注入围压水与施加围压。
优选地，底座中部为凸台，凸台两侧设有两个开槽作为乳胶膜扎带，用于绑扎和固定套装试件的乳胶膜。
优选地，设备还包括乳胶膜套筒，所述乳胶膜套筒固定于装试件的乳胶膜外部，用于支撑乳胶膜，防止向乳胶膜内部放置试件时，乳胶膜底部鼓胀。
优选地，乳胶膜套筒为两片式结构通过螺栓固定连接成筒状。
优选地，反力机构包括反力梁和两根支撑柱，所述反力梁通过四个螺母与两根支撑柱上部相连，两根支撑柱固定于底座上，反力梁上安装有膨胀力传感器，反力梁与膨胀力传感器通过螺栓连接。
优选地，有机玻璃筒包括环形上盖，有机玻璃筒通过三根连杆固定于底座上，三根连杆均匀分布在底座上且位于有机玻璃筒内部，各连杆夹角均为120°，用于支撑环形上盖，环形上盖与连杆通过螺栓连接，用于压紧连杆外部的有机玻璃筒。
优选地，上压头的底部设置有若干个孔压传感器插孔，用于连接压力吸杆，孔压传感器插孔上部放置孔压传感器，将压力吸杆插入孔压传感器插孔中，以实现孔压传感器与压力吸杆的连接。
优选地，围压加载系统的最大加载能力为1MPa，加载容积为155mL。
由上述本发明的用于淤泥原状土的侧向围压加载设备提供的技术方案可以看出，本发明提出的侧向围压加载设备，可以给土样提供侧向围压，采用伺服电机驱动丝杆加载方式，以实现精准的压力室围压加载、卸载和保载，用乳胶膜包裹淤泥土样，上加反力梁限制土样上部位移，可测量加载过程中淤泥土孔隙水压力的变化、体变以及膨胀力，施加侧向压力后，能显著提高周围土体的压力差，不仅能够加快固结速度，同时能够减缓竖向排水体淤堵，明显地改善了淤泥的淤堵情况。在实际工程中对地基加固时，可减少工期，加固效率大幅提升，施工成本降低。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为增压式真空预压法结构示意图；
图2为实施例的用于淤泥原状土的侧向围压加载设备整体结构示意图；
图3为实施例的三轴压力室结构示意图；
图4为砂井机构示意图；
图5为实施例的上压头上的孔压传感器布置情况示意图；
图6为土体深度50mm处孔隙水压力随时间变化曲线图；
图7为排水量随时间变化曲线图。
附图标记说明：
1手型接头2增压管3塑料排水管4真空管5密封膜6反力梁7膨胀力传感器8支撑柱9上压头10环形上盖11有机玻璃筒12排水管13连杆14孔压传感器15孔压传感器插孔16乳胶膜套筒17乳胶膜18压力吸杆19真空管20砂井套筒21试件22袋装砂井23乳胶膜扎带24底座25进水口26增压泵27水桶28置物架。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。
实施例
本实施例提供了一种用于淤泥原状土的侧向围压加载设备，包括：围压加载系统和三轴压力室。
围压加载系统与三轴压力室管路连接，用于三轴压力室围压加载、卸载和保载，如图2所示，围压加载系统包括管路连接的水桶26和增压泵27，连接后增压泵27通过管路与三轴压力室相连。增压泵27采用伺服电机驱动丝杆加载方式。
三轴压力室用于为淤泥原状土试件提供环向压力。
图3为本实施例的三轴压力室结构示意图，参照图2，三轴压力室包括：底座、反力机构、有机玻璃筒11和砂井机构；
反力机构固定于底座24上，并与砂井机构通过膨胀力传感器7相连，用于测试围压加载过程中试件的反力。
具体地，反力机构包括反力梁6和两根支撑柱8，反力梁6通过四个螺母与两根支撑柱8上部相连，两根支撑柱8固定于底座24上，反力梁上安装有膨胀力传感器7，反力梁6与膨胀力传感器7通过螺栓连接。
有机玻璃筒11固定于底座24上，且与底座24密封，用于在有机玻璃筒11内固定乳胶膜17并于乳胶膜17中放置试件21，在乳胶膜17周围留有空隙用于注入围压水与施加围压。
图4为砂井机构示意图，参照图4，砂井机构包括上压头9和固定于上压头9上的砂井套筒20、袋装砂井22、真空管19和排水管12，上压头9安装于有机玻璃筒11顶部，用于对乳胶膜17内部的试件21密封，真空管19固定于上压头9底部的中心，用于传递真空压力，真空管19外部放置袋装砂井22，用于加速土体内部的自由水排出，排水管12位于上压头9内部，排水管12一端通过气动接头与真空管19连接，排水管12另一端连接真空桶，用于向真空管传递真空压力，以及将袋装砂井22汇集的土体内自由水排出，袋装砂井22外设置有砂井套筒20，用于保证将上压头置于试件21的过程中袋装砂井22的形状与位置不变。砂井套筒20通过三个螺栓与上压头9相连。
上压头9外围均匀分布四个螺栓孔，围压水注入完毕后拧紧四个螺栓，可保证有机玻璃筒11与乳胶膜17之间的密封性，便于注入围压。
底座24的中部设置有进水口25，用于向有机玻璃筒11内装有试件21的乳胶膜17周围的空隙注入围压水与施加围压。进水口还可用于围压水的排出。
底座24中部为凸台，凸台两侧设有两个开槽作为乳胶膜扎带23，用于绑扎和固定套装试件的乳胶膜17。
由于乳胶膜17对试件21无固定侧向位移的作用，设备还包括乳胶膜套筒16，乳胶膜套筒16固定于装试件的乳胶膜17外部，用于支撑乳胶膜17，防止向乳胶膜17内部放置试件21时，乳胶膜17底部鼓胀。
乳胶膜套筒16为两片式结构通过螺栓固定连接成筒状。
有机玻璃筒11包括环形上盖10，有机玻璃筒11通过三根连杆13固定于底座24上，三根连杆13均匀分布在底座24上且位于有机玻璃筒11内部，各连杆夹角均为120°，用于支撑环形上盖10，环形上盖10与连杆13通过螺栓连接，用于压紧连杆外部的有机玻璃筒11。
上压头9的底部设置有若干个孔压传感器插孔15，用于连接压力吸杆18，孔压传感器插孔15上部放置孔压传感器14，将压力吸杆18插入孔压传感器插孔15中，以实现孔压传感器14与压力吸杆18的连接。每个压力吸杆的插入深度可根据试验情况自行确定，测量不同深度的孔隙水压力值变化，优选地，本实施例的孔压传感器插孔15为10个。图5为上压头上的孔压传感器布置情况示意图。
优选地，本实施例的围压加载系统的最大加载能力为1MPa，加载容积为155mL。
测试时，袋装砂井置于砂井套筒中，为保证砂井便于置于土样中，将砂井套筒与上压头相连。上压头9直接从淤泥原状土试件上部插入，与试件直接接触，上压头9与套在试件外的乳胶膜之间形成密封区域，确保密封性后，开始启动真空泵与增压泵。
将膨胀力传感器安装在反力梁下方，调整反力梁高度位置，使膨胀力传感器的下端面与上压头的上平面接触，用四个螺母锁紧反力梁，即可测量围压加载试验过程中试件产生的反力。
向有机玻璃桶内注水，通过增压泵给围压水施加围压，达到向乳胶膜内淤泥土施加围压的目的。
通过布置的压力测点可以测量加载过程中土体孔隙水压力的变化，通过反力梁上的膨胀力传感器可以测量限定土体位移时的膨胀力。由于乳胶膜刚性较小，施加围压后乳胶膜随土体体积变化而变化，通过量定动态注水的体积可以反映土体的体积变形量，由实测数据可以判断在增压式真空预压法工作时土样内部孔隙水压力消散路径、土体体变及加固效果。
以下为利用本实施例的的侧向围压加载设备进行两组试验，一组试验仅用真空泵施加真空压力，作为对照组；另一组试验在抽真空一段时间后施加80kPa的围压。两组试验的孔隙水压力消散曲线与排水量随时间变化曲线如图6和图7所示。
由图6可以看出，第一次施加侧向围压的过程中，径向半径15mm的砂井内测点及径向半径50mm及75mm处土体孔隙水压力均有所增加，当停止施加围压后，孔隙水压力降低，但仍大于施加围压之前的数值；第二次施加围压对土体内孔隙水压力几乎无影响，孔隙水压力数值稳定，但第二次施压结束后一段时间，孔隙水压力开始消散，且最终径向半径50mm处土体孔隙水压力较传统真空预压法降低了28kPa，径向半径75mm处土体孔隙水压力较传统真空预压法降低了25.2kPa。而孔隙水压力与土体强度有关，当孔隙水压力消散的时候，土体强度得到提高。
由图7可以看出，在施加围压之前，两组试验排水量几乎一致，当施加围压后，试验组的土体排水量开始增大，最终施加围压的土体排水量较传统真空预压对照组增加了339.5g。两次试验使用的土样含水率相同，排水量越多，土体加固效果越好。
综上可知，本发明对土体的加固效果明显优于传统的真空预压法，且孔隙水压力的消散情况证明了本方法对排水体的淤堵有积极影响。
在实际应用中，上述部件也可以设置在设备内部的其它位置。本发明实施例并不局限上述部件的具体放置位置，上述部件在设备内部中的任何放置方式都在本发明实施例的保护范围中。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各部件的数量可能小于一个设备的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
以上所述，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于淤泥原状土的侧向围压加载设备，其特征在于，包括：围压加载系统和三轴压力室；
所述围压加载系统与三轴压力室管路连接，用于三轴压力室围压加载、卸载和保载；
所述三轴压力室用于为淤泥原状土试件提供环向压力。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述三轴压力室包括：底座、反力机构、有机玻璃筒和砂井机构；
所述反力机构固定于底座上，并与砂井机构通过膨胀力传感器相连，用于测试围压加载过程中试件的反力；
所述有机玻璃筒固定于底座上，且与底座密封，用于在有机玻璃筒内固定乳胶膜并于乳胶膜中放置试件，在乳胶膜周围留有空隙用于注入围压水与施加围压；
砂井机构包括上压头和固定于上压头上的砂井套筒、袋装砂井、真空管和排水管，所述上压头安装于有机玻璃筒顶部，用于对有机玻璃筒密封，真空管固定于上压头底部的中心，用于传递真空压力，真空管外部放置袋装砂井，用于加速土体内部的自由水排出，所述排水管位于上压头内部，排水管一端通过气动接头与真空管连接，排水管另一端连接真空桶，用于向真空管传递真空压力，以及将袋装砂井汇集的土体内自由水排出，袋装砂井外设置有砂井套筒，用于保证将上压头置于试件的过程中袋装砂井的形状与位置不变；
测试时，上压头直接从淤泥原状土试件上部插入，与试件直接接触，上压头与套在试件外的乳胶膜之间形成密封区域。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述底座的中部设置有进水口，用于向有机玻璃筒内装有试件的乳胶膜周围的空隙注入围压水与施加围压。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述底座中部为凸台，凸台两侧设有两个开槽作为乳胶膜扎带，用于绑扎和固定套装试件的乳胶膜。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述设备还包括乳胶膜套筒，所述乳胶膜套筒固定于装试件的乳胶膜外部，用于支撑乳胶膜，防止向乳胶膜内部放置试件时，乳胶膜底部鼓胀。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述乳胶膜套筒为两片式结构通过螺栓固定连接成筒状。
7.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述反力机构包括反力梁和两根支撑柱，所述反力梁通过四个螺母与两根支撑柱上部相连，两根支撑柱固定于底座上，反力梁上安装有膨胀力传感器，反力梁与膨胀力传感器通过螺栓连接。
8.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述有机玻璃筒包括环形上盖，有机玻璃筒通过三根连杆固定于底座上，三根连杆均匀分布在底座上且位于有机玻璃筒内部，各连杆夹角均为120°，用于支撑环形上盖，环形上盖与连杆通过螺栓连接，用于压紧连杆外部的有机玻璃筒。
9.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述上压头的底部设置有若干个孔压传感器插孔，用于连接压力吸杆，孔压传感器插孔上部放置孔压传感器，将压力吸杆插入孔压传感器插孔中，以实现孔压传感器与压力吸杆的连接。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述围压加载系统的最大加载能力为1MPa，加载容积为155mL。
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