CN114295468B - 一种变水头软黏土固结模型试验箱及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变水头软黏土固结模型试验箱及其使用方法，属于海洋工程中海底管道的技术研究领域。它由固结系统、真空泵和高清相机组成，所述的固结系统包括自由水桶、模型箱、集水桶，其中自由水桶放置于模型箱上部一定高度处，二者通过管线连接，桶内自由水在水头压力作用下涌入模型箱；模型箱侧面采用方便观察土体变形的有机玻璃制成，其底部设有与集水桶相连的排水口，集水桶是由高强度钢材制成的密封水桶，前后侧各设有一个连接口，分别与模型箱和真空泵相连；所述的真空泵对集水桶抽气产生负压，软黏土中自由水在负压吸力下吸入集水桶；所述的高清相机置于模型箱正前方，用于拍摄模型试验中土体的变形。本发明通过水头压力和负压吸力共同作用促进了软黏土中自由水竖直向下渗流，实现了软黏土的快速固结，使土体达到原位抗剪强度。

Description

一种变水头软黏土固结模型试验箱及其使用方法

技术领域

本发明涉及海洋工程海底管道研究技术领域，具体涉及一种变水头软黏土固结模型试验箱及其使用方法。

背景技术

海底管道在油气运输中受温度应力作用发生屈曲大变形，其中竖向起拱和侧向滑移是主要的屈曲模式，因此，研究变形过程中土体所能提供的抗力及其发挥过程对于管线的保护及屈曲变形控制有着重要的意义。海底管线与地基土的相互作用机理是研究的最重要内容。相关研究者们需对开展模型试验所用模型箱进行研究。

软黏土、淤泥土是海底最为常见的地基土质，其与管道的相互作用机理是管道研究的重点，然而黏性土的渗透性远低于砂土地基，仅靠土体自重难以固结到土体原位抗剪强度，模型试验需要耗费大量时间进行固结，因此，亟需开发一套可以快速固结软黏土的固结设备，以缩短模型试验前期准备时间。

现有技术的相关研究报道主要有：

CN 112985936A公开了一种海底软黏土固结试验系统，该系统将真空泵、泥浆收集罐、固结土槽顺次相连，真空泵通过对泥浆收集罐吸气使其产生负压，进而将固结土槽内软黏土中自由水吸入泥浆收集罐中，起到固结土体的作用。然而，该系统仅靠负压吸力集水效率较低，不足以使渗透性较差的淤泥质土固结到预期抗剪强度，且模型试验箱与管线端部之间的摩擦对试验结果产生较大误差，因此该系统不适合针对海底管线进行试验研究。

CN 107916662A、CN 102116022A、CN 108005058A和CN 108277794A分别公开了针对软土地基的处理方法，通过在软土地基内埋置多个竖向排水体，通过抽水泵抽水、震动或者侧向增压等方式加速软土地基的固结，然而，竖向排水体在模型试验中将地基土分割成若干个子区域，这些方法不能制备得到均质的地基土。因此，不能应用于小比尺模型试验。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种变水头软黏土固结模型试验箱，可实现短期内固结软黏土，使土体快速达到预期抗剪强度的效果，针对海底管道的上拔和侧向移动进行特定试验。

为了实现上述目的，本发明所存在的技术难点在于：

软黏土的渗透系数太低，仅靠土体自重作用无法达到预期抗剪强度，而采用传统负载预压的固结方法容易导致土体变形，由此使得海底管线的研究工作受到很大的局限。此外，海底管道端部在模型试验中与模型箱侧壁产生摩擦，致使试验结果存在较大误差。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种变水头软黏土固结模型试验箱及其使用方法，由固结系统、真空泵、高清相机组成；

所述的固结系统由自由水桶、模型箱、集水桶构成。模型箱是一个双层矩形箱体，内层长、高各1.5m，宽度为1m，外层长、宽、高均为1.5m，内外层均采用可视土体变形的有机玻璃制成，其顶端塑料盖板和右侧底端出水口分别与自由水桶和集水桶相连；

所述的真空泵是一个液压吸气装置，通过对集水桶抽气使其内部产生负压，进而模型箱内软黏土中自由水被吸入集水桶；

所述的高清相机通过三脚架固定于模型箱正前方，用于试验中拍摄试验过程中土体的变形。

所述的自由水桶由高强度钢材预制而成，其直径×高＝1m×1.5m，放置于模型箱上部10m处，打开止水夹一，自由水桶内自由水在水头压力作用下泵入软黏土中。

所述的模型箱内层侧面设有L形开口，可将1.4m模型管道两端从L形开口伸出内层模型箱，消除试验中管线端部与模型试验箱侧壁的摩擦。在加载装置作用下，海底管道发生上拔或侧向移动。

所述的模型箱内层自下至上依次铺设：砾石层、细砂层、土工布、软黏土、塑料薄膜(用于制备均质土)，模型箱顶部装有密封性良好的塑料盖板，盖板上设置进水阀，通过管线连接至上部自由水桶。

所述的集水桶是一个整体密闭的容器，其直径×高＝1m×1.5m，仅在前后侧各设有一个连接口，分别与模型箱和真空泵连接。

所述的真空泵由叶轮、泵体、吸排气盘、吸气孔、排气孔和辅助排气孔组成，其中吸气孔与集水桶相连，通过抽气使桶内产生负压，软黏土中自由水受负压吸力流入集水桶。土体受竖直向下的渗流力作用逐渐密实，进而加快了软黏土的固结速度。

上述技术方案直接带来的有益技术效果为：

将自由水桶放置于模型箱上部一定高度处，在水头压力下桶内自由水泵入模型箱，实现软黏土中自由水的快速渗流，达到加速土体固结的目的；通过真空泵抽气使集水桶内产生负压，在负压吸力作用下将软黏土中自由水吸入集水桶；相比于传统模型试验中负载预压的软黏土固结方式，水头压力和负压吸力共同作用提高了软黏土中自由水的渗流速率，极大缩短了土体的固结时间。

模型箱是一个双层矩形箱体，内层长、高各1.5m、宽度为1m，侧壁设可有穿过管道的L形开口；外层长、宽、高分别为1.5m，模型箱采用有机玻璃制成，便于观察试验过程中软黏土的变形。

软黏土下层依次布设砾石层、细砂层、土工布，以防止渗流过程中软黏土内形成渗流通道，影响土体的固结效果。

作为本发明的一个优选方案，所述的模型箱内层是一个长、高各1.5m，宽度为1m的矩形箱体，为了消除运动过程中管道端部与模型箱之间的摩擦，模型箱内层侧壁设有一个L形开口，在埋设管道时将管道两端伸出开口，管道在加载装置作用下沿开口方向发生上拔或侧向移动。

作为本发明的另一个优选方案，所述的自由水桶和集水桶均采用钢材制作而成，其尺寸均为直径×高＝1m×1.5m。

进一步优选，所述的模型箱内层内自下至上依次为：砾石层、细砂层、土工布、土样、塑料薄膜(用于制备均质土)，模型箱顶部装有密封性良好的塑料盖板，盖板上设置进水阀，通过管线连接至上部自由水桶。

进一步优选，自由水桶应放置在高于模型箱至少10m处，其产生的水头压力为F＝pghA，自由水在水头压力作用下泵入模型箱内软黏土中。

进一步优选，所述的集水桶是一个密闭圆桶，仅在前后侧各设有一个连接口，左上端进水口与模型箱通过管线相连，右下端出气孔与真空泵相接。

优选的，所述的真空泵由叶轮、泵体、吸排气盘、吸气孔、排气孔和辅助排气孔组成，其中吸气孔通过管线与集水桶相连。

优选的，所述的高清相机安装于模型箱正前方，可在试验过程中实时拍摄软黏土的变形情况。

本发明的另一目的在于提供一种变水头软黏土固结模型试验箱的使用方法。

一种变水头软黏土固结模型试验箱及其使用方法，包括以下步骤：

第一步、将模型箱安装至指定位置，通过膨胀螺丝将其固定于地面上，把砾石层、细砂层、土工布依次铺设于内层模型箱底部，再将软黏土分层填入并压实至达到0.5m高度，把1.4m模型管道沿L形开口放入土体中，再回填软黏土到达指定高度，最后将一层塑料薄膜覆盖在软黏土之上，盖上塑料盖板。

第二步、将自由水桶放置于模型箱上方高度10m处。

第三步、将集水桶和真空泵依次放置于模型箱左侧，高清相机安装于模型箱正前方。

第四步、通过管道将自由水桶、模型箱、集水桶、真空泵连接成一个整体。至此，变水头软黏土固结模型试验箱安装完成。

本发明一种变水头软黏土固结模型试验箱的使用过程为：

首先，打开止水夹一，使自由水桶内自由水泵入模型箱内软黏土中；随后，关闭止水夹二且同时打开止水夹三，通过真空泵对集水桶抽气，当桶内负压达到一定程度后，对止水夹二和止水夹三执行相反操作。此时，软黏土中自由水在负压吸力作用下吸入集水桶；至此，自由水受水头压力与负压吸力作用在土体中快速渗流，实现了渗透性较差的软黏土快速固结。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

1)通过真空泵抽气使密闭集水桶内达到负压状态，打开集水桶与模型箱之间的止水夹二，软黏土中自由水被吸入集水桶，提高了软黏土的固结速率，在竖直向下的渗流力作用下，土体达到预期的抗剪强度。

2)通过自由水桶与模型箱之间高度差产生水头压力，加快了自由水在软黏土土中的渗流，提高了土体的固结速率，在竖直向下的渗流力作用下，土体达到预期的抗剪强度。

3)软黏土下层依次布设砾石层、细砂层、土工布，防止渗流过程中软黏土内形成渗流通道，影响土体的固结效果。

4)根据现有海底管线模型试验存在的问题，模型箱设计为内外双层矩形箱体，内层模型箱上设有L形开口，可使模型管道端部沿L形开口伸出，消除管道端部在运动过程中与模型箱之间的摩擦，在加载装置作用下，模型管道进行上拔或侧向移动。

综上所述，本发明一种变水头软黏土固结模型试验箱可以快速的固结渗透性低的软黏土，使土体达到试验预期的抗剪强度，对今后海底管道的研究工作起到了巨大的推动作用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明一种变水头软黏土固结模型试验箱的总体示意图。

图2为本发明一种变水头软黏土固结模型试验箱的模型箱细节图。

图中1、自由水桶，2、止水夹一，3、塑料盖板，4、模型箱，5、土工布，6、细砂层，7、砾石层，8、止水夹二，9、集水桶，10、止水夹三，11、真空泵，12、高清相机。

具体实施方式

本发明提出了一种变水头软黏土固结模型试验箱及其使用方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

结合图1和图2所示，一种变水头软黏土固结模型试验箱包括1、自由水桶，2、止水夹一，3、塑料盖板，4、模型箱，5、土工布，6、细砂层，7、砾石层，8、止水夹二，9、集水桶，10、止水夹三，11、真空泵，12、高清相机。

作为本发明的一个主要改进点，通过自由水桶1、模型箱4、集水桶9和真空泵11构成的组合结构，配合高清相机12等设备，形成了一套快速固结软黏土的试验装置，使渗透性差的软黏土可以达到预期抗剪强度，极大缩短了模型试验前期地基土的制备时间。

此外，针对海洋工程中的海底管道，将模型箱4设计成内外双层矩形箱体，并在内层侧面设计了L型开口，在埋设管道时将管道两端伸出开口，避免了管道端部与模型箱4之间摩擦产生的试验误差，管道在加载装置作用下沿开口方向发生上拔或侧向移动。

上述部件中，模型箱4放置于整个结构中心位置，通过膨胀螺丝将其固定于地面上，其中，优选模型箱采用双层矩形箱体，其内层长、高各1.5m，高度为1m侧壁设有L形开口，外层长、宽、高均为1.5m。模型箱4采用方便观察土体变形的有机玻璃制成。模型箱4内层填筑模型试验所用软黏土，为了防止渗流过程中软黏土内形成渗流通道影响土体的固结效果，土体下层依次铺设砾石层7、细砂层6、土工布5。

自由水桶1是一个直径1m、高度1.5m的钢制圆桶，放置在高于模型箱10m位置，通过管线与模型箱顶部塑料盖板3上进水阀连接，利用自由水桶与模型箱之间的水头压力使自由水快速渗入软黏土中。

集水桶9与真空泵11共同组成吸力装置，其中集水桶9是一个直径1m、高度1.5m的密闭水桶，进水口与模型箱4底部出水口通过管道相连，随着真空泵对集水桶持续抽气，桶内产生负压。此时，打开止水夹，软黏土中自由水被吸入集水桶中。

本发明通过上部自由水桶的水头压力和集水桶负压吸力共同作用，使自由水沿竖直方向在软黏土中快速渗流，软黏土在自由水的重力影响下快速固结，从而达到试验预期的抗剪强度。

下面对本发明一种变水头软黏土固结模型试验箱的使用方法做详细说明。

一种变水头软黏土固结模型试验箱的使用方法，具体包括以下步骤：

第一步、将模型箱4安装至指定位置，采用膨胀螺丝将其固定于地面上，把砾石层7、细砂层6、土工布5依次铺设于模型箱4底部，再将软黏土分层填入并压实至达到0.5m高度，把1.4m模型管线沿L形开口放入软黏土中，再回填软黏土到达指定高度，最后将塑料薄膜覆盖在软黏土之上，盖上塑料盖板3。

第二步、将自由水桶1放置于模型箱4上方高度10m处。

第三步、将集水桶9和真空泵11依次放置于模型箱左侧，高清相机12安装于模型箱4正前方。

第四步、通过管线将自由水桶1、模型箱4、集水桶9、真空泵11连接成一个整体。至此，变水头软黏土固结模型试验箱安装完成。

本发明一种变水头软黏土固结模型试验箱的使用过程为：

首先，打开止水夹一2，使自由水桶中自由水泵入模型箱内软黏土中；随后，关闭止水夹二8同时打开止水夹三10，通过真空泵11对集水桶9抽气，当桶内负压达到一定程度后，对止水夹二8和止水夹三10执行相反操作，软黏土中自由水在负压吸力作用下吸入集水桶；至此，自由水在水头压力和负压吸力影响下在土体中快速渗流，实现了渗透性较差的软黏土快速固结。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明所做的举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法代替，但并不会超越权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种变水头软黏土固结模型试验箱，由固结系统、真空泵(11)、高清相机(12)组成，其特征在于：

所述的固结系统由自由水桶(1)、模型箱(4)、集水桶(9)构成，模型箱(4)是一个双层矩形箱体，内层长、高各1.5m，宽度为1m，外层长、宽、高均为1.5m，内外层均采用可视土体变形的有机玻璃制成，模型箱(4)顶端塑料盖板(3)的进水口与自由水桶(1)相连，模型箱(4)右侧底端出水口与集水桶(9)相连；

自由水桶(1)放置于模型箱(4)上部10m处，打开止水夹一(2)，自由水桶(1)内的水在水头压力作用下涌入软黏土中；

所述的真空泵(11)是一个液压吸气装置，通过对集水桶(9)抽气使其内部产生负压，进而将模型箱内软黏土中自由水被吸入集水桶(9)；

所述的高清相机(12)通过三脚架固定于模型箱(4)正前方，用于拍摄试验过程中土体的变形；

所述的模型箱(4)内层侧面设有L形开口，将1.4m模型管道两端从内层模型箱(4)L形开口伸出，消除试验中管道端部在运动过程中与模型试验箱侧壁的摩擦，在加载装置作用下，管道沿L形开口方向发生上拔或侧向移动。

2.根据权利要求1所述的变水头软黏土固结模型试验箱，其特征在于，所述的自由水桶(1)由高强度钢材预制而成，其直径×高＝1m×1.5m。

3.根据权利要求1所述的变水头软黏土固结模型试验箱，其特征在于，所述的模型箱(4)内层自下至上依次铺设：砾石层(7)、细砂层(6)、土工布(5)、软黏土、塑料薄膜，模型箱顶部装有密封性良好的所述塑料盖板(3)，塑料盖板(3)上设置进水阀，进水阀通过管线连接至上部自由水桶(1)。

4.根据权利要求1所述的变水头软黏土固结模型试验箱，其特征在于，所述的集水桶(9)是一个整体密闭的容器，其直径×高＝1m×1.5m，仅在前后侧各设有一个连接口，分别与模型箱(4)和真空泵(11)连接。

5.根据权利要求1所述的变水头软黏土固结模型试验箱，其特征在于，所述的真空泵(11)由叶轮、泵体、吸排气盘、吸气孔、排气孔和辅助排气孔组成，其中吸气孔与集水桶(9)相连，通过抽气使桶内产生负压，软黏土中自由水受负压吸力流入集水桶(9)，土体受竖直向下的渗流力作用逐渐密实，进而加快了软黏土的固结速度。

6.一种变水头软黏土固结模型试验箱的使用方法，其特征在于，使用权利要求1-5任一项所述的变水头软黏土固结模型试验箱，依次包括以下步骤：

第一步、将模型箱(4)放置在指定位置，通过膨胀螺丝固定于地面，把砾石层(7)、细砂层(6)、土工布(5)依次铺设于内层模型箱(4)底部，再将软黏土分层填入并压实至达到0.5m高度，把1.4m模型管道沿L形开口放入软黏土中，再回填软黏土到达指定高度，最后将塑料薄膜覆盖在软黏土之上，盖上塑料盖板(3)；

第二步、将自由水桶(1)放置于模型箱(4)上方高度10m处；

第三步、将集水桶(9)和真空泵(11)依次放置于模型箱(4)左侧，高清相机(12)安装于模型箱正前方；

第四步、将自由水桶(1)、模型箱(4)、集水桶(9)、真空泵(11)通过管线连接成一个整体，至此，变水头软黏土固结模型试验箱安装完成；

首先，打开止水夹一(2)，使自由水桶(1)中自由水泵入模型箱(4)内软黏土；随后，关闭止水夹二(8)并同时打开止水夹三(10)，通过真空泵(11)对集水桶(9)抽气，当桶内负压达到一定程度后，对止水夹二(8)和止水夹三(10)执行相反操作，软黏土中自由水在负压吸力作用下吸入集水桶(9)；至此，自由水在水头压力与负压吸力作用下在土体中竖直向下快速渗流，实现了渗透性较差的软黏土快速固结。