CN207050713U - 真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及地基处理研究领域，旨在提供一种真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验仪。在沉降柱中设隔断钢板并通过中空的刚性套管与位移传感器相接，排水板套设在刚性套管中，其下部分填埋在土样中且设排水口。沉降柱顶部设盖板，与隔断钢板之间的空间里设水囊；沉降柱侧壁和刚性套管分别装设真空管并接至真空泵；沉降柱底部及侧壁装设若干孔压传感器；孔压传感器及位移传感器均通过信号线接至数据采集系统。本实用新型结构简单、易于上手；可简单方便的通过水压控制改变堆载值、有效获取不同径向位置孔压在固结过程中的变化；可自动记录数据，减少实验所需人手和人工读数时产生的误差；模型材料以及填土可重复利用，不会造成浪费和污染。

Description

真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验仪

技术领域

本实用新型是关于地基处理研究领域，特别涉及真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验仪。

背景技术

随着我国经济社会的高速发展，城市化进程和建设事业也在不断推进，大量的高速公路、高速铁路、高层建筑、机场等大型建筑物和构筑物兴建在长三角、珠三角等沿海发达地区。由于地理历史原因，这些地区多分布着天然含水量高、天然孔隙比大、高压缩性、低渗透性的深厚软粘土，这类土层在作地基时存在天然劣势。由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不够，容易造成失稳破坏；由于其压缩性高渗透性低，将会引起建筑物相当大的沉降或不均匀沉降，且沉降过程持续时间很长，将影响建筑物的正常使用甚至危及建筑物的安全。因此，软黏土地基通常需要进行处理。

竖井排水固结法是众多软基处理方法中应用较为广泛的一种，通过在地基中打设竖向排水井(包括砂井、袋装砂井、塑料排水带等)，并结合一定的加荷方式(通常是上部结构自身重量、堆载预压或真空预压)分级加载，逐步排出软黏土中的孔隙水，加快土体固结速度，缩短固结时间，最终实现快速增强地基土强度、提高地基承载力、减少地基总沉降和不均匀沉降，保证上部结构稳定安全的目的。堆载预压与真空预压相结合的加载方式在工程实践中被广泛使用。有理论研究表明，单纯真空预压处理软黏土地基的速度优于单纯使用堆载预压；真空预压和堆载预压在等效总压力相等的情况下，真空预压比堆载预压的比值越大，径向固结系数越大。但是，真空预压法如果过度使用，会造成工程花费过高。并且，目前没有一个可以用于指导真空结合堆载预压应该如何计划安排的标准。因此，通过试验研究真空结合堆载预压时不同的比例及加载时间安排对固结的影响，可以对实际工程中真空结合堆载预压的方法进行科学且经济的应用。

目前，尚没有综合运用孔压分布测量以及真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验仪可供使用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验仪。

为解决上述问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验仪，包括用于装填土样的圆柱形中空沉降柱；在沉降柱中部设有一个与其内径相匹配的圆形横向隔断钢板，隔断钢板上表面的中心位置固定接有一根中空的刚性套管；刚性套管的顶部与位移传感器相接，位移传感器的另一端固定在悬吊支架上；一根排水板的上部穿过隔断钢板中心后套设在刚性套管中，其位于隔断钢板下方的部分是填埋在土样中的，排水板的底端则与沉降柱底面的中心相接；排水板上设有排水口，并通过排水管接至沉降柱的外侧；

在沉降柱顶部的开口处设置用于密封的盖板，刚性套管穿过盖板中央的通孔；盖板与隔断钢板之间的空间里设有一个橡胶膜制成的水囊，水囊顶部设引水管，引水管通过盖板上的通孔后接至水泵或抽水机，用于向水囊中加注或抽排压仓水；在水囊和沉降柱侧壁之间的空隙处装设真空管，在刚性套管的顶部装设真空管，两根真空管均接至真空泵，在刚性套管上设有真空计；

在与土样相接的沉降柱底部及侧壁装设若干个孔压传感器；孔压传感器及所述位移传感器均通过信号线接至数据采集系统。

本实用新型中，沉降柱底部的孔压传感器布置在占底面面积1/4的扇形面内，在每间隔30°的半径上等间距布置5个孔压传感器；在沉降柱侧壁上每间隔125mm的高度布置数个呈横向排布的孔压传感器，每排孔压传感器的数量和位置均与沿底面半径布置的孔压传感器相对应，最高一排布置在试验仪高度一半的位置。

本实用新型中，从排水板的底端起直至盖板处，每间隔10cm布置一个真空度传感器，各真空度传感器通过信号线接至数据采集系统。

本实用新型中，在沉降柱的内表面设置疏水材料涂层。

本实用新型中，在沉降柱的下方设置能调节水平的底座。

本实用新型中，盖板与沉降柱顶部的开口之间通过卡扣或螺栓实现固定，两者之间设密封垫圈。

本实用新型中，在沉降柱底部设置用于定位排水板的固定装置。

基于前述沉降柱试验仪的真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验方法，是通过对土样施加真空预压和堆载预压压力，并结合竖向排水通道，使土体发生固结，通过对固结过程中的孔压及位移进行实时监测，研究固结过程中不同位置处的孔压变化；

该试验方法具体包括下述步骤：

(1)将排水板装入沉降柱内用于定位的固定装置中，将各传感器连接至数据采集系统，并保证连接准确、无泄漏；

(2)向沉降柱中填充土样，填充的高度应保证留出足够的空间进行上部堆载；

(3)将隔断钢板放在土样表面，并使排水板穿入刚性套管中；安放水囊后装好盖板并检查密封，安装位移传感器；

(4)通过水泵向水囊中注入清水，到达预定荷载后关闭水泵和阀门；

(5)打开真空泵抽真空；同时，打开排水板的排水阀门，排出土样中的孔隙水；

(6)当达到下列条件之一时，试验结束：

孔压传感器所示压力值在一段时间内保持不变；或者，位移传感器所示沉降值在一段时间内保持不变；或者，不再有孔隙水排出；

(7)试验结束后，回收试验用土，清理沉降柱，对数据采集系统获得的数据进行处理。

本实用新型中，控制填土高度，使土样在固结后仍然高于最高的一个孔压传感器。

本实用新型的工作原理：试验时改变加载条件，对固结土样的孔压径向分布和沉降进行监测，得到固结过程中孔压相关的信息，从而得到加载方式和固结速度之间的关系以及不同位置孔压的分布和变化关系。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型能有效的获取不同径向位置孔压在固结过程中的变化，用于进一步的研究。

(2)本实用新型能简单方便的通过水压控制改变堆载值，便于研究堆载作用不同时间不同大小的问题。

(3)本实用新型结构简单、易于上手。模型材料以及填土可重复利用，不会造成浪费和污染，并且可以自动记录数据，减少实验所需人手，同时减少人工读数时产生的误差。

附图说明

图1为本实用新型所述试验仪的主视剖面图(未包括数据采集系统)。

图2为图1中试验仪的侧视剖面图。

图3为图1中A-A向的俯视剖面图。

图4为图1中B-B向的俯视剖面图。

图中的附图标记为：1位移传感器(LVDT)；2刚性套管；3水囊；4真空管；5水囊；6沉降柱；7隔断钢板；8孔压传感器；9排水板；10底座；11盖板；12真空计。

具体实施方式

本实用新型中的真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验仪如图1-4所示。试验仪包括用于装填土样的圆柱形中空沉降柱6；在沉降柱6中部设有一个与其内径相匹配的圆形横向隔断钢板7，隔断钢板7上表面的中心位置固定接有一根中空的刚性套管2；刚性套管2的顶部与位移传感器1相接，位移传感器1的另一端固定在悬吊支架上；一根排水板9的上部穿过隔断钢板7中心后套设在刚性套管2中，其位于隔断钢板7下方的部分是填埋在土样中的，排水板9的底端则与沉降柱6底面的中心相接；排水板9上设有排水口，并通过排水管接至沉降柱6的外侧；

在沉降柱6顶部的开口处设置用于密封的盖板11，刚性套管2穿过盖板11中央的通孔；盖板11与隔断钢板7之间的空间里设有一个橡胶膜制成的水囊5，水囊5顶部设引水管，引水管通过盖板11上的通孔后接至水泵或抽水机，水泵用于向水囊5中加注压仓水，抽水机用于从水囊5中抽排压仓水；在水囊5和沉降柱6侧壁之间的空隙处装设真空管，在刚性套管2的顶部装设真空管，两根真空管均接至真空泵，在刚性套管2上设有真空计12；

盖板11与沉降柱6顶部的开口之间通过卡扣或螺栓实现固定，两者之间设密封垫圈。沉降柱6的内表面设置疏水材料涂层。在沉降柱6底部设置用于定位排水板9的固定装置。在沉降柱6的下方设置能调节水平的底座10。

在与土样相接的沉降柱6底部及侧壁装设若干个孔压传感器8；孔压传感器8及位移传感器1均通过信号线接至数据采集系统。沉降柱6底部的孔压传感器8布置在占底面面积1/4的扇形面内，在每间隔30°的半径上等间距布置5个孔压传感器8；在沉降柱6侧壁上每间隔125mm的高度布置数个呈横向排布的孔压传感器8，每排孔压传感器8的数量和位置均与沿底面半径布置的孔压传感器8相对应。从排水板9的底端起直至盖板11处，每间隔10cm布置一个真空度传感器，各真空度传感器通过信号线接至数据采集系统。

本实用新型中，水泵、抽水机、水囊以及相应管路和阀门构成堆载压力系统，用于对沉降柱6内装入的土样施加堆载压力。真空泵、真空管以及相应管路和阀门构成真空压力系统，用于对沉降柱6内装入的土样施加真空压力，同时通过排水板9将土样中的水排出，使土体固结。使用孔压传感器8测量固结过程中的不同测点的孔压变化，并利用位移传感器1测量整个过程中的土体沉降，得到孔压随时间和位置变化的规律。该试验仪可以对吹填土固结过程中的孔压变化和沉降发展规律进行研究，且试验易于上手，结果直观。

基于前述沉降柱试验仪的真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验方法，是通过对土样施加真空预压和堆载预压压力，并结合竖向排水通道，使土体发生固结，通过对固结过程中的孔压及位移进行实时监测，研究固结过程中不同位置处的孔压变化；

该试验方法具体包括下述步骤：

(1)将排水板9装入沉降柱6内用于定位的固定装置中，将各传感器连接至数据采集系统，并保证连接准确、无泄漏；

(2)向沉降柱6中填充土样，填充的高度应保证留出足够的空间进行上部堆载；控制填土高度，使土样在固结后仍然高于最高的一个孔压传感器8。

(3)将隔断钢板7放在土样表面，并使排水板9穿入刚性套管2中；安放水囊5后装好盖板11并检查密封，安装位移传感器1；

(4)通过水泵向水囊5中注入清水，到达预定荷载后关闭水泵和阀门；

(5)打开真空泵抽真空；同时，打开排水板9的排水阀门，排出土样中的孔隙水；

(6)当达到下列条件之一时，试验结束：孔压传感器8所示压力值在一段时间内保持不变；或者，位移传感器1所示沉降值在一段时间内保持不变；或者，不再有孔隙水排出；

(7)试验结束后，回收试验用土，清理沉降柱6，对数据采集系统获得的数据进行处理。

具体实施例：

下面结合实例对改进吹填土沉降柱试验研究方法进行详细描述，为了便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例做局部放大，不应以此作为对本实用新型的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。

沉降柱6为顶部开口底部封闭的圆柱形玻璃容器，内径60cm，容器侧壁厚1cm；在沉降柱6的底部间隔30°的四条半径上开有16个孔槽，侧壁开有4排每排4个共4×4＝16个孔槽，其中每排孔槽在高度上的间距为12.5cm，这些孔槽用于安装孔压传感器8。为了避免土体固结过程中，内壁引起过大摩擦，沉降柱6的内表面涂有疏水材料，用以减弱边壁效应的影响。另外，在沉降柱6的下面放置可调节的底座10，底座10配有调整高度的螺丝来保证沉降柱6底面处于水平位置。沉降柱6的顶部有略大于沉降柱6截面且有法兰盘密封的盖板11用作密封。

加载系统包括堆载压力系统和真空压力系统。其中堆载压力主要通过使用水泵3将水注入沉降柱6上部水囊5的腔中，进而通过隔断钢板7将压力传递至下部土样表面来实现。真空压力通过真空管连接真空泵4，以及利用手型接头连接真空管与排水板9，来提供排水板9中的负压。为避免因隔断钢板7随土体沉降下沉导致排水板9被暴露在外使排水板9的真空度下降，在排水板9的上部也布置一根真空管，并将之与真空泵相连，以保证隔断钢板7上部整个空间的真空度。

排水系统包括插在土样中央的排水板9和真空泵。土样中的大部分水通过排水板9排出，排水板9可选择工程中常见的整体式塑料排水板。在装载填土过程中注意保持排水板9位置不变及不弯折。极少量的水因为隔断钢板7密封不可能完全严密而从其边缘进入上部的空腔中，这部分水通过真空管排出。排水板9通过手型密封接头和管路接至真空管。刚性套管2使用金属材质，可以通过螺纹连接或焊接方式固定在隔断钢板7上，其内径应允许置入排水板9。

测量系统包括位于沉降柱侧面和底面的孔压传感器8和通过刚性套管2接于隔断钢板7的位移传感器1，以及设于排水板上的真空度传感器。孔压传感器8采用微型孔压传感器，探头从沉降柱6表面的开孔处伸入，尾部数据线留在外侧与数据采集系统相连；在安装过程中需注意多个探头的间距，避免探头之间接触。位移传感器1通过刚性套管2接于隔断钢板7，由隔断钢板7下沉带动，从而获取沉降相关数据。

数据采集系统每隔一定的时间自动记录下所连接的探头的读数，用于读取和记录不同时刻的孔压数据。数据采集系统可采用现有的硬件实现，本领域技术人员可根据本实用新型所述功能，对现有技术手段加以利用以实现相关功能，由于这些内容并非本实用新型重点，故不再赘述。

密封及连接系统包括孔压传感器8与沉降柱9的连接、刚性套管2与隔断钢板7的连接、刚性套管2与盖板11的连接，盖板11与沉降柱6的连接。其中孔压传感器8与沉降柱6的连接采用XX接头，刚性套管2与隔断钢板7的连接采用螺纹连接或焊接，刚性套管2与盖板11的连接采用类似气缸活塞密封的方法，盖板11与沉降柱6间的密封采用法兰连接加密封圈密封的方法。

该改进吹填土沉降柱试验装置及试验方法，可以对沉降柱内吹填土的固结过程及过程中的孔压沿随时间和位置变化进行监测，通过改变两种加载方式的比例和加载的时间还可以对这些方面对固结产生的影响进行研究。

具体包括下述步骤：

(1)沉降柱检查及调平：沉降柱6在制作过程中，已经将孔压传感器8探头固定在指定位置，并进行密封。因此，在使用沉降柱6进行试验之前，需要进行孔压传感器8安装口的密封性检查。此外，试将隔断钢板7放入，检查尺寸是否合适。调节沉降柱6底部的支座10的水平高度，使沉降柱6水平放置。

(2)监测系统和沉降柱内排水系统安装：将孔压传感器8探头的尾端线和数据采集系统连接，对传感器进行检查，检查是否每个传感器均能正常工作。将竖向排水板9插入沉降柱6正中，进行简单固定，确保安装位置准确。

(3)装入填土：将现场取回的土样装入沉降柱6中，到试验方案指定位置附近时止装土。

(4)安装隔断钢板7及沉降测量装置：将隔断钢板7和与之相连的刚性套管2放置在土体的上方；先悬空放置，然后再将水囊5布置好，将真空管与排水板9进行连接，另一边与真空泵连接。其中排水板9与真空管用手型接头进行连接，两个真空管汇合后接到真空泵上。然后将隔断钢板7、盖板11和位移传感器1一起缓慢的放下，进行密封紧固。

(5)开始通水，待水将要装满时，将真空泵打开，开始抽真空，使下方土体开始固结。

(6)当达到下列条件之一时，试验结束：孔压传感器8所示压力值在一段时间内保持不变；或者，位移传感器1所示沉降值在一段时间内保持不变；或者，不再有孔隙水排出；以上均说明固结过程基本完成。

(7)试验结束后，回收沉降柱与试验用土，并进行数据处理。

试验中的注意事项：

(1)实验安装完成后，开启真空泵试抽，检查真空泵的工作效率及模型试验密封是否严密，如有漏气现象则采取相应的密封措施。

(2)密封膜内的膜下真空度应稳定地保持在85KPa以上。

(3)开启真空泵之前，务必先打开水阀门，禁止真空泵无水空运。

(4)试验结束时，同时切断电源开关和循环水阀门，防止水流倒吸现象。

最后，需要注意的是以上列举的仅是本实用新型的用途之一。除此之外，本实用新型还可以有许多其他用法。例如，过程中将水抽出，以表征撤去堆载压力的情况，或关闭真空泵，以表征撤去真空压力的情况。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种真空预压和堆载预压相结合的沉降柱试验仪，包括用于装填土样的圆柱形中空沉降柱；其特征在于，在沉降柱中部设有一个与其内径相匹配的圆形横向隔断钢板，隔断钢板上表面的中心位置固定接有一根中空的刚性套管；刚性套管的顶部与位移传感器相接，位移传感器的另一端固定在悬吊支架上；一根排水板的上部穿过隔断钢板中心后套设在刚性套管中，其位于隔断钢板下方的部分是填埋在土样中的，排水板的底端则与沉降柱底面的中心相接；排水板上设有排水口，并通过排水管接至沉降柱的外侧；

在沉降柱顶部的开口处设置用于密封的盖板，刚性套管穿过盖板中央的通孔；盖板与隔断钢板之间的空间里设有一个橡胶膜制成的水囊，水囊顶部设引水管，引水管通过盖板上的通孔后接至水泵或抽水机，以用于向水囊中加注或抽排压仓水；在水囊和沉降柱侧壁之间的空隙处装设真空管，在刚性套管的顶部装设真空管，两根真空管均接至真空泵，在刚性套管上设有真空计；

在与土样相接的沉降柱底部及侧壁装设若干个孔压传感器；孔压传感器及所述位移传感器均通过信号线接至数据采集系统。

2.根据权利要求1所述的沉降柱试验仪，其特征在于，沉降柱底部的孔压传感器布置在占底面面积1/4的扇形面内，在每间隔30°的半径上等间距布置5个孔压传感器；在沉降柱侧壁上每间隔125mm的高度布置数个呈横向排布的孔压传感器，每排孔压传感器的数量和位置均与沿底面半径布置的孔压传感器相对应。

3.根据权利要求1所述的沉降柱试验仪，其特征在于，从排水板的底端起直至盖板处，每间隔10cm布置一个真空度传感器，各真空度传感器过信号线接至数据采集系统。

4.根据权利要求1至3任意一项中所述的沉降柱试验仪，其特征在于，在沉降柱的内表面设置疏水材料涂层。

5.根据权利要求1至3任意一项中所述的沉降柱试验仪，其特征在于，在沉降柱的下方设置能调节水平的底座。

6.根据权利要求1至3任意一项中所述的沉降柱试验仪，其特征在于，盖板与沉降柱顶部的开口之间通过卡扣或螺栓实现固定，两者之间设密封垫圈。

7.根据权利要求1至3任意一项中所述的沉降柱试验仪，其特征在于，在沉降柱底部设置用于定位排水板的固定装置。