專利名稱：氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置及試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軟土地基加固領(lǐng)域，更具體涉及ー種氣壓劈裂真空預壓法加固軟土模型試驗裝置及試驗方法，適用于氣壓劈裂真空預壓法加固軟土模型試驗。
背景技術(shù)：
軟土地基處理是我國沿江沿海地區(qū)工程建設(shè)經(jīng)常面臨的技術(shù)難題，特別是我國東南沿海地區(qū)，深厚海相軟土處理是城市建設(shè)、港口工程、交通設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。常用的軟土地基處理方法有換填法、排水固結(jié)法、水泥土攪拌法、碎石及砂樁法、注漿法、振沖法、土工聚合物和托換技術(shù)等。大量的工程實踐證明，真空預壓法是ー種經(jīng)濟有效的軟土地基處理技術(shù)。但是，采用真空預壓法處理地基也存在以下局限性，ー是排水固結(jié)時間相對較長，沉降速率難穩(wěn)定，エ后沉降難以控制；ニ是真空度沿深度衰減，對深厚軟土地基加固效果不理想，處理深度有限。為解決這些問題，工程技術(shù)人員發(fā)展真空預壓與其 他地基加固技術(shù)聯(lián)合使用，但對于我國東南沿海工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的深厚軟土，這些技術(shù)仍然存在局限性，主要原因是真空度傳遞的深度有限和深部土體滲透性難以提高。因此需要探索新的思路，使真空預壓法加固深厚軟土得以取得突破發(fā)展。氣壓劈裂真空預壓法是在常規(guī)真空預壓法的基礎(chǔ)上增加氣壓劈裂系統(tǒng)而形成的ー種新型地基處理方法。該方法的特點是通過向深部土體中噴入高壓氣體，使土體中形成氣壓劈裂裂隙，可迅速提高深部土體滲透性；同時在土體深部噴入高壓氣體相當于施加瞬時荷載，改善了地表附加應(yīng)力沿深度衰減的局限性；另外由氣壓劈裂裂隙和豎向排水體組成了排水導氣網(wǎng)絡(luò)，可以加快土中水氣的排出，縮短固結(jié)時間。該方法僅在已有真空預壓法的基礎(chǔ)上增加氣壓劈裂系統(tǒng)，施工方便，經(jīng)濟高效。因此，該加固軟土的方法應(yīng)具有很大的生命力，但遺憾的是此方法并未被實際工程廣泛使用，究其原因可能為①對本方法的加固機理缺乏一定的研究，其加固的有效性、持續(xù)性尚未被工程技術(shù)人員所認識；②對不同類型的軟土的加固エ藝、施工控制方法與措施缺乏研究，尚未形成成套的加固技木。氣壓劈裂真空預壓法是新近提出的，僅在東南大學巖土工程研究所進行過少量室內(nèi)研究和小范圍的現(xiàn)場試驗，但還遠遠不夠深入。為全面推動軟土地基處理的氣壓劈裂真空預壓法的應(yīng)用，有必要開展系統(tǒng)的試驗研究，以探討氣壓劈裂真空預壓法的加固機理、エ藝及施工控制方法與措施，而目前尚無用于氣壓劈裂真空預壓法加固軟土模型試驗的專用裝置，需要研發(fā)相應(yīng)的試驗裝置。本發(fā)明將填補此方面的空白?？傊瑲鈮号颜婵疹A壓法是ー種優(yōu)良的地基處理方法，具有非常廣闊的應(yīng)用前景,應(yīng)該大力予以研究和開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置，該裝置可以模擬氣壓劈裂真空預壓法的加固過程，模擬現(xiàn)場工作條件。本發(fā)明的另ー個目的在于提供一種氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置，包括模型槽、堆載系統(tǒng)、真空加載系統(tǒng)、氣壓劈裂系統(tǒng)及量測系統(tǒng)；
所述模型槽包括塑料圓桶、塑料圓桶底座、塑料圓桶頂蓋和鋼筋，所述塑料圓桶與塑料圓桶底座完全密封，所述塑料圓桶底座通過鋼筋與塑料圓桶頂蓋固定在一起，所述塑料圓桶內(nèi)設(shè)有承壓板，承壓板與塑料圓桶底座之間設(shè)有待加固軟土；
所述堆載系統(tǒng)為杠桿式加載裝置，堆載系統(tǒng)與所述承壓板連接；
所述真空加載系統(tǒng)包括排水系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)，所述排水系統(tǒng)主要包括砂墊層、排水板、導氣排水管，所述砂墊層在待加固軟土的上面和下面各設(shè)置ー層，所述排水板設(shè)在待加固軟土內(nèi)，排水板的底部埋入砂墊層中，所述導氣排水管埋入待加固軟土上面的砂墊層中；所述密封系統(tǒng)包括密封膜，密封膜設(shè)在所述承壓板與砂墊層之間，密封膜上下 鋪設(shè)土工布；所述抽真空系統(tǒng)包括抽真空管路、電子秤、氣水分離器、真空表、負壓穩(wěn)定控制器和真空泵，所述抽真空管路一端與所述導氣排水管連接，另一端與氣水分離器連接，氣水分離器下面設(shè)有電子秤，氣水分離器上面安裝有真空表，氣水分離器與負壓穩(wěn)定控制器連接，負壓穩(wěn)定控制器與真空泵連接；
所述氣壓劈裂系統(tǒng)包括噴氣頭、輸氣管路、壓カ流速控制器和空氣壓縮機，所述噴氣頭設(shè)在所述待加固軟土內(nèi)，噴氣頭通過輸氣管路與連接，壓カ流速控制器與空氣壓縮機連接;
所述量程系統(tǒng)包括位移傳感器、孔隙水壓カ計和數(shù)據(jù)采集儀，所述位移傳感器安裝在所述承壓板上，所述孔隙水壓カ計設(shè)置在所述待加固軟土內(nèi)，并與數(shù)據(jù)采集儀連接。作為優(yōu)選，所述杠桿式加載裝置杠桿比例為1:20。ー種使用上述氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置的方法
Ca)將待加固軟土放入攪拌機內(nèi)攪拌，在攪拌的過程中慢慢加水；
(b)在模型槽內(nèi)表面涂抹凡士林，減少土樣和模型槽的摩擦力；
(C)模型槽最下層鋪設(shè)了砂層，鋪平，壓實，砂層作為排水層；
(d)在砂層之上填入重塑粘土，在土樣的放入過程中，在水平方向和深度位置埋設(shè)已預先經(jīng)過抽氣飽和的微型孔隙水壓カ計，為了加速固結(jié)，模型槽土樣內(nèi)按正三角形布置三根塑料排水板，噴氣管位于正三角形的形心，排水板底部與砂墊層相連；
(e)在土樣上表層鋪設(shè)砂層，在砂層中埋入導氣排水管；在砂層上鋪設(shè)土工布，并鋪上一層塑料薄膜，再放上玻璃板，孔壓計的導線從玻璃板邊緣和模型槽間的縫隙中導出，并與數(shù)據(jù)采集儀連接，在玻璃板上架設(shè)位移百分表，記錄孔壓計和位移百分表的初始讀數(shù)；
Cf)采用堆載系統(tǒng)對土樣進行加載，進行靜壓法固結(jié)制樣；
(h)待試驗土樣固結(jié)完成后進行氣壓劈裂真空預壓法加固軟土試驗，啟動真空泵，抽真空至穩(wěn)定狀態(tài)，同時利用氣壓劈裂系統(tǒng)按設(shè)計壓カ向土體中噴入高壓氣體，聯(lián)合加固軟土。作為優(yōu)選，所述步驟(a)中攪拌時間為10分鐘，使得最后土樣的含水量約為I. 5倍液限。所述步驟(b)中在模型槽內(nèi)預先注入20cm厚的水防止倒入土樣時產(chǎn)生氣泡。所述步驟(c)中砂層厚度為5cm。所述步驟(d)中重塑粘土高度為IOOcm，排水板高度為1100mm，寬50mm,厚4mm。所述步驟(e)中砂層厚度為5cm。作為優(yōu)選，所述步驟(f)中靜壓法固結(jié)制樣模擬現(xiàn)場土層(T20m不同深度處的土體，固結(jié)壓カ根據(jù)圓桶面積換算可得，范圍為(T400kPa。
作為優(yōu)選，所述步驟(h)中噴氣壓力根據(jù)土體強度及應(yīng)カ狀態(tài)由起劈壓カ計算公式計算；首先進行土體劈裂，然后抽真空至穩(wěn)定狀態(tài)，保持真空荷載同時進行間歇性噴氣；每ー輪的噴氣時間、間隔時間根據(jù)砂墊層表面出氣和出水情況、孔壓變化和真空度等進行調(diào)整。作為優(yōu)選，噴氣時間5分鐘、間隔12小吋。有益效果本發(fā)明是一種氣壓劈裂真空預壓法加固軟土試驗裝置，該裝置施工簡單、成本低廉，能提供合理的物理模擬條件和較好的、易于描述的邊界條件，能在一定條件下實現(xiàn)氣壓劈裂真空預壓法加固軟土的過程，可用于研究氣壓劈裂真空預壓法的加固機理與エ藝及施工控制方法與措施。


圖I為本發(fā)明氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進ー步說明
如圖I所示一種氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置，包括模型槽、堆載系統(tǒng)、真空加載系統(tǒng)、氣壓劈裂系統(tǒng)及量測系統(tǒng)；
模型槽由塑料圓桶1，塑料圓桶底座2，塑料圓桶頂蓋3，鋼筋4組成；其中塑料圓桶I為直徑50cm、高120cm的有機透明塑料圓桶。塑料圓桶底座2為厚度2cm、直徑60cm的高強塑料板(PVC)或鋼板；塑料圓桶頂蓋3材質(zhì)與底座一致。塑料圓桶底座2與塑料圓桶I完全密封。塑料圓桶底座2和塑料圓桶頂蓋3開有直徑IOmm且?guī)в新菁y的圓孔，用于固定圓桶的底座和上蓋的六根鋼筋4，接ロ處必須具備較大的抗拉能力。堆載系統(tǒng)5是采用杠桿原理進行加載的裝置，高度2m、長寬為I. 0m，杠桿比例為1:20，最大加載壓カ為200kPa壓カ。真空加載系統(tǒng)由排水系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)組成。排水系統(tǒng)主要包括砂墊層6，排水板7，導氣排水管8。排水板7采用現(xiàn)場施工使用的C型排水板，塑料排水板成梅花形布置，間距為208mm ;砂墊層6厚度為50mm,上下各設(shè)置ー層，為雙面排水,排水板埋入底部砂墊層6中。導氣排水管8為直徑2. 5cm的塑料管，管內(nèi)有螺旋鋼絲支撐，可承受較大的豎向壓力而不會壓扁。沿導管每隔5cm鉆有一直徑約為O. 5cm的小洞，導管外用土工布包裏。導氣排水管8埋入上部砂墊層6中，與抽真空管路11連接。密封系統(tǒng)主要為密封膜9。密封膜9采用現(xiàn)場施工使用的密封膜(或一般透明密封膜)。上部密封膜的密封性需要要注意，密封膜采用兩層，一層埋入土體中，另外ー層沿圓桶內(nèi)壁鋪向上，并由頂蓋壓封，保證密封性。密封膜上下鋪設(shè)土工布，土工布上部放置承壓板10。抽真空管路11采用ClOmm的透明塑料管，但是必須能承受吸カIMpa，外壓カIMpa，即徑向壓カ2MPa以上，連接導氣排水管8和氣水分離器13。氣水分離器13由高強度鋼質(zhì)缸體和缸蓋組成，缸蓋上安裝有真空表14和負壓穩(wěn)定控制器15，經(jīng)過負壓穩(wěn)定控制器15連接到真空泵16，同時利用電子秤12測量氣水分離器13中水的質(zhì)量。真空泵16用于形成真空壓力，真空壓カ的大小真空表14測量。氣壓劈裂系統(tǒng)包括噴氣頭17、輸氣管路18、壓カ流速控制器19、空氣壓縮機20。噴氣頭17為圓錐體，在噴頭外部布設(shè)ー層土工布，主要防止停止噴氣時，泥水倒吸進噴氣管，從而堵塞噴氣管。噴氣頭位于待加固土體一半深度處。輸氣管路18米用金屬管,直徑為10mm，承受壓カ為IMPa以上，連接噴氣頭17和壓カ流速控制器19。壓カ流速控制器19可測并可控制氣體流速、氣體壓力、流量、時間?？諝鈮嚎s機20提供氣源，量程為(T2MPa。量程系統(tǒng)包括位移傳感器21、孔隙水壓カ計22和數(shù)據(jù)采集儀23。量測系統(tǒng)監(jiān)測真空度、堆載壓力、孔隙水壓力、土體沉降變形、出水量、噴氣壓力、噴氣時間、抽氣流速、噴氣流速等。氣壓劈裂真空預壓法模型試驗詳細步驟如下
Ca)將待加固軟土放入攪拌機內(nèi)攪拌，攪拌時間為10分鐘，在攪拌的過程中慢慢加水，使得最后土樣的含水量約為I. 5倍液限。(b)在塑料圓桶I內(nèi)表面涂抹凡士林，減少土樣和塑料圓桶I的摩擦力。在塑料圓桶I內(nèi)預先注入20cm厚的水防止倒入土樣時產(chǎn)生氣泡。(C)塑料圓桶I最下層鋪設(shè)了約5cm厚的砂墊層6，鋪平，壓實，砂墊層6作為排水層。(d)在砂墊層6之上填入高度為IOOcm的重塑粘土。在土樣的放入過程中，在相應(yīng)的位置(水平方向和深度)埋設(shè)已預先經(jīng)過抽氣飽和的孔隙水壓カ計22。為了加速固結(jié)，模型槽土樣內(nèi)按正三角形布置三根排水板7，噴氣頭17位于正三角形的形心。排水板7底部與砂墊層6相連，高度為1100mm,寬50mm,厚4mm。(e)在土樣上表層鋪設(shè)厚度約為5cm的砂墊層6，在砂墊層6中埋入導氣排水管8 ；在砂墊層6上鋪設(shè)土工布，并鋪上ー層密封膜9，再放上承壓板10?？讐河嫷膶Ь€從承壓板10邊緣和模型槽間的縫隙中導出，并與數(shù)據(jù)采集儀23連接。在玻璃板上架設(shè)位移傳感器21。(f)采用堆載系統(tǒng)5對土樣進行加載，進行靜壓法固結(jié)制樣。靜壓法固結(jié)制樣模擬現(xiàn)場土層(T20m不同深度處的土體，固結(jié)壓カ根據(jù)圓桶面積換算可得，范圍為(T400kPa。(h)待試驗土樣固結(jié)完成后進行氣壓劈裂真空預壓法加固軟土試驗。啟動真空泵16,抽真空至穩(wěn)定狀態(tài)。真空泵16可提供最大約80kPa 90kPa的負壓力。同時利用氣壓劈裂系統(tǒng)按設(shè)計壓カ向土體中噴入高壓氣體，聯(lián)合加固軟土。噴氣壓力根據(jù)土體強度及應(yīng)力狀態(tài)由起劈壓カ計算公式計算；保持真空荷載同時進行間歇性噴氣；每一輪的噴氣時間5分鐘、間隔12小吋。本發(fā)明是一種氣壓劈裂真空預壓法加固軟土試驗裝置，該裝置能在一定條件下實現(xiàn)氣壓劈裂真空預壓法加固軟土的過程，可用于研究氣壓劈裂真空預壓法的加固機理與エ藝及施工控制方法與措施。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于包括模型槽、堆載系統(tǒng)、真空加載系統(tǒng)、氣壓劈裂系統(tǒng)及量測系統(tǒng)； 所述模型槽包括塑料圓桶、塑料圓桶底座、塑料圓桶頂蓋和鋼筋，所述塑料圓桶與塑料圓桶底座完全密封，所述塑料圓桶底座通過鋼筋與塑料圓桶頂蓋固定在一起，所述塑料圓桶內(nèi)設(shè)有承壓板，承壓板與塑料圓桶底座之間設(shè)有待加固軟土 ； 所述堆載系統(tǒng)為杠桿式加載裝置，堆載系統(tǒng)與所述承壓板連接； 所述真空加載系統(tǒng)包括排水系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)，所述排水系統(tǒng)主要包括砂墊層、排水板、導氣排水管，所述砂墊層在待加固軟土的上面和下面各設(shè)置ー層，所述排水板設(shè)在待加固軟土內(nèi)，排水板的底部埋入砂墊層中，所述導氣排水管埋入待加固軟土上面的砂墊層中；所述密封系統(tǒng)包括密封膜，密封膜設(shè)在所述承壓板與砂墊層之間，密封膜上下鋪設(shè)土工布；所述抽真空系統(tǒng)包括抽真空管路、電子秤、氣水分離器、真空表、負壓穩(wěn)定控制器和真空泵，所述抽真空管路一端與所述導氣排水管連接，另一端與氣水分離器連接，氣水分離器下面設(shè)有電子秤，氣水分離器上面安裝有真空表，氣水分離器與負壓穩(wěn)定控制器連接，負壓穩(wěn)定控制器與真空泵連接； 所述氣壓劈裂系統(tǒng)包括噴氣頭、輸氣管路、壓カ流速控制器和空氣壓縮機，所述噴氣頭設(shè)在所述待加固軟土內(nèi)，噴氣頭通過輸氣管路與連接，壓カ流速控制器與空氣壓縮機連接; 所述量程系統(tǒng)包括位移傳感器、孔隙水壓カ計和數(shù)據(jù)采集儀，所述位移傳感器安裝在所述承壓板上，所述孔隙水壓カ計設(shè)置在所述待加固軟土內(nèi)，并與數(shù)據(jù)采集儀連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置，其特征在于所述杠桿式加載裝置杠桿比例為1:20。
3.ー種使用權(quán)利要求I氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置的方法，其特征在于 Ca)將待加固軟土放入攪拌機內(nèi)攪拌，在攪拌的過程中慢慢加水； (b)在模型槽內(nèi)表面涂抹凡士林，減少土樣和模型槽的摩擦力； (C)模型槽最下層鋪設(shè)了砂層，鋪平，壓實，砂層作為排水層； (d)在砂層之上填入重塑粘土，在土樣的放入過程中，在水平方向和深度位置埋設(shè)已預先經(jīng)過抽氣飽和的微型孔隙水壓カ計，為了加速固結(jié)，模型槽土樣內(nèi)按正三角形布置三根塑料排水板，噴氣管位于正三角形的形心，排水板底部與砂墊層相連； (e)在土樣上表層鋪設(shè)砂層，在砂層中埋入導氣排水管；在砂層上鋪設(shè)土工布，并鋪上一層塑料薄膜，再放上玻璃板，孔壓計的導線從玻璃板邊緣和模型槽間的縫隙中導出，并與數(shù)據(jù)采集儀連接，在玻璃板上架設(shè)位移百分表，記錄孔壓計和位移百分表的初始讀數(shù)； Cf)采用堆載系統(tǒng)對土樣進行加載，進行靜壓法固結(jié)制樣； (h)待試驗土樣固結(jié)完成后進行氣壓劈裂真空預壓法加固軟土試驗，啟動真空泵，抽真空至穩(wěn)定狀態(tài)，同時利用氣壓劈裂系統(tǒng)按設(shè)計壓カ向土體中噴入高壓氣體，聯(lián)合加固軟土。
4.ー種根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗方法，其特征在于所述步驟(a)中攪拌時間為10分鐘，使得最后土樣的含水量約為I. 5倍液限；所述步驟(b)中在模型槽內(nèi)預先注入20cm厚的水防止倒入土樣時產(chǎn)生氣泡；所述步驟(c)中砂層厚度為5cm ;所述步驟(d)中重塑粘土高度為100cm,排水板高度為1100mm,寬50mm,厚4mm ;所述步驟(e)中砂層厚度為5cm。
5.ー種根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗方法，其特征在于所述步驟(f )中靜壓法固結(jié)制樣模擬現(xiàn)場土層(T20m不同深度處的土體，固結(jié)壓カ根據(jù)圓桶面積換算可得，范圍為(T400kPa。
6.ー種根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗方法，其特征在于所述步驟(h)中噴氣壓力根據(jù)土體強度及應(yīng)カ狀態(tài)由起劈壓カ計算公式計算；首先進行土體劈裂，然后抽真空至穩(wěn)定狀態(tài)，保持真空荷載同時進行間歇性噴氣；每ー輪的噴氣時間、間隔時間根據(jù)砂墊層表面出氣和出水情況、孔壓變化和真空度等進行調(diào)整。
7.ー種根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗方法，其特征在于所述每ー輪的噴氣時間5分鐘、間隔12小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置，包括模型槽、堆載系統(tǒng)、真空加載系統(tǒng)、氣壓劈裂系統(tǒng)及量測系統(tǒng)；所述模型槽包括塑料圓桶、塑料圓桶底座、塑料圓桶頂蓋和鋼筋；所述堆載系統(tǒng)為杠桿式加載裝置；所述真空加載系統(tǒng)包括排水系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)；所述氣壓劈裂系統(tǒng)包括噴氣頭、輸氣管路、壓力流速控制器和空氣壓縮機；所述量程系統(tǒng)包括位移傳感器、孔隙水壓力計和數(shù)據(jù)采集儀。本發(fā)明還公開了一種使用上述氣壓劈裂真空預壓法室內(nèi)模型試驗裝置的方法。本發(fā)明模型試驗裝置結(jié)構(gòu)合理、簡單，操作方便，能用于開展氣壓劈裂真空預壓法加固軟土的模型試驗。
文檔編號E02D3/10GK102707034SQ20121017521
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者劉松玉, 章定文, 韓文君 申請人:東南大學