本發(fā)明涉及一種在疏浚工程或海洋工程開發(fā)研究領域中人工制備飽和密實土的方法和裝置，特別是一種大方量的人工制備飽和密實土的方法和裝置。

背景技術：

隨著人類對海洋資源的高速開發(fā)，在圍海造地、海洋 平臺、島嶼開發(fā)等海洋工程中，經(jīng)常遇到黏土、粉土等地基。該類型地基位于水下，因此該土體多為飽和狀態(tài)；且長期受到水壓力的作用，因此該土體均處于飽和密實狀態(tài)。

在疏浚工程中，飽和密實土對于現(xiàn)有的疏浚挖泥船而言，屬于難以開挖的土體類型，其切削效率極低。因此需要對飽和密實土進行切削試驗，進而開發(fā)出新型的先進耙頭和絞刀，以提高挖泥船機具設計水平以及疏浚效率。

在海洋工程中，由于人類開發(fā)海洋正向著施工設備及工程結構物大型化的方向發(fā)展，因此需要通過對飽和密實土的試驗研究，探究飽和密實土的靜載和動載特性，為海洋大型結構物基礎設計與施工提供技術支撐。

目前飽和密實土的制備僅應用于小方量土體的試驗研究，而大方量飽和密實土的試驗研究主要為現(xiàn)場試驗研究。然而，小方量飽和密實土的制備滿足不了現(xiàn)階段工程試驗對土方量的要求，同時現(xiàn)場試驗研究受限于惡劣的現(xiàn)場條件，且現(xiàn)場科研成本較高。

鑒于此，開展室內(nèi)人工制備飽和密實土的研究勢在必行。但是目前受制于大型飽和密實土制備方法和裝置的空缺，實驗室小方量土體制備過程中也存在土體排氣不充分、飽和土中水體含氣、土體飽和度不足等影響飽和密實土制備質(zhì)量的諸多問題，使得室內(nèi)無法開展飽和密實土切削機理的研究以及靜載和動載作用下大型基礎穩(wěn)定性等方面的大比尺模型試驗研究。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服上述現(xiàn)有技術中所存在的缺陷，提供一種人工制備大方量飽和密實土的裝置和方法，解決飽和密實土制備過程中，土體排氣不充分、飽和土中水體含氣、土體飽和度不足等影響飽和密實土制備質(zhì)量的諸多問題。

本發(fā)明采用了下列技術方案解決了其技術問題：

一種大方量飽和密實土人工制備的裝置，包括一無氣水的制備裝置，該裝置包括一通過管道與第一真空泵相連通的制備罐，該制備罐上分別置有進水管和出水管，其特征在于：在第一真空泵與制備罐之間通過管道還連接一第一氣水分離罐，所述制備罐內(nèi)的進水管口上置有一帶有葉輪片的水體碰撞裝置，制備罐內(nèi)從頂部向下延伸置有一攪動器，制備罐外壁固定置有振動器。

一種大方量飽和密實土人工制備的裝置，還包括一飽和密實土的制備裝置，該裝置包括一飽和密實土制備池，其特征在于：所述的飽和密實土制備池的底部和周壁置有一層礫石，該礫石層上依次置有無紡布和濾網(wǎng)，在濾網(wǎng)之上，堆放土體，并在飽和密實土制備池中的土體及礫石上依次覆蓋置有無紡布、濾管、編織布以及密封膜，該濾管通過管道與第二氣水分離罐上端相連通，所述的飽和密實土制備池的上端側壁置有抽氣口，該抽氣口通過管道與第二氣水分離罐上端相連通，該飽和密實土制備池的下端側壁以及底部都置有進水口，該進水口通過管道與無氣水罐相連通，第二真空泵通過管道與第二氣水分離罐上端相連通。

一種大方量飽和密實土的人工制備方法，包括以下步驟：

步驟A、在包括制備罐、第一氣水分離罐、第一真空泵所構成的無氣水制備裝置中制備無氣水，

（1）在無氣水制備裝置中, 關閉制備罐上的進水開關閥，開啟制備罐和第一氣水分離罐管道之間的開關閥，開啟第一氣水分離罐與第一真空泵管道之間的開關閥，關閉第一氣水分離罐上的排水閥和通氣閥；

（2）開啟第一真空泵，使第一氣水分離罐壓強在-90Kpa～100Kpa之間，直至將各罐體內(nèi)的空氣排凈；

（3）將進水開關閥打開，向制備罐內(nèi)注水，當水體加至該罐體2/3高度時，關閉進水開關閥，開啟制備罐上的螺旋攪動器，其轉(zhuǎn)速為：60～100轉(zhuǎn)/分鐘，同時開啟制備罐外壁上的振動器，其振動頻率為：1～5Hz，經(jīng)60～90分鐘，即可制得無氣水灌入無氣水罐備用；

（4）在上述制備工作過程中，當?shù)谝粴馑蛛x罐內(nèi)水體達到1/3罐體高度時，關閉制備罐和第一氣水分離罐管道之間的開關閥，關閉第一氣水分離罐與第一真空泵管道之間的開關閥，最后打開第一氣水分離罐上的排水閥和通氣閥，將罐內(nèi)留存的水體排出，然后打開前述被關閉的閥門繼續(xù)抽真空；

步驟B、在包括制備池、第二氣水分離罐、第二真空泵以及無氣水罐所構成的飽和密實土制備裝置中制備飽和密實土，

（5）在飽和密實土制備裝置中的制備池底部和周壁置有一層礫石，在該礫石層上依次置有無紡布和濾網(wǎng)，在濾網(wǎng)之上，堆放土體，并在該土體及周邊礫石上依次覆蓋置有無紡布、濾管、編織布以及密封膜，形成對制備池的相對密閉；

（6）關閉第二氣水分離罐上的通氣閥和排水閥，關閉無氣水罐與制備池之間管道上所有閥門，關閉濾管與第二氣水分離罐之間管道上閥門，開啟第二氣水分離罐與制備池和濾管之間管道上所有閥門，開啟第二真空泵與水分離罐之間管道上的閥門，并開啟第二真空泵，使第二氣水分離罐壓強在-90Kpa～-100Kpa之間，直至將制備池里礫石和土體中的空氣排凈；

（7）當土體中空氣被抽除完畢后，開啟無氣水罐與制備池之間管道上所有閥門，釋放并使無氣水緩慢均勻的滲入土體，并通過調(diào)節(jié)氣水分離罐上的通氣閥以及無氣水罐與制備池之間管道上的閥門，使第二氣水分離罐中壓強在-90Kpa～-100Kpa之間，并保持48～96小時，制得飽和密實土；

（8）在上述制備工作過程中，當?shù)诙馑蛛x罐內(nèi)水體達到1/3罐體高度時，關閉第二氣水分離罐與制備池之間所有管道的閥門，關閉第二氣水分離罐與第二真空泵之間管道的閥門，最后打開第二氣水分離罐上的排水閥和通氣閥，將罐內(nèi)留存的水體排出。在氣水分離罐內(nèi)水體排出后，將罐體上的排水閥和通氣閥關閉，然后打開前述被關閉的閥門繼續(xù)抽真空；

（9）解除制備池上端的所有覆蓋物，檢驗所制備的飽和密實土的飽和度，如測試指標達到95%，則通過刮板將土體表面整平后即可用于室內(nèi)試驗，如測試指標小于實驗要求的飽和度，則采用平板振動夯進行進一步夯實處理，直至測試指標達到試驗所要求的飽和度，最后通過刮板將土體表面整平。

本發(fā)明中的無氣水的制備裝置，可制得質(zhì)量較高的無氣水，用于制備大方量飽和密實土。本發(fā)明中的飽和密實土的制備裝置以及方法解決了飽和密實土制備過程中土體排氣不充分，飽和土中水體含氣以及土體飽和度不足等影響飽和密實土制備質(zhì)量的諸多問題。提供的大方量飽和密實土能為在室內(nèi)開展耙齒與絞刀切削機理研究、靜載及動載作用下基礎的穩(wěn)定性和受力特性的研究打下了堅實的基礎，在疏浚工程及海洋工程的開發(fā)研究領域均具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明無氣水制備裝置的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明中水體碰撞裝置結構示意圖；

圖3為本發(fā)明飽和密實土制備裝置的結構示意圖；

圖4為圖3飽和密實土制備池中構造的放大示意圖；

圖5為本發(fā)明另一實施例的結構示意圖。

圖1至圖2中各序號分別表示為：

101—第一真空泵；102—管道；103—開關閥；104—真空表；105—開關閥；106—管道；107—螺旋攪動器；171—電動機；172—旋轉(zhuǎn)軸；173—攪動桿；108—進水管；181—進水管口；109—水體碰撞裝置；191—支架；192—葉輪片；110—進水開關閥；111—振動器；112—平臺；113—制備罐；114—排水閥；115—第一氣水分離罐；116—通氣閥。

圖3至圖5中各序號分別表示為：

1—礫石；2—飽和密實土制備池；3—土體；4—長方體凹槽；5—無紡布；6—濾網(wǎng)；7—無紡布；8—濾管；9—管道；10—編織布； 11—密封膜；12—抽氣口；13—第二氣水分離罐；14—進水口；15—無氣水罐；16—無氣水；17—閥門；18—第二真空泵；19—管道； 20—閥門；21—真空表；22—通氣閥；23—排水閥；24—管道；25—多通接頭；26—閥門；27—底座；32—閥門；33—閥門；34—平板振動夯；35—刮板；36—管道；37—管道。

具體實施方式

以下結合實施例以及附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

參照圖1，本發(fā)明所述無氣水制備裝置的由第一真空泵101、第一氣水分離罐115和制備罐113三大部分構成。

第一氣水分離罐115分別通過管道102和管道106連接在第一真空泵101與制備罐113的之間。所述的制備罐113和第一氣水分離罐115均為圓筒形的有機玻璃罐體。第一氣水分離罐115與制備罐113均固定于平臺112之上。

所述的制備罐113頂部固定置有進水管108、管道106，以及與第一氣水分離罐115相連通的管道106。進水管108上置有進水開關閥110，制備罐113與第一氣水分離罐115相連通的管道106上也置有開關閥105，用以緊急隔斷兩個罐體之間的連通。

參照圖1和圖2，所述制備罐113內(nèi)的進水管108口上置有一帶有葉輪片192的水體碰撞裝置109。該水體碰撞裝置109包括進水管口181，固定在進水管口181上的支架191，以及置在支架191底部能夠旋轉(zhuǎn)的葉輪片192。本發(fā)明安裝水體碰撞裝置109，使得灌入第一氣水分離罐115中的水體易被破碎，破碎后的水體在負壓作用下水體中的氣體更容易抽離。

再參照圖1，本發(fā)明所述的制備罐113內(nèi)從頂部向下延伸置有一螺旋攪動器107，該螺旋攪動器107固定置在制備罐113頂部，其電動機171固定安置在制備罐113頂部外端，旋轉(zhuǎn)軸172以及固定在旋轉(zhuǎn)軸172上的攪動桿173固定安置在制備罐113的內(nèi)部。該螺旋攪動器107用于在無氣水制備過程中，對水體進行攪動，以便加速水中氣體的逸出。在制備罐113的外壁還安裝振動器111，該振動器111與螺旋攪動器107協(xié)同工作，亦對水體進行擾動，加速水中氣體的逸出。

本發(fā)明所述的制備罐113外壁固定置有振動器111至少為兩塊，并在制備罐113外壁中下部呈均布狀。

所述的第一氣水分離罐115頂部分別固定置有與第一真空泵101相連通的管道102，以及與制備罐113相連通的管道106，其頂部還固定置有真空表104，兩連通的管道102和管道106上還分別置有開關閥103和開關閥105，用以控制和維持無氣水制備系統(tǒng)的真空度。另外，該第一氣水分離罐115頂部還固定置有通氣閥116，其底部還固定置有排水閥114，當?shù)谝粴馑蛛x罐115罐體中的水體過多時，關閉開關閥103和開關閥105，并開啟通氣閥116門和排水閥114門，將水體順利排出。

參照圖3和圖4，所述本發(fā)明飽和密實土制備裝置包括一飽和密實土制備池2，該飽和密實土制備池2的側壁和基礎均為磚砌，并用防水混凝土抹面。所述的飽和密實土制備池2的底部和周壁置有一層礫石1用于排水。該礫石1層上依次置有無紡布5和濾網(wǎng)6作為反濾層，在濾網(wǎng)6之上堆放土體3，并在飽和密實土制備池2中的土體3及礫石1上依次覆蓋置有無紡布7、濾管8、編織布10以及密封膜11，由此形成密閉空間，該濾管8通過出膜裝置和管道9與第二氣水分離罐13上端相連通，該管道上置有閥門33。

所述的飽和密實土制備池2的上端側壁置有抽氣口12，該抽氣口12通過管道36與第二氣水分離罐13上端相連通，該管道36上置有閥門32。

所述的飽和密實土制備池2的下端側壁以及底部都置有進水口14，該進水口14通過管道37與無氣水罐15相連通，該各管道37上置有閥門17，用以控制無氣水16流量。

第二真空泵18通過管道19與第二氣水分離罐13上端相連通，在第二真空泵18與第二氣水分離罐13之間的管道上置有閥門20，第二氣水分離罐13上端還置有真空表21以及通氣閥22，其底部還固定置有排水閥23。通過第二氣水分離罐13上的真空表21以及管道19上的閥門20可以控制真空度。這種在第二真空泵18和飽和密實土制備池2上的抽氣口12之間設置第二氣水分離罐13的構造，能夠防止土體3中水體在抽真空過程中流入第二真空泵18。第二氣水分離罐13即用以存儲土體3中排出的水體，又用以分離氣體和水體，使得只有空氣進入第二真空泵18。當?shù)诙馑蛛x罐13中水體過多，關閉閥門26和閥門20，并開啟罐底部的排水閥23和罐側壁的通氣閥22排去水體，以保證飽和密實土制備系統(tǒng)的正常運行。

具體在制備飽和密實土過程中，先將礫石1在飽和密實土制備池2中鋪設平整，并預留出制備土體3的長方體凹槽4。在長方體凹槽4的底部和四周側邊壁均鋪設無紡布5，并在無紡布5上再鋪設一層濾網(wǎng)6。然后在濾網(wǎng)6上堆放土體3，在土體3上鋪蓋無紡布7，并在無紡布7上鋪設濾管8，最后再在濾管8上依次鋪設編織布10和密封膜11，如此將土體3及礫石1進行密封。

無氣水罐15中盛滿無氣水16，無氣水16中氣體含量極低，在飽和密實土制備中為關鍵環(huán)節(jié)。本發(fā)明中應用無氣水16，避免了由于水中含氣影響飽和密實土的質(zhì)量，因而有效地提高了土體的飽和度。無氣水罐體15底部必須高于土面，避免水體回流。

第二氣水分離罐13通過管道24與多通接頭25相連接，管道24上設有閥門26。多通接頭25分別通過管道36連接抽氣口12，并通過管道9連接濾管8，第二氣水分離罐13固定于底座27。

圖5給出的另一實施例是本發(fā)明置有更多的進水口以及更多的排水口示意圖。其進水口和排水口的布置根據(jù)飽和密實土制備池2的長度來確定。當制備池長度較長時，通過在飽和密實土制備池2上端增設多個抽氣口12以及在飽和密實土制備池2底部增設多個進水口14來實現(xiàn)提高其工作效率。

本發(fā)明所述的一種大方量飽和密實土的人工制備方法，包括以下步驟：

步驟A、在由制備罐、第一氣水分離罐、第一真空泵構成的無氣水制備裝置中制備無氣水，

（1）在由制備罐、第一氣水分離罐、第一真空泵構成的無氣水制備裝置中, 關閉制備罐上的進水開關閥，開啟制備罐和第一氣水分離罐管道之間的開關閥，開啟第一氣水分離罐與第一真空泵管道之間的開關閥，關閉第一氣水分離罐上的排水閥和通氣閥；

（2）開啟第一真空泵，使第一氣水分離罐壓強在-90Kpa～ -100Kpa之間，直至將各罐體內(nèi)的空氣排凈；

（3）將進水開關閥打開，向制備罐內(nèi)注水，當水體加至該罐體2/3高度時，關閉進水開關閥，開啟制備罐上的螺旋攪動器，其轉(zhuǎn)速為：60～90轉(zhuǎn)/分鐘，同時開啟制備罐外壁上的振動器，其振動頻率為：1～5Hz，經(jīng)60～90分鐘，制得無氣水灌入無氣水罐備用；

（4）在上述制備工作過程中，當?shù)谝粴馑蛛x罐內(nèi)水體達到1/3罐體高度時，關閉制備罐和第一氣水分離罐管道之間的開關閥，關閉第一氣水分離罐與第一真空泵管道之間的開關閥，最后打開第一氣水分離罐上的排水閥和通氣閥，將罐內(nèi)留存的水體排出，然后打開前述被關閉的閥門繼續(xù)抽真空；

步驟B、在由制備池、第二氣水分離罐、第二真空泵以及無氣水罐構成的飽和密實土制備裝置中制備飽和密實土，

（5）在制備池的底部和周壁置有一層礫石，在該礫石層上依次置有無紡布和濾網(wǎng)，在濾網(wǎng)之上，堆放土體，并在該土體及周邊礫石上依次覆蓋置有無紡布、濾管、編織布以及密封膜，形成對制備池的相對密閉；

（6）關閉第二氣水分離罐上的通氣閥和排水閥，關閉無氣水罐與制備池之間管道上所有閥門，關閉濾管與第二氣水分離罐之間管道上閥門，開啟第二氣水分離罐與制備池和濾管之間管道上所有閥門，開啟第二真空泵與水分離罐之間管道上的閥門，并開啟第二真空泵，使第二氣水分離罐壓強在-90Kpa～-100Kpa之間，直至將制備池里礫石和土體中的空氣排凈；

（7）當土體中空氣被抽除完畢后，開啟無氣水罐與制備池之間管道上所有閥門，釋放并使無氣水緩慢均勻的滲入土體，并通過調(diào)節(jié)氣水分離罐上的通氣閥以及無氣水罐與制備池之間管道上的閥門，使第二氣水分離罐中壓強在-90Kpa～-100Kpa之間，并保持48～96小時，制得飽和密實土；

（8）在上述制備工作過程中，當?shù)诙馑蛛x罐內(nèi)水體達到1/3罐體高度時，關閉第二氣水分離罐與制備池之間管道的閥門，關閉第二氣水分離罐與第二真空泵之間所有管道的閥門，最后打開第二氣水分離罐上的排水閥和通氣閥，將罐內(nèi)留存的水體排出。在將氣水分離罐內(nèi)水體排出后，將罐體上的排水閥和通氣閥關閉，然后打開前述被關閉的閥門繼續(xù)抽真空；

（9）解除制備池上端的所有覆蓋物，檢驗所制備的飽和密實土的飽和度，如測試指標達到95%，則通過刮板將土體表面整平后即可用于室內(nèi)試驗，如測試指標小于試驗要求的飽和度，則采用平板振動夯進行進一步夯實處理，直至測試指標達到試驗所要求的飽和度，最后通過刮板將土體表面整平。

以下是本發(fā)明一個具體實施例：

預處理30立方米粉土，其制備池長10.4米，寬為3.4米，高為1.5米，制備池中放置礫石層厚度為0.2米，預制備飽和密實粉土30立方米，長10米，寬3米，厚1米，粉土初始含水量20%左右。

按照步驟A，至少制備無氣水6立方米，

其中：步驟（2）開啟第一真空泵，使第一氣水分離罐壓強至-90Kpa，保持5分鐘，將各罐體內(nèi)的空氣排凈；

其中：步驟（3）將進水開關閥打開，向制備罐內(nèi)注水，當水體加至該罐體2/3高度時，關閉進水開關閥，開啟制備罐上的螺旋攪動器，其轉(zhuǎn)速為：60轉(zhuǎn)/分鐘，同時開啟制備罐外壁上的振動器，其振動頻率為：1Hz，經(jīng)90分鐘，制得無氣水3立方米灌入無氣水罐備用，重復兩次步驟（3），共計制備6立方米無氣水備用。

按照步驟B，制備飽和密實粉土30立方米，

其中：步驟（6）排凈制備池里礫石和土體中的空氣時，開啟第二真空泵，使第二氣水分離罐壓強在-90Kpa～-100Kpa之間，保持6小時；將制備池里礫石和土體中的空氣排凈；

其中：步驟（7）使第二氣水分離罐中壓強在-90Kpa～-100Kpa之間，并保持48小時，制得飽和密實粉土；

其中：步驟（9）的飽和密實土的飽和度測試指標為98%。

本發(fā)明不限制于本文所示的實例，其涵蓋了所有與本文所公開的一種大方量飽和密實土人工制備的方法和裝置。