專利名稱：水下真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種 物理模型試驗(yàn)方法及由該方法獲得的模型試驗(yàn)裝置，尤其是與 水下真空預(yù)壓或真空預(yù)壓有關(guān)的離心模型試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
在離心機(jī)里采用真空泵產(chǎn)生真空并利用真空使土體中的水滲出發(fā)生固結(jié)是真空 預(yù)壓離心模型試驗(yàn)。由于真空泵是機(jī)械傳動(dòng)，在離心機(jī)里各部件增重幾十倍，真空泵 很難運(yùn)行，而且真空泵需在啟動(dòng)離心機(jī)前打開，試驗(yàn)土體自重固結(jié)的模擬將失效，因此 在離心機(jī)里運(yùn)用真空泵技術(shù)產(chǎn)生真空的實(shí)例國內(nèi)外僅有兩例，影響了對(duì)真空預(yù)壓尤其是 水下真空預(yù)壓理論的深入研究。據(jù)文獻(xiàn)可知河海大學(xué)1988年將真空泵置于離心機(jī)轉(zhuǎn)軸 處，減小真空泵處的離心力，真空泵方能以較低效率運(yùn)行。然而因其裝置原因，真空泵 需在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前啟動(dòng)，土體沒時(shí)間發(fā)生自重固結(jié)即開始進(jìn)行真空預(yù)壓，此時(shí)土體的初 始應(yīng)力狀態(tài)不能模擬，對(duì)土體的變形將產(chǎn)生很大的影響。日本西松建設(shè)公司(Nishimatsu Construction Co., Ltd) 2006年同樣在離心機(jī)里采用真空泵對(duì)土體進(jìn)行真空井點(diǎn)降水預(yù) 壓，試驗(yàn)土體中的水下流動(dòng)，不能很好模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，真空度為86kPa。另一方面，現(xiàn)有在離心機(jī)里采用真空泵產(chǎn)生真空使土體固結(jié)的技術(shù)，僅能使試 驗(yàn)土體底部孔隙水壓力降低值大于試驗(yàn)土體的表面，從表面附近土體孔水壓力下降較小 可以看出，底部土體加固好于表面土體，土體表面孔隙水壓力并沒有下降或下降很小， 與實(shí)際情況不符。因此現(xiàn)有采用真空泵的真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置使水在土里向下滲 流，不能模擬土體實(shí)際的真空固結(jié)狀態(tài)，并且所獲得的真空度也不大。同樣由于土體中 的水向下滲流，在現(xiàn)有兩例離心模型試驗(yàn)中土體的水平位移不能很好反映現(xiàn)場(chǎng)情況，而 且水位位移在試驗(yàn)中也沒有很好測(cè)試。以上所提及的離心模擬真空預(yù)壓試驗(yàn)技術(shù)存在問題一是采用真空泵的離心模型 獲得真空度較小，二是模擬土體初始應(yīng)力狀態(tài)存在問題，三是模擬土體終了應(yīng)力狀態(tài)存 在問題，四是不能模擬水下真空預(yù)壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種能有效進(jìn)行真空預(yù)壓或 水下真空預(yù)壓的離心試驗(yàn)?zāi)M方法及裝置，兩者主要區(qū)別在于密封膜上是否有水。該發(fā) 明的模擬技術(shù)能夠巧妙利用試驗(yàn)裝置以解決上述四個(gè)問題。上述目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括 離心機(jī)，還包括水下土體自重固結(jié)系統(tǒng)及真空驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述水下土體自重固結(jié)系統(tǒng)包 括裝有土體的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?，所述真空?qū)動(dòng)系統(tǒng)包括真空氣水分離箱、真空吸氣泵、轉(zhuǎn)動(dòng) 接合器及高壓供氣裝置，所述真空氣水分離箱中部設(shè)有進(jìn)水口并與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞撞康呐?水口通過連接管連接，轉(zhuǎn)動(dòng)接合器設(shè)于所述離心機(jī)上方，其上部靜止，分別連接一條來 自于高壓供氣裝置的靜止供氣管，及一條來自于離心機(jī)外的靜止輸入水管，其下部隨離心機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，分別連接一條可轉(zhuǎn)動(dòng)的高壓供氣輸出管及一條開口于試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渖戏降?可轉(zhuǎn)動(dòng)的供水管，所述高壓供氣輸出管連接于所述真空吸氣泵的輸入端，所述真空吸氣 泵的真空輸出管接于所述氣水分離箱的頂部開口，所述氣水分離箱的下底設(shè)有排水管及 排水閥。如需要控制模 型箱土體底部的孔隙水壓力，則所述水下土體自重固結(jié)系統(tǒng)還包 括用于控制所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞撞克坏呢Q管，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渑c豎管的底部由管路連通并設(shè) 有控制閥門。具體地來說，所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)的填充物由下至上包括置于底層的排水層；試 驗(yàn)土體，內(nèi)插設(shè)豎向排水體；土體上方水平排水層及密封膜。對(duì)水下真空預(yù)壓來說，所述密封膜上還承載有膜上水體，以模擬水下真空預(yù)壓 的情形。所述密封膜上還布設(shè)有堆載層，以模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的情形，堆載層采用 砂、土等固體。作為優(yōu)選方式，所述置于底層的排水層、及土體上方的表面水平排水層由水平 排水管和砂墊層構(gòu)成。在所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)還設(shè)置有豎向連接管，把試驗(yàn)箱底排水層內(nèi)的水平排水管 與土體上方的表面水平排水層的水平排水濾管連結(jié)起來，所述豎向連接管采用可縱向壓 縮伸展的螺紋管，其作用是土體內(nèi)的水通過豎向排水體匯集到土體上方的水平排水層， 并通過水平排水層將土體固結(jié)排出的水匯集到氣水分離箱。本發(fā)明還提供了一種真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)方法，該方法包括采用如上所述 的真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，通過離心模擬自重固結(jié)獲得土體初始應(yīng)力狀態(tài)、通過埋 設(shè)試驗(yàn)測(cè)試儀器取得試驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)、重新進(jìn)行離心模擬自重固結(jié)后并通過真空 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行真空預(yù)壓以達(dá)到所期望的應(yīng)力狀態(tài)。進(jìn)一步地，上述真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)方法，包括以下步驟(A)將所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?、豎管等置于所述離心機(jī)上，轉(zhuǎn)動(dòng)離心機(jī)使模型箱中的 淤泥或流泥狀態(tài)的試驗(yàn)土體在離心模擬自重情況下固結(jié)，使試驗(yàn)土體達(dá)到自重情況下的 強(qiáng)度；(B)對(duì)經(jīng)模擬自重固結(jié)后的試驗(yàn)土體埋設(shè)測(cè)試儀器，通過出膜裝置將儀器導(dǎo)線 引出并對(duì)欲加固土體進(jìn)行排氣飽和與密封，將所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洹⒇Q管及氣水分離箱置于 離心機(jī)上，啟動(dòng)離心機(jī)；(C)重新進(jìn)行離心模擬自重固結(jié)，待主固結(jié)完成后開啟所述高壓供氣裝置，高 壓氣體高速流過所述真空吸氣泵，在所述氣水分離箱中產(chǎn)生真空；(D)當(dāng)所述氣水分離器中真空計(jì)讀數(shù)低于_90kPa時(shí)，打開所述氣水分離箱與所 述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溟g底部連接管上的閥門；(E)所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渲械脑囼?yàn)土體中的孔隙水在水頭差的作用下發(fā)生滲流固結(jié)， 排出的水在水頭差的作用下流向所述氣水分離箱，當(dāng)所述氣水分離箱中的水位即將漫過 所述進(jìn)水口時(shí)，打開所述氣水分離箱的排水閥排水；(F)依據(jù)試驗(yàn)土體孔隙水壓力計(jì)或位移計(jì)讀數(shù)求得的固結(jié)度達(dá)到需要時(shí)，則可停 離心機(jī)。
作為二維真空預(yù)壓優(yōu)選方式，所述密封膜邊緣夾設(shè)于上下兩層密封框中固定于 所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湎潴w并以橡膠圈置于兩層密封框和密封膜間密封固定，所述排氣飽和與 密封步驟包括在試驗(yàn)土體底部將去離子去氣的水緩慢從底部通過土中豎向排水體滲入土中至其頂部；當(dāng)水位達(dá)到試驗(yàn)土頂部時(shí)，滲入的水以極慢速度上升，并使其漫過密封框；水從密封框上的預(yù)留孔排出，此時(shí)擠壓密封膜使其貼于土體或水平排水體和砂 墊層表面，多余的水繼續(xù)排出，同時(shí)在密封膜上注水使水漫過密封框；封堵密封框上的預(yù)留孔中，達(dá)到試驗(yàn)土體飽和密封的效果。作為三維真空預(yù)壓優(yōu)選方式，所述密封膜四周邊緣埋入試驗(yàn)土體中，密封膜上 預(yù)留有排氣孔，以供加固土體的排氣飽和與密封。進(jìn)一步來說，進(jìn)入所述真空吸氣泵的高壓氣體氣壓大于700kPa。根據(jù)本發(fā)明的真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，采用上述水下真空預(yù)壓離心模型試 驗(yàn)裝置及方法可得到通過離心模擬自重固結(jié)獲得的土體初始應(yīng)力狀態(tài)、通過驅(qū)動(dòng)真空裝 置進(jìn)行水下真空預(yù)壓或陸上真空預(yù)壓并達(dá)到所期望的應(yīng)力狀態(tài)、并通過預(yù)埋的試驗(yàn)測(cè)試 儀器取得試驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測(cè)試包括對(duì)土體豎向位移、水平位移、土體內(nèi)孔 隙水壓力、土體內(nèi)總應(yīng)力、土體強(qiáng)度及氣水分離箱中的真空度測(cè)試。本發(fā)明的試驗(yàn)裝置 能模擬土體自重固結(jié)，當(dāng)土體自重固結(jié)完成后才進(jìn)行真空預(yù)壓。真空預(yù)壓時(shí)土中的水向 上流動(dòng)，模擬了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土體的真空固結(jié)，也就是說，該裝置既能模擬土體的初始應(yīng)力 狀態(tài)，也能模擬真空預(yù)壓固結(jié)后土體的最終應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)該裝置既能模擬水下真空預(yù) 壓，也能模擬陸上真空預(yù)壓，并達(dá)到測(cè)試水下試驗(yàn)土體位移的目的。


圖1示出本發(fā)明的一種模擬加固區(qū)邊界剖面圖。圖2示出本發(fā)明的一種模擬水下真空預(yù)壓加固大面積土體中部的全斷面試驗(yàn)剖 面圖。圖3示出本發(fā)明的離心試驗(yàn)?zāi)M真空預(yù)壓全斷面三維固結(jié)滲流的試驗(yàn)剖面圖。圖4為密封膜固定于密封框上的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，當(dāng)模擬平面應(yīng)變問題時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖? 一般為矩形箱，正面嵌有機(jī) 玻璃窗，可觀查測(cè)試土體位移。根據(jù)所分析情況也可采用其他形狀，如立方體或圓柱體 形模型箱和試驗(yàn)土體以模擬三維情況，如圖3所示。圖1中箱內(nèi)由下至上分成幾層，第一 層為排水層7，是在箱底鋪設(shè)水平排水管及砂墊層，厚度為hl，hi—般為0 200mm， 其作用是升高土體表面高度和實(shí)行土體固結(jié)雙面排水用；當(dāng)不需雙面排水，該砂墊層可 以省略，即hi為0，表示該層僅有排水管或排水管埋于模型箱底板中。第二層為試驗(yàn)土 體8，厚度為h2，h2—般為200 600mm，試驗(yàn)土體內(nèi)插設(shè)豎向排水體11，豎向排水體 可以是砂井或塑料排水體。圖1中第三層為試驗(yàn)土體上方的表面水平排水層9，包含水平 排水管和砂層，厚度為h3，約為5 20mm，砂層的具體厚度根據(jù)需要考慮堆載量確定，其作用是及時(shí)排去土體8壓縮產(chǎn)生的水，并在水頭差的作用下，匯集于排水濾管28，然 后流向豎向連接管29中。豎向排水體11直接與排水濾管28連接時(shí)，表面水平排水層中 9的砂墊層也可以省略。第四層為密封膜12。對(duì)于水平排水層9采用砂層的情況，砂層 可全部，也可部分地置于密封膜12上以模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓。由于砂層置于密封膜 12之下可起到增強(qiáng)排水的作用，因此水平排水層9與密封膜12在位置上并不限定哪個(gè)處 于上方，密封膜可處于水平排水層的上方，此時(shí)水平排水層9處于膜下可起增強(qiáng)排水作 用；而密封膜12處于水平排水層的中間或下方時(shí)，試驗(yàn)土體中的水只通過濾管28匯集， 則為模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的情況，膜上砂墊層的重量根據(jù)預(yù)設(shè)的堆載量而確定并在離 心機(jī)中以相應(yīng)的厚度來獲得堆載要求的堆載重量。密封膜三個(gè)邊固定于密封框上，另一 邊插入試驗(yàn)土中模擬真空預(yù)壓加固區(qū)周邊固結(jié)變形情況，參見圖1，密封膜在加固區(qū)周邊 埋入試驗(yàn)土體深為h6，而密封膜在箱體邊緣的三邊則固定在密封框27上。圖4示出密 封框27為兩層形狀相同的適配于模型箱內(nèi)壁的閉合金屬框271，兩層閉合金屬框271中 間加設(shè)閉合橡膠圈272，密封膜12的邊緣就固定在橡膠圈272和金屬框之間，采用螺絲 273擰緊將兩層金屬框緊固即可壓緊密封膜。密封膜12也可全斷面鋪設(shè)，通過上下兩層 密封框夾緊固定夾于中間的橡膠圈和密封膜，模擬大面積真空預(yù)壓中間土體的固結(jié)變形 情況，參見圖2。最頂層為膜上水體，厚度為h4，約為O 200mm，當(dāng)模擬陸上真空預(yù) 壓時(shí)，厚度為0;當(dāng)厚度不為0時(shí)，根據(jù)施加在模型箱上不同的離心加速度，模擬不同的 水深。土體表面的水壓由水的深度h3+h4控制，根據(jù)需要選擇不同深度模擬不同深度下 的水下真空預(yù)壓，當(dāng)膜上沒有水時(shí)則模擬陸上真空預(yù)壓。自重固結(jié)由豎管系統(tǒng)控制水位，豎管系統(tǒng)還可控制真空預(yù)壓期試驗(yàn)土體底部水 位。豎管系統(tǒng)包括豎管2、豎管底部水壓力計(jì)13、閥門14及豎管2與模型箱1的連接管。真空氣水分離箱3是一鋼質(zhì)箱，鋼箱內(nèi)儲(chǔ)存由試驗(yàn)土體排出的水。抽真空前， 鋼箱內(nèi)先儲(chǔ)存約30 IOOmm厚的水，用以淹沒水壓力計(jì)13，使水壓力計(jì)13處于水下飽 和狀態(tài)。當(dāng)抽真空時(shí)，真空計(jì)15將顯示為負(fù)壓，同時(shí)氣水分離箱3中水壓力計(jì)13也顯示 為負(fù)壓，水壓力計(jì)13因有既存水的壓力，其負(fù)壓值沒有真空計(jì)15的大。打開閥門16， 模型箱1內(nèi)的水將流向氣水分離箱3，隨著試驗(yàn)土體不斷排出水，鋼箱內(nèi)的水面將逐漸上 升，水面以上為真空負(fù)壓。為控制試驗(yàn)土體中施加真空的大小，氣水分離箱上的進(jìn)水口 17(或試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渑潘?高度應(yīng)根據(jù)向模型箱提供真空的大小事先設(shè)定并以h5表示，當(dāng) 鋼箱內(nèi)水位要漫過進(jìn)水口 17，同時(shí)鋼箱底孔隙水壓力計(jì)13測(cè)得水壓力大于50kPa(理論值 應(yīng)為大于OkPa)時(shí)，應(yīng)對(duì)鋼箱內(nèi)進(jìn)行排水處理，可打開閥門18使氣水分離箱3內(nèi)水壓力 計(jì)13測(cè)讀數(shù)回到適當(dāng)數(shù)值后關(guān)閉閥門。氣水分離箱3中的負(fù)壓由箱外的真空吸氣泵4形 成，為免意外情況發(fā)生漏氣，采用止回閥19聯(lián)于氣水分離箱3與真空吸氣泵4之間。按 照本發(fā)明，氣水分離箱3水面上的真空由真空計(jì)15測(cè)得可達(dá)_95kPa。真空吸氣泵4采用文丘里原理獲得真空。文丘里原理是當(dāng)管路中高壓氣體或液 體通過縮小的管徑時(shí)，流速增大并將在附近區(qū)域產(chǎn)生低于大氣壓的真空。真空吸氣泵4 可以自制或采用商用真空吸氣器。高壓供氣裝置6是能提供高于大氣壓的流體(氣體或液體)的氣壓機(jī)或射流泵， 當(dāng)打開閥門20，靜止管21內(nèi)可獲得流體壓力大于700kPa的高壓空氣流，通過 轉(zhuǎn)動(dòng)接合器5將高壓空氣流通過隨離心機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的管路傳到真空吸氣泵4中，并由真空吸氣泵4產(chǎn) 生真空傳遞到氣水分離箱3內(nèi)。高壓空氣流也可換成高壓水流，但在離心機(jī)中效果不很 好并且也浪費(fèi)水，本發(fā)明不建議采用。離心機(jī)可采用香港科技大學(xué)的400gt大型土工離心機(jī)，該離心機(jī)自帶有轉(zhuǎn)動(dòng)接 合器5，該轉(zhuǎn)動(dòng)接合器5位于離心機(jī)主軸上方，轉(zhuǎn)動(dòng)接合器5上部是靜止的，連接靜止管 路，其下部隨離心機(jī)的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，連接轉(zhuǎn)動(dòng)管路。通過靜止供水管22經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)接合器5和電子閥門23向模型箱內(nèi)加水。由于模型 箱進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)中，土體表面水份易失去，采用密封膜上的水壓力計(jì)13進(jìn)行 監(jiān)測(cè)，當(dāng)水壓力減小時(shí)，打開電子閥門23對(duì)模型箱加水到需要水位。另外為做不同水位 的試驗(yàn)，也需要該加水裝置。除了上述采用水壓力計(jì)13和真空計(jì)15對(duì)模型試驗(yàn)邊界條件進(jìn)行控制外，對(duì)試驗(yàn) 土體固結(jié)變形行為需采用相應(yīng)的測(cè)試儀器。本發(fā)明涉及的測(cè)試儀器如圖1，包括埋于土 中的孔隙水壓力計(jì)24、埋于土中的土壓力盒25、置于密封膜上的豎向位移計(jì)26 (—般為 LVDT)及高分辨率相機(jī)(未在圖中示出)置于有機(jī)玻璃窗前用于拍攝不同時(shí)段土體的成 相，采用劍橋大學(xué)PIV技術(shù)經(jīng)成相分析可以得到土體水平位移和豎向位移。在模型箱外的連接管一般均采用直徑12mm耐高壓的塑料管。在模型箱內(nèi)密封 膜下的水平排水管則采用耐高壓的濾水管28，濾水管直徑6mm。為不影響土體壓縮變 形，密封膜下的豎向連接管29采用可縱向壓縮的螺紋管并保證橫向不可壓縮，并從試驗(yàn) 土表面的排水管連接到氣水分離箱3。試驗(yàn)步驟與方法是關(guān)系到土體固結(jié)與變形行為的關(guān)鍵，主要表現(xiàn)是土體為彈塑 性體，與其應(yīng)力歷史有關(guān)。其主要步驟包括試驗(yàn)土體自重固結(jié)及前期應(yīng)力狀態(tài)模擬，標(biāo) 定和埋設(shè)測(cè)試儀器，重新進(jìn)行自重固結(jié)及前期應(yīng)力狀態(tài)模擬，啟動(dòng)真空進(jìn)行真空預(yù)壓固 結(jié)模擬。(1)試驗(yàn)土體自重固結(jié)及前期應(yīng)力狀態(tài)模擬該過程是考慮土體應(yīng)力歷史的影響。為達(dá)到準(zhǔn)確模擬前期應(yīng)力并要求土體前期 是橫斷面各向同性體，要求試驗(yàn)土體應(yīng)首先和去離子水?dāng)嚢璨⒁笸馏w含水量為試驗(yàn)土 體液限的兩倍以上，攪拌在可以同時(shí)抽真空的攪拌機(jī)中進(jìn)行配制，試驗(yàn)土體通過充分?jǐn)?拌變成流泥，將流泥通過勺菌至模型箱中，勺中的流泥表面應(yīng)與箱內(nèi)流泥表面大致齊平 方能倒入箱內(nèi)，避免直接倒入箱內(nèi)挾帶氣泡。每一勺流泥轉(zhuǎn)到模型箱后的應(yīng)用勺夯擊， 將可能卷入的氣泡擊出。在模型箱3中的流泥應(yīng)采用靜荷載逐級(jí)加壓使其在30kPa以上豎 向應(yīng)力狀態(tài)下固結(jié)。固結(jié)基本完成再將裝有土體的模型箱1及豎管2等搬至離心機(jī)上， 此時(shí)土體具有一定強(qiáng)度，不會(huì)因離心機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)而破壞。當(dāng)要求試驗(yàn)土體為正常固結(jié) 時(shí)，不需外加荷載，對(duì)于正常固結(jié)土，表面土體強(qiáng)度很小，不便于埋設(shè)測(cè)試儀器及進(jìn)行 后期真空預(yù)壓模擬的準(zhǔn)備工作 。當(dāng)要求試驗(yàn)土體前期豎向有效應(yīng)力大于正常固結(jié)土前期 應(yīng)力，試驗(yàn)土體表面應(yīng)加需求的荷載，根據(jù)土類一般前期固結(jié)外加荷載大于30kPa為宜。 按圖1，安裝好位移計(jì)26 (LVDT)以便測(cè)豎向位移，評(píng)價(jià)自重固結(jié)效果并判斷停機(jī)。啟 動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行自重固結(jié)的離心試驗(yàn)?zāi)M，控制離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，使試驗(yàn)土體中部徑向 離心加速度達(dá)到預(yù)定值，如50g。當(dāng)位移計(jì)26CLVDT)所測(cè)位移基本穩(wěn)定并且固結(jié)度達(dá) 90%以上時(shí)，表明主固結(jié)已完成，可以停機(jī)。自重固結(jié)時(shí)間由土體的滲透系數(shù)、土體厚度和排水條件確定。一般400_厚的粘土在施以50g離心加速度的離心機(jī)中大約需固結(jié) 30 80小時(shí)。(2)測(cè)試儀器標(biāo)定與埋設(shè)測(cè)試儀器埋設(shè)是為真空預(yù)壓離心試驗(yàn) 模擬階段相關(guān)測(cè)試做準(zhǔn)備。儀器埋設(shè)前， 應(yīng)對(duì)所有測(cè)試儀器進(jìn)行標(biāo)定。其中孔隙水應(yīng)力計(jì)24標(biāo)定前必須進(jìn)行飽和處理，真空計(jì) 15標(biāo)定時(shí)必須重新聯(lián)接電路，根據(jù)適當(dāng)?shù)妮斎腚妷?如12 24V)和給定的壓力測(cè)試值 (如-100 IOOkPa)進(jìn)行標(biāo)定。土壓力盒25、位移計(jì)26等的標(biāo)定均按儀器使用說明進(jìn) 行即可，在此不再贅述。當(dāng)自重固結(jié)的離心模擬完成后，將相關(guān)已標(biāo)定的儀器，如孔隙水壓力計(jì)24、土 壓力盒25、位移計(jì)26 (LVDT)等測(cè)試儀器及真空計(jì)15、水壓力計(jì)13等監(jiān)控儀器埋于土中 或如圖1和圖2中預(yù)定位置。測(cè)試儀器埋好后，將出膜裝置固定在密封膜12上并將測(cè)試儀器導(dǎo)線穿過出膜裝 置并做密封處理。出膜裝置包括上下兩層中間開孔的金屬盤，中間夾內(nèi)外兩圈閉合橡膠 圈，一個(gè)橡膠圈直徑較大，一個(gè)橡膠圈直徑較小，當(dāng)用螺絲將上下兩層金屬盤緊固后， 則內(nèi)外兩圈橡膠圈之間的空間就完全密封。當(dāng)儀器導(dǎo)線在上下兩層金屬盤及兩密封圈間 穿過時(shí)，只需對(duì)金屬盤開孔處導(dǎo)線穿過的位置進(jìn)行密封即可。出膜裝置與密封膜的聯(lián)接 則與密封框27的處理相似，以達(dá)到密封效果。把密封框27固定在模型箱1上，見圖1或圖2。密封框27 (見圖4)包括夾于密 封膜12邊緣上下側(cè)的兩個(gè)與箱體橫截面相配合的矩形金屬框271。將橡膠密封圈272置 于下層密封框上并在橡膠圈周圍涂上硅膠，然后將密封膜12置于下層密封框和橡膠密封 圈上，最后將上層密封框置于密封膜12的邊緣上，并采用螺絲273將密封框27的上、下 兩層密封框的預(yù)留螺紋孔擰緊。這樣密封膜12的邊緣就密封的夾于兩層密封框27上。 在密封框與箱體間的縫隙用玻璃膠274進(jìn)行密封。密封框27上設(shè)有供水和氣排出的預(yù)留 孔，可供水、氣在試驗(yàn)土體泡和的過程中流出。打開閥門14，使去離子去氣的水經(jīng)豎管2，從模型箱試驗(yàn)土體底部緩慢通過土 體上下方的水平排水體間的豎向連接管29或土中豎向排水體11滲入土中和其頂部。當(dāng) 水達(dá)到試驗(yàn)土頂部時(shí)，滲入的水以極慢速度上升，并使其漫過密封框27，該過程可將密 封膜12下的氣體排出；當(dāng)水從密封框上的預(yù)留孔排出，此時(shí)擠壓密封膜12使其貼于土體 或墊層表面，多余的水從預(yù)留孔排出，同時(shí)在密封膜12上注水使水漫過密封框27，這樣 在模型箱1內(nèi)密封框27以下除土體外，均被水充滿；將螺絲采用止水膠包裹后在水中擰于密封框27上的預(yù)留孔中密封，達(dá)到試驗(yàn)土 體飽和密封的效果。(3)重新在離心機(jī)里進(jìn)行自重固結(jié)前期離心機(jī)模擬自重固結(jié)主要是使土體達(dá)到要求的前期固結(jié)應(yīng)力，并形成一種 具有預(yù)期強(qiáng)度的試驗(yàn)土，以便進(jìn)行儀器埋設(shè)。埋設(shè)后的儀器其位置除受土體卸載回彈的 影響外，相對(duì)位置比沒進(jìn)行自重固結(jié)時(shí)埋設(shè)準(zhǔn)確。當(dāng)測(cè)試儀器裝好后，采用圖1或圖2 的裝置再進(jìn)行離心模擬自重固結(jié)，離心加速度可設(shè)置在20 100g，如50g，主要是獲得 真空預(yù)壓前土體的初始應(yīng)力狀態(tài)，并消除因離心加載形成的超靜孔隙水壓力，使試驗(yàn)土 體的孔隙水壓力回到靜水壓力狀態(tài)。圖1的裝置需要控制土體底部孔隙水壓力，因此豎管2和閥門14需 要安裝；圖2為模擬大面積土體真空預(yù)壓中部的固結(jié)情況，底部孔隙水 壓力不需控制，因此不需安裝豎管2和閥門14。啟動(dòng)離心機(jī)，當(dāng)土體內(nèi)的孔隙水壓力計(jì)24測(cè)得孔隙水應(yīng)力穩(wěn)定或位移計(jì)25測(cè)得 土體沉降穩(wěn)定后，即可啟動(dòng)真空預(yù)壓。因有豎向排水體11，自重固結(jié)時(shí)間一般為20 30小時(shí)。當(dāng)豎向排水體11間距較密時(shí)，自重固結(jié)時(shí)間可縮短至10小時(shí)左右。(4)真空預(yù)壓固結(jié)在不停離心機(jī)的情況下，并在離心模擬自重固結(jié)主固結(jié)完成后，啟動(dòng)高壓氣泵6 并打開供氣開關(guān)20供氣，此時(shí)高壓氣高速流過轉(zhuǎn)動(dòng)接合器5后跟隨供氣管一起繞離心機(jī) 的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)并高速流過真空吸氣泵4后在氣水分離箱3中產(chǎn)生真空。當(dāng)氣水分離箱3中 真空計(jì)15讀數(shù)超過90kPa負(fù)壓后，打開氣水分離箱3與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?間的閥門16，試驗(yàn) 模型箱1中試驗(yàn)土8中的水在水頭差的作用下發(fā)生固結(jié)，排出的水在水頭差的作用下流向 土體頂部的水平排水濾管28并經(jīng)可縱向壓縮的豎向連接管29流向氣水分離箱3。當(dāng)氣水 分離箱3中的水位快要漫過進(jìn)水口 17時(shí)，打開氣水分離箱3的排水閥18排水。當(dāng)試驗(yàn) 土體真空預(yù)壓時(shí)依據(jù)孔隙水壓力計(jì)24或位移計(jì)26讀數(shù)求得的固結(jié)度達(dá)到需要，則可停離 心機(jī)。離心機(jī)中真空預(yù)壓固結(jié)時(shí)間與離心機(jī)里重新進(jìn)行自重固結(jié)時(shí)間基本相若。實(shí)施例1如圖1，示意示出本發(fā)明的一種模擬水下真空預(yù)壓加固區(qū)邊界范圍的實(shí)施例。其中豎管2用于控制底部水位，在加固區(qū)邊上，底部水位受外界水的影響，必 須對(duì)此進(jìn)行模擬。而在加固區(qū)周邊，密封膜插入試驗(yàn)土 8中深度為h6。為保證試驗(yàn)土 8 中的水向豎向排水體11和頂部濾管28流動(dòng)，與豎向連接管29底部相連的管采用耐壓塑 料管并與氣水分離箱3相連。降低氣水分離箱3中的壓力可降低濾管28的水頭，使試驗(yàn) 土 8中的水經(jīng)濾管28和可縱向壓縮管29流向氣水分離箱3?？紤]到采用真空泵在離心 機(jī)外抽真空將使轉(zhuǎn)動(dòng)接合器5的密封潤滑油等處于負(fù)壓狀態(tài)，易使轉(zhuǎn)動(dòng)接合器5的密封失 效，因此在轉(zhuǎn)動(dòng)接合器5處采用高壓供氣，并選用真空吸氣泵4利用文丘里原理獲得真空 負(fù)壓，該負(fù)壓在氣水分離箱3中經(jīng)真空計(jì)15測(cè)得可低至_95kPa以下。實(shí)施例2如圖2，示出本發(fā)明的一種水下真空預(yù)壓加固離心模型雙面排水加固實(shí)施例。其 中豎向排水體11穿透試驗(yàn)土 8，使試驗(yàn)土的上下面水平排水層7和9相連，同時(shí)濾管28 也分布于上下水平排水層中，起到雙面排水效果，對(duì)于驗(yàn)證水下真空預(yù)壓解析解有特殊 的作用。聯(lián)接上下排水濾管28的豎向水管29為可縱向壓縮的螺紋管，該螺紋管可在縱 向壓縮，而不能在橫斷面上壓縮，可減小對(duì)土體壓縮的負(fù)面影響，又不影響土體的水平 位移。該實(shí)施例真空的施加與圖1所示的一樣。實(shí)施例3如圖3，示出本發(fā)明的離心試驗(yàn)?zāi)M真空預(yù)壓全斷面三維固結(jié)滲流的實(shí)施例。其 中，密封膜12四周邊緣均插入試驗(yàn)土 8中，深度為h6。由于密封膜四邊插入土中，因此 在圖1和圖2中的密封框27可以取消。離心試驗(yàn)?zāi)M三維水下真空預(yù)壓，即模擬現(xiàn)場(chǎng)加 固區(qū)較小，土體變形不能再簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變情況和一維壓縮應(yīng)變情況，密封膜邊緣需插 入土中。實(shí)施例4
本例采用了如圖1所示的裝置，不同之處在于表面水平排水層9之上不承載水體，即試驗(yàn)土體的水位控制在土體表面，即為模擬陸上真空預(yù)壓。實(shí)施例5本例采用如圖1所示的裝置，不同之處在于密封膜上加載固定荷載，如砂石、 土等固體，模擬真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的情形。
權(quán)利要求
1.一種真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置，包括離心機(jī)，其特征在于還包括水下土體自 重固結(jié)系統(tǒng)及真空驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述水下土體自重固結(jié)系統(tǒng)包括裝有土體的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洌?所述真空驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括真空氣水分離箱、真空吸氣泵、轉(zhuǎn)動(dòng)接合器及高壓供氣裝置，所 述真空氣水分離箱中部設(shè)有進(jìn)水口并與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞撞康呐潘谕ㄟ^連接管連接，轉(zhuǎn)動(dòng) 接合器設(shè)于所述離心機(jī)上方，其上部靜止，分別連接一條來自于高壓供氣裝置的靜止供 氣管，及一條來自于離心機(jī)外的靜止輸入水管，其下部隨離心機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，分別連接一 條可轉(zhuǎn)動(dòng)的高壓供氣輸出管及一條開口于試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渖戏降目赊D(zhuǎn)動(dòng)的供水管，所述高壓 供氣輸出管連接于所述真空吸氣泵的輸入端，所述真空吸氣泵的真空吸氣管接于所述氣 水分離箱的頂部開口，所述氣水分離箱的下底設(shè)有排水管及排水閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于所述水下土體 自重固結(jié)系統(tǒng)還包括用于控制所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞撞克坏呢Q管，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渑c豎管的底 部由管路連通并設(shè)有控制閥門。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ?箱內(nèi)的填充物由下至上包括置于底層的排水層；試驗(yàn)土體，內(nèi)插設(shè)豎向排水體；土體上 方的表面水平排水層及密封膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于所述密封 膜上還承載有膜上水體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于所述 密封膜上還布設(shè)有堆載層。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于所述置于底層 的排水層、及土體上方的表面水平排水層由水平排水管和砂墊層構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于在所述試驗(yàn)?zāi)?型箱內(nèi)還設(shè)置有豎向連接管，把試驗(yàn)箱底層排水層內(nèi)的水平排水管與所述表面水平排水 層內(nèi)的水平排水管連結(jié)起來，所述豎向連接管采用可縱向壓縮伸展的螺紋管。
8.—種真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)方法，其特征在于包括采用如權(quán)利要求1至7所述的 真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置，通過離心模擬自重固結(jié)獲得土體初始應(yīng)力狀態(tài)、通過埋設(shè) 試驗(yàn)測(cè)試儀器取得試驗(yàn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)、在重新進(jìn)行離心模擬自重固結(jié)后通過真空驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行二維或三維真空預(yù)壓以達(dá)到所期望的應(yīng)力狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)方法，其特征在于包括以下步驟(A)將所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?、豎管等置于所述離心機(jī)上，轉(zhuǎn)動(dòng)離心機(jī)使模型箱中的淤泥 或流泥狀態(tài)的試驗(yàn)土體在離心模擬自重情況下固結(jié)，使試驗(yàn)土體達(dá)到自重情況下的強(qiáng) 度；(B)對(duì)經(jīng)模擬自重固結(jié)后的試驗(yàn)土體埋設(shè)測(cè)試儀器，通過出膜裝置將儀器導(dǎo)線引出 并對(duì)欲加固土體進(jìn)行排氣飽和與密封，將所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洹⒇Q管及氣水分離箱置于離心 機(jī)上，啟動(dòng)離心機(jī)；(C)重新進(jìn)行離心模擬自重固結(jié)，待主固結(jié)完成后開啟所述高壓供氣裝置，高壓氣 體高速流過所述真空吸氣泵，在所述氣水分離箱中產(chǎn)生真空；(D)當(dāng)所述氣水分離器中真空計(jì)讀數(shù)低于_90kPa時(shí)，打開所述氣水分離箱與所述試 驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞撞窟B接管上的閥門；(E)所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渲械脑囼?yàn)土體中的孔隙水在水頭差的作用下發(fā)生滲流固結(jié)，排出 的水在水頭差的作用下流向所述氣水分離箱，當(dāng)所述氣水分離箱中的水位即將漫過所述 進(jìn)水口時(shí)，打開所述氣水分離箱的排水閥排水；(F)依據(jù)試驗(yàn)土體孔隙水壓力計(jì)或位移計(jì)讀數(shù)求得的固結(jié)度達(dá)到需要時(shí)，則可停離心機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)方法，其特征在于所述密封膜邊 緣夾設(shè)于上下兩層密封框中固定于所述試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湎潴w并以橡膠圈置于兩層密封框和密 封膜之間密封固定，所述排氣飽和與密封步驟包括在試驗(yàn)土體底部將去離子去氣的水緩慢從底部通過土中豎向排水體滲入土中至其頂部；當(dāng)水位達(dá)到試驗(yàn)土頂部時(shí)，滲入的水以極慢速度上升，并使其漫過密封框；水從密封框上的預(yù)留孔排出，此時(shí)擠壓密封膜使其貼于土體或水平排水體和砂墊層 表面，多余的水繼續(xù)排出，同時(shí)在密封膜上注水使水漫過密封框； 封堵密封框上的預(yù)留孔中，達(dá)到試驗(yàn)土體飽和密封的效果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水下真空預(yù)壓離心模型試驗(yàn)裝置及方法，包括離心機(jī)，還包括水下土體自重固結(jié)系統(tǒng)及真空驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述水下土體自重固結(jié)系統(tǒng)包括裝有土體的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洌稣婵镇?qū)動(dòng)系統(tǒng)包括真空氣水分離箱、真空吸氣泵、轉(zhuǎn)動(dòng)接合器及高壓供氣裝置等。本發(fā)明可以模擬土體自重固結(jié)，即可模擬土體的初始應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)本發(fā)明采用高壓空氣獲得真空并應(yīng)用于離心模型試驗(yàn)技術(shù)中既能模擬水下真空預(yù)壓，也能模擬陸上真空預(yù)壓，能模擬真空預(yù)壓固結(jié)過程及固結(jié)后土體的最終應(yīng)力狀態(tài)，并達(dá)到測(cè)試水下試驗(yàn)土體位移的目的。本發(fā)明的試驗(yàn)?zāi)M可進(jìn)行二維(即平面應(yīng)變問題)或三維與真空預(yù)壓?jiǎn)栴}有關(guān)的模擬，能較有效的測(cè)得土體加固區(qū)內(nèi)應(yīng)力和位移場(chǎng)。
文檔編號(hào)E02D1/00GK102011388SQ201010552319
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
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