水下真空預壓離心模型試驗裝置及方法

2023-05-31 18:47:26 1

專利名稱：水下真空預壓離心模型試驗裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種 物理模型試驗方法及由該方法獲得的模型試驗裝置，尤其是與 水下真空預壓或真空預壓有關的離心模型試驗裝置。
背景技術：
在離心機裡採用真空泵產生真空並利用真空使土體中的水滲出發生固結是真空 預壓離心模型試驗。由於真空泵是機械傳動，在離心機裡各部件增重幾十倍，真空泵 很難運行，而且真空泵需在啟動離心機前打開，試驗土體自重固結的模擬將失效，因此 在離心機裡運用真空泵技術產生真空的實例國內外僅有兩例，影響了對真空預壓尤其是 水下真空預壓理論的深入研究。據文獻可知河海大學1988年將真空泵置於離心機轉軸 處，減小真空泵處的離心力，真空泵方能以較低效率運行。然而因其裝置原因，真空泵 需在離心機運轉前啟動，土體沒時間發生自重固結即開始進行真空預壓，此時土體的初 始應力狀態不能模擬，對土體的變形將產生很大的影響。日本西松建設公司(Nishimatsu Construction Co., Ltd) 2006年同樣在離心機裡採用真空泵對土體進行真空井點降水預 壓，試驗土體中的水下流動，不能很好模擬現場情況，真空度為86kPa。另一方面，現有在離心機裡採用真空泵產生真空使土體固結的技術，僅能使試 驗土體底部孔隙水壓力降低值大於試驗土體的表面，從表面附近土體孔水壓力下降較小 可以看出，底部土體加固好於表面土體，土體表面孔隙水壓力並沒有下降或下降很小， 與實際情況不符。因此現有採用真空泵的真空預壓離心模型試驗裝置使水在土裡向下滲 流，不能模擬土體實際的真空固結狀態，並且所獲得的真空度也不大。同樣由於土體中 的水向下滲流，在現有兩例離心模型試驗中土體的水平位移不能很好反映現場情況，而 且水位位移在試驗中也沒有很好測試。以上所提及的離心模擬真空預壓試驗技術存在問題一是採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力狀態存在問題，三是模擬土體終了應力狀態存 在問題，四是不能模擬水下真空預壓。

發明內容
本發明的目的旨在克服上述現有技術之不足，提供一種能有效進行真空預壓或 水下真空預壓的離心試驗模擬方法及裝置，兩者主要區別在於密封膜上是否有水。該發 明的模擬技術能夠巧妙利用試驗裝置以解決上述四個問題。上述目的是通過以下技術方案實現的一種真空預壓離心模型試驗系統，包括 離心機，還包括水下土體自重固結系統及真空驅動系統，所述水下土體自重固結系統包 括裝有土體的試驗模型箱，所述真空驅動系統包括真空氣水分離箱、真空吸氣泵、轉動 接合器及高壓供氣裝置，所述真空氣水分離箱中部設有進水口並與試驗模型箱底部的排 水口通過連接管連接，轉動接合器設於所述離心機上方，其上部靜止，分別連接一條來 自於高壓供氣裝置的靜止供氣管，及一條來自於離心機外的靜止輸入水管，其下部隨離心機主軸轉動，分別連接一條可轉動的高壓供氣輸出管及一條開口於試驗模型箱上方的 可轉動的供水管，所述高壓供氣輸出管連接於所述真空吸氣泵的輸入端，所述真空吸氣 泵的真空輸出管接於所述氣水分離箱的頂部開口，所述氣水分離箱的下底設有排水管及 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系統還包 括用於控制所述試驗模型箱底部水位的豎管，試驗模型箱與豎管的底部由管路連通並設 有控制閥門。具體地來說，所述試驗模型箱內的填充物由下至上包括置於底層的排水層；試 驗土體，內插設豎向排水體；土體上方水平排水層及密封膜。對水下真空預壓來說，所述密封膜上還承載有膜上水體，以模擬水下真空預壓 的情形。所述密封膜上還布設有堆載層，以模擬真空聯合堆載預壓的情形，堆載層採用 砂、土等固體。作為優選方式，所述置於底層的排水層、及土體上方的表面水平排水層由水平 排水管和砂墊層構成。在所述試驗模型箱內還設置有豎向連接管，把試驗箱底排水層內的水平排水管 與土體上方的表面水平排水層的水平排水濾管連結起來，所述豎向連接管採用可縱向壓 縮伸展的螺紋管，其作用是土體內的水通過豎向排水體匯集到土體上方的水平排水層， 並通過水平排水層將土體固結排出的水匯集到氣水分離箱。本發明還提供了一種真空預壓離心模型試驗方法，該方法包括採用如上所述 的真空預壓離心模型試驗系統，通過離心模擬自重固結獲得土體初始應力狀態、通過埋 設試驗測試儀器取得試驗過程中的相關數據、重新進行離心模擬自重固結後並通過真空 驅動系統進行真空預壓以達到所期望的應力狀態。進一步地，上述真空預壓離心模型試驗方法，包括以下步驟(A)將所述試驗模型箱、豎管等置於所述離心機上，轉動離心機使模型箱中的 淤泥或流泥狀態的試驗土體在離心模擬自重情況下固結，使試驗土體達到自重情況下的 強度；(B)對經模擬自重固結後的試驗土體埋設測試儀器，通過出膜裝置將儀器導線 引出並對欲加固土體進行排氣飽和與密封，將所述試驗模型箱、豎管及氣水分離箱置於 離心機上，啟動離心機；(C)重新進行離心模擬自重固結，待主固結完成後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生真空；(D)當所述氣水分離器中真空計讀數低於_90kPa時，打開所述氣水分離箱與所 述試驗模型箱間底部連接管上的閥門；(E)所述試驗模型箱中的試驗土體中的孔隙水在水頭差的作用下發生滲流固結， 排出的水在水頭差的作用下流向所述氣水分離箱，當所述氣水分離箱中的水位即將漫過 所述進水口時，打開所述氣水分離箱的排水閥排水；(F)依據試驗土體孔隙水壓力計或位移計讀數求得的固結度達到需要時，則可停 離心機。
作為二維真空預壓優選方式，所述密封膜邊緣夾設於上下兩層密封框中固定於 所述試驗模型箱箱體並以橡膠圈置於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；當水位達到試驗土頂部時，滲入的水以極慢速度上升，並使其漫過密封框；水從密封框上的預留孔排出，此時擠壓密封膜使其貼於土體或水平排水體和砂 墊層表面，多餘的水繼續排出，同時在密封膜上注水使水漫過密封框；封堵密封框上的預留孔中，達到試驗土體飽和密封的效果。作為三維真空預壓優選方式，所述密封膜四周邊緣埋入試驗土體中，密封膜上 預留有排氣孔，以供加固土體的排氣飽和與密封。進一步來說，進入所述真空吸氣泵的高壓氣體氣壓大於700kPa。根據本發明的真空預壓離心模型試驗系統，採用上述水下真空預壓離心模型試 驗裝置及方法可得到通過離心模擬自重固結獲得的土體初始應力狀態、通過驅動真空裝 置進行水下真空預壓或陸上真空預壓並達到所期望的應力狀態、並通過預埋的試驗測試 儀器取得試驗過程中的相關數據。試驗測試包括對土體豎向位移、水平位移、土體內孔 隙水壓力、土體內總應力、土體強度及氣水分離箱中的真空度測試。本發明的試驗裝置 能模擬土體自重固結，當土體自重固結完成後才進行真空預壓。真空預壓時土中的水向 上流動，模擬了現場實際土體的真空固結，也就是說，該裝置既能模擬土體的初始應力 狀態，也能模擬真空預壓固結后土體的最終應力狀態。同時該裝置既能模擬水下真空預 壓，也能模擬陸上真空預壓，並達到測試水下試驗土體位移的目的。


圖1示出本發明的一種模擬加固區邊界剖面圖。圖2示出本發明的一種模擬水下真空預壓加固大面積土體中部的全斷面試驗剖 面圖。圖3示出本發明的離心試驗模擬真空預壓全斷面三維固結滲流的試驗剖面圖。圖4為密封膜固定於密封框上的結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，當模擬平面應變問題時，試驗模型箱1 一般為矩形箱，正面嵌有機 玻璃窗，可觀查測試土體位移。根據所分析情況也可採用其他形狀，如立方體或圓柱體 形模型箱和試驗土體以模擬三維情況，如圖3所示。圖1中箱內由下至上分成幾層，第一 層為排水層7，是在箱底鋪設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行土體固結雙面排水用；當不需雙面排水，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於模型箱底板中。第二層為試驗土 體8，厚度為h2，h2—般為200 600mm，試驗土體內插設豎向排水體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需要考慮堆載量確定，其作用是及時排去土體8壓縮產生的水，並在水頭差的作用下，匯集於排水濾管28，然 後流向豎向連接管29中。豎向排水體11直接與排水濾管28連接時，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。對於水平排水層9採用砂層的情況，砂層 可全部，也可部分地置於密封膜12上以模擬真空聯合堆載預壓。由於砂層置於密封膜 12之下可起到增強排水的作用，因此水平排水層9與密封膜12在位置上並不限定哪個處 於上方，密封膜可處於水平排水層的上方，此時水平排水層9處於膜下可起增強排水作 用；而密封膜12處於水平排水層的中間或下方時，試驗土體中的水只通過濾管28匯集， 則為模擬真空聯合堆載預壓的情況，膜上砂墊層的重量根據預設的堆載量而確定並在離 心機中以相應的厚度來獲得堆載要求的堆載重量。密封膜三個邊固定於密封框上，另一 邊插入試驗土中模擬真空預壓加固區周邊固結變形情況，參見圖1，密封膜在加固區周邊 埋入試驗土體深為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於模型箱內壁的閉合金屬框271，兩層閉合金屬框271中 間加設閉合橡膠圈272，密封膜12的邊緣就固定在橡膠圈272和金屬框之間，採用螺絲 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，通過上下兩層 密封框夾緊固定夾於中間的橡膠圈和密封膜，模擬大面積真空預壓中間土體的固結變形 情況，參見圖2。最頂層為膜上水體，厚度為h4，約為O 200mm，當模擬陸上真空預 壓時，厚度為0;當厚度不為0時，根據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，根據需要選擇不同深度模擬不同深度下 的水下真空預壓，當膜上沒有水時則模擬陸上真空預壓。自重固結由豎管系統控制水位，豎管系統還可控制真空預壓期試驗土體底部水 位。豎管系統包括豎管2、豎管底部水壓力計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是一鋼質箱，鋼箱內儲存由試驗土體排出的水。抽真空前， 鋼箱內先儲存約30 IOOmm厚的水，用以淹沒水壓力計13，使水壓力計13處於水下飽 和狀態。當抽真空時，真空計15將顯示為負壓，同時氣水分離箱3中水壓力計13也顯示 為負壓，水壓力計13因有既存水的壓力，其負壓值沒有真空計15的大。打開閥門16， 模型箱1內的水將流向氣水分離箱3，隨著試驗土體不斷排出水，鋼箱內的水面將逐漸上 升，水面以上為真空負壓。為控制試驗土體中施加真空的大小，氣水分離箱上的進水口 17(或試驗模型箱排水口)高度應根據向模型箱提供真空的大小事先設定並以h5表示，當 鋼箱內水位要漫過進水口 17，同時鋼箱底孔隙水壓力計13測得水壓力大於50kPa(理論值 應為大於OkPa)時，應對鋼箱內進行排水處理，可打開閥門18使氣水分離箱3內水壓力 計13測讀數回到適當數值後關閉閥門。氣水分離箱3中的負壓由箱外的真空吸氣泵4形 成，為免意外情況發生漏氣，採用止回閥19聯於氣水分離箱3與真空吸氣泵4之間。按 照本發明，氣水分離箱3水面上的真空由真空計15測得可達_95kPa。真空吸氣泵4採用文丘裡原理獲得真空。文丘裡原理是當管路中高壓氣體或液 體通過縮小的管徑時，流速增大並將在附近區域產生低於大氣壓的真空。真空吸氣泵4 可以自制或採用商用真空吸氣器。高壓供氣裝置6是能提供高於大氣壓的流體(氣體或液體)的氣壓機或射流泵， 當打開閥門20，靜止管21內可獲得流體壓力大於700kPa的高壓空氣流，通過 轉動接合器5將高壓空氣流通過隨離心機主軸轉動的管路傳到真空吸氣泵4中，並由真空吸氣泵4產 生真空傳遞到氣水分離箱3內。高壓空氣流也可換成高壓水流，但在離心機中效果不很 好並且也浪費水，本發明不建議採用。離心機可採用香港科技大學的400gt大型土工離心機，該離心機自帶有轉動接 合器5，該轉動接合器5位於離心機主軸上方，轉動接合器5上部是靜止的，連接靜止管 路，其下部隨離心機的主軸轉動，連接轉動管路。通過靜止供水管22經轉動接合器5和電子閥門23向模型箱內加水。由於模型 箱進行試驗時處於高速旋轉中，土體表面水份易失去，採用密封膜上的水壓力計13進行 監測，當水壓力減小時，打開電子閥門23對模型箱加水到需要水位。另外為做不同水位 的試驗，也需要該加水裝置。除了上述採用水壓力計13和真空計15對模型試驗邊界條件進行控制外，對試驗 土體固結變形行為需採用相應的測試儀器。本發明涉及的測試儀器如圖1，包括埋於土 中的孔隙水壓力計24、埋於土中的土壓力盒25、置於密封膜上的豎向位移計26 (—般為 LVDT)及高解析度相機(未在圖中示出)置於有機玻璃窗前用於拍攝不同時段土體的成 相，採用劍橋大學PIV技術經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採用直徑12mm耐高壓的塑料管。在模型箱內密封 膜下的水平排水管則採用耐高壓的濾水管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採用可縱向壓縮的螺紋管並保證橫向不可壓縮，並從試驗 土表面的排水管連接到氣水分離箱3。試驗步驟與方法是關係到土體固結與變形行為的關鍵，主要表現是土體為彈塑 性體，與其應力歷史有關。其主要步驟包括試驗土體自重固結及前期應力狀態模擬，標 定和埋設測試儀器，重新進行自重固結及前期應力狀態模擬，啟動真空進行真空預壓固 結模擬。(1)試驗土體自重固結及前期應力狀態模擬該過程是考慮土體應力歷史的影響。為達到準確模擬前期應力並要求土體前期 是橫斷面各向同性體，要求試驗土體應首先和去離子水攪拌並要求土體含水量為試驗土 體液限的兩倍以上，攪拌在可以同時抽真空的攪拌機中進行配製，試驗土體通過充分攪 拌變成流泥，將流泥通過勺菌至模型箱中，勺中的流泥表面應與箱內流泥表面大致齊平 方能倒入箱內，避免直接倒入箱內挾帶氣泡。每一勺流泥轉到模型箱後的應用勺夯擊， 將可能捲入的氣泡擊出。在模型箱3中的流泥應採用靜荷載逐級加壓使其在30kPa以上豎 向應力狀態下固結。固結基本完成再將裝有土體的模型箱1及豎管2等搬至離心機上， 此時土體具有一定強度，不會因離心機開始轉動而破壞。當要求試驗土體為正常固結 時，不需外加荷載，對於正常固結土，表面土體強度很小，不便於埋設測試儀器及進行 後期真空預壓模擬的準備工作 。當要求試驗土體前期豎向有效應力大於正常固結土前期 應力，試驗土體表面應加需求的荷載，根據土類一般前期固結外加荷載大於30kPa為宜。 按圖1，安裝好位移計26 (LVDT)以便測豎向位移，評價自重固結效果並判斷停機。啟 動離心機進行自重固結的離心試驗模擬，控制離心機的旋轉速度，使試驗土體中部徑向 離心加速度達到預定值，如50g。當位移計26CLVDT)所測位移基本穩定並且固結度達 90%以上時，表明主固結已完成，可以停機。自重固結時間由土體的滲透係數、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中大約需固結 30 80小時。(2)測試儀器標定與埋設測試儀器埋設是為真空預壓離心試驗 模擬階段相關測試做準備。儀器埋設前， 應對所有測試儀器進行標定。其中孔隙水應力計24標定前必須進行飽和處理，真空計 15標定時必須重新聯接電路，根據適當的輸入電壓(如12 24V)和給定的壓力測試值 (如-100 IOOkPa)進行標定。土壓力盒25、位移計26等的標定均按儀器使用說明進 行即可，在此不再贅述。當自重固結的離心模擬完成後，將相關已標定的儀器，如孔隙水壓力計24、土 壓力盒25、位移計26 (LVDT)等測試儀器及真空計15、水壓力計13等監控儀器埋於土中 或如圖1和圖2中預定位置。測試儀器埋好後，將出膜裝置固定在密封膜12上並將測試儀器導線穿過出膜裝 置並做密封處理。出膜裝置包括上下兩層中間開孔的金屬盤，中間夾內外兩圈閉合橡膠 圈，一個橡膠圈直徑較大，一個橡膠圈直徑較小，當用螺絲將上下兩層金屬盤緊固後， 則內外兩圈橡膠圈之間的空間就完全密封。當儀器導線在上下兩層金屬盤及兩密封圈間 穿過時，只需對金屬盤開孔處導線穿過的位置進行密封即可。出膜裝置與密封膜的聯接 則與密封框27的處理相似，以達到密封效果。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)包括夾於密 封膜12邊緣上下側的兩個與箱體橫截面相配合的矩形金屬框271。將橡膠密封圈272置 於下層密封框上並在橡膠圈周圍塗上矽膠，然後將密封膜12置於下層密封框和橡膠密封 圈上，最後將上層密封框置於密封膜12的邊緣上，並採用螺絲273將密封框27的上、下 兩層密封框的預留螺紋孔擰緊。這樣密封膜12的邊緣就密封的夾於兩層密封框27上。 在密封框與箱體間的縫隙用玻璃膠274進行密封。密封框27上設有供水和氣排出的預留 孔，可供水、氣在試驗土體泡和的過程中流出。打開閥門14，使去離子去氣的水經豎管2，從模型箱試驗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 水達到試驗土頂部時，滲入的水以極慢速度上升，並使其漫過密封框27，該過程可將密 封膜12下的氣體排出；當水從密封框上的預留孔排出，此時擠壓密封膜12使其貼於土體 或墊層表面，多餘的水從預留孔排出，同時在密封膜12上注水使水漫過密封框27，這樣 在模型箱1內密封框27以下除土體外，均被水充滿；將螺絲採用止水膠包裹後在水中擰於密封框27上的預留孔中密封，達到試驗土 體飽和密封的效果。(3)重新在離心機裡進行自重固結前期離心機模擬自重固結主要是使土體達到要求的前期固結應力，並形成一種 具有預期強度的試驗土，以便進行儀器埋設。埋設後的儀器其位置除受土體卸載回彈的 影響外，相對位置比沒進行自重固結時埋設準確。當測試儀器裝好後，採用圖1或圖2 的裝置再進行離心模擬自重固結，離心加速度可設置在20 100g，如50g，主要是獲得 真空預壓前土體的初始應力狀態，並消除因離心加載形成的超靜孔隙水壓力，使試驗土 體的孔隙水壓力回到靜水壓力狀態。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壓中部的固結情況，底部孔隙水 壓力不需控制，因此不需安裝豎管2和閥門14。啟動離心機，當土體內的孔隙水壓力計24測得孔隙水應力穩定或位移計25測得 土體沉降穩定後，即可啟動真空預壓。因有豎向排水體11，自重固結時間一般為20 30小時。當豎向排水體11間距較密時，自重固結時間可縮短至10小時左右。(4)真空預壓固結在不停離心機的情況下，並在離心模擬自重固結主固結完成後，啟動高壓氣泵6 並打開供氣開關20供氣，此時高壓氣高速流過轉動接合器5後跟隨供氣管一起繞離心機 的轉軸轉動並高速流過真空吸氣泵4後在氣水分離箱3中產生真空。當氣水分離箱3中 真空計15讀數超過90kPa負壓後，打開氣水分離箱3與試驗模型箱1間的閥門16，試驗 模型箱1中試驗土8中的水在水頭差的作用下發生固結，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並經可縱向壓縮的豎向連接管29流向氣水分離箱3。當氣水 分離箱3中的水位快要漫過進水口 17時，打開氣水分離箱3的排水閥18排水。當試驗 土體真空預壓時依據孔隙水壓力計24或位移計26讀數求得的固結度達到需要，則可停離 心機。離心機中真空預壓固結時間與離心機裡重新進行自重固結時間基本相若。實施例1如圖1，示意示出本發明的一種模擬水下真空預壓加固區邊界範圍的實施例。其中豎管2用於控制底部水位，在加固區邊上，底部水位受外界水的影響，必 須對此進行模擬。而在加固區周邊，密封膜插入試驗土 8中深度為h6。為保證試驗土 8 中的水向豎向排水體11和頂部濾管28流動，與豎向連接管29底部相連的管採用耐壓塑 料管並與氣水分離箱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 土 8中的水經濾管28和可縱向壓縮管29流向氣水分離箱3。考慮到採用真空泵在離心 機外抽真空將使轉動接合器5的密封潤滑油等處於負壓狀態，易使轉動接合器5的密封失 效，因此在轉動接合器5處採用高壓供氣，並選用真空吸氣泵4利用文丘裡原理獲得真空 負壓，該負壓在氣水分離箱3中經真空計15測得可低至_95kPa以下。實施例2如圖2，示出本發明的一種水下真空預壓加固離心模型雙面排水加固實施例。其 中豎向排水體11穿透試驗土 8，使試驗土的上下面水平排水層7和9相連，同時濾管28 也分布於上下水平排水層中，起到雙面排水效果，對於驗證水下真空預壓解析解有特殊 的作用。聯接上下排水濾管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，可減小對土體壓縮的負面影響，又不影響土體的水平 位移。該實施例真空的施加與圖1所示的一樣。實施例3如圖3，示出本發明的離心試驗模擬真空預壓全斷面三維固結滲流的實施例。其 中，密封膜12四周邊緣均插入試驗土 8中，深度為h6。由於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。離心試驗模擬三維水下真空預壓，即模擬現場加 固區較小，土體變形不能再簡化為平面應變情況和一維壓縮應變情況，密封膜邊緣需插 入土中。實施例4
本例採用了如圖1所示的裝置，不同之處在於表面水平排水層9之上不承載水體，即試驗土體的水位控制在土體表面，即為模擬陸上真空預壓。實施例5本例採用如圖1所示的裝置，不同之處在於密封膜上加載固定荷載，如砂石、 土等固體，模擬真空聯合堆載預壓的情形。
權利要求
1.一種真空預壓離心模型試驗裝置，包括離心機，其特徵在於還包括水下土體自 重固結系統及真空驅動系統，所述水下土體自重固結系統包括裝有土體的試驗模型箱， 所述真空驅動系統包括真空氣水分離箱、真空吸氣泵、轉動接合器及高壓供氣裝置，所 述真空氣水分離箱中部設有進水口並與試驗模型箱底部的排水口通過連接管連接，轉動 接合器設於所述離心機上方，其上部靜止，分別連接一條來自於高壓供氣裝置的靜止供 氣管，及一條來自於離心機外的靜止輸入水管，其下部隨離心機主軸轉動，分別連接一 條可轉動的高壓供氣輸出管及一條開口於試驗模型箱上方的可轉動的供水管，所述高壓 供氣輸出管連接於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於所述氣 水分離箱的頂部開口，所述氣水分離箱的下底設有排水管及排水閥。
2.根據權利要求1所述的真空預壓離心模型試驗裝置，其特徵在於所述水下土體 自重固結系統還包括用於控制所述試驗模型箱底部水位的豎管，試驗模型箱與豎管的底 部由管路連通並設有控制閥門。
3.根據權利要求1所述的真空預壓離心模型試驗裝置，其特徵在於所述試驗模型 箱內的填充物由下至上包括置於底層的排水層；試驗土體，內插設豎向排水體；土體上 方的表面水平排水層及密封膜。
4.根據權利要求1所述的水下真空預壓離心模型試驗裝置，其特徵在於所述密封 膜上還承載有膜上水體。
5.根據權利要求1所述的真空聯合堆載預壓離心模型試驗裝置，其特徵在於所述 密封膜上還布設有堆載層。
6.根據權利要求3所述的真空預壓離心模型試驗裝置，其特徵在於所述置於底層 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成。
7.根據權利要求6所述的真空預壓離心模型試驗裝置，其特徵在於在所述試驗模 型箱內還設置有豎向連接管，把試驗箱底層排水層內的水平排水管與所述表面水平排水 層內的水平排水管連結起來，所述豎向連接管採用可縱向壓縮伸展的螺紋管。
8.—種真空預壓離心模型試驗方法，其特徵在於包括採用如權利要求1至7所述的 真空預壓離心模型試驗裝置，通過離心模擬自重固結獲得土體初始應力狀態、通過埋設 試驗測試儀器取得試驗過程中的相關數據、在重新進行離心模擬自重固結後通過真空驅 動系統進行二維或三維真空預壓以達到所期望的應力狀態。
9.根據權利要求8所述的真空預壓離心模型試驗方法，其特徵在於包括以下步驟(A)將所述試驗模型箱、豎管等置於所述離心機上，轉動離心機使模型箱中的淤泥 或流泥狀態的試驗土體在離心模擬自重情況下固結，使試驗土體達到自重情況下的強 度；(B)對經模擬自重固結後的試驗土體埋設測試儀器，通過出膜裝置將儀器導線引出 並對欲加固土體進行排氣飽和與密封，將所述試驗模型箱、豎管及氣水分離箱置於離心 機上，啟動離心機；(C)重新進行離心模擬自重固結，待主固結完成後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生真空；(D)當所述氣水分離器中真空計讀數低於_90kPa時，打開所述氣水分離箱與所述試 驗模型箱底部連接管上的閥門；(E)所述試驗模型箱中的試驗土體中的孔隙水在水頭差的作用下發生滲流固結，排出 的水在水頭差的作用下流向所述氣水分離箱，當所述氣水分離箱中的水位即將漫過所述 進水口時，打開所述氣水分離箱的排水閥排水；(F)依據試驗土體孔隙水壓力計或位移計讀數求得的固結度達到需要時，則可停離心機。
10.根據權利要求8所述的真空預壓離心模型試驗方法，其特徵在於所述密封膜邊 緣夾設於上下兩層密封框中固定於所述試驗模型箱箱體並以橡膠圈置於兩層密封框和密 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；當水位達到試驗土頂部時，滲入的水以極慢速度上升，並使其漫過密封框；水從密封框上的預留孔排出，此時擠壓密封膜使其貼於土體或水平排水體和砂墊層 表面，多餘的水繼續排出，同時在密封膜上注水使水漫過密封框； 封堵密封框上的預留孔中，達到試驗土體飽和密封的效果。
全文摘要
本發明公開了一種水下真空預壓離心模型試驗裝置及方法，包括離心機，還包括水下土體自重固結系統及真空驅動系統，所述水下土體自重固結系統包括裝有土體的試驗模型箱，所述真空驅動系統包括真空氣水分離箱、真空吸氣泵、轉動接合器及高壓供氣裝置等。本發明可以模擬土體自重固結，即可模擬土體的初始應力狀態。同時本發明採用高壓空氣獲得真空並應用於離心模型試驗技術中既能模擬水下真空預壓，也能模擬陸上真空預壓，能模擬真空預壓固結過程及固結后土體的最終應力狀態，並達到測試水下試驗土體位移的目的。本發明的試驗模擬可進行二維(即平面應變問題)或三維與真空預壓問題有關的模擬，能較有效的測得土體加固區內應力和位移場。
文檔編號E02D1/00GK102011388SQ201010552319
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月19日 優先權日2010年11月19日
發明者胡利文 申請人:中交第四航務工程局有限公司