一种流泥真空预压微型试验系统及方法

技术领域

本发明涉及地基处理技术领域，尤其涉及一种流泥真空预压微型试验系统及方法。

背景技术

河道航道底泥疏浚以及滩涂吹填造地均会形成高含水量流泥地基，该种地基具有土颗粒细、含水量高和基本不具备强度等特点。显然，高含水量的淤泥地基需经过处理方能满足后续工程建设的需要。诸如搅拌桩、旋喷桩等常见软基处理措施并不适用。工程中多采用真空预压法进行地基处理。其中抽真空工序需要用真空泵持续抽取密封膜下和管路中的空气以形成真空压力驱使地基土体排水从而提高地基强度。

近年来，真空预压地基处理的粗狂耗能现状日益受关注，现阶段地基处理工艺则需要真空泵在整个地基处理期保持开泵，抽真空会消耗大量电能，大量工程预算证明真空预压处理所需电费可达真空预压地基处理成本的30％以上。

为了在保证真空预压处理效果的基础上节省电能，笔者在岩土工程权威期刊GEOTECHNIQUE已发表循环真空预压节能技术相关理论(How energy is consumed invacuum preloading treatment of soft ground？，https://doi.org/10.1680/jgeot.21.00394)，需要在真空度达到最大值P

针对上述现有真空预压室内试验局限性，基于循环真空预压试验步骤，亟需设计一种小体量的微型节能循环真空预压试验装置对节能循环真空预压技术时关泵状态下的土体排水及压力变化进行探究。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种流泥真空预压微型试验系统及方法。

本发明的第一个方面提供一种流泥真空预压微型试验系统，包括真空预压固结系统和数据监测系统；

所述真空预压固结系统包括透明的模型筒(1)，模型筒(1)包括上部圆柱段和下部锥形段，圆柱段和锥形段均具有中空内腔，圆柱段的内腔和锥形段的内腔连通；模型筒(1)在圆柱段与锥形段连接处的内腔设有多孔板(11)，多孔板(11)将模型筒(1)的内腔分为位于上部的泥浆腔(13)和位于下部的真空室(12)；泥浆腔(13)的上端敞口，且泥浆腔(13)的上边沿向外翻折形成下密封框(15)；下密封框(15)上沿周向设有若干螺栓通孔(18)，下密封框(15)上设有覆盖泥浆腔(13)上端敞口的土工膜(19)，土工膜(19)上依次设有中部密封胶圈(17)和上密封框(16)；上密封框(16)与下密封框(15)通过螺栓连接，将土工膜(19)夹设在土工膜(19)与中部密封胶圈(17)之间，以密封泥浆腔(13)上端敞口；所述真空室(12)的下端设有真空管道孔(14)，真空管道孔(14)呈漏斗口状；真空管道孔(14)通过第一硬质橡胶管(22)与真空抽吸装置相连，真空抽吸装置传递真空压力自下而上进行抽吸；

所述真空抽吸装置包括气水分离瓶(2)和提供真空负压的水循环真空泵(3)，气水分离瓶(2)顶部设有瓶口(21)，气水分离瓶(2)的上部一侧设有上嘴口，气水分离瓶(2)下部一侧设有下嘴口；气水分离瓶(2)的瓶口(21)内密封配合有橡胶塞，所述第一硬质橡胶管(22)穿过设置在橡胶塞上的孔进入气水分离瓶(2)内部，第一硬质橡胶管(22)与橡胶塞上的孔用中性硅酮胶进行密封；气水分离瓶(2)的上嘴口通过第二硬质橡胶管与水循环真空泵(3)相连，第二硬质橡胶管上设有塑料止水阀(23)；气水分离瓶(2)的下嘴口上设有塑料止水阀(24)，打开塑料止水阀(24)以排出气水分离瓶(2)的中的滤液；

所述数据监测系统包括于测量气水分离瓶及模型筒装置内真空度的精密数显电子真空压力表(4)、用于测量排水质量的高精度电子秤(5)，所述精密数显电子真空压力表(4)通过第三硬质橡胶管与气水分离瓶(2)的瓶口(21)相连，第三硬质橡胶管与瓶口(21)内的橡胶塞通过中性硅酮胶密封；所述气水分离瓶(2)放置在高精度电子秤(5)上，以测量气水分离瓶(2)内滤液的质量变化。

进一步，所述精密数显电子真空压力表(4)的信号输出端和高精度电子秤(5)的信号输出端分别与计算机的信号输入端相连，实时将气水分离瓶(2)及模型筒(1)内真空度的变化和气水分离瓶(2)内排出滤液的质量发送至计算机，计算机生成数据和曲线图。

进一步，所述模型筒(1)采用高透明有机玻璃制成，所述多孔板(11)上孔的直径为2mm，开孔率为4.0％。

进一步，所述模型筒(1)前壁设有竖直的毫米刻度尺，以观测模型筒(1)内填土土体沉降高度。

进一步，所述多孔板(11)上铺设5层排水板滤布，以模拟实际真空预压工程中滤液流经排水板滤布的过程。

进一步，所述模型筒(1)底部支撑有支架(110)，支架(110)下端支撑在水平面上，支架(110)上端支撑在模型筒(1)上与多孔板(11)高通相同的位置，使得模型筒(11)竖立在水平面上。

进一步，所述模型筒(1)下端的真空管道孔(14)内安装有法兰出口和塑料止水阀。

进一步，所述模型筒(1)内填入土体，土体上方与土工膜(19)紧密贴合，且土工膜预留有200mm变形范围。

进一步，所述水循环真空泵(3)由离心泵及循环水箱组成。

本发明的第二个方面提供一种流泥真空预压微型试验系统的试验方法，包括以下步骤：

(1)准备阶段：

(1.1)安装调试电子真空压力表及电子秤，确保数据监测系统可正常实时连续测量记录数据及生成图像；

(1.2)测量土体含水率；连接真空抽吸装置与放置填土土体的模型筒，标定真空表，闭合除去连接真空泵与汽水分离瓶的塑料止水阀以外的塑料之水阀，通过水浴法调试试验系统的密封性；

(1.3)闭合所述模型筒底部塑料止水阀，将填土土样均匀放入模型箱内并覆盖上真空膜，确保螺栓螺母连接良好，确保装置整体密封性良好，且真空度达到目标；

(2)试验阶段：

(2.1)开启水循环真空泵，施加真空压力，土体在气压差作用下排水固结；在真空度达到一定标准后，停止真空泵工作，关闭连接真空泵与汽水分离瓶的塑料止水阀，保持实验装置密封，保持试验装置总体积不变，使装置内土体在装置内气压自行变动的情况下使土体自由固结出水；

(2.2)通过电子真空压力表实时持续测量记录固结过程中装置内真空压力变化，电子秤实时持续测量模型筒内土体排出至汽水分离瓶内滤液的质量，直至固结完成；

(3)数据处理阶段：分析所得数据及图形，计算固结完成后土体含水率。

本发明的有益效果是：

(1)本发明对真空压力与装置内气体体积之积不变时的真空预压土体压力变化规律进行验证与研究；

(2)本发明所提出的节能方法使真空泵在处理过程中并非始终保持持续工作状态，而是当真空度达到最大值后停止工作，在保持密封、总体积不变的状态下使其自由固结出水，一定程度上节约了电能；

(3)本发明认为当真空泵停止工作(抽真空)后仍可对土体进行过滤固结，其理论依据为理想气体状态方程，即气体负压与气体体积之积为常数，具体如下：依据气压与体积的关系公式，pV＝nRT，V为体积，p为压强，T为温度，n为物质的量，R表示气体常数，所有气体R值均相同。在n、T都恒定的情况下，p、V之积为常数，p、V成反比。在装置总体积不变的情况下，汽水分离瓶内接收了土体排出的水，则汽水分离瓶内气体体积V变小，压强p变大，可使土体持续在压强差下固结排水；

本发明的试验结果验证了经Hansbo S经典理论推导得到的理论公式：

(4)本发明可通过分析各项监测数据为理论建模与循环节能真空预压方法的设计提供理论指导依据。室内固结试验通过真空固结模型试验，获得吹填淤泥地基在真空预压法下的沉降曲线；通过真空预压固结试验，获得真空度、含水率等随时间变化的关系，为优化节能循环真空预压技术工程参数与建立相应固结模型提供试验依据；

(5)本发明的模型布置试验可较好模拟施工现场土体的真空固结，对传统真空预压地基处理方法进行优化改进，具有实际工程研究意义，可为现场施工提供更好的工程方案。

附图说明

图1是本发明微型试验系统的结构示意图。

图2是本发明模型筒的三视图。

图3是本发明真空抽吸装置示意图。

附图标记说明：1、模型筒；2、气水分离瓶；3、水循环真空泵；4、数显电子真空压力表；5、高精度电子秤；11、多孔板；12、真空室；13、泥浆腔；14、真空管道口；15、下密封框；16、中密封框；17、上密封框；18、螺栓通孔；19、土工膜；110、支架；21、气水分离瓶的瓶口；22、第一硬质橡胶管；23、第一塑料止水阀；24、第二塑料止水阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参照附图1-3，一种流泥真空预压微型试验系统，包括真空预压固结系统和数据监测系统；

所述真空预压固结系统包括透明的模型筒1，模型筒1包括上部圆柱段和下部锥形段，圆柱段和锥形段均具有中空内腔，圆柱段的内腔和锥形段的内腔连通；模型筒1在圆柱段与锥形段连接处的内腔设有多孔板11，多孔板11将模型筒1的内腔分为位于上部的泥浆腔13和位于下部的真空室12；泥浆腔13的上端敞口，且泥浆腔13的上边沿向外翻折2.5cm形成下密封框15；下密封框15上沿周向设有若干螺栓通孔18，下密封框15上设有覆盖泥浆腔13上端敞口的土工膜19，土工膜19上依次设有中部密封胶圈17和上密封框16；上密封框16与下密封框15通过螺栓连接，将土工膜19夹设在土工膜19与中部密封胶圈17之间，其目的是使筒体开口形成密封，从而保持系统整体真空度。所述真空室12的下端设有真空管道孔14，真空管道孔14呈漏斗口状；真空管道孔14通过第一硬质橡胶管22与真空抽吸装置相连，真空抽吸装置传递真空压力自下而上进行抽吸；

所述真空抽吸装置包括气水分离瓶2和提供真空负压的水循环真空泵3，气水分离瓶2顶部设有瓶口21，气水分离瓶2的上部一侧设有上嘴口，气水分离瓶2下部一侧设有下嘴口；气水分离瓶2的瓶口21内密封配合有橡胶塞，所述第一硬质橡胶管22穿过设置在橡胶塞上的孔进入气水分离瓶2内部，第一硬质橡胶管22与橡胶塞上的孔用中性硅酮胶进行密封；气水分离瓶2的上嘴口通过第二硬质橡胶管与水循环真空泵3相连，从而完成真空泵和装置中真空压力的连通，第二硬质橡胶管上设有塑料止水阀23，可控制真空泵与装置间真空压力的连通与切断。气水分离瓶2的下嘴口上设有塑料止水阀24，实验结束后可打开塑料止水阀24以排出气水分离瓶2的中的滤液；

所述数据监测系统包括于测量气水分离瓶及模型筒装置内真空度的精密数显电子真空压力表4、用于测量排水质量的高精度电子秤5，所述精密数显电子真空压力表4通过第三硬质橡胶管与气水分离瓶2的瓶口21相连，第三硬质橡胶管与瓶口21内的橡胶塞通过中性硅酮胶密封；所述气水分离瓶2放置在高精度电子秤5上，以测量气水分离瓶2内滤液的质量变化。

所述精密数显电子真空压力表4的信号输出端和高精度电子秤5的信号输出端分别与计算机的信号输入端相连，实时将气水分离瓶2及模型筒1内真空度的变化和气水分离瓶2内排出滤液的质量发送至计算机，计算机生成数据和曲线图。

本发明的实施例中，所述模型筒1采用高透明有机玻璃制成，所述多孔板11上孔的直径为2mm，开孔率为4.0％。

本发明的实施例中，所述模型筒1前壁设有竖直的毫米刻度尺，以观测模型筒1内填土土体沉降高度。

本发明的实施例中，所述多孔板11上铺设5层排水板滤布，以模拟实际真空预压工程中滤液流经排水板滤布的过程。

本发明的实施例中，所述模型筒1底部支撑有支架110，支架110下端支撑在水平面上，支架110上端支撑在模型筒1上与多孔板11高通相同的位置，使得模型筒11竖立在水平面上。

本发明的实施例中，所述模型筒1下端的真空管道孔14内安装有法兰出口和塑料止水阀，用于控制连通模型筒1和真空抽吸系统。

本发明的实施例中，真空室12的真空管道口为模型筒最低处，真空室为倒圆锥体形状，方便排滤液的汇集与及时排出。

本发明的实施例中，所述模型筒1内填入土体，土体上方与土工膜19紧密贴合，且土工膜预留有200mm变形范围。

本发明的实施例中，所述水循环真空泵3由离心泵及循环水箱组成。

本发明的实施例中，真空压力由真空泵3通过硬质橡胶管传递至至汽水分离瓶2与真空室，随后作用于泥浆。

实施例二

一种理想气体状态方程约束下的流泥真空预压微型试验系统的试验方法，包括以下步骤：

(1)准备阶段：

(1.1)安装调试电子真空压力表及电子秤，确保数据监测系统可正常实时连续测量记录数据及生成图像；

(1.2)测量土体含水率；连接真空抽吸装置与放置填土土体的模型筒，标定真空表，闭合除去连接真空泵与汽水分离瓶的塑料止水阀以外的塑料之水阀，通过水浴法调试试验系统的密封性；

(1.3)闭合所述模型筒底部塑料止水阀，将填土土样均匀放入模型箱内并覆盖上真空膜，确保螺栓螺母连接良好，确保装置整体密封性良好，且真空度达到目标；

(2)试验阶段：

(2.1)开启水循环真空泵，施加真空压力，土体在气压差作用下排水固结；在真空度达到一定标准后，停止真空泵工作，关闭连接真空泵与汽水分离瓶的塑料止水阀，保持实验装置密封，保持试验装置总体积不变，使装置内土体在装置内气压自行变动的情况下使土体自由固结出水；

(2.2)通过电子真空压力表实时持续测量记录固结过程中装置内真空压力变化，电子秤实时持续测量模型筒内土体排出至汽水分离瓶内滤液的质量，直至固结完成；

(3)数据处理阶段：分析所得数据及图形，计算固结完成后土体含水率。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。