加热-预压-电渗自供应的能量循环软土固结模拟箱

技术领域

本发明涉及一种岩土工程地基处理实验模拟装置，尤其涉及一种加热-预压-电渗自供应的能量循环软土固结模拟箱。

背景技术

随着经济的发展，沿海地区发达的经济贸易活动对土地面积提出了新的要求，填海造陆逐渐成为岩土工程师们关注的重点，而在滨海、河滩、三角洲等区域沉积着大量的高含水量、高压缩性、低抗剪强度、低透水性的深厚软土，如何处理这些无法进行地基建造的软土，使其满足工程要求是目前地基处理领域亟待解决的问题。常见处理这类软土的有排水固结法、强夯法、换填法等，其中排水固结法因其突出的优势：工期短、费用低、承载力提升速度快被工程中大量采用。然而单一的排水固结法目前已陷入发展瓶颈，热学加固和电渗排水法都由于其耗能高的问题无法大规模应用。

中国专利“一种水循环式地基加热装置及应用该装置进行软土地基降水的施工方法”(CN201710471305.4)公开了一中水循环式地基加热装置和应用方法：首先将U型管打设在软土地基中，电加热炉的循环出水口将所有U型钢管串联形成水循环回路，将该装置与真空预压法相结合，加速土体排水固结。该方法虽然利用了循环加热，减小了工后沉降。但是仍存在一些不足：如U型管的水循环加热是靠电加热炉进行，电加热炉场地架设具有安全隐患且对电力资源消耗严重。

中国专利“一种利用太阳能的预压联合加热法处理软土地基的方法”(CN202110119331.7)公开了一种插入软土地基中的U型加热管与上方太阳能换热管连接换热，用于对软土地基的加热处理，来达到蒸发土体水分的目的。该方法虽然利用了太阳能换热管，减少了加热的能耗，但其软土处理过于单一，对于高含水量的深厚软土的工程处置效果一般。

发明内容

发明目的：为克服上述问题，本发明提出了一种加热-预压-电渗自供应的能量循环软土固结模拟箱，能够提供结构精巧、方便室外布置的能量自供应的软土固接实验箱，在轻便易携的同时满足加热-预压-电渗三场耦合固结，为研究加热-预压-电渗三场耦合对于高含水量的深厚软土的固结效果提供了途径，最终实现环保、经济、有效的地基处理。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种加热-预压-电渗自供应的能量循环软土固结模拟箱，包括：外箱体，所述外箱体通过内隔板隔为蓄水区和软土区，所述内隔板底部开设出水口，并在出水口处设置土工布；温差发电系统，包括半导体混凝土荷载，所述半导体混凝土荷载包括P型半导体混凝土荷载，N型半导体混凝土荷载，以及串联连接P、N型半导体混凝土的铜片电极；集热系统，包括用于吸收太阳能的石墨纸镀板和设在石墨纸镀板与半导体混凝土荷载间作为热交换的紫铜流道；控制系统，包括顺次电连接的总控制器、整流器和电容器，总控制器内置升压模块，用于对温差发电输出进行升压处理，并控制输出电压大小，整流器用于将温差发电系统的输出转换为直流输出至电容器，电容器作为直流电源供应给电渗系统；荷载加压系统，包括受荷盖板及上方的半导体混凝土荷载；加热系统，包括预埋土体内部的水浴加热器以及用于控制水浴加热器加热的水浴温度控制器，所述水浴加热器在软土区竖向间隔设置，与水浴温度控制器连接；软土区内还设有温度检测器，与水浴温度控制器电连接；电渗系统，包括阴极板和阳极板，所述阴极板和阳极板分别插入软土区两侧的土样内，构成电渗通路；所述电容器的正极与电渗系统的阳极电连接，负极接入电渗系统的阴极电连接；所述阴极板上设有竖向排水凹槽，用于排出不同土层中包含的水分。其中，所述紫铜流道内填充有换热水和包裹在集热系统四周的隔热层；所述集热系统还包括外框架，所述外框架包括安装在集热系统四周的铝合金边框和安装在铝合金边框内的盖板玻璃，所述盖板玻璃覆盖在石墨纸镀板上表面。所述软土区的内壁布置隔热保温板，通过耐高温胶水连接。所述水浴加热器为中空的U型铝管。所述总控制器采用无功功率自动补偿分相控制器，所述整流器为全桥整流器，所述电容器采用自愈式低压并联电容器。电渗系统的阴极板和阳极板采用EKG电极板。

所述P型半导体混凝土荷载的原料按重量份包括以下组分：水泥50-65份、粉煤灰15-25份、细骨料55-60份、粗骨料100-150份、多壁碳纳米管10-15份、减水剂1-2份、氧化石墨烯5-10份和水35-40份；所述N型半导体混凝土荷载的原料按重量份包括以下组分：水泥50-65份、粉煤灰15-25份、细骨料55-60份、粗骨料100-150份、三氧化二铋10-20份、减水剂1-2份和水35-45份。

其中，所述三氧化二铋平均粒径100nm，比表面积为6.3m

有益效果：相比现有技术，本发明具有以下优点：1、结合温差发电与太阳能加热两种能量转换方式为电渗系统供电，既能够为电渗法的高耗能提供绿色能源，更利用自然环境为软土实验加热，避免了长时间高功率的加热系统。太阳能加热紫铜流道中的水注入U型管进行水浴法热学加固，省略了电炉加热水体的步骤，保证了试验的安全性并节约能源，环保可靠。2、制备特殊的P型、N型半导体混凝土来构造PN温差发电机进行纯绿色发电，具有无机械运动、无噪声、无污染、无需接入直流电源的优点；半导体混凝土还同时起到荷载的作用，使模拟箱更为轻便灵活，方便携带至室外进行测试。3、P、N型半导体混凝土一旦制备就可以无限循环利用，结构尺寸较小，试验过程方便操作；4、太阳能提供的热能发电后储存于电容器中方便在无光照条件下也能进行电渗排水。本装置能源利用率高，充分利用温差发电与太阳能加热两种新能源转换形式并有机组合成为自供应电渗排水和能量循环水浴加热的软土处理方式，且在半导体混凝土荷载的PN结组合中形成大面积均布荷载模拟堆载预压施工过程；采用温差发电供应电渗法，太阳能光照供应热水，弥补了加热固结与电渗排水固结法能耗过高的局限性，并首次将温差发电与太阳能热水组合用于实现热学加固-堆载预压-电渗排水三场耦合改良软土排水固结模拟箱，为科学试验与工程模拟提供了优良样板。

附图说明

图1是本发明所述加热-预压-电渗自供应的能量循环软土固结模拟箱结构示意图；

图2是本发明所述温差发电供应电渗系统的接线及原理图；

图3是本发明中PN型半导体混凝土荷载组成PN结连接示意图；

图4是本发明所述带有排水凹槽的EKG阴极板结构示意图；

图5是实施例中采用的P型半导体混凝土电导率系数随温度变化散点图；

图6是实施例中采用的P型半导体混凝土Seebeck系数随温度变化散点图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的加热-预压-电渗自供应的能量循环软土固结模拟箱，其结构如图1所示。图中各编号表示：1、外箱体；2、内隔板；3、集水换热管；4、U型水浴加热器；5、水浴温度控制器；6、石墨纸镀板；7、紫铜流道；8、P型半导体混凝土荷载；9、N型半导体混凝土荷载；10、连接PN型半导体混凝土的铜片电极；11、无功功率自动补偿分相控制器；12、电容器；13、全桥整流器；14、EKG阴极板；15、EKG阳极板；16、受荷盖板；17、铝合金边框；18、盖板玻璃。

模拟箱包括：

外箱体1，外箱体1通过内隔板2隔为蓄水区和软土区，内隔板2底部开设出水口，并在出水口处设置土工布；外箱体1由多块亚克力玻璃板通过无影胶粘合固定，并在接缝处填充酸性硅酮玻璃胶，防止渗漏水；软土区的内壁布置隔热保温板防止过热使亚克力板变形，通过耐高温胶水连接；蓄水区底部设有集水换热管3。

加热系统，包括U型水浴加热器4和水浴温度控制器5，U型水浴加热器4在软土区纵向间隔设置，与水浴温度控制器5连接；U型水浴加热器4主要包括U型铝管和太阳能热水，软土区内还设有温度检测器，位于U型水浴加热器土体的中央位置。

集热系统，包括石墨纸镀板6和设在石墨纸镀板6与半导体混凝土荷载8、9间作为热交换的紫铜流道7；紫铜流道内填充有换热水和包裹在集热系统四周的隔热层。还包括盖板玻璃18和铝合金边框17，铝合金边框17作为集热系统的骨架用于支撑集热空腔，盖板玻璃18用于承压保护内部结构；盖板玻璃覆盖在集热系统上表面。石墨纸镀板包括集热板芯，镀在集热板芯外层的吸热涂层，所述集热板芯为黑铬整板，所述吸热涂层为石墨纸涂层。

温差发电系统，包括P型半导体混凝土荷载8，N型半导体混凝土荷载9，连接PN型半导体混凝土的铜片电极10；温差发电系统导出正极接入EKG电极板的阳极15，负极接入EKG电极板的阴极14，从而达到直流电下的软土电渗效果。PN结半导体混凝土荷载由试验方案决定串联数目并引出导线依次接入全桥整流器、控制器、升压模块再接入电渗系统的阴阳电极板。PN半导体混凝土之间的铜片尺寸为150*50*2mm

控制系统，包括无功功率自动补偿分相控制器11、电容器12和全桥整流器13用于转换输出直流电源供应电渗系统；整流器为四个二极管按一定的排布集成制成；电容器为自愈式低压并联电容器。

电渗系统，包括EKG阴极板14和EKG阳极板15，EKG阴极板14和EKG阳极板15分别插入软土区两侧的土样内，构成电路；EKG阴极板14插入软土区中靠近蓄水区的一侧，另一侧插入EKG阳极板15。其中，EKG阴阳极板带有竖向排列的排水凹槽，其结构示意图如图4所示。电渗法将水导向阴极，故阳极无需排水槽。

荷载加压系统，包括受荷盖板16及上方的温差发电系统中的混凝土荷载部分8、9。受荷盖板与软土直接接触，上放置PN结半导体混凝土荷载块，并均布排列，盖板上部与混凝土块之间用导电铜胶将铜片与盖板相连。

本发明所述的加热-预压-电渗自供应的能量循环软土固结模拟箱中，为满足加热-预压-电渗的多场耦合效果，P型半导体混凝土荷载8以及N型半导体混凝土荷载9采用以下特殊组分进行制备，既提供了预压载荷同时又作为电渗法的电力供应。

P型半导体混凝土荷载8的原料按重量份包括以下组分：水泥50份、粉煤灰20份、细骨料55份、粗骨料100份、多壁碳纳米管15份、减水剂1份、氧化石墨烯10份和水40份。N型半导体混凝土荷载9的原料按重量份包括以下组分：水泥55份、粉煤灰20份、细骨料55份、粗骨料120份、三氧化二铋20份、减水剂1份和水45份。本实施例中采用上述组分制备的P型半导体混凝土电导率和Seebeck系数随温度变化值绘制于图5、图6。采用上述组分制备出P型半导体混凝土和N型半导体混凝土各15个2cm*2cm*2cm的方型试块，如图3所示用铜箔连接组成PN结，在不同温差下利用四电极法测试产生电压值列于表1。

表1组成PN结方块不同温差下电压值

本发明所述的P型半导体混凝土荷载通过如下方式制备：

1)将多壁碳纳米管与水泥放入氧化锆球行星球磨机中，使用球磨法研磨使碳纳米管在水泥中均匀分布得到碳纳米管水泥，其中球磨机转速为480r/min，预定球磨时长3h。

2)将氧化石墨烯与分散剂、助分散剂混合，加水搅拌进行预分散，得到预分散液，对预分散液用超声分散仪进行超声分散得到石墨烯分散液，其中石墨烯分散液中各组分的用量与水的质量比为：氧化石墨烯8.0wt％，分散剂0.8wt％，助分散剂0.4wt％；预分散磁力搅拌速度800r/min，温度25℃，搅拌时间为10min；超声分散功率3500W，超声温度30℃，超声分散时间50min。

3)将碳纳米管水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂依次加入石墨烯分散液中，加水拌合，进行机械梯度搅拌；机械梯度搅拌是采用行星搅拌机先以50r/min的速度慢速搅拌2min，再以100r/min的速度快速搅拌1min。

4)搅拌后的混合物放入50*50*50mm

5)模块成型后，在室温20℃±5℃，相对湿度大于90％的环境下静置2天，拆模后放入标准养护箱内养护28天，取出后放入烘箱内80℃烘干2天，以烘干P型半导体混凝土复合材料荷载内部剩余水分。

本发明所述的N型半导体混凝土荷载通过如下方式制备：

1)将三氧化二铋与水泥放入氧化锆球行星球磨机中，使用球磨法研磨使三氧化二铋纳米颗粒在水泥中均匀分布得到三氧化二铋水泥，其中球磨机转速为580r/min，预定球磨时长4h。

2)将Bi

3)将三氧化二铋水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂依次加入Bi

4)搅拌后的混合物放入50*50*50mm

5)模块成型后，在室温20℃±5℃，相对湿度大于90％的环境下静置2天，拆模后放入标准养护箱内养护28天，取出后放入烘箱内80℃烘干2天，以烘干N型半导体混凝土复合材料荷载内部剩余水分。

如图2所示，温差发电供应电渗系统的导线具体连接方法与发电原理如下：

PN型半导体混凝土荷载与铜片用导电银浆连接，在太阳能光照直射条件下，PN型半导体混凝土的上表面不断升温，而由于混凝土的天生隔热性，其下表面温度较低，上下表面产生温差，由于掺杂多壁碳纳米管的P型混凝土内部存在空穴运动，掺杂Bi

本发明装置的具体使用方法如下：

(1)首先将土工布安置于内隔板2下方的软土区和集水区之间，用于排水的同时防止渗漏土体，再将U型水浴加热铝管4预埋至外箱体1和内隔板2包围的软土区，U型水浴加热器由导线引出箱体外控制温度。根据需要放置温度检测计。

(2)填充适量待试验土样后在阳极区域和阴极区域分别插入EKG阳极板15和EKG阴极板14，距离外箱体1和内隔板2均为5cm。

(3)将受荷盖板盖上土体，并安装PN结半导体混凝土荷载8、9，用导电铜浆连接铜片10形成PN结，两两相连间隔5cm，引出导线连接全桥整流器13，接入交流两极。

(4)将总控制器11与全桥整流器13的正负极相接，并接入电容器12的输入端，电容器12输出端正极接EKG阳极板15，负极接EKG阴极板14。

(5)在集热系统中，安装集成二主流道八分支道的紫铜流道7紧密与PN型半导体混凝土荷载7、8贴合，用于直接传热，石墨纸镀板6覆盖于紫铜流道7之上，实现高效集热。可选的，紫铜流道中铜管主管直径22mm，支管直径10mm，容纳更大保温液体，持久保温；石墨纸镀板6为上覆石墨纸涂层的高效厚黑铬整板。太阳能集热系统装置还包括外框架和保温系统，外框架包括盖板玻璃18和铝合金边框17，铝合金边框17作为集热系统的骨架用于支撑集热空腔，盖板玻璃18用于承压保护内部结构；隔热层四周包裹中央集热区域，内嵌于铝合金边框17的凹槽处，可选的隔热层为32K玻璃棉。

(6)阳光照射下，集热系统中石墨纸镀板6收集热量并对紫铜流道7中的常温水进行加热，达到预定温度后，通入U型水浴加热铝管4对土体进行热学加固，在PN半导体混凝土8、9的预压和温差发电作用下，PN结产生电流经过整流器13转换为直流电后存入电容器12中，电容器根据总控制器11的控制对EKG阳极板15和阴极板14进行通电电渗，水流向阴极区域并经过土工布流入蓄水区，在预留孔洞处流入集水换热管3，并流入集热系统中的紫铜流道7中进行循环加热。

(7)土体在热学、预压、电渗三场耦合的作用下，排水速率极快、土体含水量迅速降低、并且将所排的水分进行收集循环利用，对软土处理领域实际工程和试验科学提供建设性指导。

本发明的工作原理包括：

集热和发电原理：太阳照射在集热系统中，由于镀板和吸热涂层能够迅速加热紫铜流道中的水，并通过铝合金外框架中预留的孔洞与土体中U型水浴加热管相连，再到达一定温度后，紫铜流道中的高温水会与下方水浴U型管中的低温水进行换热，从而达到热学加固土体的作用。此外，由于保温系统的作用，PN型半导体混凝土上方的底板温度较高，与其下方接触的受荷载底板形成一个巨大温差，由于掺杂多壁碳纳米管的P型混凝土内部存在空穴运动，掺杂Bi

电渗原理：将电极通直流电，带负电荷的土颗粒，受到外加电场作用下，向电势高处运动。土中液相被溶解的物质如水化阳离子向电势低处运动。电渗可以排出弱结合水，电渗排水过程中产生的化学反应：

阳极：H

阴极：H

热学加固原理：加热不仅以常规排水固结手段排除土体中的游离水，其对水土体中的孔隙水压力和有效应力产生一定影响，而且会蒸发土体中的孔隙水，使土骨架产生的有效应力得到提升，地基处理效果好。