一种海底软黏土固结试验方法

技术领域

本发明涉及深海地基固结领域，特别是涉及一种能够均匀快速固结海底软黏土的真空排水固结试验方法。

背景技术

在深海结构领域的研究中，有不少问题与海床强度有关，例如钢悬链立管触地段的海床扰动机理，海底管道走管现象，海底管道屈曲压溃机理，海床断层与管道的相互作用研究等等，研究前述现象都需要稳定可靠的土体环境来进行缩尺比试验，以便通过宏观的测量并结合理论推导得出解决方法。

其中，对于实验室所需小尺寸实验槽，土体强度的不均匀性会严重影响试验结果的准确性和可靠性，是一个影响实验结果的重要的影响因素，但目前少有能够快速并均匀固结土体的实验装置和系统，大部分室内土体试验槽采用自然排水固结或真空预压排水固结。

以目前对地基处理的真空预压排水固结法为例，其优点在于处理时间短，费用低等，适用于大型地基处理现场使用，但是在真空预压排水固结法的应用中，竖向排水体会形成压密层、倒锥体和土桩，部分受压过大的部分会出现淤堵的情况，导致土体固结不均匀。

因此，需要开发一种试验方法使试验土体能够快速均匀固结，进而在缩短试验周期的同时，确保试验的准确性和可靠性，为现场施工提供可靠的依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够均匀快速固结海底软黏土的真空排水固结试验方法。

具体地，本发明提供一种海底软黏土固结试验方法，包括如下步骤：

步骤100，选取用于容纳黏土的密封固结土槽，和通过管路吸取固结土槽中水和气体的泥浆收集罐，以及对泥浆收集罐抽真空的真空泵，在固结土槽的底部设置有集水舱，顶部设置有由真空袋和活动隔板隔成的集气舱；

步骤200，将待固结的黏土利用搅拌装置先搅拌成均匀的悬浊液，再置入固结土槽中后进行密封，启动真空泵对泥浆收集罐抽真空，使固结土槽中集气舱和集水舱中的气体和水在负压下排出至泥浆收集罐中；

步骤300，在集水舱中无水时停止真空泵，打开泥浆收集罐排出内部的水和气体，再次关闭泥浆收集罐并打开真空泵进行真空抽取，使固结土槽内产生负压，隔板在负压下向下按压黏土，同时真空袋在负压下向隔板施加压力，进一步增加隔板的按压力；

步骤400，在内部负压和隔板的按压下，黏土中的水和气体被挤压出来，再通过管路排出至泥浆收集罐中，直至黏土的固结强度达到预定目的，关闭真空泵完成此次试验。

本发明可以实现黏土在固结土槽中的快速均匀固结，且可排出土体中的气泡，提高土体固结强度。通过两次真空操作，可将黏土中先期沉淀的水和气体排出，防止影响黏土的固结过程。整个黏土固结过程中不干涉黏土形状，使制备的土体完整度高，土体固结强度均匀，适用于实验室制备较大的试验土槽。通过负压方式可将黏土中的气泡及水的快速排出，制作的固结黏土具有较高的强度和固结度。将固结土槽与泥浆收集罐相连，在不影响黏土排水排气的情况下，实现快速固液分离，并利用真空原理降低水的沸点，加快土体中水的蒸发，快速均匀的降低试验槽中黏土含水率。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的试验方法的步骤示意图；

图2是本发明一个实施方式的实验装置结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的固结土槽内部结构示意图；

图4是本发明一个实施方式的固结土槽侧面视图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种海底软黏土固结试验方法，包括如下步骤

步骤100，选取用于容纳黏土的密封固结土槽，和通过管路吸取固结土槽中水和气体的泥浆收集罐，以及对泥浆收集罐抽真空的真空泵，在固结土槽的底部设置有集水舱，顶部设置有由真空袋和活动隔板隔成的集气舱；

如图2所示，该固结土槽3采用全密封箱形结构，用于盛装海底软黏土，在内部的底部设置有由带孔洞的支撑板32隔成的集水舱31，顶部设置有带孔洞的隔板34隔成的集气舱33。

该泥浆收集罐2用于收集固结土槽3中的水和气休，包括容纳水、气体的罐体21，密封罐体21的密封盖22，在密封盖22上设置有分别与集水舱31和集气舱33连接的排水管25和排气管26。

该真空泵1通过真空管11与密封盖22连接，用于对泥浆收集罐2进行抽真空操作。

步骤200，将待固结的黏土利用搅拌装置先搅拌成均匀的悬浊液，再置入固结土槽中后进行密封，启动真空泵对泥浆收集罐抽真空，使固结土槽中集气舱和集水舱中的气体和水在负压下排出至泥浆收集罐中；

黏土的搅拌可以利用专门的搅拌装置，如沙石搅拌机。该步骤中，固结土槽中的水和气体大部分都是通过自然沉淀出现的，会占用集气舱和集水舱中的空间，因此需要先行排出，以方便后续的挤压排水和排气。

真空袋为柔性材质制作，能够与固结土槽的侧边贴合的更紧密，可直接利用胶带进行密封。

步骤300，在集水舱中无水时停止真空泵，打开泥浆收集罐排出内部的水和气体，再次关闭泥浆收集罐并打开真空泵进行真空抽取，使固结土槽内产生负压，隔板在负压下向下按压黏土，同时真空袋在负压下向隔板施加压力，进一步增加隔板的按压力；

其中，停止真空泵的条件，一是集水舱中无水可排，二是集水舱内的水量降至一个较低的范围。清理泥浆收集罐的目的是为了方便二次抽取固结土槽中的水和气体。

由于隔板是活动安装，在黏土固结过程中收缩体积时，隔板会同步下降，始终与黏土的上表面接触，又由于负压的作用，黏土本身会受压收缩，同时隔板也会对黏土的上表面施加相应的压力，使黏土中的水和气泡进一步快速排出。同时由于真空袋是柔性材料，因此会在负压下吸向固结土槽内部，最终与隔板接触，进一步增大对黏土的按压力。

步骤400，在内部负压和隔板的按压下，黏土中的水和气体被挤压出来，再通过管路排出至泥浆收集罐中，直至黏土的固结强度达到预定目的，关闭真空泵完成此次试验。

以下结合步骤和装置对本发明的试验过程进行说明。

在试验前，先将海底软黏土或与海底软黏土类似的黏土先利用搅拌装置(图中未示出)搅拌均匀形成悬浊液，然后打开固结土槽3的顶盖36和隔板34将悬浊液倒入固结土槽3中，再将隔板34与顶盖36密封关闭。

如图3所示，悬浊液中的水会通过支撑板32上的孔洞321进入集水舱31内，而悬浊液中的气体则会通过隔板34上的孔洞341进入上方的集气舱33内；关闭泥浆收集罐2的密封盖22，并连接好排水管25、排气管26和真空管11，启动真空泵1对泥浆收集罐2进行抽真空操作，使泥浆收集罐2内部形成负压，进而可通过排水管25和排气管26将集水舱31中的水和集气舱33中的气体吸入泥浆收集罐2中；在集水舱31中的水抽取完毕或是降低至预定量时，关闭真空泵1，打开泥浆收集罐2的密封盖22，排放出内部的水和气体，然后再关闭密封盖22，利用真空泵1对泥浆收集罐2进行二次真空抽取，在该过程中，固结土槽3内部因为与排水管25和排气管26的连通，同样出现负压，该负压会对黏土产生压力，从而将内部的水和气泡进一步压缩出来，此时压出的水进入集水舱31中，而气体进入集气舱33中，然后在负压抽取下经过排水管25和排气管26进入泥浆收集罐2中；持续该过程直至黏土固结强度达到预设值，完成整个试验。在实验过程中，固结土槽3内的负压效率可以-0.8BAR，负压可为-0.093Mpa。

本实施方式可以实现黏土在固结土槽中的快速均匀固结，且可排出土体中的气泡，提高土体固结强度。通过两次真空操作，可将黏土中先期沉淀的水和气体排出，防止影响黏土的固结过程。整个黏土固结过程中不干涉黏土形状，使制备的土体完整度高，土体固结强度均匀，适用于实验室制备较大的试验土槽。通过负压方式可将黏土中的气泡及水的快速排出，制作的固结黏土具有较高的强度和固结度。将固结土槽与泥浆收集罐相连，在不影响黏土排水排气的情况下，实现快速固液分离，并利用真空原理降低水的沸点，加快土体中水的蒸发，快速均匀的降低试验槽中黏土含水率。

如图4所示，为防止黏土中的颗粒阻塞支撑板32上的孔洞321，在集水舱31的支撑板32上表面铺设有过滤网或过滤层39，过滤网或过滤层39可直接辅设支撑板32上表面。

在本发明的一个实施方式中，位于集气舱33下方的隔板34采用活动安装的方式，隔板34能够随固结土槽3内的黏土量自动升降。当由黏土形成的悬浊液置入固结土槽3内时，隔板34可直接放置在悬浊液的上方，再封闭顶盖36，活动的隔板34可在固结土槽3内的负压下向下按压悬浊液，以加快黏土内部的水和气泡排出，提高黏土固结速度。

进一步的，在固结土槽3的四周设置有垂直的支撑柱35，支撑柱35作为固结土槽3的固定框架，各支撑柱35之间通过安装的透明板38封闭后形成固结土槽3的侧板；通过透明板的侧板可方便观察内部的黏土固结过程和固结效果。具体的透明板可采用钢化玻璃或是高强度有机透明材料。

此外，支撑柱35上还可以设置方便隔板34上下移动的滑轨，即隔板34与各支撑柱35对应的位置处分别设置相应的卡槽，而在各支撑柱35朝向内部的侧面上设置垂直的滑轨，隔板34通过卡槽卡入相应的滑轨上。在黏土固结收缩体积时，隔板34可沿支撑柱35向下滑动，始终与黏土上表面接触；而且采用滑轨和卡槽的滑动安装结构，还可避免因黏土上表面局部凸起而导致隔板34某个边角翘起的情况，防止影响按压效果。

在本发明的一个实施方式中，固结土槽3的顶盖36采用柔性的真空袋可拆卸密封。真空袋本身柔韧性大，可通过胶带密封固定在固结土槽3的开口处，拆卸方便，而且安装后可在固结土槽3内部负压下，向下挤压集气舱33中的气体，加快气体的排出，且在挤压过程中与隔板34接触后，还可对隔板34施加挤压下方黏土的压力。

进一步的，在隔板34与真空袋之间安装有多排树脂导气螺旋管37，各树脂导气螺旋管37沿隔板34的纵向间隔安装，树脂导气螺旋管34由相互连接的多个多孔结构的固定圈构成，固定圈本身及相互的间隔处都可作为气体通过的通道，各树脂导气螺旋管37的一端分别与一根主管连接后再与排气管26连接。

安装树脂导气螺旋管37后可防止真空袋36挤压隔板34后堵塞孔洞341，在真空袋36挤压在隔板34上时，树脂导气螺旋管37能够在孔洞341处形成支撑，保持孔洞341通气，同时本身可作为气体进入排气管26的通道，既能够传导气体，同时又不影响真空袋36施加至隔板34上的压力。

在本发明的一个实施方式中，排水管25可由固结土槽3的上部穿过隔板34和支撑板32后进入集水舱31内，该结构不需要在硬性的固结土槽3的侧面打孔，可提高整个固结土槽3的支撑强度和密封效果，同时利用柔性的真空袋36也能够更好的密封排水管25的插入位置。

在泥浆收集槽2的罐体21底部设置有排水阀23，同时在密封盖22上与真空管11、排水管25和排气管26连接的位置分别设置有高压球阀24。排水阀23可方便排出罐体21内收集的水。而高压球阀34可控制各管路的通断，方便抽真空。

在本发明的一个实施方式中，固结土槽3的纵向一侧面为通过底部铰接连接在支撑柱35上的密封门，密封门通过底部的铰接结构(如销轴)旋转打开，并可通过两侧边与端部的支撑柱35扣住后密封固定；而支撑板32通过底部的滑动结构支撑在固结土槽3的底部，在密封门打开后，支撑板32连带上方固结的黏土可通过滑动结构拉出固结土槽3。

这里的滑动结构可以是滚轮结构，也可以是卡槽结构。本实施方式可以直接将固结后的黏土一次性移出，无论是将固结黏土用于其它试验，还是清理固结土槽都非常方便。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。