一种真空预压联合电动法试验装置及试验方法
【专利摘要】本发明涉及一种真空预压联合电动法试验装置及试验方法，属于岩土工程地基处理领域。其特征在于：该装置由电源部分、真空泵部分、箱体部分组成。箱体部分为透明钢化玻璃箱，箱体中土体上覆砂垫层，箱体正面设有等距电势监测点孔位。箱体两侧插入圆柱形中空石墨棒作为阴阳极，阳极为盐溶液注入通道。靠近阴极处插入塑料排水板，排水板顶端位于砂垫层内并用橡胶管与锥形瓶相联接，采用橡胶管连接真空泵与锥形瓶。本发明还提供采用该装置进行真空预压联合电动法试验的方法。本发明可在室内模拟真空预压联合电动法加固软土，在保证试验密封性和防止电极腐蚀的同时，能精确地测量出土体的排水效果、沉降固结效果以及真空预压联合电动法的能耗比。
【专利说明】
一种真空预压联合电动法试验装置及试验方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种真空预压联合电动法试验装置及试验方法，适用于岩土工程中软土地基加固的室内试验研究，属于岩土工程地基处理领域。
【背景技术】
[0002]近年来，随着沿海城市开发和港口建设的飞速发展，沿海城市对土地资源的需求与日倶增，利用水力吹填海底淤泥进行围海造陆已成为解决用地紧张的有效途径。新近吹填土通常具有含水率高、孔隙比大、压缩性高、渗透系数低、抗剪强度低、触变性强等特性，承载力低，工程性质差，为典型的软弱土层。软土的低渗透性常常导致处理费用昂贵、工期漫长。软土的高压缩性导致极大的地基沉降差和极低的承载力，低抗剪强度导致地基的稳定性不足。工程应用中必须有效地使其排水固结以提高抗剪强度、减小压缩性，如何促使土体快速排水固结是亟需解决的重大技术问题。
[0003]真空预压法自W.KjelIman教授提出后，与其相关的研究工作和工程应用大量增加，技术发展到现在已比较成熟，但是依然存在工期较长、较难排出结合水、工后沉降较大等问题，尤其是面对较低渗透性的的软粘土时，处理效果往往还要受制于土体的深度和土中真空度的大小。单纯的一种软基处理方法往往难以满足工程的需要，为了达到更好的土体处理效果，多方法联合加固土体的手段不断兴起。真空预压-电渗法正是在真空预压的基础上，在土体两端通以直流电，使土体在短时间内完成渗透排水，并逐渐固结的一种地基处理方法。该方法的优点是加固速度快，其次是该方法可以排出土体的孔隙水和部分弱结合水达到加固软基的目的。但真空预压联合电渗法对黏土颗粒中的强结合水的排水效果却微乎其微，软土地基工后沉降依旧较大，难以满足工程要求。
[0004]电动学加固是在电渗法的基础上，向土体中注入盐溶液，注入的盐溶液参与到电化学反应中，能够在一定程度上使土体颗粒排列更为紧密，而且还可增加土体电导性，加速排水固结过程，从而有效地提高处理效果。电动学加固的研究主要集中在选择不同类型、不同浓度的溶液对实验的影响，但仍然存在许多问题有待解决，如电极腐蚀、能耗过大等。真空预压联合电动法作为以真空预压联合电渗法为基础的一种新型软土加固技术，加固后期引入电动法，能很好的弥补真空预压联合电渗法对强结合水排水效果的不足，还能利用其电化学过程提高土体强度，进而也减少单独使用电动法加固软土所需要的能耗，具有较大的应用发展前景。目前来说，学者对真空预压联合电动法的研究刚刚开始，对其软土加固效果才有了初步的了解。为了更加深入的探讨真空预压联合电动法软土加固效果以使其能在实际工程中得到大规模的推广，室内开展的模型试验是必不可少的，这也是对真空预压联合电动法机理分析和理论研究的最佳方式。但是，现有的试验装置中并没有在保证装置密封性的同时适用于真空预压联合电动法研究。因此，设计一种真空预压联合电动法的试验装置具有重要意义。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供了一种真空预压联合电动法试验装置及试验方法。该装置可在实验室方便快速地模拟真空预压联合电动法对地基进行加固处理。该装置能够充分保证实验的密封性和防止电极腐蚀，还可以精确地测量真空预压-电动法对土体的排水和沉降固结效果，也能够准确地测出真空预压-电动法的能耗比。本发明还提供了一种采用该真空预压联合电动法试验装置进行试验的方法。
[0006]—种真空预压联合电动法试验装置:由电源(I)部分、真空栗(8)部分、箱体部分组成。电源(I)部分:采用可控硅整流器作为直流电源。真空栗(8)部分:采用橡胶管连接真空栗与箱体部分。箱体部分:箱体为透明的钢化玻璃箱(11)，其附属电极系统、排水系统和测量系统。
[0007]所述箱体部分主要装填土样(13)，土样(13)之上覆有砂垫层(5)，并使用真空膜
(4)对箱体顶部进行密封，密封及接缝处使用凡士林保证密封效果;所述箱体部分的电极系统中阳极(2)和阴极(3)均采用圆柱形中空石墨棒，并沿箱体高度方向分插与箱体两侧，其中阳极(2)也为注入盐溶液通道，距阳极(2)下端15cm每隔2cm钻一个直径2mm的圆孔，表面使用300目尼龙网包裹，以防止粘土颗粒堵塞小孔。所述箱体部分的排水系统中在软土中靠近阴极(3)处沿箱体高度方向插入塑料排水板(6)，其顶端位于砂垫层(5)内并用抽气管(7)与锥形瓶(10)相联接，抽气管(7)前端布满小孔，并包裹300目尼龙;所述箱体部分的测量系统中锥形瓶(10)与排水板(6)相连，收集排除液并测量其排出量、PH值和离子浓度变化等，箱体正面一侧设有多排且每排多个等距电势监测点(12)，电势监测点(12)为延伸至箱体内部中间位置的铜线，铜线与箱体用玻璃胶进行密封。
[0008]采用该真空预压联合电动法试验装置进行真空预压联合电动法试验的方法:
[0009](I)将野外所取土样分层装入钢化玻璃箱(11)中，每层都压实整平后再装下一层，填至相应高度时，将作为阳极(2)和阴极(3)的圆柱体中空石墨棒沿箱体高度方向放入箱体两侧，再在阴极(3)附近沿着箱体高度方向插入排水板(6)，土体填至合适高度时，上覆砂垫层(5)，砂垫层(5)与软土之间放置一层透水土工布；
[0010](2)将抽气管(7)埋于砂垫层(5)中，抽气管(7)的另一头连接锥形瓶(10)，使用真空膜(4)将钢化玻璃箱(11)密封好，密封及接缝处使用凡士林保证密封效果，密封完毕后在电势监测点(12)插入铜丝至中间位置，并使用玻璃胶进行密封；
[0011](3)连接锥形瓶(10)及真空栗(8)，真空栗(8)中装入自来水达到最佳水位处，并连接循环水入口及出口；
[0012](4)使用导线将阳极(2)、阴极(3)与电源(I)连接起来，并将电极棒顶端的开口处密封，阳极(2)作为溶液注入口，每次注入溶液后均要再次密封；
[0013](5)待装置安装完毕之后，采取间歇停电技术，将后续试验分为两阶段:首先打开真空栗(8)进行真空预压试验，待到真空预压后期，开启直流电源的同时，注入所需浓度的盐溶液，进行真空预压联合电动法试验。
[0014]本发明具有的优点:(I)本发明的实验装置成本低、简单合理、易操作，非常适用于室内模拟真空预压联合电动法加固处理地基；(2)本发明箱体采用透明钢化玻璃，能直观看到箱内土体的变化，如:沉降量等；(3)本发明采用独创的密封技术，土体上覆砂垫层，砂垫层与软土之间放置一层透水土工布，再用真空膜进行封箱，在密封及接缝处使用凡士林、密封胶保证密封效果，装置的初始真空度能达到0.9以上，此外，该设置也比较符合实际施工现场的情况；(4)本发明使用圆柱体中空石墨棒作为阴阳极材料，避免了电极材料腐蚀对实验的影响；(5)本发明使用了锥形瓶收集土体排水，能测量土体的排水效果以及土体PH值、离子浓度的变化等，为研究真空预压-电动法的作用机理及效果提供依据；(6)本发明中电势测定点的设立能准确地测量出在加入不同浓度的盐溶液下电流强度的变化情况以及电流强度与土体排水速率的关系，进而可以测出能耗情况与排水速率的关系。
【附图说明】
[0015]图1真空预压联合电动法试验装置正面示意图
[0016]图2透明钢化玻璃箱体的俯视示意图
[0017]图中:1.电源2.阳极3.阴极4.真空膜5.砂垫层6.排水板7.抽气管8.真空栗9.橡胶塞10.锥形瓶11.钢化玻璃箱12.电势监测点13.土样
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步说明。
[0019](I)将采集的土样分四层装入钢化玻璃箱(11)内，每层压实整平后用小型电动振动器震动使土体密实，再装置上一层。将塑料排水板(6)、阴极(3)和尼龙网包裹的阳极(2)分别插入土样(13)中，排水板(6)顶端位于砂垫层(5)内。土样(13)上覆4cm厚的砂垫层(5)用于排水，位于砂垫层(5)中的阳极(2)和阴极(3)部分，用绝缘胶带进行处理，防止实验过程中电流在砂垫层(5)形成通道。
[0020](2)将抽气管(7)—端打孔并用尼龙网包裹后，埋于砂垫层(5)中，通过钢化玻璃箱
(11)右视面的预留圆孔，将抽气管(7)的另一端连接锥形瓶(10)。砂垫层(5)上铺两层土工布和一层厚0.4mm聚氯乙烯薄膜，之后用透明胶带密封，接缝处涂抹酸性玻璃胶。装样完成后静置24h，以保证土样均匀。
[0021](3)用抽气管(7)联接锥形瓶(10)和真空栗(8)，通过真空栗(8)将砂垫层(5)和土样(13)中的水溶液或者气体抽出，水溶液和气体利用重力作用，在锥形瓶(10)中气液分离，液体停留在锥形瓶(10)内，气体通过真空栗(8)排出。真空栗(8)内装入自来水到浮标最佳位置，用塑料软管将水龙头和真空栗(8)进水口联接，排水口用软管连接到水池中排走，进行循环排水。
[0022](4)使用铜导线分别将阳极(2)和阴极(3)与直流电源(I)连接，调节电压为30V。
[0023](5)采取间歇停电技术，将试验分为两个阶段，阶段I为真空预压阶段，实验进行20h，实验过程中每隔2h将锥形瓶(10)中的液体取出，测其体积和pH值;阶段II为真空预压联合电动试验，共进行40h，实验过程中每隔Ih将锥形瓶(10)中的液体取出，测其体积和pH值，同时通过阳极(2)向土体中注入20ml CaCl 2溶液，当排水量小于20ml/h时，停止注入溶液。
[0024](6)当实验进行60h后停止实验，拆除电路和真空栗(8)，测量试验后土样(13)的各物理力学参数(沉降量、含水量、抗剪强度等)。
[0025]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种真空预压联合电动法试验装置，其特征是:1)包括电源(I)部分，采用可控硅整流器作为直流电源;2)包括真空栗(8)部分，采用橡胶管连接真空栗与箱体部分;3)包括箱体部分:箱体为透明钢化玻璃箱(11)，其附属电极系统、排水系统和测量系统。2.根据权利要求1所述的一种真空预压联合电动法试验装置，其特征在于:箱体部分中，土体上覆砂垫层(5)，砂垫层(5)与土样(13)之间放置一层透水土工布，再用真空膜(4)进行封箱，在密封及接缝处使用凡士林、密封胶保证密封效果。3.根据权利要求1所述的一种真空预压联合电动法试验装置，其特征在于:箱体部分的电极系统中，阳极(2)和阴极(3)均采用圆柱形中空石墨棒，并沿箱体高度方向分插与箱体两侧，其中阳极(2)也为注入盐溶液通道，距阳极(2)下端15cm每隔2cm钻一个直径2mm的圆孔，表面使用300目尼龙网包裹，以防止粘土颗粒堵塞小孔。4.根据权利要求1所述的一种真空预压联合电动法试验装置，其特征在于:箱体部分的排水系统中，在软土中靠近阴极(3)处沿箱体高度方向插入塑料排水板(6)，其顶端位于砂垫层(5)内并用抽水管(7)与锥形瓶(10)相联接，抽水管(7)前端布满小孔，并包裹300目尼龙。5.根据权利要求1所述的一种真空预压联合电动法试验装置，其特征在于:箱体部分的测量系统中，锥形瓶(10)与排水板(6)相连，收集排除液并测量其排出量、PH值和离子浓度变化等，箱体正面一侧设有多排且每排多个等距电势监测点(12)，电势监测点(12)为延伸至箱体内部中间位置的铜线，铜线与箱体用玻璃胶进行密封。6.采用该真空预压联合电动法试验装置进行真空预压联合电动法试验的方法，其特征是包含以下步骤: (1)将野外所取土样分层装入透明的钢化玻璃箱(11)中，每层都压实整平后再装下一层，填至相应高度时，将作为阳极(2)和阴极(3)的圆柱体中空石墨棒沿箱体高度方向放入箱体两侧，再在阴极(3)附近沿着箱体高度方向插入排水板(6)，土体填至合适高度时，上覆砂垫层(5)，砂垫层(5)与软土之间放置一层透水土工布； (2)将抽气管(7)埋于砂垫层(5)中，抽气管(7)的另一头连接锥形瓶(10)，使用真空膜(4)将钢化玻璃箱(11)密封好，密封及接缝处使用凡士林保证密封效果，密封完毕后在电势监测点(12)插入铜丝至中间位置，并使用玻璃胶进行密封； (3)连接锥形瓶(10)及真空栗(8)，真空栗(8)中装入自来水达到最佳水位处，并连接循环水入口及出口； (4)使用导线将阳极(2)、阴极(3)与电源(I)连接起来，并将电极棒顶端的开口处密封，阳极(3)作为溶液注入口，每次注入溶液后均要再次密封； (5)待装置安装完毕之后，采取间歇停电技术，将后续试验分为两阶段:首先打开真空栗(8)进行真空预压试验，待到真空预压后期，开启直流电源的同时，注入所需浓度的盐溶液，进行真空预压联合电动法试验。
【文档编号】E02D3/10GK105929132SQ201610263846
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】陈剑尚, 林署炯, 冉孟胶, 张澄博
【申请人】中山大学