一种真空预压固结模型试验系统的制作方法

本发明涉及深部土体地基加固试验的技术领域，更具体地，涉及一种真空预压固结模型试验系统。

背景技术：

近年来，由于土地资源紧缺，围海造陆工程受到了越来越多的重视。真空预压法作为一种常见的地基处理方法，被广泛应用到围海造陆工程中。由于传统真空预压存在淤堵严重、加固周期长等问题，各种改进式真空预压法相继出现。注气增压式真空预压法就是其中一种，其原理是通过向土中注入气体，从而加大注气管与排水板之间的压力差，并在一定程度上减缓了排水板周围土体的淤堵，从而提高了土体排水固结的效率，其工程应用前景十分广阔。然而，目前对于增压式真空预压的加固机理以及影响因素的研究还有待进一步深入，对注气增压式真空预压在不同深度和应力状态条件下的模型试验尚缺乏有效的试验手段。因此，现有技术中急需设计一种对深部土体进行增压式真空预压模型试验的系统。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种能够同时控制竖向压力和侧向压力，使土体还原相应深度的受力状态，更真实地反映深部土体的加固效果的真空预压固结模型试验系统。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：

一种真空预压固结模型试验系统，包括底座，所述底座连接有围压控制单元、固结排水单元、竖向增压单元、真空预压单元和注气增压单元；

所述围压控制单元包括固定设置在所述底座上的集水箱、设置在所述集水箱上端的顶盖、埋设在所述底座的开槽中的增压水管和与所述增压水管的一端连接的围压控制器；

所述固结排水单元包括设置在所述集水箱内部的集土装置，所述集土装置内的底部设置透水石层，所述透水石层的下端设置有排水管，所述排水管的管口设置有控制阀，所述集土装置的上端设置有作用于土体上的加压板；

所述竖向增压单元包括贯穿所述顶盖且下端部作用在所述加压板上的传力杆、与所述传力杆的上端部固定连接的连接杆、分别设置在所述连接杆两端的平衡锤和砝码盘、以及固定连接在所述顶盖上的固定柱，所述固定柱开设有使所述连接杆贯穿的横向通孔，所述横向通孔的内径大于所述连接杆的直径；

所述真空预压单元包括插设在所述集土装置内一侧的排水板，所述排水板通过贯穿所述加压板和所述顶盖的导水管依次连接有水-气分离器和真空泵；

所述注气增压单元包括插设在所述集土装置内另一侧的单面注气板，所述单面注气板通过贯穿所述加压板和所述顶盖的导气管依次连接有调压阀和空气压缩机。

所述集水箱与所述集土装置之间的空间构成用于盛放水的围压室。

所述加压板的大小和形状均与所述透水石层相一致。

所述透水石层由碎砂烧结制成。

所述集土装置采用橡胶膜制成。

所述集水箱包括四块有机玻璃和用于连接相邻两块有机玻璃的钢管，所述顶盖通过紧固螺栓与所述钢管固定连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)通过设置集水箱和集土装置之间形成的围压室，模拟土体在相应深度处真实的所受应力情况，并通过加压板给土体在竖向加压，同时控制竖向压力和侧向压力进行后续预压试验，更真实地反映了真实情况中深部土体的加固效果。

(2)插入试验用土体的注气板为单面注气板，所注入气体在土体中可近似为一维水平流动，可为增压气体在土体中传播规律以及土体力学响应特性提供了试验分析模型。

(3)集水箱和集土装置等部件结构尺寸较小，更接近与单元体试验，其试验周期更短，集土装置采用具有弹性的橡胶模，便于试验用土体的反复替换，重复进行多组试验，以进一步探究多种真空预压法固结效果的影响因素。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明的俯视结构示意图。

附图标记：1-平衡锤，2-固定柱，3-传力杆，4-砝码盘，5-加压板，6-集土装置，7-连接杆，8-增压水管，9-围压控制器，10-透水石层，11-排水管，12-控制阀，13-单面注气板，14-调压阀，15-空气压缩机，16-排水板，17-水-气分离器，18-真空泵，19-顶盖，20-集水箱，21-底座，22-砝码，23-横向通孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

如图1-2所示的一种真空预压固结模型试验系统，包括底座，底座连接有围压控制单元、固结排水单元、竖向增压单元、真空预压单元和注气增压单元。

围压控制单元包括固定设置在底座上的集水箱20、设置在集水箱20上端的顶盖19、埋设在底座21的开槽中的增压水管8和与增压水管8的一端连接的围压控制器9，集水箱20包括四块有机玻璃和用于连接相邻两块有机玻璃的钢管，顶盖19通过紧固螺栓与钢管固定连接。

固结排水单元包括设置在集水箱20内部的由橡胶膜制成的集土装置6，集土装置6内的底部设置有由碎砂烧结制成透水石层10，透水石层10的下端设置有排水管11，排水管11的管口设置有控制阀12，集土装置6的上端设置有作用于土体上的加压板5，加压板5的大小和形状均与透水石层10相一致。

竖向增压单元包括贯穿顶盖19且下端部作用在加压板5上的传力杆3、与传力杆3的上端部固定连接的连接杆7、分别设置在连接杆7两端的平衡锤1和砝码盘4、以及固定连接在顶盖19上的固定柱2，固定柱2开设有使连接杆7贯穿的横向通孔23，横向通孔23的内径略大于连接杆7的直径，使砝码盘4上添加砝码22时，能够通过调节连接杆7，使砝码22和平衡锤1通过杠杆原理实现平衡，竖向增压单元施加给土体的压力可以通过该压力和砝码22质量的数学关系计算得出。

真空预压单元包括插设在集土装置内一侧的排水板16，排水板16通过贯穿加压板5和顶盖19的导水管依次连接有水-气分离器17和真空泵18；

注气增压单元包括插设在集土装置内另一侧的单面注气板13，单面注气板13通过贯穿加压板5和顶盖19的导气管依次连接有调压阀14和空气压缩机15。

集水箱20与集土装置6之间的空间构成用于盛放水的围压室。

在橡胶制成的底座21上的预设位置通过工业用胶固定连接四根钢管，使钢管位置位于矩形的四个端点，每个钢管在矩形边所在直线方向的内侧都具有两个凹槽，凹槽刚好可以让有机玻璃插入，从而使四块有机玻璃围成一个长方体空间，形成集水箱20，凹槽内插好有机玻璃后，再将连接处用工业用胶密封，保证集水箱20不漏水；空心套筒状的橡胶膜具有弹性，将其作为集土装置可以发挥其易于形变的特点，在本实施例中，底座21上具有一个凸起结构，透水石层10设置与该凸起上且大小形状与该凸起一致，使透水石层10刚好覆盖住该凸起。该凸起上设有凹槽排水管11埋设在凹槽内，并通过凹槽一直通向可用于收集排出的水的水盆、水桶等装置。底座21上表面还开设一个从底座21的侧壁通向围压室的l形孔，孔中插入增压水管8，增压水管8的一端通向围压室，另一端连接围压控制器9。本实施例中使用的围压控制器9选用advdpc高级/压力体积控制器，它有自己的计算机接口，能直接受计算机控制，其压力腔内可填充水，液压缸体中的液体通过移动活塞加压和产生位移，活塞由滚珠驱使，滚珠采用球形螺帽，活塞与在球形滑板上做往复动的电动马达和齿轮箱栓在一起，压力由一个可积分的固态传感器测定，控制算法是编入机内微处理器中的，使控制器寻找到目标压力或步进到一个目标体积变化，体积变化是通过步进马达的步数来测量的，使用该控制器能够精确测量围压室内的液体压力和液体体积变化。

进行试验前，先将橡胶模套住凸起和透水石层10，然后向橡胶模内装土，直至土体深度达到试验设定值，再用加压板5压住土体，此时，加压板5也被橡胶模包裹住，加压板5的大小形状与透水石层10相同，因此，具有弹性的橡胶模被凸起、透水石层10、土体和加压板5撑成长方体形状。在本发明的其他实施例中，透水石层10也可以设计为圆形，相应地，底座21上的凸起以及加压板5的形状也要设计为圆形，具有弹性的橡胶模被凸起、透水石层10、土体和加压板5撑成圆柱体形状。加压板5上方具有一个带有凹槽的凸台结构，凹槽刚好与传力杆3下端部的球形头相契合，便于传力杆3将压力施加到加压板5上，从而给土体竖向加压。加压板的两侧都开设有长条状的通槽，通过两个通槽分别向土体中插入单面注气板13和排水板16。注气板内部具有中空的输气通道，侧壁面上有出气孔，本发明采用单面注气板13，只在内侧即朝向土体中心的一侧具有出气孔，使注入的气体充分进入土体。

开始试验时，向集水箱20内有机玻璃板与集土装置6之间的空间即围压室内加水，然后盖上顶盖19，顶盖19两侧与加压板5相应的位置开设有通孔，可以容许连接单面注气板13和排水板16的通气管道和排水管道穿出顶盖19，分别连接空气压缩机15和水-气分离器17，再将水-气分离器17与真空泵18相连。根据预设的土体深度和所需应力状态，计算得出相应的围压值和竖向压力值，再根据相应的围压值和竖向压力值，调整围压控制器9和增减砝码22，打开控制阀12，使土体进行排水固结，直到土体达到预设的应力状态。

根据需要，该试验系统可以进行堆载预压试验，真空预压试验，真空—堆载联合预压试验和注气增压式真空预压试验。

如需进行堆载试验，则关闭控制阀12，根据试验设定，增添相应质量砝码22，通过竖向压力控制系统，向土体施加堆载压力，此时土体在堆载作用下再次进行固结，水体将从排水板16排除，并记录所需相关数据。试验完毕后，对土体进行卸载，卸载之后可取出土体，进行后续加固效果检测的相关试验。

如需进行真空预压试验，则关闭控制阀12，打开真空泵18，进行真空预压试验，此时土体将在真空压力作用下再次进行固结，水体会从排水板排除，并记录所需相关数据。试验完毕后，关闭真空泵，对土体进行卸载，之后可取出土体，进行后续加固效果检测的相关试验。

如需进行真空—堆载联合预压试验，则控制阀12，根据试验设定，增添相应质量砝码22，通过竖向压力控制系统，向土体施加堆载压力，同时打开真空泵18，此时土体在真空压力和堆载压力的联合作用下将再次进行固结，水体会从排水板16排除，并记录所需相关数据。试验完毕后，关闭真空泵18，对土体进行卸载，之后可取出土体，进行后续加固效果检测的相关试验。

如需进行注气增压式真空预压试验，则关闭控制阀12，打开真空泵18，此时土体在真空压力作用下将再次进行固结，水体会从排水板16排除，并记录所需相关数据。待真空预压试验的排水量明显下降时，打开空气压缩机15，根据所需要的注气压力，调整调压阀14，将气体注入到土体当中，注入规定时间的气体后，关闭空气压缩机15，记录所需的相关数据。采用间歇式注气增压，根据试验设定，在间隔一定时间后再进行注气增压操作。试验完毕后，关闭真空泵18，对土体进行卸载，之后可取出土体，进行后续加固效果检测的相关试验。

以上的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。