專利名稱：一種室內真空電滲聯合固結試驗儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種試驗裝置，特別涉及一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，可對不同的土體開展真空電滲聯合或者單獨作用的室內探索試驗。
背景技術：
近年來，隨著我國經濟建設的不斷發展，沿海各種工業園區、人工島(飛機場)、旅游勝地等工程越來越多，例如澳門國際機場和香港國際機場的建設。在城市內，地鐵和高鐵技術也得到了快速的發展和廣泛的應用。所有這些實際工程都面臨著一個重大的問題，那就是軟粘土地基的處理問題。除此之外，近年來越來越受到關注的尾礦、污泥等的處理也成為一個難題。軟粘土、尾礦、污泥這一類土，含水量高、孔隙比大、滲透性小，對工程建設會造成很大的安全隱患，必須采取措施進行排水固結。采用傳統的排水固結法如堆載預壓固結等方法，初期效果可能比較明顯，但是后期效果不好，沉降緩慢，因此必須要有一種更有效的地基處理方法來適應經濟的快速發展。真空預壓法是一種有效的地基處理方法，1952年由瑞典學者Kjellman教授提出， 之后被各國學者關注，在實際工程中也有較多的應用。相對于傳統的堆載預壓方法，真空預壓法具有操作方便并且不會引起土體剪切破壞的優勢。近年來，Indraratna, Shang, Chu, 龔曉南、劉漢龍等人對真空預壓法進行了更加深入的研究，使其理論日趨完善，并開發了相關有限元數值計算模型，逐步應用到實際工程中。實際應用真空預壓法時，所采用的方法是首先在待處理地基中打入塑料排水板，一般呈正方形或者三角形布置，隨后在地基上鋪上砂墊層，緊接著鋪上密封膜，密封膜在地基邊界處引入到粘土漿中進行密封。在砂墊層中插入真空泵的導管，隨后開始抽真空，從而在地基表面的砂墊層和豎直打入的塑料排水板中形成真空區域，實際應用中，真空壓力可以達到80 90kPa。在真空作用下，地基中的水會由邊界向真空區域流動，到達砂墊層中或者塑料排水管中后再被抽出，從而達到排水固結效果。由于真空作用下，地基中形成負的超靜孔壓，而總應力是不變的，因此不會引起土體剪切破壞。但是，實際應用時發現，采用真空預壓法處理后的地基，在靠近塑料排水板處沉降較大，而邊界處沉降較小，會引起不均勻沉降。電滲現象早在1809年就被俄國學者Reuss發現，1938年Cassagrand首次將電滲法應用在實際工程中。在電滲的理論研究方面，ESrig，Wan和Mitchell等人發展了電滲的一維固結理論。我國在20世紀50年代末期對電滲降水和地基加固進行了試驗研究，并在實踐方面也取得了良好的效果。研究發現，土的水力滲透系數能夠從砂土的10_4cm/s變化到粘土的10_9cm/s。當土的水力滲透系數小于10_7m/s時，采用傳統的排水法如預壓堆載法等對地基進行處理會變得很困難。而土體的電滲透系數基本落在10_5 10_4cm2/V 的較窄范圍內，這種低滲透率的土體就非常適合用電滲法進行處理。在實際應用時，電滲法的操作與真空預壓法相似，在地基中打入電滲管，一般呈正方形或者三角形布置，陰陽極交替。 隨后，施加電壓，進行電滲。由于土顆粒一般帶負電，其外圍會吸引陽離子，在外加電場作用下，陽離子會拖曳水分子從陽極向陰極運動。因此，電滲時，水不斷由陽極向陰極運動，最后再陰極處被排出，達到排水固結效果。理論、數值、室內試驗的結果分析均表明，電滲時，土體內也會形成負超靜孔壓，陽極處最大，陰極處為0，相應地，沉降在陽極處最大，陰極處相對較小。根據以上分析，如果將真空和電滲方法聯合使用，將會在土體中形成更大的負超靜孔壓，達到更好的排水固結效果。可以預想，真空與電滲聯合作用時，不僅可以有效對軟粘土、尾礦、污泥等工程性質較差的土體進行排水固結，而且可以通過合理布置陰陽兩極的位置使得地基表面的沉降更加均勻，是一種前景良好的地基處理方法，筆者已進行的數值研究已經驗證了這一點，國內也已經有應用真空電滲聯合預壓固結的工程實例。然而，目前對真空電滲聯合固結法的研究相對較少，對其內部作用機理以及工程實踐中的設計問題研究不夠透徹，實際應用時多是依靠設計人員的經驗來確定相關參數。 目前已有的室內真空電滲試驗儀器不能準確的反映實際工程中土體受力變形的情況，無法對土體內部不同位置的超靜孔隙水壓力發展、表面沉降發展、土層內部不同徑向和深度處的沉降發展、土層電阻變化等情況進行監測，這使得研究人員無法準確的把握真空電滲聯合固結時土樣內部的應力和變形情況，無法準確獲得相關的設計計算參數。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，可以對不同土體試樣開展真空電滲聯合或者單獨作用的室內探索試驗，同時能對過程中土樣內的各項參數的實時變化情況進行監測，對固結效果進行定量分析。為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，包括上層為土樣層11和下層為蓄水層20的主筒，主筒周圍布置有陽極鐵絲15并與主筒內徑相同且主筒位置上、中、下三處的電極圈 16連接，主筒的土樣層11和蓄水層20通過豎向排水管19連通，豎向排水管19外包裹一層土工布13，土工布13外纏繞有陰極鐵絲14，陰陽極鐵絲、電流表17及電源18串聯形成回路；主筒上部設置有頂板8，頂板8上呈中心對稱開有四排導孔沈分別穿有孔壓傳感器5、電勢傳感器6、表面沉降標27和分層沉降標觀，孔壓傳感器5經孔壓數據采集儀3與電腦1相連，電勢傳感器6經電勢數據采集儀4與電腦1相連；主筒下層的蓄水層20通過蓄水層導管21與氣水分離裝置23相連通，氣水分離裝置23上部連通有真空儀表M和真空泵25。所述的豎向排水管19上設置有排水孔12。所述的氣水分離裝置23上帶有刻度。所述的主筒、豎向排水管19和頂板8由絕緣的有機玻璃制成。所述的氣水分離裝置23與真空泵25之間連接一閥門。所述的土樣層11上層鋪有砂墊層10和密封膜9，砂墊層10與豎向排水管19頂部接觸，密封膜9鋪設在砂墊層10之上，繞過主筒邊壁后向下貼于主筒外壁上，密封膜9在砂墊層10表面預留適應土樣沉降的長度。本發明具有以下功能及特點1、能夠對不同試樣進行電滲試驗、真空試驗、真空電滲聯合固結試驗，以及先真空預壓后電滲固結的試驗。2、試驗中能實時監測各項參數，主要包括孔壓、電勢、出水量、表面沉降、分層沉降、電流。對出水量、沉降的觀測結果能對試驗效果進行定量評價，對電流的觀測結果能對能耗進行定量評價，對電勢和孔壓的觀測能對真空或電滲的影響進行評價。3、孔壓、電勢的監測通過傳感器和采集儀連接到電腦進行記錄，自動化程度高。表面沉降、分層沉降、電流、出水量的監測手段可靠，在沉降標、氣水分離裝置上有相應刻度， 雖然需要人工讀數，但是操作簡單方便，數據較為可靠。4、該儀器中土樣為軸對稱形式，其各個徑向上的滲流、應力、應變情況均相同，不同徑向上具有相同半徑位置和深度位置的點，其滲流和受力情況相同。因此，在不同徑向上對相同半徑和深度的點進行監測，實際上就同時得到了該點的孔壓、電勢、沉降數據。另外， 根據需要可以在頂板上增加開孔數，以穿過更多的傳感器和沉降標。5、除固結試驗之外，該儀器也可用來進行對被污染土樣的電動力學修復試驗，可通過插入污染物濃度測量裝置，對電滲中污染物濃度的變化進行監測，分析電滲在處理被污染土樣中的作用，通過分析氣水分離裝置中水的化學成分，可以分析污染物排出的效率等問題。


圖1是本發明X-Z方向示意圖。圖2是本發明Y-Z方向示意圖。圖3是本發明X-Y方向示意圖。圖4是本發明的頂板8俯視圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。參照圖1、圖3，一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，包括上層為土樣層11和下層為蓄水層20的主筒，主筒周圍布置有32根豎向陽極鐵絲15，并與主筒內徑相同且主筒位置上、中、下三處的電極圈16連接，主筒的土樣層11和蓄水層20通過豎向排水管19連通，豎向排水管19外包裹一層土工布13，防止土樣進入排水管，土工布13外纏繞有陰極鐵絲14， 陰陽極鐵絲、電流表17及電源18串聯形成回路，可監測土樣內電流，電極材料為鐵絲或銅絲等導電金屬材料，陽極鐵絲15也可用石墨棒替代。參照圖1、圖2和圖4，主筒上部設置有頂板8，頂板8上呈中心對稱開有四排導孔 26分別穿有孔壓傳感器5、電勢傳感器6、表面沉降標27和分層沉降觀，表面沉降標27上的刻度也使得沉降數據的讀取簡單方便，分層沉降標觀可以監測處理過程中土樣中不同位置處的實時分層沉降。具體方式為頂板上8呈中心對稱地開有4排導孔沈，每排5個。第一排導孔用來穿過并固定孔壓傳感器5，孔壓傳感器6穿過頂板8、密封膜9、砂墊層10布置于土樣7中的不同徑向和深度位置，孔壓傳感器6與密封膜9相穿處用玻璃膠進行密封；第二排導孔用來穿過并固定電勢傳感器，電勢傳感器穿過頂板、密封膜、砂墊層布置于土樣中的不同徑向位置，電勢傳感器與密封膜相穿處用玻璃膠進行密封。第三排的5個導孔穿過5個表面沉降標27，表面沉降標27穿過頂板8、密封膜9、砂墊層10之后放置于土樣上方，用以監測土樣表面的實時沉降；第四排的5個導孔穿過分層沉降標觀，這5個分層沉降標觀穿過頂板 8、密封膜9、砂墊層10之后繼續穿入土中一定深度處，用以監測土樣內部的實時沉降，沉降標與密封膜相穿處用玻璃膠密封。沉降標是一種表面有刻度的有機玻璃棒，其底部為圓球狀，以方便將其固定于土中。參照圖1，孔壓傳感器5經孔壓數據采集儀3通過導線2與電腦1相連，電勢傳感器6經電勢數據采集儀4通過導線2與電腦1相連，可自動記錄采集數據。；參照圖1，主筒下層的蓄水層20通過蓄水層導管21與氣水分離裝置23相連通，氣水分離裝置23上部通過膠皮管22連通有真空儀表M和真空泵25，工作時形成真空泵-氣水分離裝置-主筒蓄水層-豎向排水管-主筒土樣層-砂墊層的連接體，保證真空可以作用到土樣上，以監測土樣內真空度。參照圖1，所述的豎向排水管19上設置有排水孔12。參照圖1，所述的氣水分離裝置23上帶有刻度，可方便測量某時刻的出水量。所述的主筒、豎向排水管19和頂板8由絕緣的有機玻璃制成，可以保證電滲的進行。所述的氣水分離裝置23與真空泵25之間連接一閥門，從而控制所施加真空度的大小。所述的土樣層11上層鋪有砂墊層10和密封膜9，砂墊層10與豎向排水管19頂部接觸，使得土樣表面和中間豎向排水管內均為真空區域。密封膜9鋪設在砂墊層10之上， 繞過主筒邊壁后向下貼于主筒外壁上，達到密封效果，密封膜9在砂墊層10表面預留適應土樣沉降的長度。本發明的工作原理為在試驗主筒土樣層11中填入待處理土樣7至與豎向排水管19頂部齊高，在土樣 7上部填入砂墊層10，在砂墊層上方緊貼鋪一層密封膜9并繞過主筒邊壁之后向下貼于主筒外壁，鋪密封膜9時，在砂墊層上預留一部分，以適應土樣的沉降，接著將孔壓傳感器5、 電勢傳感器6、表面沉降標27和分層沉降標觀穿過密封膜9和砂墊層10布置于土樣中不同徑向和深度處，與密封膜相穿處均用玻璃膠；檢查完線路無誤后，按照試驗計劃施加一定電壓，打開真空泵25，調整閥門使試樣中真空壓力為計劃真空壓力。試驗過程中，隨時檢測孔壓、電勢數據，若有問題，及時調整。圖中1.電腦，2.導線，3.孔壓數據采集儀，4.電勢數據采集儀，5.孔壓傳感器，6.電勢傳感器，7. 土樣，8.頂板，9.密封膜，10.砂墊層，11.主筒土樣層，12.排水孔， 13. 土工布，14.陰極鐵絲，15.陽極鐵絲，16.電極圈17.電流表，18.電源，19.豎向排水管，20.主筒蓄水層，21.蓄水層導管，22.膠皮管，23.氣水分離裝置，24.真空儀表，25.真空泵，26.導孔，27.表面沉降標，28.分層沉降標。
權利要求
1.一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，其特征在于，包括上層為土樣層(11)和下層為蓄水層00)的主筒，主筒周圍布置有陽極鐵絲(1 并與主筒內徑相同且主筒位置上、中、 下三處的電極圈(16)連接，主筒的土樣層(11)和蓄水層OO)通過豎向排水管(19)連通， 豎向排水管(19)外包裹一層土工布(13)，土工布(1 外纏繞有陰極鐵絲(14)，陰陽極鐵絲、電流表(17)及電源(18)串聯形成回路；主筒上部設置有頂板(8)，頂板(8)上呈中心對稱開有四排導孔06)分別穿有孔壓傳感器(5)、電勢傳感器(6)、表面沉降標(XT)和分層沉降標( )，孔壓傳感器( 經孔壓數據采集儀⑶與電腦⑴相連，電勢傳感器(6)經電勢數據采集儀⑷與電腦⑴相連；主筒下層的蓄水層OO)通過蓄水層導管與氣水分離裝置相連通，氣水分離裝置03)上部連通有真空儀表04)和真空泵05)。
2.根據權利要求1所述的一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，其特征在于，所述的豎向排水管(19)上設置有排水孔(12)。
3.根據權利要求1所述的一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，其特征在于，所述的氣水分離裝置上帶有刻度。
4.根據權利要求1所述的一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，其特征在于，所述的主筒、豎向排水管(19)和頂板(8)由絕緣的有機玻璃制成。
5.根據權利要求1所述的一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，其特征在于，所述的氣水分離裝置03)與真空泵05)之間連接一閥門。
6.根據權利要求1所述的一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，其特征在于，所述的土樣層(U)上層鋪有砂墊層(10)和密封膜(9)，砂墊層(10)與豎向排水管(19)頂部接觸， 密封膜(9)鋪設在砂墊層(10)之上，繞過主筒邊壁后向下貼于主筒外壁上，密封膜(9)在砂墊層(10)表面預留適應土樣沉降的長度。
全文摘要
一種室內真空電滲聯合固結試驗儀，主筒周圍布置有陽極鐵絲并與電極圈連接，主筒的土樣層和蓄水層通過豎向排水管連通，豎向排水管外包裹一層土工布，土工布外纏繞有陰極鐵絲，陰陽極鐵絲、電流表及電源串聯形成回路；主筒上部頂板上呈中心對稱開有四排導孔分別穿有孔壓傳感器、電勢傳感器、表面沉降標和分層沉降標，傳感器經采集儀與電腦相連，主筒下層的蓄水層與氣水分離裝置相連通，氣水分離裝置上部連通有真空儀表和真空泵；本發明可以對不同土體試樣開展真空電滲聯合或者單獨作用的室內探索試驗，同時能對過程中土樣內的各項參數的實時變化情況進行監測，對固結效果進行定量分析。
文檔編號G01N27/00GK102565139SQ20121000683
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者吳輝, 羅偉韜, 胡黎明 申請人:清華大學