[发明专利]一种室内真空电渗联合固结试验仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别涉及一种室内真空电渗联合固结试验仪，可对不同的土体开展真空电渗联合或者单独作用的室内探索试验。

背景技术

近年来，随着我国经济建设的不断发展，沿海各种工业园区、人工岛(飞机场)、旅游胜地等工程越来越多，例如澳门国际机场和香港国际机场的建设。在城市内，地铁和高铁技术也得到了快速的发展和广泛的应用。所有这些实际工程都面临着一个重大的问题，那就是软粘土地基的处理问题。除此之外，近年来越来越受到关注的尾矿、污泥等的处理也成为一个难题。软粘土、尾矿、污泥这一类土，含水量高、孔隙比大、渗透性小，对工程建设会造成很大的安全隐患，必须采取措施进行排水固结。采用传统的排水固结法如堆载预压固结等方法，初期效果可能比较明显，但是后期效果不好，沉降缓慢，因此必须要有一种更有效的地基处理方法来适应经济的快速发展。

真空预压法是一种有效的地基处理方法，1952年由瑞典学者Kjellman教授提出，之后被各国学者关注，在实际工程中也有较多的应用。相对于传统的堆载预压方法，真空预压法具有操作方便并且不会引起土体剪切破坏的优势。近年来，Indraratna、Shang、Chu、龚晓南、刘汉龙等人对真空预压法进行了更加深入的研究，使其理论日趋完善，并开发了相关有限元数值计算模型，逐步应用到实际工程中。实际应用真空预压法时，所采用的方法是：首先在待处理地基中打入塑料排水板，一般呈正方形或者三角形布置，随后在地基上铺上砂垫层，紧接着铺上密封膜，密封膜在地基边界处引入到粘土浆中进行密封。在砂垫层中插入真空泵的导管，随后开始抽真空，从而在地基表面的砂垫层和竖直打入的塑料排水板中形成真空区域，实际应用中，真空压力可以达到80～90kPa。在真空作用下，地基中的水会由边界向真空区域流动，到达砂垫层中或者塑料排水管中后再被抽出，从而达到排水固结效果。由于真空作用下，地基中形成负的超静孔压，而总应力是不变的，因此不会引起土体剪切破坏。但是，实际应用时发现，采用真空预压法处理后的地基，在靠近塑料排水板处沉降较大，而边界处沉降较小，会引起不均匀沉降。

电渗现象早在1809年就被俄国学者Reuss发现，1938年Cassagrand首次将电渗法应用在实际工程中。在电渗的理论研究方面，Esrig，Wan和Mitchell等人发展了电渗的一维固结理论。我国在20世纪50年代末期对电渗降水和地基加固进行了试验研究，并在实践方面也取得了良好的效果。研究发现，土的水力渗透系数能够从砂土的10^-4cm/s变化到粘土的10^-9cm/s。当土的水力渗透系数小于10^-7m/s时，采用传统的排水法如预压堆载法等对地基进行处理会变得很困难。而土体的电渗透系数基本落在10^-5～10^-4cm²/v·s的较窄范围内，这种低渗透率的土体就非常适合用电渗法进行处理。在实际应用时，电渗法的操作与真空预压法相似，在地基中打入电渗管，一般呈正方形或者三角形布置，阴阳极交替。随后，施加电压，进行电渗。由于土颗粒一般带负电，其外围会吸引阳离子，在外加电场作用下，阳离子会拖曳水分子从阳极向阴极运动。因此，电渗时，水不断由阳极向阴极运动，最后再阴极处被排出，达到排水固结效果。理论、数值、室内试验的结果分析均表明，电渗时，土体内也会形成负超静孔压，阳极处最大，阴极处为0，相应地，沉降在阳极处最大，阴极处相对较小。

根据以上分析，如果将真空和电渗方法联合使用，将会在土体中形成更大的负超静孔压，达到更好的排水固结效果。可以预想，真空与电渗联合作用时，不仅可以有效对软粘土、尾矿、污泥等工程性质较差的土体进行排水固结，而且可以通过合理布置阴阳两极的位置使得地基表面的沉降更加均匀，是一种前景良好的地基处理方法，笔者已进行的数值研究已经验证了这一点，国内也已经有应用真空电渗联合预压固结的工程实例。

然而，目前对真空电渗联合固结法的研究相对较少，对其内部作用机理以及工程实践中的设计问题研究不够透彻，实际应用时多是依靠设计人员的经验来确定相关参数。目前已有的室内真空电渗试验仪器不能准确的反映实际工程中土体受力变形的情况，无法对土体内部不同位置的超静孔隙水压力发展、表面沉降发展、土层内部不同径向和深度处的沉降发展、土层电阻变化等情况进行监测，这使得研究人员无法准确的把握真空电渗联合固结时土样内部的应力和变形情况，无法准确获得相关的设计计算参数。

发明内容