一种研究电渗固结处理软土地基的大型模型试验箱

摘要

本发明涉及一种新型的电渗固结处理软土地基的模型箱试验装置。可以通过试验装置的开孔设置、尺寸设置、强度设置、试验中的装置安装以及试验过程控制中可采用多种处理手段更接近实际情况的模拟电渗固结加固软土地基。模型箱可模拟电渗固结与堆载预压、真空预压、强夯等多种地基处理技术联合使用进行地基处理。模型箱除具备了传统电渗固结试验装置控制通电、适用不同电极材料、控制土样本身性状的功能外，全面考虑了各种不同的电极布置形式及电极转换技术的应用。经济、简单与多功能是该模型箱的主要特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的电渗固结处理软土地基的模型箱试验装置，可模拟电渗固结与堆载预压、真空预压、强夯等多种地基处理技术联合使用进行地基处理并全面考虑多种因素的影响。

背景技术

在土样中通以直流电，在电场作用下，土中水易与阳离子结合形成水化阳离子并流向阴极，这种现象即为电渗。如果将汇集于阴极的水分及时排出，就可以不断降低土的含水率，因此电渗可以用于对地基进行加固处理。Casagrande于1939年第一次将电渗技术应用于岩土工程中，后来各国学者在其加固机理与应用方面开展了大量的研究工作。电渗法具有对细颗粒、低渗透性土有良好的加固效果等优点。 

随着我国沿海地区经济的快速发展，土地资源日益紧张，利用港池和航道疏浚土吹填造陆后再进行地基加固已经成为缓解土地资源紧张的主要手段。疏浚土往往具有细颗粒、高塑性、低渗透等特性，采用常规排水固结法加固这种地基时，加固后产生很大的沉降，但强度较小，加固效果并非十分理想，因此电渗法有望成为此种土的有效加固方法。

在本发明之前，电渗固结处理软土地基试验过程中用到的主要是有机玻璃箱与有机玻璃筒两种形式。有机玻璃筒的形式过于单一，只能对电极圆形同轴布置以及电极上下平行布置的情况加以考虑。以往的有机玻璃箱不能考虑电极圆形同轴布置的情况，且往往受到试验所使用的电源装置的限制所采用的尺寸偏小。在实际试验过程中，以往有机玻璃箱的使用很少进行应用电极转换技术的试验研究，更多的是单纯的进行理论分析，这种电极转换技术的应用往往却是电渗固结处理软土地基时能够达到显著效果的有效方法。以上两种试验模型箱对电极布置形式的选择考虑的都不够全面，不能做到对圆柱状电极与平板式电极应用不同排水方式的对比分析，且不能做到对正负电极圆形同轴布置与平行布置形式的对比分析等。

在本发明之前，国内外对电渗固结与堆载预压、真空预压、强夯等其它地基处理方式联合应用的试验装置普遍存在着功能单一、成品设备复杂昂贵、与工程实践中实际的地基处理情况区别较大的缺点，不能经济合理的反映真实的情况。于是有必要发明一种新型简单的电渗固结模型箱，实现电渗固结与堆载预压、真空预压、强夯等其它地基处理方式联合应用，进行多种方法加固软土地基的机理分析，并探索相关的施工工法、相关的实用技术。

在本发明之前，曹永华等发明的一种多功能土壤电渗固结仪，能够对土壤进行电渗固结、加载固结或电渗与加载的联合固结试验，能够对试验中的主要参数进行实时监测，并能对加固土体的电阻率和电渗透系数进行测定。但这台仪器主要用于电渗固结的机理分析，仪器虽然在土体中形成均匀稳定的一维电场，使电渗方向、排水方向和土体变形方向一致，符合一维电渗固结理论，能够方便计算和分析，但与实际工程中电极垂直插入土体进行软土固结处理存在差异，且一维电渗固结理论与实际的电渗固结机理也存在一定的差异。于是有必要在此基础上发明一种新型简单的电渗固结模型箱更好的模拟工程实际情况，全面实际的探索相关施工工法、相关实用技术以及进行电渗法加固软土地基的机理分析。

在电渗加固中，全面考虑地基自身因素、电极使用因素、通电控制因素及多种地基处理方法联合使用因素对电渗固结加固软土地基的影响与效果，得出运用电渗固结处理技术进行地基处理时的相关实用技术及相关施工方案具有实用性并能够创造良好的经济效益。模型箱试验的目的在于确定运用电渗固结技术处理软土地基的适用情况以及运用时可采取的相关实用技术，从而合理的推广这项地基处理技术。本发明便能够提供全面的控制手段进行室内试验研究，探索涉及通电控制、电极选用、土样预处理以及多种地基处理方法联合应用的施工工法与相关实用技术。

发明内容

本发明的目的就在于开发一种简单的新型的电渗固结处理软土地基的模型箱试验装置，可模拟电渗固结与堆载预压、真空预压、强夯等多种地基处理方法联合使用的情况，并全面考虑地基自身因素、电极使用因素、通电控制因素对电渗固结加固软土地基的影响与效果，得出运用电渗固结处理技术进行地基处理时的相关实用技术及相关施工工法。

本发明的技术方案是：

 通过模型箱上的开孔设置、尺寸设置、强度设置、试验中的装置安装以及试验过程控制中可采用多种处理手段，实现对电极转换、电极布置形式、电极材料选择、排水方式选择、通电控制、地基土样预处理等多种因素的影响进行分析，以及通过安装堆载与量测装置、真空预压与量测装置、强夯与量测装置进行电渗固结与多种地基处理方法联合作用的试验研究，通过对实施不同试验方案后所得试验数据的分析与处理，得到相关实用的试验结论和施工方案。

实验过程中在模型箱两端的两排开孔中可插入钢筋、钢管等圆管形式的电极，并通过捆绑土工格栅、土样掩埋固定等形式实现电极垂直固定，将底板处两端开孔作为排水孔；实验过程中在模型箱两端的两排开孔位置可插入金属网、打孔金属板等平面板式的电极，并通过捆绑土工格栅、土样掩埋固定等形式实现电极垂直固定，将底板处两端开孔或侧板上的开孔作为排水孔。

实验过程中关闭底板处一端原先打开的阀门并打开底板处原先关闭的阀门变换排水口，同时将电源正负极的输出做极性转换，实现室内电渗试验电极转换的试验研究；在实验过程中通过对电源间隔一段时间的关闭与打开，实现室内电渗试验过程中间歇通电的试验研究。

在底板中心的开孔位置将可自由装卸两端开口的有机玻璃筒状隔板通过塑料薄膜与玻璃胶与中心孔同轴固定密封，形成一个有机玻璃筒模型箱，可进行电极圆形同轴布置或上下平行布置的室内试验研究，并可将试验结果与电极左右平行布置时所得结果进行对比研究。

将模型箱侧面板上的开孔用作真空预压时的抽气孔与抽气设备连接，并与在模型箱开口处进行抽气设备连接进行比较，从而模拟实际工程中采用不同方位抽气进行真空预压时软土固结效果的比较；模型箱侧面板上的开孔设置可在采用平面板电极形式时用作排水孔进行侧面排水，与采用底板处排水孔进行垂直排水做比较，从而模拟比较实际工程中采用不同排水方式时的软土固结效果。

模型箱的内部长宽高尺寸为1200mm×600mm×600mm，其尺寸设置上长为宽的两倍且底板处第二排孔位于底板中心，在底板中心的开孔位置一侧将可自由装卸的有机玻璃平面状中间隔板通过塑料薄膜与玻璃胶垂直固定密封，形成一个两排排水孔间距较原模型箱两端排水孔尺寸减半的新模型箱，并与原模型箱进行相同试验方案的室内试验研究，从而进行尺寸效应的分析，模拟比较实际工程中电极间距不同时所形成的不同施工工法的处理效果。

模型箱采用一定厚度（底板为19mm厚、侧壁15mm厚）的钢化玻璃材料制作，可满足堆载预压、真空预压以及强夯等作用所形成的荷载冲击并保持绝缘性能。在侧板开孔处或模型箱开口处通过塑料管与插入土体中的塑料排水板或预先设置的砂井相连后进行密封，再连接到模型箱外部的抽真空设备构成真空预压装置，可与电渗固结技术联合作用进行室内试验研究；在模型箱开口处的土样表面覆盖加载板，通过砝码加载或千斤顶加载的形式进行堆载，将堆载预压与电渗固结技术联合作用进行室内试验研究；在土样表面根据实验方案选择夯击点，并利用模型实验中可用的小夯锤进行夯击，将强夯与电渗固结技术联合作用进行室内试验研究。所述试验装置包括开有与所述模型箱底板开孔位置相对应的三排长方形孔洞的钢架底座。

模型箱在使用过程中能够实现传统模型箱试验中控制通电、选用不同电极材料进行对比、对地基土本身进行预处理及性状量测（通过安装位移计，预埋压力盒、孔压计，插入电势测针等量测装置）等一般性的试验研究。

附图说明

图1——现有技术的电渗仪示意图。

图2——本发明装置总体布置正视图。

图3——本发明装置开孔构造示意图。

图4——本发明装置隔板安装正视图。

图5——本发明装置隔板安装俯视图。

图6——本发明装置侧板开孔示意图。

图7——本发明装置底座开孔俯视图。

图8a——有机玻璃隔板安装接头处立体示意图。

图8b——有机玻璃隔板安装接头处剖面示意图。

图中：1、钢化玻璃模型箱，2、电极，3、侧板开孔，4、底板开孔，5、钢制加载板，6、位移计，7、砝码，8、导线，9、塑料排水板，10、排水抽气管，11、水气分离烧瓶，12、真空泵，13、底座，14、小夯锤，15、土样，16、有机玻璃平面状中间隔板，17、有机玻璃桶状隔板，18、底座开孔，19、螺帽，20、阀门，21、玻璃胶，22、塑料薄膜。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行详细的描述。

实验过程中在钢化玻璃模型箱1两端的底板开孔4中插入电极2可选用钢筋、钢管等圆管形式，并通过捆绑土工格栅、采用土样15掩埋固定等形式实现电极2垂直固定，将底板处两端开孔4作为排水孔；实验过程中在模型箱1两端的两排开孔4位置插入电极2可选用金属网、打孔金属板等平面板形式，并通过捆绑土工格栅、采用土样15掩埋固定等形式实现电极2垂直固定，将底板处两端开孔4或侧板上的开孔3作为排水孔。

实验过程中关闭底板处一端开孔4原先打开的阀门20并打开底板另一端开孔4处原先关闭的阀门20变换排水口，同时将电源正负极的输出做极性转换实现室内电渗试验中电极转换的试验研究；在实验过程中通过对电源间隔一段时间的关闭与打开实现室内电渗试验过程中间歇通电的试验研究。模型箱开孔处的构造如图3所示，利用玻璃胶将螺帽固定在开孔处，将可调节开关的阀门包裹生胶带拧入螺帽进行固定密封。

在底板中心开孔4的位置将可自由装卸两端开口的有机玻璃筒状隔板17通过塑料薄膜与玻璃胶与中心孔4同轴固定密封，形成一个有机玻璃筒模型箱可进行电极圆形同轴布置或上下平行布置的室内试验研究，并可将试验结果与电极左右平行布置时所得结果进行对比研究。试验中，密封处的玻璃胶21与塑料薄膜22满足防渗要求即可，试验操作中将隔离后形成的两个土样室均装土样，以实现桶状隔板受力平衡，保证桶状隔板不因受力过大而发生变形与损坏。试验后，可将玻璃胶铲除，恢复模型箱1原本构造。

将模型箱1侧面板上的开孔3用作真空预压时的抽气孔与抽气设备9、10、11、12连接，并与在模型箱开口处进行抽气设备9、10、11、12连接进行比较，从而模拟实际工程中采用不同方位抽气进行真空预压时软土固结效果的比较；模型箱侧面板上的开孔设置3可在电极2采用平面板形式时用作排水孔进行侧面排水，与采用底板处开孔4用作排水孔进行垂直排水做比较，从而模拟比较实际工程中采用不同排水方式时的软土固结效果。

模型箱1的内部长宽高尺寸为1200mm×600mm×600mm，其尺寸设置上长为宽的两倍且底板处第二排孔4位于底板中心，在底板中心的开孔位置一侧将可自由装卸的有机玻璃平面状中间隔板16通过塑料薄膜22与玻璃胶21垂直固定密封，形成一个两排排水孔间距较原模型箱两端排水孔尺寸减半的新模型箱，并与原模型箱进行相同试验方案的室内试验研究，从而进行尺寸效应的分析，模拟比较实际工程中电极间距不同时所形成的不同施工工法的处理效果。试验中，密封处的玻璃胶21与塑料薄膜22满足防渗要求即可，试验操作中将隔离后形成的两个土样室均装土样，以实现平面状中间隔板受力平衡，保证隔板不因受力过大而发生变形与损坏。试验后，可将玻璃胶铲除，恢复模型箱1原本构造。

模型箱1采用一定厚度的钢化玻璃材料制作可满足堆载预压、真空预压以及强夯等作用所形成的荷载冲击并保持绝缘性能。在侧板开孔处3或模型箱开口处通过塑料管10与插入土体中的塑料排水板9或预先设置的砂井相连后进行密封，再连接到模型箱外部的抽真空设备11、12，构成真空预压装置，可与电渗固结技术联合作用进行室内试验研究；在模型箱开口处的土样表面覆盖加载板5，通过砝码7加载或千斤顶加载的形式进行堆载，将堆载预压与电渗固结技术联合作用进行室内试验研究；在土样表面根据实验方案选择夯击点，并利用模型实验中可用的小夯锤14进行夯击，将强夯与电渗固结技术联合作用进行室内试验研究。

此处模型箱1中采用上述的有机玻璃平面状中间隔板16形成尺寸减半的新模型箱、采用有机玻璃桶状隔板17形成有机玻璃筒状模型箱以及采用钢制加载板5进行堆载预压的实验模拟是对原模型箱装置不同的安装改进方法，并非同时使用，有机玻璃平面状中间隔板16、有机玻璃桶状隔板17、钢制加载板5的使用均需首先恢复到模型箱1原本的构造，之后再进行单独的安装使用。

模型箱在使用过程中能够实现传统模型箱试验中控制通电、选用不同电极材料进行对比、对地基土本身进行预处理及性状量测（通过安装位移计6，预埋压力盒、孔压计，插入电势测针等量测装置）等一般性的试验研究。

具体操作过程如下：

 (1)将模型箱放置在底座上，并关闭所有阀门。根据试验方案确定是否进行模型箱隔板的安装。 

(2)插入电极并固定，打开阴极下方的阀门；将土样充分搅拌均匀，然后分层填入土样室；在装土过程中根据实验方案预埋压力盒、孔压计，插入电势测针，安装位移计、pH测针等量测装置；调试电压变、电流表等量测设备。

(3)根据试验方案确定真空预压装置、堆载预压装置、强夯装置的使用与安装。 

(4)将连接于电极的导线分别连接到直流电源的正负极通电，开始电渗加固。根据实验方案控制通电、真空预压、堆载预压与强夯的使用情况。 

(5)记录试验中不同时刻的电流、电压、孔隙水压力、电势分布、土样沉降、土样中排出的水等参数，并在试验中分时段分层取土量测土的抗剪强度等土性指标的变化。

(6)整理实验数据，并进行实验数据的分析处理，分析土样处理的实际效果与能量消耗等参数变化，探索电渗法处理软土地基的加固机理与实用的施工工法。