一种分布式排水边界真空堆载联合预压模型及试验方法与流程

本技术涉及岩土工程模型试验及软土地基处理，特别涉及一种分布式排水边界真空堆载联合预压模型及试验方法。

背景技术：

1、沿海地区、湖区及吹填造陆工程中广泛分布软土地基。该类土体通常具有含水率高、压缩性大、强度低、固结时间长等特点。工程建设前，常采用排水固结法提高软土地基强度并减小后期沉降。传统排水固结法通常在地基表面满铺砂垫层，并结合塑料排水板、砂井或其他竖向排水体形成排水通道。该方式在固结初期能够提供较强的排水能力，但随着固结过程推进，土体出水量逐渐减小，满布式砂垫层在固结中后期容易出现排水能力过剩和材料利用率偏低的问题。为协调土体出水需求与边界排水能力，分布式排水边界逐渐受到关注。该类边界通过在地基表面局部设置条状、交叉条状、块状或点阵式水平排水体，减少满铺砂垫层用量，并保留必要的排水通道。

2、透水管桩兼具一定承载作用和竖向排水作用。透水管桩通过桩壁透水通孔和桩体内部空腔，可为桩周土体提供径向汇水与竖向排水路径。若将透水管桩与分布式水平砂垫层相连通，可形成由桩周土体向透水管桩汇水，再由分布式砂垫层向外排出的立体排水体系。该体系可用于研究分布式排水边界与竖向排水体之间的协同固结机制。

3、现有固结模型试验装置仍存在以下不足：第一，分布式排水边界制备方式不够稳定。试验中若仅依赖人工铺砂，砂垫层形态、宽度、厚度和间距难以重复控制，不利于开展不同边界形式之间的对比试验。第二，透水管桩与水平砂垫层之间通常依靠桩顶开口与砂垫层直接接触实现连通。在固结沉降过程中，土体压缩、砂垫层局部变形或桩顶相对位移可能导致二者接触削弱，甚至出现局部脱开，使排水通道不连续。第三，真空与堆载联合加载时容易产生结构矛盾。传统方式多采用加载杆或压头穿过密封空间向土体施加荷载，固结沉降过程中运动部位容易形成密封薄弱点，影响真空度稳定。第四，分布式砂垫层属于非连续排水边界，其表面与未铺砂区域之间存在局部高差。若刚性压头直接作用于该类边界，容易造成局部应力集中，也可能引起柔性密封膜局部拉伸破坏。第五，现有孔压监测多采用预埋式测点，位置固定，难以根据透水管桩、砂垫层和未铺砂区域的相对位置灵活构建孔压监测网络。若采用后插式探针布设孔压测点，又需要考虑探针插入对初始孔压场造成的短时扰动。

4、因此，有必要提出一种可标准化制备分布式排水边界、可维持透水管桩与水平砂垫层稳定连通、可降低真空—堆载联合加载密封风险，并可开展孔压监测的固结模型试验装置。因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

技术实现思路

1、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

2、一种分布式排水边界真空堆载联合预压模型，其改进在于，所述预压模型包括：

3、模型箱1，模型箱1的底部设置底座4；在模型箱1侧壁上设置孔压监测系统；

4、透水管桩立体排水系统，包括至少一根竖向透水管桩7，竖直设置在底座4上；

5、软土试样10，填筑于模型箱1内；分布式水平砂垫层11，铺设在软土试样10表面；所述竖向透水管桩7的扩口集水接头35连通于所述分布式水平砂垫层11，使竖向透水管桩与分布式水平砂垫层形成连通的立体排水通道；

6、在分布式水平砂垫层11的上表面设置密封层；

7、压力加载机构，设置在密封层上；

8、真空抽取装置，与密封层连接。

9、优选的，所述孔压监测系统包括：孔压探针27包括不锈钢细管，通过传感器接口25均匀设置在模型箱1侧壁上，且水平插入所述软土试样10内部，用于监测不同空间位置的孔隙水压力变化；每个传感器接口25内嵌自密封隔膜26；孔压探针27的探测端为锥形减扰尖端28，锥形减扰尖端28后部嵌有孔压传感头29。

10、优选的，所述竖向透水管桩7为中空管状结构，所述竖向透水管桩的桩壁设有透水通孔8，竖向透水管桩的桩体外侧设置滤层9；在所述竖向透水管桩7的桩顶设置扩口集水接头；所述竖向透水管桩7的下端设有可拆卸桩尖；所述可拆卸桩尖包括用于模拟挤土沉桩的锥形闭口桩尖；还包括用于非挤土沉桩工况的平底闭口桩尖。

11、优选的，所述分布式水平砂垫层11由限厚定位模板制作；不同限厚定位模板上分别开设条状槽、交叉条状槽、块状槽、点阵槽或满布槽中的一种或多种，用于在同一模型箱1内形成不同形态的分布式水平排水边界。

12、优选的，所述扩口集水接头35包括倒锥形、喇叭形、扁平盘形或多孔扩口帽形结构，在扩口集水接头35外侧可包覆滤布。

13、优选的，所述密封层包括：在软土试样10和分布式水平砂垫层11表面铺设土工布作为过渡平整层13；在过渡平整层13上方铺设柔性密封膜14。

14、优选的，所述压力加载机构包括：依次设置于柔性密封膜上方的压力扩散薄垫18和面式加载刚性压头19；所述面式加载刚性压头19采用不锈钢压头；压头上开设孔道20，用于真空抽气管16穿出孔道20；面式加载刚性压头19上方依次连接传力杆21、荷载传感器22、液压千斤顶23和反力架24。

15、优选的，所述真空抽取装置包括：在砂垫层对应位置安装微型真空法兰15，连接真空抽气管16，经集气管31连接气水分离瓶32和可调压真空泵17；气水分离瓶32下方设置电子秤33，用于实时记录排水质量。

16、优选的，一种采用上述模型的试验方法，包括以下步骤：

17、步骤s1，组装刚性透明模型箱，并在模型箱内安装竖向透水管桩；

18、步骤s2，分层填筑软土试样，使竖向透水管桩埋设于软土试样中；

19、步骤s3，从一组可替换的限厚定位模板中选定一块，将其放置于软土试样表面，向模板开槽内填筑砂料并刮平，取出模板后形成预定形态的分布式水平砂垫层；

20、步骤s4，使竖向透水管桩顶端的扩口集水接头与分布式水平砂垫层连通；

21、步骤s5，在软土试样和分布式水平砂垫层表面依次铺设过渡平整层和柔性密封膜，并将柔性密封膜边缘密封固定于模型箱内壁；

22、步骤s6，在柔性密封膜上安装微型真空法兰，并连接真空抽气管、气水分离瓶和可调压真空泵；

23、步骤s7，在柔性密封膜上方依次铺设压力扩散薄垫和面式加载刚性压头，并安装机械推压装置，包括：依次连接传力杆21、荷载传感器22、液压千斤顶23和反力架24；

24、步骤s8，将孔压探针从模型箱侧壁的传感器接口插入软土试样内部，使孔压传感头到达预设监测点；

25、步骤s9，孔压探针插入后，在不施加真空和堆载的条件下进行静置恢复，待孔压传感头读数满足预设稳定判据后，开始正式加载试验；

26、步骤s10，启动可调压真空泵施加预设负压，启动机械推压装置施加预设堆载。

27、优选的，所述预设稳定判据为：各孔压传感头读数在连续观测时段内的波动幅度小于预设阈值；所述连续观测时段为3分钟至10分钟，所述预设阈值为0.05kpa至0.5kpa，或者为孔压传感头量程的0.2%至1%。

28、与最接近的现有技术相比，本技术实施例的技术方案具有如下有益效果：

29、本技术涉及的装置包括刚性透明模型箱、分布式排水边界定型系统、透水管桩立体排水系统、真空-堆载解耦加载系统和孔压监测系统。分布式排水边界定型系统采用一组可替换的限厚定位模板，通过更换不同开槽形式的模板，可在同一模型箱内制备条状、交叉条状、块状、点阵式或满布式水平砂垫层。透水管桩顶端设置扩口集水接头，所述扩口集水接头连通于分布式水平砂垫层，并在固结沉降过程中保持二者之间的接触连通，减小排水通道中断的可能性。真空-堆载解耦加载系统由过渡平整层、柔性密封膜、压力扩散薄垫和膜外面式加载刚性压头等组成，使真空加载通道与机械加载传力路径在结构上分开；其中，过渡平整层位于柔性密封膜下方，压力扩散薄垫位于柔性密封膜上方，二者共同缓和非连续排水边界引起的局部变形和应力集中。孔压监测系统通过侧壁孔压探针采集土体内部孔隙水压力变化，并在正式加载前设置探针扰动恢复判据。本发明可用于研究分布式排水边界形式、透水管桩布设方式以及真空-堆载配合条件对软土固结过程的影响。