一种软土排水与固结过程解耦的试验装置及方法

本发明涉及岩土工程，具体而言，涉及一种软土排水与固结过程解耦的试验装置及方法。

背景技术：

1、软土广泛分布于我国长三角、珠三角、环渤海等经济发达、人口密集的沿海及沿江地区，具有高含水率、高压缩性、低强度、低渗透性等不良工程特性，易导致地基沉降过大、不均匀沉降及承载力不足等工程问题。排水固结法因能有效加速孔隙水排出、提高地基强度并减小工后沉降，已成为软土地基处理最常用的技术手段。因此，开展系统试验研究，对优化排水固结工艺参数、揭示其内在加固机理具有重要意义。现场试验受成本高、周期长、边界条件复杂等因素限制，室内物理模型试验成为重要研究手段。

2、在排水固结过程中，土体的排水与固结同时发生并相互耦合。排水引起孔隙水压力消散，孔压消散促进固结变形，而固结变形则进一步影响土体渗透性。现有试验方法和装置通常仅能观测二者耦合作用下的整体响应，难以实现排水过程与固结过程的分离，无法独立控制排水条件与应力加载路径，难以厘清固结对排水的反馈机制，制约了排水固结理论及工程技术的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种软土排水与固结过程解耦的试验装置及方法，其能够实现软土层的排水与固结过程解耦。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、第一方面

4、一种软土排水与固结过程解耦的试验装置，包括：

5、顶部开口的软土模型箱，用于填充软土；

6、排水系统，用于排出并收集软土排出的水；

7、加载板，设置于软土模型箱内且设置有多层，所述加载板的外径与软土模型箱匹配；所述加载板的板面上均匀开设有多个透水孔；

8、加压系统，用于驱使加载板在软土模型箱内移动，并对软土加压；

9、相邻所述加载板之间的间距为h，且间距h满足以下条件；

10、h≤p1/（ρ水 g）

11、其中，p1为上方加载板对下方软土施加的压强，ρ水为水的密度，g为重力加速度；

12、锁定单元，用于加压系统驱使加载板对软土施加土体所在深度的载荷，并等待土体沉降达到稳定后，对加载板在软土模型箱内的位置固定，从而实现加载板下方的软土层仅发生排水而不发生固结，即排水与固结过程的解耦。

13、可选地，所述排水系统包括排水通道和软管，所述排水通道竖直设置在软土模型箱，所述软管一端插入排水通道内，另一端接入软土模型箱外侧，用于收集软土排出的水。

14、可选地，所述排水通道包括塑料网格骨架和土工布，所述塑料网格骨架设置在软土模型箱内，所述土工布包裹塑料网格骨架外部。

15、可选地，所述锁定单元包括固定螺杆、螺纹套筒和锁套，所述固定螺杆设置有多个且底部固定设置在软土模型箱底部，所述螺纹套筒螺纹连接在固定螺杆上，且螺纹套筒的单侧开设有形变缺口，所述螺纹套筒外侧开设有螺纹段，且螺纹套筒的外径从上至下逐渐增大，所述锁套螺纹连接在螺纹套筒外部。

16、可选地，所述加压系统包括支撑板、液压缸和固定螺母，所述支撑板上开设有多个从固定螺杆穿过的安装孔，所述液压缸本体固定设置在支撑板底部，所述固定螺母设置有多个且均螺纹连接在固定螺杆上，所述支撑板夹持在固定螺母之间。

17、可选地，所述液压缸的活塞杆端部可拆卸设置有多个液压杆，多个所述液压杆沿液压缸活塞杆的轴线方向设置，相邻所述液压杆之间设置有连接件，所述连接件用于连接相邻的液压杆。

18、可选地，还包括监测系统，所述监测系统包括孔隙水压力监测组件和排水量监测组件，所述孔隙水压力监测组件用于测量孔隙水压力，所述排水量监测组件用于测量软土层排出水量。

19、可选地，

20、第二方面

21、一种软土排水与固结过程解耦的试验方法，使用试验装置，还包括：

22、s1：将软土从下层向上层分层铺设至第一预定高度，将加载板套设于固定螺杆上并放置于第一层软土的上方；

23、s2：将加压系统安装于固定螺杆上，调节液压杆的位置使其接触加载板，设置加载压力为该深度土体所受的上覆土压力；

24、s3：保持加载压力稳定，当加载板不再随土体压缩而下沉后，将锁套旋入螺纹套筒并锁紧，将加载板固定于当前高度位置；

25、s4：继续铺设下一层软土至第二预定高度，重复步骤s1至s3，直至达到试验所需的软土总厚度；相邻加载板之间的间距h按照h≤p1/（ρ水 g）的条件进行设置；

26、s5：开启监测系统和排水系统，软土排水与固结解耦的排水试验开始，土体内的水经过排水系统排出，记录孔隙水压力和排水量变化。

27、可选地，所述步骤s4中；

28、加载压力的设定值根据该层软土未来所需承受的上覆土压力确定；其中p1为上方加载板对下方软土施加的初始压强，ρ水为水的密度，g为重力加速度，以确保下方软土在排水过程中不发生进一步压缩。

29、本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

30、1、通过多层加载板将深厚软土沿深度方向分层，每层加载板均配备独立的锁定单元。加压系统对每层软土分别施加与实际深度对应的上覆土压力后，锁定单元将该层加载板的位置固定，使下方软土在恒体积条件下完成排水。该设计将土体的排水过程与固结变形过程从物理机制上分离，排水由孔隙水压力驱动独立进行，固结变形被锁定单元约束而无法发生，从而实现了排水与固结过程的完全解耦。相比传统试验装置只能观测耦合作用下整体响应的局限，本发明可分别独立研究排水条件与应力状态对软土行为的影响，为厘清固结对排水的反馈机制提供了试验手段。

31、2、间距条件从理论上保证了加载板下方软土在排水过程中仅发生渗流而不发生进一步压缩，当间距h小于或等于上方荷载对应的水头高度时，下方软土中由上方荷载引起的有效应力增量不超过其浮容重对应的应力水平。在该条件下，软土层的有效应力不随排水而增加，固结变形被抑制，而孔隙水在压力驱动下正常排出，从力学机理上保证了排水与固结解耦的成立。

1.一种软土排水与固结过程解耦的试验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种软土排水与固结过程解耦的试验装置，其特征在于，所述排水系统包括排水通道(2)和软管(3)，所述排水通道(2)竖直设置在软土模型箱(1)，所述软管(3)一端插入排水通道(2)内，另一端接入软土模型箱(1)外侧，用于收集软土排出的水。

3.根据权利要求2所述的一种软土排水与固结过程解耦的试验装置，其特征在于，所述排水通道(2)包括塑料网格骨架和土工布，所述塑料网格骨架设置在软土模型箱(1)内，所述土工布包裹塑料网格骨架外部。

4.根据权利要求1所述的一种软土排水与固结过程解耦的试验装置，其特征在于，所述锁定单元包括固定螺杆(4)、螺纹套筒和锁套(6)，所述固定螺杆(4)设置有多个且底部固定设置在软土模型箱(1)底部，所述螺纹套筒螺纹连接在固定螺杆(4)上，且螺纹套筒的单侧开设有形变缺口，所述螺纹套筒外侧开设有螺纹段，且螺纹套筒的外径从上至下逐渐增大，所述锁套(6)螺纹连接在螺纹套筒外部。

5.根据权利要求4所述的一种软土排水与固结过程解耦的试验装置，其特征在于，所述加压系统包括支撑板(10)、液压缸(13)和固定螺母(11)，所述支撑板(10)上开设有多个从固定螺杆(4)穿过的安装孔，所述液压缸(13)本体固定设置在支撑板(10)底部，所述固定螺母(11)设置有多个且均螺纹连接在固定螺杆(4)上，所述支撑板(10)夹持在固定螺母(11)之间。

6.根据权利要求5所述的一种软土排水与固结过程解耦的试验装置，其特征在于，所述液压缸(13)的活塞杆端部可拆卸设置有多个液压杆(12)，多个所述液压杆(12)沿液压缸(13)活塞杆的轴线方向设置，相邻所述液压杆(12)之间设置有连接件，所述连接件用于连接相邻的液压杆(12)。

7.根据权利要求1所述的一种软土排水与固结过程解耦的试验装置，其特征在于，还包括监测系统，所述监测系统包括孔隙水压力监测组件和排水量监测组件，所述孔隙水压力监测组件用于测量孔隙水压力，所述排水量监测组件用于测量软土层排出水量。

8.一种软土排水与固结过程解耦的试验方法，其特征在于，使用如权利要求1-7中任一项所述的试验装置，还包括：

9.根据权利要求8所述的一种软土排水与固结过程解耦的试验方法，其特征在于，所述步骤s4中；