一种软土固化试验装置及方法

1.本发明涉及试验装置，具体涉及一种软土固化试验装置及方法。


背景技术：

2.软土固化方法包括堆载加压法、电渗法等，其中堆载加压能够在一定程度上压缩土体孔隙，提高土体密实度及承载力，但在单一堆载作用下排水有限，大部分孔隙仍被水填充，固结效果欠佳。电渗法是通过向土体通入直流电，使水分子自阳极向阴极迁移排出，能够在一定程度上提高土体强度，但存在固化不均、效率低等问题。综上，有必要研究多种手段联合应用的固化效果，为软土排水固结处理提供新的思路。然而，实验室中的软土固化试验装置多针对单一软土固化方法定制，难以满足该研究需要。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的是针对上述问题，提出一种软土固化试验装置，该试验装置能够进行多种固结手段联合试验；本发明的第二目的是提出一种软土固化试验方法。
4.技术方案：本发明所述的软土固化试验装置，包括一体连接的试验箱和底座，底座内设排水通道，排水通道一端与试验箱内腔连通，另一端为出水口，所述试验装置还包括堆载加压机构和耦合机构，耦合机构包括可在试验箱中上下移动的加载板，堆载加压机构用以对加载板施加竖向荷载；加载板底部设有多个电极，其中至少一个电极为阴极电极，其余电极为阳极电极，阴极电极与试验箱内底部的排水孔上下对应。
5.本发明可进行加压 电渗联合固结试验。经试验，堆载加压法和电渗法这两种方法可实现相互补充，既可以弥补纯电渗条件下排水固结效果不均匀、效率低的缺陷，又可以弥补单一堆载条件下排水不充分的缺陷。
6.进一步地，加载板内设阴极孔道和阳极孔道，阴极孔道中设置阴极导线，阳极孔道中设置阳极导线；加载板底部沿孔道开设内螺纹接口，内螺纹接口中设置金属触点；阴极导线连接沿阴极孔道设置的金属触点，阳极导线连接沿阳极孔道设置的金属触点；导线自加载板顶部穿出并连接电源；电极螺纹连接在加载板底部，与金属触点接触带电。
7.进一步地，阳极孔道为圆弧形；阴极电极的数量为一个，位于加载板中心及阳极孔道圆心。
8.进一步地，电极为周向开孔、上部开口的中空结构；孔道与其内设置的导线间、以及内螺纹接口与金属触点间均留有间隙，以便向电极中注入化学浆液。
9.在电渗过程中，注入化学浆液能够提高总排水量，另外通过引入足量的阳离子，与黏土矿物中的硅酸盐类物质在碱性环境下发生化学反应，产生胶体，能够填充部分孔隙。本技术方案中采用化学电渗，化学浆液可从电极周向孔渗入土体，加快土体化学胶结，进而提高土体固结效果。
10.进一步地，电极底部呈尖锥状，便于电极插入软土中，同时有利于在软土中下沉，与土体充分接触。
11.进一步地，底座上设有孔压传感器，孔压传感器的导压管延伸至试验箱中。
12.进一步地，孔压传感器的数量为多个，用以监测试验箱内不同位置的土体间孔隙水压。
13.进一步地，底座上设有立杆，立杆顶部铰接有杠杆，杠杆末端铰接有第一连杆，第一连杆底部设有托盘，托盘用以放置砝码；加载板顶部铰接有第二连杆，第二连杆另一端与杠杆铰接。本技术方案中通过堆载砝码的方式向土体提供竖向荷载，进行土体压缩，可根据土体的受压程度调整砝码质量。
14.本发明还保护一种软土固化试验方法，包括如下步骤：
15.(1)在试验箱内底部布设土工布，随后装入软土，并将加载板置于试验箱中，加载板下方包裹土工布的电极插入软土中；
16.(2)将阴极导线和阳极导线接电；
17.(3)向阴极孔道和阳极孔道中注入化学浆液，化学浆液经电极渗入土体；
18.(4)在托盘上按照规格由小到大放置砝码；
19.(5)土体固结过程中，收集从出水口流出的水，实时记录排水量、排水速率以及土体孔压；
20.(6)当出水口排水速率低于设定值时，视为固结完成；切断电源并静置一段时间后，取出固结土体并进行相应的性能检测。
21.如前所述，本发明可进行加压 电渗联合固结试验，或加压 化学电渗联合固结试验，有助于研究发现更佳的软土固结方案，解决工程建设中软土地基难题。
22.有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明可进行多种固结手段联合试验，有助于研究发现更佳的软土固结方案。
附图说明
23.图1是本发明的结构示意图；
24.图2是试验台的结构示意图；
25.图3是堆载加压机构的结构示意图；
26.图4是耦合机构的结构示意图；
27.图5是加载板底部结构示意图；
28.图6是加载板内部孔道结构示意图；
29.图7是电极结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
31.如图1至7所示，一种软土固化试验装置，包括试验台1、堆载加压机构2和耦合机构3。
32.试验台1，包括一体连接的试验箱101和底座102，试验箱101和底座102均为亚克力材质。底座102内设排水通道，该排水通道一端与试验箱101内腔连通，另一端为出水口103。底座102上通过螺钉固定有立杆106。底座102左侧设有孔压传感器105，该孔压传感器105的导压管104穿过底座102上预先开设的孔道，延伸至试验箱101中，用于监测土体间孔隙水压
力的变化情况。
33.堆载加压机构2，包括杠杆204，杠杆204左端通过转轴205铰接在立杆106顶部，杠杆204右端铰接有第一连杆203。第一连杆203底部设有托盘201。堆载加压机构2基于杠杆原理，通过在托盘201上添加砝码202向试验箱101内的土体施加竖向荷载。
34.耦合机构3，包括可在试验箱101中上下移动的加载板303，试验箱101上设置刻度，在加载板303向下移动时，可记录加载板303相对位置，实现土体沉降量实时监测。加载板303顶部通过转轴302铰接有第二连杆301，第二连杆301上端与杠杆204铰接。加载板303底部设有七个电极304，其中一个电极304为阴极电极，其余六个电极304为阳极电极，阴极电极与试验箱101内底部的排水孔上下对应。加载板303内设阴极孔道309和阳极孔道310，阳极孔道310为圆弧形，阴极孔道309为条形。阴极孔道309中设置阴极导线307，阳极孔道310中设置阳极导线308。加载板303底部沿孔道开设内螺纹接口，内螺纹接口与对应孔道连通，且内螺纹接口中粘接固定有金属触点306。阴极导线307连接沿阴极孔道309设置的金属触点306，阳极导线308连接沿阳极孔道310设置的金属触点306。导线自加载板303顶部穿出并连接电源。电极304为周向开孔、上部开口的中空结构，电极304顶部设有外螺纹，电极304底部呈尖锥状。电极304螺纹连接在加载板303底部，与金属触点306接触带电。本实施例中，阴极电极位于加载板303中心及阳极孔道310圆心。此外，孔道与其内设置的导线间、以及内螺纹接口与金属触点306间均留有间隙，以便向电极304中注入化学浆液，化学浆液可从电极304的周向孔渗出至土体中。
35.下面介绍应用上述软土固化试验装置的软土固化试验方法，包括如下步骤：
36.(1)将试验装置置于水平台面上，在底座102内底部通过防水胶粘接土工布，同时在电极304外壁包裹土工布，以防止泥浆渗入电极304中及排水通道内造成堵塞，影响试验结果。
37.(2)向试验箱101中装填软土，并预留沉降区间。
38.(3)将加载板303置于试验箱101内，电极304插入软土中。
39.(4)将阴极导线307和阳极导线308接通电源，开始电渗固结。
40.(5)择时向阴极孔道309和阳极孔道310中注入化学浆液，进行化学电渗固结，注浆采用压力注浆机。
41.(6)向托盘201上堆载砝码202对土体施加竖向荷载，堆载砝码202时按照规格由小到大逐级加载。
42.(7)收集从出水口103流出的水，实时记录排水量、排水速率以及土体孔压；
43.(8)当出水口103排水速率低于设定值且保持稳定后，视为固结完成；切断电源并静置一段时间后，取出固结土体并进行相应的性能检测。清洁试验装置，待下次试验使用。
44.本发明的原理为：在直流电场的作用下，软土中的孔隙水自阳极流向阴极并逐步汇集，从排水通道流至出水口排出；期间通过向土体内注入化学浆液促使排水固结进程加快，并与土中离子反应生成胶结物填充相应孔隙；期间通过堆载砝码向土体施加竖向荷载，压缩土颗粒间的孔隙，提高土体密实度。因孔隙水被充分排出后，其孔隙被填充或压缩，最终完成软土的排水固结，固化土体的强度增高。
45.在具体试验时，可根据土体固结情况随时调整砝码改变土体受压状况，可将化学浆液按照不同的时间节点分别注入阴极孔道和阳极孔道，还可调整堆载、电渗、化学注浆的
先后顺序以及耦合时间，以研究不同时间节点，不同加压方案，不同固结手段先后顺序对最终结果的影响，找寻最佳的固结方案。