[发明专利]水下真空预压离心模型试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种物理模型试验方法及由该方法获得的模型试验装置，尤其是与水下真空预压或真空预压有关的离心模型试验装置。

背景技术

在离心机里采用真空泵产生真空并利用真空使土体中的水渗出发生固结是真空预压离心模型试验。由于真空泵是机械传动，在离心机里各部件增重几十倍，真空泵很难运行，而且真空泵需在启动离心机前打开，试验土体自重固结的模拟将失效，因此在离心机里运用真空泵技术产生真空的实例国内外仅有两例，影响了对真空预压尤其是水下真空预压理论的深入研究。据文献可知河海大学1988年将真空泵置于离心机转轴处，减小真空泵处的离心力，真空泵方能以较低效率运行。然而因其装置原因，真空泵需在离心机运转前启动，土体没时间发生自重固结即开始进行真空预压，此时土体的初始应力状态不能模拟，对土体的变形将产生很大的影响。日本西松建设公司(Nishimatsu Construction Co.，Ltd)2006年同样在离心机里采用真空泵对土体进行真空井点降水预压，试验土体中的水下流动，不能很好模拟现场情况，真空度为86kPa。

另一方面，现有在离心机里采用真空泵产生真空使土体固结的技术，仅能使试验土体底部孔隙水压力降低值大于试验土体的表面，从表面附近土体孔水压力下降较小可以看出，底部土体加固好于表面土体，土体表面孔隙水压力并没有下降或下降很小，与实际情况不符。因此现有采用真空泵的真空预压离心模型试验装置使水在土里向下渗流，不能模拟土体实际的真空固结状态，并且所获得的真空度也不大。同样由于土体中的水向下渗流，在现有两例离心模型试验中土体的水平位移不能很好反映现场情况，而且水位位移在试验中也没有很好测试。

以上所提及的离心模拟真空预压试验技术存在问题一是采用真空泵的离心模型获得真空度较小，二是模拟土体初始应力状态存在问题，三是模拟土体终了应力状态存在问题，四是不能模拟水下真空预压。

发明内容

本发明的目的旨在克服上述现有技术之不足，提供一种能有效进行真空预压或水下真空预压的离心试验模拟方法及装置，两者主要区别在于密封膜上是否有水。该发明的模拟技术能够巧妙利用试验装置以解决上述四个问题。

上述目的是通过以下技术方案实现的：一种真空预压离心模型试验系统，包括离心机，还包括水下土体自重固结系统及真空驱动系统，所述水下土体自重固结系统包括装有土体的试验模型箱，所述真空驱动系统包括真空气水分离箱、真空吸气泵、转动接合器及高压供气装置，所述真空气水分离箱中部设有进水口并与试验模型箱底部的排水口通过连接管连接，转动接合器设于所述离心机上方，其上部静止，分别连接一条来自于高压供气装置的静止供气管，及一条来自于离心机外的静止输入水管，其下部随离心机主轴转动，分别连接一条可转动的高压供气输出管及一条开口于试验模型箱上方的可转动的供水管，所述高压供气输出管连接于所述真空吸气泵的输入端，所述真空吸气泵的真空输出管接于所述气水分离箱的顶部开口，所述气水分离箱的下底设有排水管及排水阀。

如需要控制模型箱土体底部的孔隙水压力，则所述水下土体自重固结系统还包括用于控制所述试验模型箱底部水位的竖管，试验模型箱与竖管的底部由管路连通并设有控制阀门。

具体地来说，所述试验模型箱内的填充物由下至上包括置于底层的排水层；试验土体，内插设竖向排水体；土体上方水平排水层及密封膜。

对水下真空预压来说，所述密封膜上还承载有膜上水体，以模拟水下真空预压的情形。

所述密封膜上还布设有堆载层，以模拟真空联合堆载预压的情形，堆载层采用砂、土等固体。

作为优选方式，所述置于底层的排水层、及土体上方的表面水平排水层由水平排水管和砂垫层构成。

在所述试验模型箱内还设置有竖向连接管，把试验箱底排水层内的水平排水管与土体上方的表面水平排水层的水平排水滤管连结起来，所述竖向连接管采用可纵向压缩伸展的螺纹管，其作用是土体内的水通过竖向排水体汇集到土体上方的水平排水层，并通过水平排水层将土体固结排出的水汇集到气水分离箱。

本发明还提供了一种真空预压离心模型试验方法，该方法包括：采用如上所述的真空预压离心模型试验系统，通过离心模拟自重固结获得土体初始应力状态、通过埋设试验测试仪器取得试验过程中的相关数据、重新进行离心模拟自重固结后并通过真空驱动系统进行真空预压以达到所期望的应力状态。

进一步地，上述真空预压离心模型试验方法，包括以下步骤：