新型塑料排水板长期工作性能研究模型试验平台

摘要

本发明提供了一套新型排水板长期工作性能的模型试验研究平台，它包括排水板和试验槽，还设有模型套筒和管靴、垂直加载环形砝码、加载板、排水孔及对应的橡皮塞、位移传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器、进出水水箱、量筒和连接这些设备的水管。本发明能够实现排水板加固软基时排水板长期的工作性能的模型试验研究，同时能研究排水板不同的平面布置形式对排水板长期工作性能的分析，对于开展软土地区排水板长期工作性能研究具有巨大的促进和推动作用。

说明书

技术领域

本发明涉及塑料排水板长期工作性能研究模型试验平台。

背景技术

近年来，随着软土地区公路、铁路、能源、水利等类工程的大量兴建，塑料排水板在软土地基加固工程中得到了越来越广泛的应用。在过去几年中，国内外学者对排水板常规工作性能进行了大量的研究，如Zhen Fang和Jian-Hua Yin制作的模型试验平台，主要用于短时间的一块排水板处理的等效单元圆柱土体的试验研究，在试验结束后发现排水板发生了弯曲变形且滤膜发生了一定的堵塞，详见<Zhen Fang, Jian-Hua Yin, 2006. Physical modelling of consolidation of Hong Kong marine clay with prefabricated vertical drain. Canadian Geotechnical Journal 43(6): 638-652.>。由于塑料排水板长期工作状态下性能受到众多不可确定的因素影响，同时又很难从理论上对排水板加固地基的固结沉降和孔隙水压力的消散进行精确的计算，因此对排水板加固地基的长期工作性能进行试验研究是很有必要的。目前，国内外进行了很多关于排水板工作性能的模型试验研究，但是考虑排水板长期工作性能和排水板布置方式的试验研究甚少。不同的试验仪器对排水板的性能测试结果相差较大，因此需要一套可以方便稳定地研究排水板长期工作性能的模型试验平台，这对于推动排水板加固软土地基的长期效果的理论研究与相关的设计工作具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型塑料排水板长期工作性能研究模型试验平台，为排水板长期工作性能的试验研究提供一套新型的模型试验平台，同时尽量避免不同试验仪器的选用对试验数据造成的影响，更重要的是为排水板加固软基长期工作性能的理论研究提供可靠的模型试验技术。

为此，本发明采用以下技术方案：它包括设置模拟软土地基的试验槽，所述试验槽包括底座及试验槽主体，所述试验槽主体内设置有可升降的加载刚性板，所述加载刚性板具有多个排水孔，所述试验槽在加载刚性板与底座之间设置所述模拟软土地基；                

所述试验槽软土地基内插有模拟试验环境的多个排水板，所述多个排水板中的其中一个为测量通水量用的测量排水板，

所述试验平台设有进水水箱及其输水管路，输水管路上设有阀门，所述底座上设有第一支座，用于连接测量排水板的底端，接通测量排水板和进水水箱的输水管路；所述试验平台还设有出水水箱及其进水管路，所述加载刚性板设有第二支座，所述第二支座装在其中一个排水孔处，用于连接测量排水板的顶端，接通测量排水板和出水水箱的进水管路；所述进水水箱和出水水箱安装在可调节高度的支架上，通过调节水箱的高度来控制水头差；

所述试验平台还设有测量土体固结过程中测量排水板所排出水体积的第一量筒及其进水管路、测量土体固结过程中除测量排水板外其余排水板所排出水体积的第二量筒及其进水管路，第一量筒的进水管路通过三向阀门连接在出水水箱的进水管路上；第二量筒的进水管路可拆卸地对应所述加载刚性板上不设置第二支座的排水孔，在安装在排水孔上时接受所述排水孔排出的水；

所述试验平台还设有多个测量试验槽内土体土压力的力传感器、多个测量土体固结过程中孔隙水压力的传感器、加载刚性板的位移传感器，所述土压力的力传感器、孔隙水压力的传感器以及位移传感器都与设置在试验槽外的数据采集器相连；

所述试验平台还设有作用于加载刚性板的加载机构；

所述试验平台还设有与加载刚性板上的排水孔相配的塞子；

所述试验平台还设有可插入排水板的模型套筒，所述模型套筒的底部卡接封闭套筒底部的封闭件。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述试验槽可以为圆形槽或者方形槽。

所述试验槽的槽底铺有土工织物反滤层。

与第二支座对应的排水孔处于加载刚性板的中心，所述第一支座和第二支座分别设置在底座和加载刚性板的中心。

所述加载机构为千斤顶或砝码。以便于保持长期荷载的稳定性。

所述底座中具有所述输水管路。

由于采用本发明的技术方案，本发明具备以下功能：模拟排水板加固软土的环境，可长期施加荷载的砝码，对排水板加固软弱土的长期性能分析进行长期量测的量测系统。本发明能够实现排水板加固软弱土的条件下，对排水板长期工作性能进行测试的模型试验研究，并提高了进行模型试验的效率与结果的稳定性，对于开展排水板长期工作性能的研究有巨大的促进与推动作用。

附图说明

图1 是本发明关于排水板加固软土在固结排水过程中排水板长期性能测试时的示意图。

图2是本发明排水板打入软黏土的过程示意图。

图3是本发明对正方形平面布置形式的排水板加固软土进行性能测试的示意图。

图4是本发明对三角形平面布置形式的排水板加固软土进行性能测试的示意图。

具体实施方式

参照附图。

本发明包括设置模拟软土地基的试验槽；所述试验槽包括底座1及试验槽主体2，所述试验槽主体2内设置有可升降的加载刚性板3，所述加载刚性板具有多个排水孔7和8，所述试验槽在加载刚性板3与底座1之间设置所述模拟软土地基，所述软土地基从上往下依次为碎石垫层12、软黏土11。

所述试验槽软土地基内插有模拟试验环境的多个排水板，所述多个排水板中的其中一个为测量通水量用的测量排水板14，其余的排水板标为13。

所述试验平台设有进水水箱21及其输水管路25，输水管路25上设有阀门19，所述底座上设有第一支座5，用于连接测量排水板14的底端，接通测量排水板14和进水水箱21的输水管路25，所述底座1中具有所述输水管路25；所述试验平台还设有出水水箱22及其进水管路26，所述加载刚性板设有第二支座6，所述第二支座6装在对应的排水孔8处，用于连接测量排水板的顶端，接通测量排水板14和出水水箱22的进水管路26；所述进水水箱和出水水箱安装在可调节高度的支架上（该支架在图中未显示，在实施中可采用各种可升降的支架），通过调节水箱的高度来控制水头差；

在本实施例中，与第二支座6对应的排水孔8处于加载刚性板的中心，所述第一支座5和第二接6头分别设置在底座和加载刚性板的中心。

所述试验平台还设有测量土体固结过程中测量排水板14所排出水体积的第一量筒24及其进水管路27、测量土体固结过程中除测量排水板14外其余排水板13所排出水体积的第二量筒23及其进水管路28，第一量筒24的进水管路27通过三向阀门20连接在出水水箱22的进水管路26上，三向阀门20可以控制水流向出水水箱22或者第一量筒24；第二量筒23的进水管路28可拆卸地对应所述加载刚性板上不设置第二支座的排水孔7，在安装在不设置第二支座的排水孔7上时接受这些排水孔排出的水；

所述试验平台还设有多个测量试验槽内土体土压力的力传感器16、多个测量土体固结过程中孔隙水压力的传感器17、加载刚性板的位移传感器18，所述土压力的力传感器16、孔隙水压力的传感器17以及位移传感器18都与设置在试验槽外的数据采集器30相连，试验槽主体设有线路孔4，传感器通过线路孔4把线连接到数据采集器30。

所述试验平台还设有作用于加载刚性板的加载机构；所述加载机构为千斤顶或砝码。本实施例采用砝码29。

所述试验平台还设有与加载刚性板上的排水孔7相配的塞子（图中未显示），可以控制排水孔是否排水。

所述试验平台还设有可插入排水板的模型套筒31，所述模型套筒的底部卡接封闭套筒底部的封闭件，在插入排水板后，套筒从软土地基重拔出时，受排水板的阻挡，封闭件从套筒上脱落而截留在软土地基中。

所述试验槽为圆形槽。

所述试验槽的槽底铺有土工织物反滤层10。

 图2显示了本发明的排水板打入软黏土的方法。具体步骤如下：

1）、首先制备试验所需的软黏土11，充分搅拌后并在水箱养护一段时间；

2）、为了减小试验槽主体2内壁的摩擦，首先在试验槽2内壁刷一层润滑油，在试验槽主体2底部铺设土工织物反滤层10，然后倒入制备好的一定量均匀软黏土11，每倾倒一定的高度，就需要在设计好的位置布置土压力传感器16和孔隙水压力传感器17，并将数据采集的线路通过线路孔4连接到数据采集器30；

3）、倾倒软黏土到预定的厚度后，按照设计的排水板平面布置方式打入带封闭件的模型套筒31，打到预定深度后，在模型套筒31中插入在蒸馏水中浸透48小时的排水板，预留一定长度后剪断排水板，然后缓慢抽出套筒31，封闭件被截留在土中。测量排水板14（其也再蒸馏水中浸透48小时）需要在倒入软黏土之前就需要固定在第一支座5上，并通过橡胶圈密封排水板14与支座5之间的连接来防止通水量测试中输水水管25的水漏到试验槽中，同时在倾倒软黏土11之前就要在排水板14上套上套筒31。

4）等软黏土11加入到达设计的高度后，抽出测量排水板14外的模型套筒31，然后夹上第二支座6，通过橡胶圈密封测量排水板14与第二支座6之间的连接来防止通水量测试中的水漏到试验槽中。

本发明提出的排水板加固软土地基在软土排水固结过程中排水板长期性能测试如图1、 3所示。具体步骤如下：

1）、铺设设计厚度的碎石垫层12，在由于打入模型套筒31和铺设碎石垫层12引起的超孔隙水压力消散后，在试验槽主体2上加上加载刚性板3，加载刚性板3与第二支座6密封连接，同时，用橡皮塞塞住其余的排水孔7，设置第二支座的排水孔接上出水管26，将三向阀门20打向出水水箱22，通过进水水箱21和出水水箱22来调节一定的水头差，然后测量在一定水头差下的排水板初始通水量；

2）、测得初始的通水量后，关闭阀门19，并将三向阀门20打向第一量筒24，同时移除不设第二支座的排水孔7上的塞子，并接上出水管路28，再分级加载，每次加上一定质量的环形砝码29，每级荷载都需要等到超孔隙水压力消散至稳定后再加下一级荷载，在此过程中可以分别利用第一量筒24、第二量筒23测量从测量排水板14和其他排水板13排出来的水，并监测整个过程中土体的位移和监测点孔隙水压力的消散；

3）、在长时间的固结过程中，在需要测量某一时刻的排水板通水量的时候，则用塞子塞住不设第二支座的排水孔7，三向阀门20打向出水水箱22，打开阀门19，维持与测试排水板初始通水量相同的水头差，测试此时的通水量，分析土体固结过程中，排水板长期工作状态下的变形及其水力性能研究。

根据目前《塑料排水板质量检验标准》JTJ/T 257-96里推荐的排水板通水量测定公式：                                                ，可以用同样的原理测定长期荷载作用下排水板的通水量，得到排水板通水量在一定荷载作用下随时间变化的曲线，通过测得的通水量可以根据常规的土力学知识得到井阻因子随时间变化的曲线。试验中布置的孔隙水压力传感器可以测得涂抹区和非涂抹区的孔隙水压力消散曲线，根据常规的土力学知识可以得到涂抹区和非涂抹区的固结系数，并进一步得到涂抹因子随时间变化的曲线。根据井阻因子和涂抹因子分别随时间的变化曲线，可以分析排水板加固软土地基在地基软土固结排水过程中反映井阻效应和涂抹效应长期工作性能的参数，以及排水板长期工作状态下的综合性能。

而且在试验完成后，本发明能比较方便地观察排水板的变形形态和滤膜的堵塞状态。

本发明还能针对传统的研究等效一块排水板处理单元圆柱土体的不足，研究排水板不同平面布置形式对排水板长期工作性能研究，如附图3和附图4所示，可以对正方形布置和三角形布置的排水板对软土加固的作用和排水板的长期性能进行模型试验研究，同时还能对不同性质的土样11进行排水板的长期工作性能研究，试验的方法和步骤如之前所述。