一种模拟电渗作用减小桩-土摩擦机理的试验装置

摘要

本发明公开一种模拟电渗作用减小桩‑土摩擦机理的试验装置，包括液压加载系统、数据收集仪、电压调节系统、电源以及箱体和剪切试验装置，液压加载系统、数据收集仪、电压调节系统和电源设置于箱体的内腔一端，箱体的内腔剩余部分设置有剪切试验装置；箱体顶面固接有竖向加载单元；剪切试验装置包括试验机构和驱动探测单元；驱动探测单元设置于试验机构相对的两侧；驱动探测单元与箱体固定连接；本发明能够实现对黏土样品的直剪试验的实验室验证，获取在不同电压、不同土体条件、不同压力等多种因素影响下的桩‑土间摩擦数据，从而达到探究电渗作用减小桩‑土摩擦机理的目的，最终实现对海上风电单桩等实际工程的模拟起到建议和指导作用。

说明书

技术领域

本发明涉及模拟实验技术领域，特别是涉及一种模拟电渗作用减小桩-土摩擦机理的试验装置。

背景技术

19世纪初，俄国学者Reuss发现了黏土中的电渗现象。20世纪30年代L.Casagrande意识到电渗处理对提高细粒土的抗剪强度和稳定性有良好效果，并将电渗技术应用于岩土工程中的软土加固。之后各国学者对其开展了大量的研究工作，工程中也有了成功应用的案例。电渗法具有加固速度快，对细颗粒、低渗透性土有良好的加固效果等优点，且具有排出土体中弱结合水的功效。

随着我国在内陆湖湘或河相地区的开发建设过程，需要对软土进行排水固结处理，减小其压缩性，提高其承载力。此外，我国在海上建设和港口建设中，常会进行疏浚淤泥和进行地基加固。采用传统的堆载预压或真空预压方法进行相关工作时，效率低时间长。电渗法逐渐成为具有巨大潜和工程实用价值的软基处理、边坡加固和污泥脱水处理技术。

直接剪切试验是通过在预定的剪切面上分别直接施加法向压力和剪应力求得土的抗剪强度指标的试验。土的抗剪强度是土在外力作用下，其一部分土体对于另一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度。该试验是将同一种土的几个试样分别在不同的垂直压力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破坏时的剪应力，然后根据库仑定律，确定土地抗剪强度指标：内摩擦角和凝聚力。

电渗作用减小桩-土摩擦的原理其一在土的总应力等于有效应力与孔隙水压力之和，且在无外力作用下总应力不变，此时通过电渗作用可以在阴极增大孔隙水压力，从而减小了有效应力，那么根据摩擦力的计算公式可知摩擦力减小。其二是在阴极的析出水分可以形成水膜减小摩擦力。为了对实验过程中的数据进行收集分析，研究海上风电单桩领域中电渗作用减小桩-土摩擦的具体机理，有必要设计一种模拟电渗作用减小桩-土摩擦机理的试验装置，以填补实验室操作仪器的空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟电渗作用减小桩-土摩擦机理的试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，可以模拟海上风电单桩工程领域及相关领域中电渗作用减小桩-土摩擦机理，从而进行机理的探究，进而通过不同参数的改变模拟具体工程情况，最终可以达到对工程的指导建议作用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种模拟电渗作用减小桩-土摩擦机理的试验装置，包括液压加载系统、数据收集仪、电压调节系统、电源以及与上述部件相适配的箱体和剪切试验装置，所述液压加载系统、所述数据收集仪、所述电压调节系统和所述电源设置于所述箱体的内腔一端，所述箱体的内腔剩余部分设置有所述剪切试验装置；所述箱体顶面固接有竖向加载单元；所述剪切试验装置包括对样品进行模拟实验的试验机构和给予所述试验机构荷载力的驱动探测单元；所述驱动探测单元设置于所述试验机构相对的两侧；所述驱动探测单元与所述箱体固定连接；

所述液压加载系统分别与所述驱动探测单元和所述竖向加载单元传动连接；所述电压调节系统与所述试验机构电性连接；所述电源分别与所述液压加载系统、所述数据收集仪和所述电压调节系统电性连接；所述数据收集仪分别与所述竖向加载单元和所述驱动探测单元电性连接。

优选的，所述试验机构包括底座；所述底座为顶面开放的盒形结构；所述底座内腔底面中心放置有底板；所述底板上固接有阴极连接件，所述阴极连接件电性连接有阴电极；所述阴电极与所述电压调节系统电性连接；所述底板顶面放置有桩基模拟底板；所述桩基模拟底板顶面放置有实验筒；所述实验筒底部一侧面铰接有活动密网板，实验筒内腔顶端设置有所述竖向加载单元；所述实验筒侧壁固接有横推杆；所述横推杆的一端与所述驱动探测单元可拆卸连接。

优选的，所述竖向加载单元包括支架组件、竖载液压缸、第一压力传感器和压料组件；所述支架组件中心竖向固接有所述竖载液压缸；所述竖载液压缸的液压杆底端与所述第一压力传感器固定连接；所述第一压力传感器底面与所述压料组件固定连接；所述第一压力传感器与所述数据收集仪电性连接；所述竖载液压缸与所述液压加载系统传动连接。

优选的，所述支架组件包括两块固定板；两块所述固定板正对设置且通过若干立柱固定连接；所述固定板中心开设有过孔；所述过孔内固定安装有所述竖载液压缸；所述固定板相对两侧面分别通过若干连接杆固接有T形芯；所述T形芯远离所述连接杆的一端滑动适配有导轨；所述导轨的底面与所述箱体的顶面固定连接。

优选的，所述压料组件包括防滑爪；所述防滑爪的顶端与所述第一压力传感器底面固定连接，所述防滑爪的底端可拆卸连接有顶盖；所述顶盖底面固接有多孔电阻板；所述多孔电阻板底面固接有石墨网；所述石墨网电性连接有阳电极；所述阳电极与所述电压调节系统电性连接；所述顶盖、所述多孔电阻板和所述石墨网分别与所述实验筒相适配且滑动接触。

优选的，所述驱动探测单元包括位移传感器、平载液压缸和第二压力传感器；所述平载液压缸通过支柱与所述箱体内腔底面固定连接；所述平载液压缸与所述液压加载系统传动连接；所述平载液压缸的液压杆与所述第二压力传感器固定连接；所述位移传感器与所述第二压力传感器分别设置于所述实验筒两侧；所述位移传感器与所述第二压力传感器正对设置；所述位移传感器与所述箱体内侧壁固定连接；所述横推杆的一端面与所述第二压力传感器正对设置；所述位移传感器与所述第二压力传感器分别与所述数据收集仪电性连接。

优选的，所述箱体通过若干隔板将其内腔一端分割成一个实验腔和四个独立的放置腔；所述液压加载系统、所述数据收集仪、所述电压调节系统和所述电源分别设置于四个所述放置腔内；所述底座和所述支柱设置于所述实验腔底面。

优选的，所述横推杆的底面中部开设有让位槽；所述让位槽与所述实验筒侧壁间隙配合。

优选的，所述顶盖、所述底板为黄铜材质；所述底板顶面面积大于所述实验筒底面的面积；所述底板上有两平行的凸筋；所述桩基模拟底板面积与所述底板一致，所述桩基模拟底板底面开设有两个与底板上的两平行凸筋相适配的凹槽。

优选的，所述实验筒的制作材质为高电阻高强度的环氧树脂。

本发明具有如下技术效果：

1、本发明可以对土样进行电渗处理，通过对剪切的试验机构的设计，在剪切试验过程中可以同时通电进行电渗作用，简化了试验过程。

2、本发明通过对试验机构材质的选择和设计，满足了直接在试验机构中进行电渗的要求，可以在电渗过程中直接进行桩-土表面摩擦数据的采集和观察，并且可以通过电压调节，竖向加载的改变，土体试样和桩基模拟底板的替换进行多种条件下的桩-土表面摩擦机理的模拟，从而利于机理的多因素探究。

3、本发明使用电源，通过安装和使用液压加载系统以及压力传感器和位移传感器，简化了实验过程中的操作步骤。

4、本发明通过竖向加载的改变用来模拟不同深度下的压力，土体试样的制备模拟具体环境下的土体特性，桩基模拟底板选用实际工程中的桩基材料，从而可以探究出工程中最合适的电压选用范围，具备工程实际意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明主视结构示意图。

图2为试验机构主视结构示意图。

图3为竖向加载单元左视结构示意图。

其中，1、液压加载系统；2、数据收集仪；3、电压调节系统；4、电源；5、箱体；6、竖向加载单元；61、竖载液压缸；62、第一压力传感器；63、固定板；64、连接杆；65、T形芯；66、导轨；67、立柱；68、压料组件；681、防滑爪；682、顶盖；683、多孔电阻板；684、石墨网；685、凸起；7、试验机构；71、底座；72、黄铜底板；74、活动密网板；75、实验筒；76、横推杆；77、桩基模拟底板；78、阴极连接件；8、驱动探测单元；81、位移传感器；82、平载液压缸；83、第二压力传感器；84、支柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

一种模拟电渗作用减小桩-土摩擦机理的试验装置，包括液压加载系统1、数据收集仪2、电压调节系统3、电源4以及与上述部件相适配的箱体5和剪切试验装置，箱体5通过若干隔板将其内腔一端分割成一个实验腔和四个独立的放置腔；液压加载系统1、数据收集仪2、电压调节系统3和电源4分别设置于四个放置腔内；剪切试验装置设置于实验腔底面；箱体5顶面固接有竖向加载单元6；剪切试验装置包括对样品进行模拟实验的试验机构7和给予试验机构7荷载力的驱动探测单元8；驱动探测单元8设置于试验机构7相对的两侧；驱动探测单元8与箱体5固定连接；

液压加载系统1分别与驱动探测单元8和竖向加载单元6传动连接；电压调节系统3与试验机构7电性连接；电源4分别与液压加载系统1、数据收集仪2和电压调节系统3电性连接；数据收集仪2分别与竖向加载单元6和驱动探测单元8电性连接。

进一步的，液压加载系统1、数据收集仪2、电压调节系统3、电源4均为常见土体剪切试验仪器，其为现有技术，在此不再赘述。

进一步优化方案，试验机构7包括底座71；底座71为顶面开放的盒形结构；底座71内腔底面中心放置有底板72；底板72上固接有阴极连接件78，阴极连接件78电性连接有阴电极(附图未表示)；阴电极与电压调节系统3电性连接；底板72顶面放置有桩基模拟底板77；桩基模拟底板77顶面放置有实验筒75；实验筒75底部一侧面铰接有活动密网板74，实验筒75内腔顶端设置有竖向加载单元6；实验筒75侧壁固接有横推杆76；横推杆76的一端与驱动探测单元8可拆卸连接。

进一步的，阴极连接件78优选焊接于底板72侧面上，用以与阴电极相连。

进一步的，桩基模拟底板77为金属铁材质，同时，在具体实验中可以用不同材料模拟桩基表面进行替换。

进一步的，在实验筒75底面设置有活动密网板74，活动密网板74为厚度为1cm的密网结构，在通电时用于阴电极处排水，断电后将相应活动密网板74盖到实验筒75底面，为了便于操作，实验筒75和活动密网板74一侧用活动铰件铰接。

进一步的，为了便于实验的进行，在底座71的内腔底面中心设置有十字标记，便于底板72、活动密网板74的准确放置。

进一步优化方案，竖向加载单元6包括支架组件、竖载液压缸61、第一压力传感器62和压料组件68；支架组件中心竖向固接有竖载液压缸61；竖载液压缸61的液压杆底端与第一压力传感器62固定连接；第一压力传感器62底面与压料组件68固定连接；第一压力传感器62与数据收集仪2电性连接；竖载液压缸61与液压加载系统1传动连接，能够实现当竖载液压缸61对试验机构7施加载荷时，第一压力传感器62能够将压力数据传递给数据收集仪2进行存储。

进一步优化方案，支架组件包括两块固定板63；两块固定板63正对设置且通过若干立柱67固定连接；固定板63中心开设有过孔；过孔内壁与竖载液压缸61固定端固定连接；固定板63相对两侧面分别通过若干连接杆64固接有T形芯65；T形芯65远离连接杆64的一端滑动适配有导轨66；导轨66的底面与箱体5的顶面固定连接。

进一步的，导轨66为开设有T形槽的直线导轨，T形槽与T形芯65相适配，实现了T形芯65在T形槽内滑动时，能够带动整个支架组件移动，便于压料组件68找准施力位置。

进一步优化方案，压料组件68包括防滑爪681；防滑爪681的顶端与第一压力传感器62底面固定连接，防滑爪681的底端可拆卸连接有顶盖682；顶盖682底面固接有多孔电阻板683；多孔电阻板683底面固接有石墨网684；石墨网684电性连接有阳电极(附图未表示)；阳电极与电压调节系统3电性连接；顶盖682、多孔电阻板683和石墨网684分别与实验筒75相适配且滑动接触。

进一步的，防滑爪681的底面开设有凹孔；顶盖682的顶端设置有凸起685，凸起685与凹孔相适配，实现了当防滑爪681向下施压时，顶盖682不会因为受力不均而发生偏移。

进一步的，顶盖682、多孔电阻板683和石墨网684的外形尺寸均一致，且顶盖682外侧面、多孔电阻板683外侧面和石墨网684外侧面分别与实验筒75相适配且滑动接触，实现对实验筒75内的样品的进一步操作；土饼设置于石墨网684底面和活动密网板74顶面之间，并且设置于实验筒75内腔。

进一步优化方案，驱动探测单元8包括位移传感器81、平载液压缸82和第二压力传感器83；平载液压缸82通过支柱84与箱体5内腔底面固定连接；平载液压缸82与液压加载系统1传动连接；平载液压缸82的液压杆与第二压力传感器83固定连接；位移传感器81与第二压力传感器83分别设置于实验筒75两侧；位移传感器81与第二压力传感器83正对设置；位移传感器81与箱体5内侧壁固定连接；横推杆76的一端面与第二压力传感器83正对设置；位移传感器81与第二压力传感器83分别与数据收集仪2电性连接。

进一步优化方案，横推杆76的底面中部开设有让位槽；让位槽与实验筒75侧壁间隙配合，便于当横推杆76在平载液压缸82的推动下移动时，能够不与实验筒75侧壁发生干涉。

进一步优化方案，顶盖682、底板72为黄铜材质；底板72顶面面积大于实验筒75底面的面积；底板72上有两平行的凸筋；桩基模拟底板77面积与底板72一致，桩基模拟底板77底面开设有两个与底板72上的两平行凸筋相适配的凹槽，避免了两者相互窜动。桩基模拟底板77顶面为平面，其与实验筒75底面相贴合；底板72的侧面固接有阴极连接件78；桩基模拟底板77用以模拟海上风电单桩桩基表面，本发明中采用的材料是低碳钢材料，可以有多种桩基模拟材料制成的桩基模拟底板构件用以替换，以便用来模拟实际使用中的多种材质的桩基表面。

进一步优化方案，实验筒75的制作材质为高电阻高强度的环氧树脂。

本实施例的实验方式一：

本发明先进行土体的制备，根据试验要求，将土体浸没于不同浓度的海水中直至孔隙饱和；

将实验筒75和活动密网板74分别移动至底板72中央，移动至底板72中心的十字标记被遮盖为止。

取出制作完成的土体样品，并利用实验用的环刀切出厚20mm的圆饼形，将土饼推入放入实验筒75内。

将石墨网684以及多孔电阻板683依次放置于剪切盒内的土饼上，再将黄铜的顶盖682盖置于多孔电阻板683上。

确认阴电极分别与黄铜的底板72和电源4负极连接牢固。

确认阳电极分别与实验筒75内的石墨网684和电源4正极连接牢固并打开电源箱开关。

经过一段时间，电渗完成后，然后打开液压加载系统1，首先控制竖载液压缸61进行竖向加载，将竖载液压缸61的液压杆上固接的防滑爪681与顶盖682顶面的凸起685扣合，然后进行加载。

接着控制平载液压缸82进行水平加载，将平载液压缸82的液压杆上固接的第二压力传感器83与横推杆76的一端相抵触，然后进行加载。

在观察到实验筒75产生位移时，打开电源4对阴电极和阳电极进行供电，进行电渗反应；

试验完成后，对数据收集仪2上的数据进行记录并计算分析。

此外可再进行对照组试验，调整土体制备时的海水浓度，竖向加载力的大小以及电源4的电压的高低；

在教学示范过程中，可将活动密网板74翻转到与桩基模拟底板77顶面相贴合，可以对电渗反应过程进行直观展示。

本实施例的实验方式二：

作为教学过程，首先进行土体的制备，选用相同的土体三份，浸没于相同浓度的盐水中，直至孔隙饱和，即按压出水即可；

在将土体进行浸没的同时，进行试验机构的安置，首先选用低碳钢材料的桩基模拟底板77，将底面凹槽对准底板72顶面的凸筋，相互嵌合并完全重合后，将其安置与底座71上，直至底座71上的十字标记被遮盖住，并将阴极连接件78一侧向右，减少电气线连接距离，保证试验安全；

将实验筒75放置与桩基模拟底板77顶面中心处，土体取出后，利用环刀切出厚20mm的土饼，并将一份土饼放置于实验筒75中，另外两份放置于阴凉处待用；

将石墨网684以及多孔电阻板683依次放置于实验筒75内的土饼上再将黄铜的顶盖682盖至于多孔电阻板683上；

将竖载液压缸61上固接的防滑爪681与顶盖682顶面的凸起685扣合；

将平载液压缸82的液压杆上固接的第二压力传感器83与横推杆76的一段相抵触；

确认阴电极分别与阴极连接件和电源4负极连接牢固；

确认阳电极分别与实验筒75内的石墨网684和电源4正极连接牢固；

将竖载液压缸按200kpa进行加载，同时进行平载液压缸82的加载；

观察数据收集仪2，当水平位移数据不发生变化时，逐步调大平载液压缸82的加载数值，每次调整后进行观察，若无位移发生则继续加大，当发生位移时，进行数据记录，直至实验筒75及土体超过一半脱离底部的桩基模拟底板77；

将数据进行记录整理后，断开电源4，将实验筒75取出，将实验筒75内土体倒出，将实验筒75和桩基模拟底板77清洗干净，并擦干表面；

其他操作与上相同，将待用的土体取出利用环刀制备，切出20mm厚的土体，放置于实验筒75内；

在加载时，同时打开电源4给阴电极和阳电极供电，通过电压调节系统3，将电压定为20V,以同样的竖向加载和水平加载进行，观察数据记录仪的数据，直至实验筒75及土体超过一半脱离底部桩基模拟底板77；

将第二组数据进行记录整理后，断开电源4，打开实验筒75下部的活动密网板74，观察电渗反应后的土体有何特征，之后将实验筒75取出，将实验筒75内土体倒出，将实验筒75和桩基模拟底板77清洗干净，并擦干表面；

其他操作与上相同，将待用的第三份土体取出利用环刀制备，切出20mm厚的土体，放置于实验筒75内；

在加载时，通过电压调节系统3将电压定为40V，以同样的竖向加载和水平加载进行，观察数据记录仪的数据，直至实验筒75及土体超过一半脱离底部桩基模拟底板77；

同样的，通过电压调节系统3将电压定位80V再次重复实验，将第三组数据进行记录整理后，可以将三组数据进行对比，探究电渗作用减小桩-土摩擦的机理，尤其是电压的影响，除此之外，可按照相同的实验方式，进行更多不同电压条件下的实验，进行机理的探究。

实施例二

实施例二根据实际工程情况进行模拟操作，从而可以探究出实际工程时的最佳电压参考和指导意见。

根据实际工程的桩基情况，选用相应材料的桩基模拟底板77，进一步的，可以根据具体情况对撞击模拟底板77进行相关处理；

根据实际工程的桩基埋设所在海水深度和海底土质，计算相应的桩基表面压力，并记录，在竖向加载时选定一致的加载压力；

根据实际工程的探察情况，制备或获取与桩基表面相同的土样；

将土样利用环刀，切出20mm厚土体，将剩余土样放置与阴凉处待用；

在制备土体的同时进行实验装置的安置与检查，首先选用与桩基相同材料的桩基模拟底板77，将桩基模拟底板77底面凹槽对准底板72顶面的凸筋，相互嵌合并完全重合后，将其安置于底座71上，直至底座71上的十字标记被遮盖住，并将阴极连接件78一侧向右，减少电气线连接距离，保证试验安全；

将石墨网684以及多孔电阻板683依次放置于实验筒75内的土饼上再将黄铜的顶盖682盖至于多孔电阻板683上；

将竖载液压缸61上固接的防滑爪681与顶盖682顶面的凸起685扣合；

将平载液压缸82的液压杆上固接的第二压力传感器83与横推杆76的一段相抵触；

确认阴电极分别与阴极连接件和电源4负极连接牢固；

确认阳电极分别与实验筒75内的石墨网684和电源4正极连接牢固；

将竖向荷载按之前计算的情况进行加载，观察数据收集仪2，当水平位移数据不发生变化时，逐步调大平载液压缸82的加载数值，每次调整后进行观察，若无位移发生则继续加大，当发生位移时，进行数据记录，直至实验筒75及土体超过一半脱离底部桩基模拟底板77；

将数据进行记录整理后，断开电源4，将实验筒75取出，将实验筒75内土体倒出，将实验筒75和桩基模拟底板77清洗干净，并擦干表面；其他操作与上相同，将待用的土样取出利用环刀制备，切出20mm厚的土体，放置与实验筒75内；

在加载时，同时打开电源4给阴电极和阳电极供电，通过电压调节系统3，将电压定为20V,以同样的竖向加载和水平加载进行，观察数据收集仪2的数据，直至实验筒75及土体超过一般脱离底部的桩基模拟底板77；

将数据进行记录收集，重复上述实验操作，分别进行40V、80V、160V、320V进行实验，找到最适宜的电压区间，再进行电压细分实验，最终可给具体工程提供出具体操作的电压选用参考和指导意见。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。