本发明专利技术提供一种模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置及方法，包括：具有用于容纳黏土层的腔体的固结模型箱，腔体内设有上功能层和下功能层，上功能层位于黏土层的上层，下功能层位于黏土层的下层；腔体内沿竖向设有模型桩，模型桩的下端从上功能层插入至黏土层；与固结模型箱相连的强渗流生成机构，强渗流生成机构生成强渗流对固结模型箱的黏土层渗透加载，使黏土层发生固结；数据监测与采集部件用于采集并监控固结模型箱的土体固结全过程中的沉降值和孔压值，以判断土体固结进度。本发明专利技术能有效地模拟桩周黏土地层的原位应力状态，可在此基础上进一步开展缩尺模型试验研究，在海洋工程、岩土工程等领域具备良好应用前景。岩土工程等领域具备良好应用前景。岩土工程等领域具备良好应用前景。
【技术实现步骤摘要】
一种模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置及方法
[0001]本专利技术涉及土木工程模型试验领域，具体地，涉及一种模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置及方法。
技术介绍
[0002]为开采能源，海上风电基础，油气开采平台等的安装使用基本都在海底中浅层土进行，所以研究在海底浅中层土中基础或平台的服役性能，对于海洋资源的开发利用有重要的意义。由于基础、平台体型巨大，若是在原位进行试验研究，有难度大，机会少，耗费人力物力多等限制条件。所以，需要在试验室条件下模拟出海洋原位土体应力场条件。
[0003]一种模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置及方法，通过水在土体中的渗流提供给黏土土颗粒的体积力，可模拟海洋原位土体的应力场。此外，渗流固结的土样，亦可为离心机试验做准备，可减少在离心机中固结时间；还可将桩基础、沉垫基础等置于此试验装置中，并与水槽试验相结合，探究波浪作用下基础周边海床响应等。
[0004]经对现有技术文献的检索发现，李广信，方磊等人在1997年介绍了渗流力模型试验的基本原理与装置，它利用水在土体中渗流时，对土颗粒的拖拽作用提供体积力，在向下渗流的过程中，其模型比为n＝i+1，i为水力梯度。Fox在《Analysis of Hydraulic Gradient Effects for Laboratory Hydraulic Conductivity Testing》(Geotechnical Testing Journal)中提出了一个理论模型，描述了水力梯度对渗透性的影响，并推导出土样在渗流力试验条件下，渗透系数随土样高度变化的关系式，根据该表达式，给出了相应的孔压、有效应力、孔隙比、水力梯度和渗透性的分布方程。
[0005]渗流产生渗流体积力的机理已经得到理论证实，本专利将渗流产生体积力的原理应用到黏土地层的原位应力场模拟中。
技术实现思路
[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置及方法。
[0007]本专利技术第一个方面提供一种模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置，包括：
[0008]固结模型箱，所述固结模型箱具有用于容纳黏土层的腔体，所述腔体内设有上功能层和下功能层，其中，所述上功能层位于所述黏土层的上层，所述上功能层用于防止发生水力劈裂及阻止土体向上流失，所述下功能层位于所述黏土层的下层，所述下功能层用于确保所述黏土层底面负压均匀及阻止砂砾流失；所述腔体内沿竖向设有模型桩，所述模型桩的下端从所述上功能层插入至所述黏土层；
[0009]强渗流生成机构，所述强渗流生成机构与所述固结模型箱相连，所述强渗流生成机构对所述固结模型箱的黏土层渗透加载产生渗流力，使所述黏土层发生固结，用以模拟桩周黏土地层原位应力场；
[0010]数据监测与采集部件，所述数据监测与采集部件用于采集并监控所述固结模型箱
内土体固结全过程中的沉降值和孔压值，以判断土体固结进度。
[0011]优选地，所述上功能层由上层至下层依次设置硬质多孔板、第一滤纸板；所述下功能层由上层到下层依次设置第二滤纸板、反滤层和土工织物层。
[0012]优选地，所述数据监测与采集部件包括位移计和孔压计，其中，所述位移计与所述硬质多孔板相连，用于采集土体固结全过程中的沉降值；所述孔压计设置于所述固结模型箱侧壁上，用于采集土体固结全过程中的孔压值。
[0013]优选地，所述固结模型箱为上部敞口式的长方形结构，所述固结模型箱的侧壁上设有用于安装所述孔压计的第一通孔；
[0014]所述固结模型箱的底面设有第二通孔，所述第二通孔与所述强渗流生成机构相连用以排水排气；
[0015]所述固结模型箱底部设有用以抬高底面的支撑部。
[0016]优选地，所述固结模型箱的侧壁沿竖向均匀分布多排第一通孔，实现对土体不同深度处的孔压值监测。
[0017]优选地，所述强渗流产生机构包括：
[0018]真空泵；
[0019]真空水箱，所述真空水箱与所述真空泵通过第一管路相连，所述真空水箱与所述第二通孔通过第二管路相连，经所述真空泵对所述真空水箱抽真空，使所述固结模型箱腔体的水、气排出至所述真空水箱内。
[0020]优选地，所述第一管路上设有用于调节所述真空水箱真空度的压力调节阀；
[0021]所述真空水箱上设有气压表，用于监测所述真空水箱的真空度；
[0022]所述第二管路上设有止水阀。
[0023]优选地，所述真空水箱为柱状结构，所述柱状结构包括：
[0024]侧壁，所述侧壁为透明材质制成的筒状结构，所述侧壁上设有刻度值；
[0025]上盖板，所述上盖板设置于所述侧壁的上端面，所述上盖板与所述侧壁的上端面通过第一连接件相连，且所述上盖板与所述侧壁的上端面之间密封配合；
[0026]下盖板，所述下盖板设置于所述侧壁的下端面，所述下盖板与所述侧壁的下端面通过第二连接件相连，且所述下盖板与所述侧壁的下端面之间密封配合；所述下盖板的下表面设有垫脚，所述垫脚位置与所述固结模型箱底面高度一致，保证二者无水头差。
[0027]本专利技术第二个方面提供一种模拟桩周黏土地层原位应力场的试验方法，包括：采用所述的模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置进行，按照以下步骤执行：
[0028]S1：在固结模型箱的腔体内壁涂抹润滑介质，从下而上依次放入下功能层、黏土层和上功能层，将模型桩插入黏土层中，之后向所述腔体内加入无气水并使水面高于所述上功能层的上表面，并在试验期间使水面高度保持不变；在所述固结模型箱上安装数据监测与采集部件，用于采集土体固结全过程中的沉降值和孔压值；
[0029]S2：将强渗流生成机构与所述固结模型箱相连，通过所述强渗流生成机构对所述固结模型箱的黏土层渗透加载产生渗流力，使所述黏土层在上下面压力差作用下开始排水固结；
[0030]S3：调节所述强渗流生成机构的真空度，对黏土层分级进行渗透加载，同时通过所述数据监测与采集部件采集土体固结全过程中的沉降值和孔压值并输出至外部终端；
[0031]S4：当黏土层在设定时间内沉降值小于0.1mm时，判断为土体固结完成，读取沉降值与有限应变理论沉降对比，当二者数值相差在设定值范围内，即判断为在1g条件下成功模拟桩周黏土地层原位应力场。
[0032]优选地，所述S2：将强渗流生成机构与所述固结模型箱相连，通过所述强渗流生成机构生成强渗流对所述固结模型箱腔体内的黏土层渗透加载，其中，将强渗流生成机构与所述固结模型箱相连包括：将真空泵与真空箱通过第一管路相连，并在第一管路上安装压力调节阀，用以调节真空水箱的真空度，控制渗流力大小；在所述真空水箱上安装气压表，用于监测所述真空水箱的真空度；将所述真空水箱与所述固结模型箱腔体通过第二管路相连，并在所述第二管路上安装止水阀；待所述强渗流生成机构与所述固结模型箱连接完成后，打开所述真空泵，调节所述压力调节阀，使所述真空水箱达到所需真空度，之后打开所述止水阀，此时土体本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置，其特征在于，包括：固结模型箱，所述固结模型箱具有用于容纳黏土层的腔体，所述腔体内设有上功能层和下功能层，其中，所述上功能层位于所述黏土层的上层，所述上功能层用于防止发生水力劈裂及阻止土体向上流失，所述下功能层位于所述黏土层的下层，所述下功能层用于确保所述黏土层底面负压均匀及阻止砂砾流失；所述腔体内沿竖向设有模型桩，所述模型桩的下端从所述上功能层插入至所述黏土层；强渗流生成机构，所述强渗流生成机构与所述固结模型箱相连，所述强渗流生成机构对所述固结模型箱的黏土层渗透加载产生渗流力，使所述黏土层发生固结，用以模拟桩周黏土地层原位应力场；数据监测与采集部件，所述数据监测与采集部件用于采集并监控所述固结模型箱内土体固结全过程中的沉降值和孔压值，以判断土体固结进度。2.根据权利要求1所述的模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置，其特征在于，所述上功能层由上层至下层依次设置硬质多孔板、第一滤纸板；所述下功能层由上层到下层依次设置第二滤纸板、反滤层和土工织物层。3.根据权利要求2所述的模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置，其特征在于，所述数据监测与采集部件包括位移计和孔压计，其中，所述位移计与所述硬质多孔板相连，用于采集土体固结全过程中的沉降值；所述孔压计设置于所述固结模型箱侧壁上，用于采集土体固结全过程中的孔压值。4.根据权利要求2所述的模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置，其特征在于，所述固结模型箱为上部敞口式的长方形结构，所述固结模型箱的侧壁上设有用于安装所述孔压计的第一通孔；所述固结模型箱的底面设有第二通孔，所述第二通孔与所述强渗流生成机构相连用以排水排气；所述固结模型箱底部设有用以抬高底面的支撑部。5.根据权利要求4所述的模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置，其特征在于，所述固结模型箱的侧壁沿竖向均匀分布多排第一通孔，实现对土体不同深度处的孔压值监测。6.根据权利要求4所述的模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置，其特征在于，所述强渗流产生机构包括：真空泵；真空水箱，所述真空水箱与所述真空泵通过第一管路相连，所述真空水箱与所述第二通孔通过第二管路相连，经所述真空泵对所述真空水箱抽真空，使所述固结模型箱腔体的水、气排出至所述真空水箱内。7.根据权利要求4所述的模拟桩周黏土地层原位应力场的试验装置，其特征在于，所述第一管路上设有用于调节所述真空水箱真空度的压力调节阀；所述真空水箱上设有气压表，用于监测所述真空水箱的真空度；所述第二管路上设有止水阀。8.根据权利要求4所述的模拟桩周黏土...
【专利技术属性】
技术研发人员：廖晨聪，葛均健，张璐璐，李志坚，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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