[发明专利]一种用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置及方法

权利要求书

1.一种根据用于研究软黏土热固结效应的模型试验装置进行软黏土热固结效应模型试验研究的试验方法，其特征在于：

所述模型试验装置包括模型槽，所述模型槽底部均匀地铺设有砂砾石排水层，所述模型槽底部的外侧壁上设有排水阀，所述排水阀的一端埋入至砂砾石排水层中，所述砂砾石排水层上部铺设于底层土工布，所述底层土工布上铺设软黏土，所述软黏土上铺设加载板，所述加载板上设有多个预留孔；所述加载板上均匀地设有加载块；所述模型试验装置还包括加热器，所述加热器穿过一个预留孔并穿入至软黏土中，所述加热器的上端连接有钢索，所述钢索的另一端固定至钢架上，所述钢架的两端分别设置在模型槽的边沿上，所述加热器与温度控制器相连接；所述模型试验装置还包括孔压传感器和温度传感器，所述孔压传感器和温度传感器穿入至软黏土中且设置在固定钢丝上，所述固定钢丝的另一端穿过加载板的预留孔并固定至钢架上；所述钢架和加载板之间设有位移传感器，所述孔压传感器、温度传感器和位移传感器经传感器数据线分别与数据采集器相连接；

所述软黏土和加载板之间铺设有顶层土工布，所述加载板上设有多个排水孔；

所述孔压传感器和温度传感器设置在传感器固定盒内，所述传感器固定盒固定至固定钢丝上；

所述钢架上均匀间隔地设有多个固定钢丝，所述固定钢丝的下部设有孔压传感器和温度传感器；

所述模型试验装置内单个固定钢丝上从上至下设有多个孔压传感器和温度传感器，且每个孔压传感器和每个温度传感器形成一对；

所述试验方法包括以下步骤：

步骤一，试验准备：

步骤101，在模型槽内侧壁涂抹硅脂，将搅拌好的试验用软黏土泥浆倒入，打开排水阀；

步骤102，静置一天后，抽出泥浆顶部析出的多余水分，铺设顶层土工布，并吊装放入加载板；

步骤103，将钢架用螺栓紧固于模型槽上，将加热器涂抹润滑硅脂，同时将加热器穿过加载板预留孔放入软黏土泥浆中，加热器与钢索连接并穿过钢架上的预留孔，悬挂于钢架上；

步骤104，将温度传感器和孔压传感器固定于传感器固定盒，将连接传感器固定盒的固定钢丝涂抹上润滑硅脂，将固定钢丝穿过钢架预留孔和加载板预留孔放入软黏土中，并悬挂于钢架上；

步骤105，将位移传感器固定于钢架与加载板之间，将所有传感器连接至数据采集器；

步骤二，试验过程：

步骤201，打开温度控制器，将加热器温度升温至给定试验温度，将加载块放置于加载板上，记录整个过程的土体温度变化情况，绘制各个温度传感器所在位置温度与时间的变化曲线，记录孔压传感器和位移传感器数据；

步骤202，当位移传感器数据基本不变时，认为土体固结完毕，记录整个加载过程的土体孔压响应以及土体固结位移，绘制各个孔压传感器位置的孔压与时间的变化曲线，并可以绘制不同时间的温度场和孔压场分布；

步骤203，试验结束后，关闭加热器，移除加载块，拆卸钢架，卸除钢索和加热器、传感器固定盒和固定钢丝，移除加载板和顶部土工布，挖除土体，完成整个试验；

步骤三，重复步骤一至步骤二，在常温下进行对照试验，得到对照试验结果，并在不同给定温度下进行多组试验，得到多组不同温度条件下的试验结果；

步骤四，分析试验结果，总结在不同温度对土体固结时间以及固结位移大小的影响规律，同时基于对照试验结果，建立温度对固结时间、固结位移的影响计算标定公式；具体原理如下：

温度对软黏土渗透系数的影响：

其中：k_T为T℃时土样的渗透系数(cm/s)，k₂₀为20℃时土样的渗透系数(cm/s)，η_T为T℃时水的粘滞系数(kPa·s)，η₂₀为20℃时水的粘滞系数；

土体的固结系数计算公式：

其中：C_v为土样的固结系数(cm²/s)，k为土样的渗透系数(cm/s)，e为土的孔隙比，a为土样的压缩系数(MPa^-1)，γ_w为水的重度(kN/m³)；

结合式(1)和式(2)，得到考虑温度影响的固结系数计算公式：

其中：C_v,T为T℃时土样的固结系数(cm²/s)，可以看出随着温度升高，粘滞系数η_T降低，固结系数C_v,T随着温度升高而增大；

一般情况下，固结度U30％时，固结度U与时间t的关系可以用下式表示：

其中：H为土体的排水距离(cm)，t为土体的固结时间(s)，而考虑温度影响的固结度U_T与时间t的关系可以表示为：

可以看出随着温度升高，固结速率增大，可以降低固结所需时间，提高固结效率；考虑到真实工况中考虑热固结效应的固结过程较为复杂，根据试验结果，引入温度放大系数，可以建立了考虑热固结效应的固结度U_T与时间t的关系经验公式：

U_T＝1-a·e^c(T)·bt (6)

其中a为8/π²，b为C_v,0为常温(20℃)时的固结系数(cm²/s)，c(T)为温度放大系数，可通过本试验标定得到。