本实用新型涉及竖井联合真空法降水试验领域，尤其涉及含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置。
背景技术：
在岩土工程领域存在含封闭气包带的饱和土体，比如高有机质饱和软土地基和高水位垃圾填埋场。对于高有机质含量的饱和软土，其内部会淤积有机质降解形成的沼气，这些封闭气体的存在会对隧道掘进、深基础施工等的安全产生重大影响。垃圾填埋场普遍存在渗沥液水位雍高的问题，水位以下填埋体内部同样会淤积可降解垃圾降解形成的填埋气，这些填埋气的存在会加剧高渗沥液水位带来的堆体失稳流滑、地下水土污染及填埋气无法有效收集的问题。因此，有必要对含封闭气包带饱和土体进行降水，消除或减少封闭气包带的淤积，从而对上述岩土工程问题进行防控。
室内大型模型试验系统，为含封闭气包带饱和土体降水机理和应用的研究提供了很好的途径。目前，室内大型降水模型试验系统均针对不含封闭气包带的饱和土体，缺乏针对含封闭气包带饱和土体的室内大型降水模型试验系统。此外，考虑到降水过程和封闭气包带发展过程的相互影响，有必要在上述试验中揭示抽真空对加速封闭气包带扩散和提高降水效果的影响规律。因此，要求上述试验系统能具备模拟封闭气包带淤积和扩散以及联合真空法实施降水的功能。
技术实现要素：
为克服上述问题，本实用新型提供一种含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置。
本实用新型采用的技术方案是：含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置，包括试验箱、注水系统、注气系统、抽水系统、抽真空系统和监测系统；
试验箱为密封箱体，试验箱内装有试验土体；试验箱两侧壁的下部分别设有注气孔和注水孔，试验箱两侧壁的上部分别对称设有第一溢水孔和第二溢水孔，试验箱的顶面设有抽气孔、抽水孔和出线孔；
注水系统通过注水孔与试验箱连接，对试验土体由下至上供水，以得到饱和试验土体；注气系统通过注气孔与试验箱连接，以模拟饱和试验土体中气体的产生；抽水系统通过抽水孔与试验箱连接，从试验土体中抽水，用于试验土体降水；抽真空系统通过抽气孔与试验箱连接，用于改变土体孔压边界，使试验箱内产生真空度；
所述注水系统包括注水桶，试验箱内的底部设有注水管网，注水管网通过注水管连接注水桶，注水管上设有注水阀门，第一溢水孔和第二溢水孔上分别安装有第一溢水阀门和第二溢水阀门；
所述注气系统包括吹气风机，试验箱内的底部设有注气管网，注气管网位于注水管网的上方；注气管网通过注气管与吹气风机连接；注气管上沿靠近试验箱的一端至远离试验箱的一端依次设有注气阀门、第一压力表、第一调节阀、第一气体流量表；
所述抽水系统包括蠕动泵，试验箱内设有竖井，竖井竖直埋设在试验土体内；竖井通过抽水管与蠕动泵的吸水端连接，蠕动泵的出水端通过管线与注水桶连接；
所述抽真空系统包括抽气风机和y形的抽气管，y形的抽气管由第一分支管、第二分支管和主管道组成；抽气风机连接在第一分支管的端头处，并通过抽气管与试验箱连接，第一分支管上设有第二抽气阀门；第二分支管上设有排气阀门和第二气体流量表，排气阀门位于靠近主管道的位置；主管道上沿靠近试验箱的一端至远离试验箱的一端依次设有第一抽气阀门、第二压力表、第二调节阀；
所述监测系统包括第一压力表、第一气体流量表、第二气体流量表、第二压力表、应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、土壤水分传感器tdr和多通道数据采集仪，应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器和土壤水分传感器tdr分别埋设在试验箱的试验土体内，应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器和土壤水分传感器tdr通过信号传输线连接多通道数据采集仪。
进一步，所述试验箱包括顶部开口内部中空的箱体和顶盖，箱体由四周侧板和底板组成；顶盖和箱体之间设有橡胶垫，顶盖和箱体通过螺栓连接且密封配合。
进一步，所述注水管网呈田字形布置，且注水管网所在平面平行于试验箱的底面所在平面；注水管网的管道壁上布设有通孔，注水管网的管道壁外侧包裹有防止试验土体进入注水管网内部的土工布。
进一步，所述注气管网呈十字形布置，注气管网所在平面平行于试验箱的底面所在平面；注气管网的管道壁上布设有通孔，注气管网的管道壁外侧包裹有防止试验土体进入注气管网内部的土工布。
进一步，所述竖井包括内管，内管的顶端连接有用于与抽水管连接的抽水嘴，内管的外侧套设外管；外管的底部封闭，外管的管壁均布有通孔，外管的管壁外侧包括有用于试验土体进入竖井的土工布。
进一步，所述内管的底端高于外管的底端10mm。
进一步，所述出线孔内设有密封件，密封件内设有用于信号传输线穿出的细孔。
本实用新型的有益效果是：
(1)注水系统可根据需要在试验箱侧壁设置不同高度的溢水阀门，通过这些阀门的开启以达到控制注入水位高度的要求。
(2)注气系统设定不同的气体注入方式，包括不同的注气压力和注气速率，并且可测得排出气体的压力和体积。
(3)抽水系统可设定不同的抽水速率并且可测量竖井降水期间的抽水量。
(4)抽真空系统可设定不同的真空度。
附图说明
图1是试验箱的结构示意图。
图2是本实用新型的系统示意图。
图3是试验箱内部系统示意图。
图4是注水管网的结构示意图。
图5是注气管网的结构示意图。
图6是竖井的结构示意图。
附图标记说明：试验箱1；顶盖1-1；试验箱螺栓1-2；侧板1-3；底板1-4；注气孔1-5；注水孔1-6；第一溢水孔1-7；第二溢水孔1-8；抽水孔1-9；抽气孔1-10；出线孔1-11；橡胶垫1-12；注水系统2；注水阀门2-1；注水管网2-2；注水管2-3；注水桶2-4；第一溢水阀门2-5；第二溢水阀门2-6；注气系统3；注气阀门3-1；注气管网3-2；注气管3-3；第一调节阀3-4；吹气风机3-5；排气阀门3-6；抽水系统4；抽水管4-1；竖井4-2；蠕动泵4-3；抽真空系统5；第一抽气阀门5-1；第二调节阀5-2；抽气管5-3；第二抽气阀门5-4；抽气风机5-5；第一压力表6-1；第一气体流量表6-2；第二气体流量表6-3；第二压力表6-4。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
参照附图，含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置，包括试验箱1、注水系统2、注气系统3、抽水系统4、抽真空系统5和监测系统6；
试验箱1为密封箱体，试验箱1内装有试验土体；试验箱1包括顶部开口内部中空的箱体和顶盖1-1，箱体由四周侧板1-3和底板1-4组成；顶盖1-1和箱体之间设有橡胶垫1-12，顶盖1-1和箱体通过试验箱螺栓1-2连接且密封配合；试验箱1两侧壁的下部分别设有注气孔1-5和注水孔1-6，试验箱1两侧壁的上部分别对称设有第一溢水孔1-7和第二溢水孔1-8，顶盖1-1上设有抽气孔1-10、抽水孔1-9和出线孔1-11；
注水系统2通过注水孔1-6与试验箱1连接，对试验土体由下至上供水，以得到饱和试验土体；注气系统3通过注气孔1-5与试验箱1连接，以模拟饱和试验土体中气体的产生；抽水系统4通过抽水孔1-9与试验箱1连接，从试验土体中抽水，用于试验土体降水；抽真空系统5通过抽气孔1-10与试验箱1连接，用于改变土体孔压边界，使试验箱内产生真空度；
所述注水系统2包括透明且带有标尺的注水桶2-4，试验箱1内的底部设有注水管网2-2，注水管网2-2呈田字形布置，且注水管网2-2所在平面平行于试验箱1的底面所在平面；注水管网2-2的管道壁上布设有通孔，注水管网2-2的管道壁外侧包裹有防止试验土体进入注水管网2-2内部的土工布；注水管网2-2通过注水管2-3连接注水桶2-4，注水管2-3上设有注水阀门2-1，第一溢水孔1-7和第二溢水孔1-8上分别安装有第一溢水阀门2-5和第二溢水阀门2-6；
所述注气系统3包括吹气风机3-5，试验箱1内的底部设有注气管网3-2，注气管网3-2位于注水管网2-2的上方；注气管网3-2呈十字形布置，注气管网3-2所在平面平行于试验箱1的底面所在平面；注气管网3-2的管道壁上布设有通孔，注气管网3-2的管道壁外侧包裹有防止试验土体进入注气管网3-2内部的土工布；注气管网3-2通过注气管3-3与吹气风机3-5连接；注气管3-3上沿靠近试验箱1的一端至远离试验箱1的一端依次设有注气阀门3-1、第一压力表6-1、第一调节阀3-4、第一气体流量表6-2；
所述抽水系统4包括蠕动泵4-3，试验箱1内设有竖井4-2，竖井4-2竖直埋设在试验土体内；竖井4-2包括内管4-2-2，内管4-2-2的顶端连接有用于与抽水管4-1连接的抽水嘴4-2-3，内管4-2-2的外侧套设外管4-2-1，且内管4-2-2的底端高于外管4-2-1的底端10mm左右；外管4-2-1的底部封闭，外管4-2-1的管壁均布有通孔，外管4-2-1的管壁外侧包括有用于试验土体进入竖井4-2的土工布；竖井4-2通过抽水管4-1与蠕动泵4-3的吸水端连接，蠕动泵4-3的出水端通过管线与注水桶2-4连接；
所述抽真空系统5包括抽气风机5-5和y形的抽气管5-3，y形的抽气管5-3由第一分支管、第二分支管和主管道组成；抽气风机5-5连接在第一分支管的端头处，并通过抽气管5-3与试验箱1连接，第一分支管上设有第二抽气阀门5-4；第二分支管上设有排气阀门3-6和第二气体流量表6-3，排气阀门3-6位于靠近主管道的位置；主管道上沿靠近试验箱1的一端至远离试验箱1的一端依次设有第一抽气阀门5-1、第二压力表6-4、第二调节阀5-2；
所述监测系统包括第一压力表6-1、第一气体流量表6-2、第二气体流量表6-3、第二压力表6-4、应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、土壤水分传感器tdr和多通道数据采集仪，应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器和土壤水分传感器tdr分别埋设在试验箱1的试验土体内，应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器和土壤水分传感器tdr通过信号传输线连接多通道数据采集仪。出线孔1-11内设有密封件，密封件内设有用于信号传输线穿出的细孔。
含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤1、先在试验箱1底部设置注水管网2-2，接着向试验箱1内分层填土，并逐层夯实；在设定的高度位置设置注气管网3-2，以及依靠试验箱的侧壁设置竖井4-2，布置完后接着继续填筑土体至完成；应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器和土壤水分传感器tdr按预先设计好的位置在填筑土体过程中放入；应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器和土壤水分传感器tdr的信号传输线从出线孔1-11的密封件中穿出来，盖上顶盖1-1，并用试验箱螺栓1-2将顶盖1-1与箱体连接紧密，穿出来的信号传输线连接多通道数据采集仪；
步骤2，先静置24小时，再接着记录各监测仪器的初始读数；初始读数记录好后，往注水桶2-4注水；打开注水阀门2-1、第一溢水阀门2-5和第二溢水阀门2-6，往注水桶2-4内持续注水以保持注水桶2-4的水位，同时注水桶2-4的水通过注水管网2-2往土体内注水；土体内高于设定高度的多余水会从第一溢水阀门2-5和第二溢水阀门2-6排出，当有水从第一溢水阀门2-5和第二溢水阀门2-6中流出时，标志着注水结束，此时停止向注水桶2-4内注水，注水桶内水位会与土体内水位高度一致，观察注水桶2-4内壁上的刻度，得到土体内水位高度；注水结束时，关闭注水阀门2-1，关闭第一溢水阀门2-5和第二溢水阀门2-6，将注水桶2-4中的剩余水清空；
步骤3、注水完成后，进行土体的饱和；将土体静置48小时，静置期间打开抽真空系统5里的第一抽气阀门5-1、第二调节阀5-2、第二抽气阀门5-4以及抽气风机5-5，通过第二调节阀5-2设定一个较高的真空度，对试验箱1内抽真空，使试验土体饱和；静置期间保持抽真空的持续进行，真空度通过第二压力表6-4读数；
步骤4、试验土体饱和完成后，关闭抽真空系统5中打开的阀门和抽气风机5-5；进行模拟普通竖井降水处理含封闭气包带饱和地基试验，试验需先打开注气系统3中的第一调节阀3-4、注气阀门3-1、第一抽气阀门5-1、第二调节阀5-2、排气阀门3-6以及吹气风机3-5，通过第一调节阀3-4设定所需的注气速率，气体通过注气管网3-2注入试验土体中，从试验土体中排出的气体会从第一抽气阀门5-1、排气阀门3-6排出并被收集；第一气体流量表6-2测得注气量，注气速率由注气量结合注气时间算得，第一压力表6-1测得注气压力，第二压力表6-4测得排气压力，第二气体流量表6-3测得收集到的排气量；注气完成后，关闭第一调节阀3-4和注气阀门3-1，根据试验需要静置一段时间，静置完成后关闭排气阀门3-6；
步骤5、先打开抽真空系统5里的第一抽气阀门5-1、第二调节阀5-2、第二抽气阀门5-4以及抽气风机5-5，通过第二调节阀5-2设定所需的真空度，对试验箱1内抽真空；同时开启蠕动泵4-3进行竖井4-2抽水，抽出的水被排到注水桶2-4中收集；
步骤6、重复步骤1-5，并在步骤5中设定下一级所需注气速率和真空度，直至试验完成。
模拟竖井联合真空法(不同真空度)处理含封闭气包带饱和地基试验，需重复先前开盖、填土、埋设传感器、合盖和注水饱和土体的所有操作才能进行；试验需先打开注气系统3中的调节阀3-4、注气阀门3-1、第一抽气阀门5-1、第二调节阀5-2、排气阀门3-6以及吹气风机3-5，通过调节阀第一3-4设定所需的注气速率，气体通过注气管网3-2注入土体中，从土体中排出的气体会从抽气阀门5-1排出并被收集；第一气体流量表6-2可测得注气量，注气速率可由注气量结合注气时间算得，第一压力表6-1可测得注气压力，第二压力表6-4可测得排气压力，第二气体流量表6-3可测得收集到的排气量；注气完成后，关闭第一调节阀3-4和注气阀门3-1，可根据试验需要静置一段时间，静置完成后关闭排气阀门3-6；重复先前的抽真空和抽水操作完成一组试验；需重复先前开盖、填土、埋设传感器、合盖和注水饱和土体的所有操作，才能进行设定下一级所需注气速率以及通过第二调节阀5-2设定下一级所需真空度，然后进行竖井4-2抽水；重复以上操作步骤，直至试验完成。
在以上的试验过程中，通过多通道数据采集仪记录应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器和土壤水分传感器tdr的数据，可获得土压力、水位、孔压和含水量的变化；通过打开试验箱1顶盖1-1，可直接测量试验后的土体沉降；抽水量的变化可由注水桶2-4收集的水量测得；某一组试验下第一气体流量表6-2与第二气体流量表6-3监测读数的差值即为降水过程中的抽气量。
通过普通竖井和竖井联合真空法(不同真空度)对含封闭气包带饱和土体进行降水试验，结合试验过程中土体土压力、沉降、水位、孔压和含水量以及抽水量、抽气量和真空度的监测，模拟分析不同封闭气包带赋存型式下，真空度对加速封闭气包带扩散和提高降水效果的影响规律。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
1.含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置，其特征在于：包括试验箱(1)、注水系统(2)、注气系统(3)、抽水系统(4)、抽真空系统(5)和监测系统；
试验箱(1)为密封箱体，试验箱(1)内装有试验土体；试验箱(1)两侧壁的下部分别设有注气孔(1-5)和注水孔(1-6)，试验箱(1)两侧壁的上部分别对称设有第一溢水孔(1-7)和第二溢水孔(1-8)，试验箱的顶面设有抽气孔(1-10)、抽水孔(1-9)和出线孔(1-11)；
注水系统(2)通过注水孔(1-6)与试验箱(1)连接，对试验土体由下至上供水，以得到饱和试验土体；注气系统(3)通过注气孔(1-5)与试验箱(1)连接，以模拟饱和试验土体中气体的产生；抽水系统(4)通过抽水孔(1-9)与试验箱(1)连接，从试验土体中抽水，用于试验土体降水；抽真空系统(5)通过抽气孔(1-10)与试验箱(1)连接，用于改变土体孔压边界，使试验箱内产生真空度；
所述注水系统(2)包括注水桶(2-4)，试验箱(1)内的底部设有注水管网(2-2)，注水管网(2-2)通过注水管(2-3)连接注水桶(2-4)，注水管(2-3)上设有注水阀门(2-1)，第一溢水孔(1-7)和第二溢水孔(1-8)上分别安装有第一溢水阀门(2-5)和第二溢水阀门(2-6)；
所述注气系统(3)包括吹气风机(3-5)，试验箱(1)内的底部设有注气管网(3-2)，注气管网(3-2)位于注水管网(2-2)的上方；注气管网(3-2)通过注气管(3-3)与吹气风机(3-5)连接；注气管(3-3)上沿靠近试验箱(1)的一端至远离试验箱(1)的一端依次设有注气阀门(3-1)、第一压力表(6-1)、第一调节阀(3-4)、第一气体流量表(6-2)；
所述抽水系统(4)包括蠕动泵(4-3)，试验箱(1)内设有竖井(4-2)，竖井(4-2)竖直埋设在试验土体内；竖井(4-2)通过抽水管(4-1)与蠕动泵(4-3)的吸水端连接，蠕动泵(4-3)的出水端通过管线与注水桶(2-4)连接；
所述抽真空系统(5)包括抽气风机(5-5)和y形的抽气管(5-3)，y形的抽气管(5-3)由第一分支管、第二分支管和主管道组成；抽气风机(5-5)连接在第一分支管的端头处，并通过抽气管(5-3)与试验箱(1)连接，第一分支管上设有第二抽气阀门(5-4)；第二分支管上设有排气阀门(3-6)和第二气体流量表(6-3)，排气阀门(3-6)位于靠近主管道的位置；主管道上沿靠近试验箱(1)的一端至远离试验箱(1)的一端依次设有第一抽气阀门(5-1)、第二压力表(6-4)、第二调节阀(5-2)；
所述监测系统包括第一压力表(6-1)、第一气体流量表(6-2)、第二气体流量表(6-3)、第二压力表(6-4)、应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、土壤水分传感器(tdr)和多通道数据采集仪，应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器和土壤水分传感器(tdr)分别埋设在试验箱(1)的试验土体内，应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器和土壤水分传感器(tdr)通过信号传输线连接多通道数据采集仪。
2.如权利要求1所述的含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置，其特征在于：所述试验箱(1)包括顶部开口内部中空的箱体和顶盖，箱体由四周侧板(1-3)和底板(1-4)组成；顶盖(1-1)和箱体之间设有橡胶垫(1-12)，顶盖(1-1)和箱体通过螺栓连接且密封配合。
3.如权利要求1所述的含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置，其特征在于：所述注水管网(2-2)呈田字形布置，且注水管网(2-2)所在平面平行于试验箱(1)的底面所在平面；注水管网(2-2)的管道壁上布设有通孔，注水管网(2-2)的管道壁外侧包裹有防止试验土体进入注水管网(2-2)内部的土工布。
4.如权利要求1所述的含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置，其特征在于：所述注气管网(3-2)呈十字形布置，注气管网(3-2)所在平面平行于试验箱(1)的底面所在平面；注气管网(3-2)的管道壁上布设有通孔，注气管网(3-2)的管道壁外侧包裹有防止试验土体进入注气管网(3-2)内部的土工布。
5.如权利要求1所述的含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置，其特征在于：所述竖井(4-2)包括内管(4-2-2)，内管(4-2-2)的顶端连接有用于与抽水管(4-1)连接的抽水嘴(4-2-3)，内管(4-2-2)的外侧套设外管(4-2-1)；外管(4-2-1)的底部封闭，外管(4-2-1)的管壁均布有通孔，外管(4-2-1)的管壁外侧包括有用于试验土体进入竖井(4-2)的土工布。
6.如权利要求5所述的含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置，其特征在于：所述内管(4-2-2)的底端高于外管(4-2-1)的底端10mm。
7.如权利要求1所述的含封闭气包带饱和土体的竖井联合真空法降水试验装置，其特征在于：所述出线孔(1-11)内设有密封件，密封件内设有用于信号传输线穿出的细孔。
技术总结