CN101806669A - 高精度地下结构静水浮力模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土工室内试验装置，具体涉及一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，包括外箱、内箱及一用于测量所述内箱位移的监测装置，所述试验系统使用时外箱和内箱之间设置饱和介质，及将所述监测装置放置于或部分放置于所述内箱中，其特征在于：所述内箱由内箱侧壁和内箱底板组成，所述内箱底板设于内箱侧壁一端内形成间隙配合，内箱底板通过柔性止水带与所述内箱侧壁密封连接；所述内箱侧壁与所述外箱可活动式连接固定。本发明的优点是：消除了摩擦力对浮力测试结果的影响，能准确判定结构浮起状态，纯水中内箱底板所受浮力实测值基本等于浮力理论值，二者最大相差+0.93%，平均相差仅+0.07%，系统参数准确，试验误差小、数据可靠。

Description

高精度地下结构静水浮力模型试验系统

技术领域

本发明涉及一种土工室内试验装置，具体涉及一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统。

背景技术

合理确定地下结构所受到的浮力，对于地下工程的安全性、经济性和可靠性至关重要。由于学术界和工程界对此在理论上缺乏统一认识，目前普遍以试验作为最重要和可靠的研究手段。以下对于目前通常采用的实验装置进行分析及介绍：

图1所示装置现有浮力模型试验中最为常见的一种，其基本过程为：首先将内箱2放入外箱1中合适的高度，内箱2中注满水，再将饱和介质3放入外箱1、内箱2之间。而后逐渐抽取内箱2中的水，一旦内箱2开始移动，则可知内箱2受浮力影响开始上浮，此时即为其平衡状态，而后称取内箱2中的水的重量即可依照式（1.1）进行计算浮力。

                   （1.1）

式中N－总浮力；

W－内箱2自重、W_w－内箱2中水重；

F_m－内箱侧壁13与介质3的摩擦力。

内箱侧壁13与介质3的摩擦力通常按式（1.2）计算：

                   （1.2）

式中l－内箱2的周长；

B－内箱2与外箱1介质3接触的外壁高度；

σ－内箱侧壁13正应力；

f－摩擦系数。

摩擦系数通常采用测定斜坡下滑角度的方法，如图2所示。其基本操作为将装有饱和介质3的容器倒扣在光滑玻璃板4上，并使饱和介质3稍凸出容器，而后将下玻璃板4逐渐倾斜，当饱和介质3开始下滑时，记录倾角α，摩擦系数f=tanα。

上述方法的优点是可以直接测定出模型结构（内箱2）在不同介质3中，不同埋深下实际受到的浮力大小。但稍加分析即可发现，采用该方法测定的模型所受浮力的精度是非常有限的，其原因主要有三个方面：侧壁摩擦力、浮起状态的判定和内箱2姿态控制，下面就这三个方面进行分析。

（1）侧壁摩擦力

由式（1.1）可知，浮力计算时侧壁摩擦力是其组成部分，因此侧壁摩擦力准确与否直接影响试验结果的准确性。这里式（1.2）所采用的计算摩擦力的方法实际上是按照库伦摩擦定律来计算的，即单位面积上的摩擦力等于摩擦系数乘以正应力，如图3所示。因此，侧壁摩擦力的计算需要解决作用在侧壁上的土压力的大小和分布，以及侧壁与介质3的摩擦系数两个方面的问题。侧壁上的土压力的按式（1.3）计算，即：

                       （1.3）

式中σ－水平土压力；

K－水平土压力系数；

σ_z－竖向土压力。

试验中侧壁周围的土层宽度是很小的，与理想的半无限空间存在显著差异，因此此时的竖向土压力与理想条件下的值可能存在较大的差别。对于不同的介质3而言，计算竖向土压力时土的重度的取值目前也存在较大争议。再有计算填筑形成的介质3在壁后形成的水平推力时，水平土压力系数的如何取值也是一个问题。而就侧壁与土的摩擦系数而言，考虑到土体的固结变形性状，在不同的应力水平和固结状态下，二者之间的摩擦特性可能会发生改变，进而使得摩擦系数也发生变化。而采用图2所示方法无法反映出这种变化。因此，可以说计算所得的侧壁摩擦力值是存在明显系统误差的，而且由于可能引起误差的因素太多，对于误差的大小和规律很难作出判定。

在这种情况下，一种解决思路是采用了在侧壁表面涂抹硅油的办法，并认为这样处理之后摩阻力基本完全消除。显然，涂抹硅油是可以在一定程度上减小侧壁与土体之间的摩阻力，但由于硅油的润滑效果是有限的，要达到光滑接触是不太可能的。因此砂土中测得的地下室模型所受浮力与模型理论上所受的浮力存在偏差的原因，除了人为的操作误差外，主要原因是地下室模型所受摩擦力并没有通过涂抹硅油而完全消除。随着基础埋深的不断加大，相应的侧壁摩擦力也逐渐增大，试验所测的浮力也越来越偏离理论计算值。那么，如果能够通过一定的技术手段消除侧壁摩擦力，该试验方法的精度便可以大大提高。

（2）浮起状态的判定

该试验方法的另一个关键是找到减小内箱2重量的过程中，内箱2开始移动的那一瞬间所对应的内箱2重量进行浮力的计算。如何捕捉这一极限浮力平衡状态呢？

一种方法是在外箱1四角安设测定水位的标尺，从内箱2中分次少量抽水，当外箱1水位标尺读数发生变化时，认为此时即为极限浮力平衡状态。这种方法对于浮起状态的判定精度显然是有限的。首先，由于内、外箱1底面积相差数倍，当外箱1水位高度发生降低时，内箱2必然已经发生了很大的上浮量。假定水位标尺的读数精度为mm，而外箱1底面积为内箱2底面积的4倍，介质3体积不变，那么当外箱1饱和介质3水位发生1mm的下降时，就意味着内箱2已经上浮多达4mm。此上浮量下，对于砂土和经过固结的黏性土而言，上浮前后内箱2底部的受力状态可能已经发生了改变，甚至可能出现内箱2底部与下部土体脱开的情况，从而使得浮力实测值偏离实际。

另一种方法是在内箱2设置量力环来实现对浮起状态的判定，即在内箱2上部设置一量力环，量力环通过传力杆与内箱2底部中心相接触。在内箱2抽水前通过调整升降台使量力环的指针归零，当抽水至某一重量，指针刚好摆动时，这说明内箱2正处于临界平衡状态，即量力杆自重、内箱2自重与箱内水重之和与浮力相平衡。

这种方法的精度受量力环精度的影响，同时为防止传力杆左右摆动，在模型槽的顶端需采用支架进行固定，并做消除摩擦的处理，这将进一步影响到试验的精度。

另外，对于渗透性较小的介质3，即便内箱2重量已经减小到小于其受到的浮力，内箱2也不会马上浮起，而是会经历一定时间之后才缓慢浮起达到新的平衡位置。那么，这就要求对于上浮状态的观测是需要长时间连续进行的。因此，如果能够有一个明确的、而不是以“读数发生变化时”或“指针刚好摆动时”这种模糊的标准来对内箱2极限浮力平衡状态进行判定的话，将有助于提高试验的精度、可靠性和可比性。

（3）模型姿态控制

如图4所示，当模型室存在一定角度的偏转时，模型室侧壁上的水（土）压力将存在竖向分量，从而影响到摩擦力与浮力的测试结果。试验中由于内箱2是仅受周围介质3约束，在填筑介质3的过程中很难确保其不会发生偏转，由此可能使得试验结果明显失真，或者降低不同组别试验结果的可比性。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，该试验系统通过断开模型室（内箱）侧壁与底板、选用柔性止水带密封止水和采用水准仪观测三方面措施，较好地克服了以往模型试验中的缺点与不足之处，大幅度提高了地下结构浮力试验的精度。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，包括外箱、内箱及一用于测量所述内箱位移的监测装置，所述试验系统使用时外箱和内箱之间设置饱和介质，及将所述监测装置放置于或部分放置于所述内箱中，其特征在于：所述内箱由内箱侧壁和内箱底板组成，所述内箱底板设于内箱侧壁一端内形成间隙配合，内箱底板通过柔性止水带与所述内箱侧壁密封连接；所述内箱侧壁与所述外箱可活动式连接固定。

所述内箱侧壁和内箱底板之间的相对面中的至少一个设置有滚珠，以限定所述内箱底板和内箱侧壁之间相对移动方向。

所述内箱侧壁和内箱底板之间相对面上分别对应设置有垂直的凹槽以配合构成定位滑槽，所述定位滑槽内放置有至少一个滚珠。

所述外箱侧壁及内箱侧壁上对应开设有定位孔，并穿设螺杆相对固定。

所述试验系统包括有若干测压装置，所述测压装置包括测压管和玻璃管，所述测压管为水平设置的中空圆管，其一端开设有若干小孔并设置于外箱内部，相对的另一端连通有所述玻璃管，所述玻璃管竖直设置。

所述测压管具有小孔的一端距外箱内壁至少50mm，任意两个相邻测压管的间距为100mm。

所述柔性止水带选用厚度为0.15mm的无色透明PVC，且宽度大于所述内箱侧壁和内箱底板间缝隙的宽度。

所述内箱底板下表面不光滑。

所述监测装置包括顶部悬挂有钢尺的三脚观测架和水准仪，所述三脚观测架设于所述内箱底板上。

本发明的优点是：消除了摩擦力对浮力测试结果的影响，能准确判定结构浮起状态，纯水中内箱底板所受浮力实测值基本等于按照阿基米德定律计算的浮力理论值，二者最大相差+0.93%，平均相差仅+0.07%，系统参数准确，试验误差小、数据可靠。

附图说明

图1为典型浮力模型试验装置图；

图2为测定摩擦系数方法示意图；

图3为内箱侧壁摩擦力计算示意图；

图4为内箱发生偏转示意图；

图5为本发明实施例主视图；

图6为本发明实施例俯视图；

图7为外箱结构示意图；

图8为内箱侧壁与底板的连接结构示意图1；

图9为内箱侧壁与底板的连接结构示意图II；

图10为测压管结构示意图；

图11为水准仪技术指标表（表1）；

图12为各级压重下底板悬浮时外箱水位表（表2）；

图13为底板面积试验数据表（表3）；

图14为不同压重及浮起量下的柔性止水带阻力表（表4）；

图15为系统参数汇总表（表5）；

图16为平衡不同压重所需水头增量表（表6）；

图17为纯水中不同水深时内箱底板浮力试验结果（表7）。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1—17所示，标号1-18分别表示：外箱1、内箱2、介质3、玻璃板4、测压装置5、排水管6、底座7、压重8、定位螺杆9、三角观测架10、定位孔11、测压孔12、内箱侧壁13、内箱底板14、柔性止水带15、滚珠16、测压管17、小孔18。

参见图1-17，以下将详细描述本实施例构思及具体实施方式。

前面已经分析了要提高模型试验的精度，需要从以下三个方面入手：①尽可能地消除侧壁摩擦力对试验的影响；②提高观测系统的精度，准确的捕捉到内箱2微量上浮，并适应长期连续观测的需要；③控制内箱2姿态或增强对其的约束，减小或消除由于内箱侧壁13不完全竖直对试验的影响。

分析上述三个方面的问题，可以发现其中①和③都与内箱侧壁13有关，因此可以将侧壁和底板分体设置,即是将内箱2分成内箱侧壁13和内箱底板14两个部分，使两者之间的受力相互不发生影响。这样内箱侧壁13摩擦力和姿态便不会对底板上受到的浮力产生影响。内箱侧壁13和内箱底板14之间可采用柔性的密封连接构造，这样既能方便底板的自由上浮，又可以避免水侵入到内箱2里面。为准确的观测到内箱底板14的上浮或下沉情况，可以考虑用适当的方法将内箱底板14的位移传递到某一标尺上，然后借助水准仪对标尺进行观测，这样可以获得很高的位移观测精度。

基于上述设想，本发明模型试验系统如图5所示。模型系统主要由外箱1、内箱2和量测系统构成。外箱1、内箱2均为有机玻璃制成。外箱1用来盛放介质3（水、砂土、黏土等），内箱2用于模拟地下结构。外箱1侧壁设置测压管17，用来测定不同深度处的孔隙水压力。内箱2由内箱侧壁13和内箱底板14两部分构成，两者之间用可动密封连接。内箱2和外箱1侧壁上相应位置处设有定位孔11，定位螺杆9从中穿过，再由螺栓紧固，如此将内箱侧壁13与外箱1连成一体。通过内箱侧壁13上不同高度位置处的定位孔11，可调整内箱2与外箱1之间的相对高度。

结合上述发明构想，以下详细描述本实施例中各组成的结构及连接使用方式：

外箱1构造：

外箱1外径800mm，高800mm，侧壁厚10mm，底板厚20mm。侧壁设有6个Φ8mm测压孔12，间距为100mm；侧壁上布设有4个定位孔11，用于固定内箱2。外箱1底板中央设一个Φ12mm出水孔，孔内壁贴透水石并安放阀门。

内箱2构造：

（1）内箱侧壁13和内箱底板14

内箱侧壁13外直径352mm、高600mm、厚6mm，侧壁上设置Φ12mm定位孔12个。内箱底板14直径300mm，厚6mm，质量约1kg，要求底板粗糙，以消除与黏性土接触时产生的负压力。侧壁下端呈“L”型，底板呈挂篮型，底板挂在侧壁上。侧壁和底板之间隙宽度5mm，采用柔性止水带15密封，详见图8。自重作用下，底板通过边缘悬挂与侧壁上。间隙可保证底板在浮力作用下可以自由的上浮而不受到阻碍。柔性止水带15对间隙进行密封，保证水和土颗粒不会进入间隙之中。

柔性止水带15的材料性能直接影响底板浮起时的阻力，同时柔性止水带15必须具有较好的与有机玻璃粘结的能力和一定的耐久性能。通过对多种材料的比选和尝试，最终选用厚度为0.15mm的无色透明PVC作为柔性止水带15材料，粘结剂采用502胶水。通过测试发现，所选材料性能良好。

柔性止水带15的粘结操作难度是比较大的，其关键在于形成“Ω”型表面的同时还要确保间隙两侧均完全粘牢、不发生漏水，并且要尽量保证胶水不流到间隙当中。

（2）底板的防倾设计

考虑到内箱底板14浮起时可能发生倾斜而与侧壁发生接触的情况，如图9所示，内箱侧壁13和内箱底板14之间还可采用滚珠16来限定内箱底板14的位移方向。如图9所示，在内箱底板14和侧壁对应位置开设了四个定位滑槽。滑槽直径为13mm，每个滑槽内放置2粒Ф12mm滚珠16，通过滑槽内的滚珠16来控制底板的上浮姿态。

观测系统：

底板上放置一轻质三脚三角观测架10，顶部悬挂有钢尺。底板上浮将带动三角观测架10和钢尺向上移动，通过在约3～4m外架设水准仪对三角观测架10顶部悬挂的钢尺进行测读，即可精确地测定底板的竖向移动量。水准仪选用了苏州一光仪器有限公司生产的DSZ2自动安平水准仪，其技术指标见图11（表1）。

由于模型室侧壁固定，故在饱和介质3浮力作用下发生上浮的仅是内箱底板14，因此模型室姿态和侧壁摩擦力对试验的影响已经完全消除。内箱底板14在发生上浮之前悬挂于侧壁上，加之柔性止水带15对底板与侧壁相对位置的固定作用，试验中底板上浮前的初始位置和高度将始终不变，由此确保了不同介质3中试验结果有较好的可比性。观测系统方面，三角观测架10的三个支点可以较好地反映出整个底板盘面的浮动状况，而通过水准仪可以清晰的观测到支架顶端悬挂的钢尺的微小移动，而且可以方便的进行长时间、不间断的观测。

测压管17及其连接：

在外箱1筒壁沿竖直方向每隔10cm预留Ф10mm孔一个，用来连接测压管17。测压管17采用玻璃管，管径10mm，长1.5m，共6根。6根测压管17固定在一木板上，木板表面粘贴刻度为1mm的坐标纸。测压管17以乳胶软管与外箱1侧壁上的测压管17接头相连接。

外箱1侧壁上的测压管17接头构造设计如图10所示。接头由一空心螺纹钢管制成。螺杆外径10mm，内径4-6mm。螺杆左端钻有若干小孔，安装在外箱1内部，伸入外箱1内部不少于50mm，优选为100mm，以获得较为准确的介质3内部的水压力值。为防止介质3颗粒堵塞接头，可在其表面包裹若干层纱布。测压管17接头连接构造如图10所示，螺杆通过两枚Ф8mm螺栓夹紧在筒壁上，螺栓下设置垫片，以增大接触面积。螺栓与筒壁之间放一枚2mm厚橡胶垫圈，增强接头的水密性。

系统装配步骤

①将系统底座放置平稳，将外箱1放置于底座之上。

②在外箱1侧壁上安装测压管17接头，将测压管17安装到木板上并放置到适当位置，用乳胶软管将两者连接。

③在外箱1中加水，验证接头是否漏水、水力连接是否通畅。

④测定外箱1中水位高度与测压管17水头的相对关系，测定完成后排水。

⑤用螺杆和螺栓将内箱2固定在外箱1上。

⑥测定内箱底板14下表面到外箱1底板上表面之间的距离。

⑦将三角观测架10放置于内箱底板14之上，并在三角观测架10顶部吊点悬挂钢尺。

⑧将1#砝码放置在内箱底板14中心位置。

⑨在系统旁边适当位置将水准仪架设至适当高度（可观测到钢尺并且读数在刻度线上）并调平。

测定系统参数

参数的确定及测试方法:对饱和介质3中处于悬浮状态的内箱底板14进行受力分析。假定容器中水深H时，随着压重8的减小，内箱底板14从初始埋深h缓慢上浮Δ后稳定在埋深h’处，此时压重8为F。

根据竖向的受力平衡，有：

σA=F＋G＋f                      （2.1）

由式（2.1）中可知，底板受力面积A和柔性止水带15阻力f是计算浮力和扬压力的主要系统参数。由于底板加工精度和止水柔性止水带15的影响，直接采用底板的设计直径300mm来计算底板面积是不合适的，有必要对底板的实际受力面积进行测定。而柔性止水带15阻力f的大小随底板上浮量Δ的变化而变化，因此需要测定f与Δ间的关系。

纯水中，底板上的扬压力等于静水压力，即：

σ=γ_wh’                        （2.2）

将式（2.2）带入式（2.1），得：

γ_wh’A=F＋G＋f                    （2.3）

假设在微小上浮的情况下，如果上浮量相等则底板受到的柔性止水带15阻力相等。于是在不同压重8下进行试验，通过调整容器水位高度使的底板达到相同上浮量，则有：

                    （2.4）

式中f_Δ为相同底板上浮量所对应的柔性止水带15阻力。两式相减，有：

                 （2.5）

根据式（2.5），通过两次不同压重8下的试验即可求得底板的实际受力面积A。

使用注意事项

1．压重8的选择

由于底板面积较大、底板受到的浮力比较大，底板上的压重8采用了砝码与量筒相结合的方式。通过增减大小不同的砝码，可以方便的调整压重8。在即将浮起的临近状态附近，可以通过补充和抽取量筒内的水来微调压重8，从而让系统达到预先设想的临界状态。

2．初始状态和悬浮状态的确定

这里初始状态指底板尚未浮起时状态，此状态下可由水准仪观测得到底板初始高度。通过多次测试发现，由于底板本身的质量较小（约1kg），由于受外界条件的影响下，所测得的底板高度读数存在一定波动。为稳定底板高度位置，我们以底板上放置1#砝码（约2kg）的情况下测得的读数作为底板高度的初读数。经反复验证，在1#砝码的重量作用下，初始状态下底板的高度位置十分稳定。

当底板受到的浮力大于其受到的向下的作用力时，底板即会浮起。随着浮起高度的增加，其受到的浮力将减小，同时柔性柔性止水带15作用于底板的阻力可能会增大，因此当底板上升到一定高度之后会重新稳定在一个平衡位置，即所谓的悬浮状态。因此，对于底板而言，其任何一个平衡位置皆为悬浮状态，只是对应不同的浮力大小。那么要确定底板受到的浮力，只需知道此时底板埋深，或是压重8和止水柔性止水带15阻力f。

显然，不同的浮起量下止水柔性止水带15阻力f的值应是不相同的。因此，需要测定浮起量Δ与f之间的关系。同时，为了简化试验和便于比较，在不同水深的情况下，可以统一规定一个浮起量Δ作为达到悬浮状态的标志，这样在计算浮力时可将f视为一个定值直接带入计算即可。

试验用钢尺的最小刻度为0.5mm，在水准仪视野中0.5mm的位移相当明显和清晰，也就是说，通过水准仪可以将底板的上浮量非常准确地控制在0.5mm。因此，我们选择了浮起0.5mm作为悬浮状态的控制标准。即在测定某种状态的浮力时，底板的浮起量至少要达到0.5mm。

3．外箱1水位的测定方法

外箱1水位的准确测定对于浮力计算十分重要。通过在外箱1侧壁处架立钢板尺来测量水位高度。钢板尺紧贴外箱1侧壁放置，插入时用吊线锤确保钢尺垂直度。为保证量测的准确，沿外箱1侧壁均匀布置4个测点。所有的水位测量均在测点处架立钢板尺进行测试，便于数据比较。外箱1水位取4个测点处读数的平均值。

视线高度对于读数的准确性影响很大。由于有机玻璃具有很好的透明性，读数时可以利用水在外箱1侧壁处和内箱侧壁13处形成的前后端两个液面，通过调整视线高度，使眼睛、前端液面和后端液面位于同一条直线上，然后在读出前端液面处的水位高度。

4．其他注意事项

显然，在这样一个试验系统当中，如果让底板上下形成了较大的压差，对于系统而言是不利的。因此，在外箱1加（排）水和压重8增（减）的过程中，都要尽量注意保持内外压力的平衡。可以通过阿基米德定律计算不同水位时内箱2受到的浮力以及平衡此浮力所需要的压重8，从而通过分级加载的方式，让内外压力差始终保持在一个较小的范围。同时，在外箱1加（排）水和压重8增（减）的过程中注意观测底板的上浮（下沉）量，确保不因为过大的压差或位移量导致系统（特别是止水柔性止水带15）受损。

系统参数测定结果

1．底板计算直径D（面积A）

试验中，底板上浮量统一取为0.5mm。采用砝码为压重8，6枚质量相同的砝码分6次进行加载，每枚砝码的质量约为1418g。测定各级压重8下底板上浮0.5mm时所对应的容器水位高度H。试验共进行了6组，取各级压重8下测得的容器水位高度平均值进行计算，试验结果见表2、3。

注：图13中（表3）^*为底板与三角观测架10自重之和，H为6组试验的平均值。

将ΔF=18.78N、Δh’=2.52cm带入式（2.5），可得A=760.45cm²，底板直径D=31.12cm。这表明粘贴止水柔性止水带15之后，根据底板实际受力面积换算而得的底板直径大于原底板直径，其大小约等于原直径加上两边间隙宽度之和，这与底板的实际受力形态是符合的。

将A值和试验数据带入式（2.3），可得不同压重8下、Δ=0.5mm时的柔性止水带15阻力f_0.5见表3。可以看到，在相同底板上浮量下，柔性止水带15阻力基本不受压重8和水深影响而保持不变，这与前面f仅由Δ决定的假设是一致的。

2．止水柔性止水带15阻力f与浮起量Δ关系曲线

利用同样的方法测定f与Δ的关系，分别对6级砝码压重8之下Δ从0.5～1.5mm之间的f值进行了测定，测试结果如表5.4所示。可以看到，柔性止水带15阻力f随上浮量增大而增大，二者之间呈线性关系。

由表4可以看到，较小浮起量下，止水柔性止水带15阻力f与浮起量Δ之间表现出较好的线性关系。同时这再次证明压重8或浮力的大小对柔性止水带15浮力没有影响，止水柔性止水带15阻力f仅由浮起量Δ决定。根据f－Δ关系曲线，可以确定不同浮起量下的柔性止水带15阻力，从而可以方便地对底板在任意悬浮状态（不同浮起量）下所受到的浮力进行计算。

当然，为了尽可能消除试验中的不确定因素、确保数据的可比性，悬浮状态的判定上原则上尽量采用前述0.5mm的统一标准。在某些介质3中如果难以将浮起量准确控制在0.5mm时，可根据f－Δ曲线以其实际浮起量来计算柔性止水带15阻力和底板受到的浮力。

这里将系统参数汇总于表5（参见附图15），以便于计算时使用。

根据已获得的系统参数，对纯水中的模型受到的浮力进行测试，验证系统参数的正确性和试验系统的可靠性，进一步优化和完善试验步骤与操作。

1、将试验系统置于稳定位置，把1#砝码放入内箱2。

2、在适当位置架设水准仪，测定初始读数A。

3、将2#砝码放入内箱2。

4、往外箱1内注水，至内箱底板14所受浮力基本与1#砝码和底板自重相平衡，停止注水。平衡不同大小压重8所需外箱1水头增量见表4.3。

5、将3#砝码放入内箱2。

6、继续往外箱1内注水，至内箱底板14所受浮力基本与2#、1#砝码和底板自重相平衡，停止注水。

7、如此反复，至外箱1水位离设计水位约2.5cm。

8、将量杯（容量500ml）装水（约250ml）后放入内箱2。

9、外箱1注水至设计水位。

10、观察水准仪读数。如果读数未发生变化，表示此时浮力小于压重8，底板尚未浮起，此时可适当减轻压重8或提高外箱1水位；如果读数在A～（A－0.5）之间，表示底板已经浮起。为使其达到0.5mm的浮起量，可适当减轻压重8；如果读数小于（A-0.5），则说明压重8偏小，底板浮起量已经超过0.5mm。为使其达到0.5mm的浮起量，可适当增加压重8。直至水准仪读数稳定在（A-0.5）。

11、用钢板尺测定外箱1水位。

12、按照阿基米德定律计算底板受到的浮力。

13、取出量杯称重，计算浮力实测值。

14、对浮力理论值和计算值进行比较分析。

当水位漫过底板时会在底板下部产生气泡，注水时应将其去除。

根据底板计算面积A，可算得平衡不同大小压重8所需要的外箱1水头增量，计算结果见表6（参见附图16）。

注：附图16(表6)中在注水过程中，内箱底板14并未浮起，故不计柔性止水带15阻力影响。

纯水中的浮力测试结果

考虑到系统的承载能力，对水深约5～20cm时底板受到的浮力进行了测试，测试结果见附图17（表7）。

注：理论值为按阿基米德定律计算所得浮力值；

ΔT＝T’-T；η＝ΔT/T×100%，下同。

从表7可知，纯水中内箱底板14所受浮力实测值基本等于按照阿基米德定律计算的浮力理论值，二者最大相差+0.93%，平均相差仅+0.07%。这说明试验系统设计和制作是成功的，系统参数准确，试验误差小、数据可靠。

Claims (9)

1.一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，包括外箱、内箱及一用于测量所述内箱位移的监测装置，所述试验系统使用时外箱和内箱之间设置饱和介质，及将所述监测装置放置于或部分放置于所述内箱中，其特征在于：所述内箱由内箱侧壁和内箱底板组成，所述内箱底板设于内箱侧壁一端内形成间隙配合，内箱底板通过柔性止水带与所述内箱侧壁密封连接；所述内箱侧壁与所述外箱可活动式连接固定。

2.根据权利要求1所述的一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，其特征在于：所述内箱侧壁和内箱底板之间的相对面中的至少一个设置有滚珠，以限定所述内箱底板和内箱侧壁之间相对移动方向。

3.根据权利要求2所述的一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，其特征在于：所述内箱侧壁和内箱底板之间相对面上分别对应设置有垂直的凹槽以配合构成定位滑槽，所述定位滑槽内放置有至少一个滚珠。

4.根据权利要求1所述的一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，其特征在于：所述外箱侧壁及内箱侧壁上对应开设有定位孔，并穿设螺杆相对固定。

5.根据权利要求1所述的一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，其特征在于：所述试验系统包括有若干测压装置，所述测压装置包括测压管和玻璃管，所述测压管为水平设置的中空圆管，其一端开设有若干小孔并设置于外箱内部，相对的另一端连通有所述玻璃管，所述玻璃管竖直设置。

6.根据权利要求5所述的一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，其特征在于：所述测压管具有小孔的一端距外箱内壁至少50mm，任意两个相邻测压管的间距为100mm。

7.根据权利要求1所述的一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，其特征在于：所述柔性止水带选用厚度为0.15mm的无色透明PVC，且宽度大于所述内箱侧壁和内箱底板间缝隙的宽度。

8.根据权利要求1所述的一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，其特征在于所述内箱底板下表面不光滑。

9.根据权利要求1所述的一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，其特征在于：所述监测装置包括顶部悬挂有钢尺的三脚观测架和水准仪，所述三脚观测架设于所述内箱底板上。

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