CN105242028A - 一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置及试验方法，该试验装置包括模型箱、用于模拟研究区域的模拟材料、抽灌装置、数据测量设备、数字照相分析系统和数据采集设备，模拟材料按照研究区域的土层结构和建筑结构设置在模型箱内，将设置在模型箱内的模拟材料整体称为试验模型，抽灌装置用于对试验模型不同深度的地下水进行抽取和回灌，数据测量设备用于测量试验模型各土层内部的应力值和地表沉降量，数字照相分析系统用于监测和分析试验模型各土层分层沉降特性，数据采集设备用于存储并处理采集到的数据。本发明可以用于研究建筑物施工顺序以及分层开采和回灌地下水引起的各土层压缩变形特性及应力变化规律。

Description

一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置及试验方法。

背景技术

地面沉降是指区域性地面标高降低的一种环境地质现象，具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点。诱发地面沉降的原因可分为自然因素和人为因素两大类，前者主要包括地震、地质构造下沉、火山喷发以及气候变化等，而后者一般是指人为开采地下流体和矿产资源以及城市工程环境建设。地面沉降不仅会引起局部地区发生地下管线破坏、路面结构受损以及建筑物倾斜和倒塌，甚至会使整个城市的给排水系统失效、防洪能力下降、海水倒灌等灾害，这将对城市建设和经济可持续性发展带来难以估量的损失和灾害。

上海是中国最早发现地面沉降的地区，其早期沉降主要由地下水不合理开采引起的，城市用水主要来自于第二、三层含水层。随后政府调整地下水开采层次，采用综合地下水开采模式，主要开采深部第四、五层含水层并对第二、三层含水层进行回灌，地面沉降现象得以缓和。但90年代以来，上海中心城区开展了大规模的工程环境建设，使得该地区的地面沉降又出现了新一轮的增长。由此可见，地面沉降的诱发因素从单一的地下水开采，逐渐转变为地下水抽灌和工程环境效应的共同作用。

目前，在地面沉降的研究中，主要是针对地面沉降的现场监测，而对于地基土层在多因素耦合作用下变形机理的研究相对较少。与本发明相似的产品如上海启鹏工程材料科技有限公司张杰的发明专利“一种测量地面沉降的装置”(专利号：CN102235887A)、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心张青等人的专利“地面沉降分层原位监测装置”(专利号：CN204043656U)、长安大学黄强兵的专利“地面沉降模拟试验装置”(专利号：CN203705435U)及上海市地质调查研究院顾为栋等人的专利“一种监测地面沉降的引测标本”(专利号：CN2475994Y)。此类装置和方法可以为现场地面沉降的监测提供有效的手段，但是很难揭示出地基土层在应力场和渗流场的共同作用下产生的变形特征。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置及试验方法，可以研究建筑物施工顺序以及分层开采和回灌地下水对地面沉降分布特征的影响，并结合颗粒图像测速技术、土压力盒和孔隙水压力计分析各土层压缩变形特性以及相应的土孔压变化规律，从而研究各因素共同作用下的地基土层变形机理。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置，包括模型箱、用于模拟研究区域的模拟材料、抽灌装置、数据测量设备、数字照相分析系统和数据采集设备，模拟材料按照研究区域的土层结构和建筑结构设置在模型箱内，将设置在模型箱内的模拟材料整体称为试验模型，抽灌装置用于对试验模型不同深度的地下水进行抽取和回灌，数据测量设备用于测量试验模型各土层内部的应力值和地表沉降量，数字照相分析系统用于监测和分析试验模型各土层分层沉降特性，数据采集设备用于存储并处理采集到的数据。

具体的，所述模型箱为无盖的箱体结构，其中前侧面为透明钢化玻璃，左侧面、后侧面、右侧面和底面为铝合金铆接结构。

具体的，所述模拟材料包括试验用土、桩基、桩基承台、模拟建筑物和抽灌水井，试验用土为研究区域的真实土体，桩基和桩基承台均为铝制材料，模拟建筑物通过砝码堆载模拟，抽灌水井为铝制细长圆管；分别在试验模型不同深度处的含水层打透水孔，铝制细长圆管的底端缠绕滤网并插入到透水孔内，铝制细长圆管的顶端伸出地表。

具体的，所述数据测量设备包括土压力盒、孔隙水压力计和线位移传感器，土压力盒用于测量试验模型中的土压力，孔隙水压力计用于测量试验模型中的孔隙水压力，线位移传感器用于测量试验模型中的地表沉降量；土压力盒和孔隙水压力计布置在各土层的中部，线位移传感器布置在地表。

具体的，所述数据采集设备采用动态应变测试系统实现。

具体的，所述数字照相分析系统包括高精度数字照相机、支架、照明设备和颗粒图像测速设备，高精度数字照相机通过支架设置在模型箱的前侧，通过高精度数字照相机记录试验模型各土层的实时变形特征，颗粒图像测速设备根据高精度数字照相机的记录分析试验模型各土层的压缩变形量。

具体的，所述抽灌装置包括橡皮软管和注射器，注射器通过橡皮软管与抽灌水井连通。

一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

第一步：确定所需研究的影响因素，采用量纲分析法确定各相似常数，构造模型箱；

第二步：确定模拟材料，包括试验用土、桩基、桩基承台、模拟建筑物和抽灌水井；

第三步：试验前期准备，包括传感器的标定、数据采集设备的测试、透明钢化玻璃上标记点的制作以及抽灌装置的检测；

第四步：铺设地基土层，在模型箱内侧面画好定位线，每5cm填筑一层砂土层或粘土层；在铺设砂土层时，在透明钢化玻璃和砂土层之间均匀播撒采砂，以增加砂土的纹理特征，便于颗粒图像测速设备分析和计算试验模型各土层的变形特征；在铺设粘土层时，先在制备好的粘土样与透明钢化玻璃接触的一侧均匀播撒采砂，再将制备好的粘土样铺设在模型箱内，以增加粘土的纹理特征，便于颗粒图像测速设备分析和计算试验模型各土层的变形特征；若相邻两层均为粘土层，在已经铺设完成的下层粘土层表面用钢丝刷刮毛，再铺设上层粘土层，便于上层粘土层和下层粘土层接触紧密；

第五步：安设传感器，按照试验方案，在各土层的中部埋设土压力盒和孔隙水压力计，并保证土压力盒的受力面水平；在地表安置线位移传感器，以实时检测地表各处沉降；

第六步：安放桩基、桩基承台和抽灌水井；

第七步：在模型箱的透明钢化玻璃前侧架设高精度数字照相机和照明设备；

第八步：等待整个试验模型在自重作用下完全固结；

第九步：分阶段添加模拟建筑物，分阶段开采不同深度的含水层，分阶段回灌不同深度的含水层。

有益效果：本发明提供的由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置及试验方法，可以研究建筑物施工顺序以及分层开采和回灌地下水对地面沉降分布特征的影响，并结合颗粒图像测速技术、土压力盒和孔隙水压力计分析各土层压缩变形特性以及相应的土孔压变化规律，从而研究各因素共同作用下的地基土层变形机理。

附图说明

图1为本发明试验装置的正视结构示意图；

图2为本发明试验装置的俯视结构示意图；

图3为本发明试验装置的剖视结构示意图；

图中：1-模型箱；2-淤泥质粘土层；3-细砂土层；4线位移传感器支架；5-桩基承台；6-桩基；7-砝码；8-透明钢化玻璃；9-抽灌水井；PPT1～PPT20-第一孔隙水压力计～第二十孔隙水压力计；EPC1～EPC17-第一土压力盒～第十七土压力盒；L1～L18-第一线位移传感器～第十八线位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1～图3所示为一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置，包括模型箱、用于模拟研究区域的模拟材料、抽灌装置、数据测量设备、数字照相分析系统和数据采集设备，模拟材料按照研究区域的土层结构和建筑结构设置在模型箱内，将设置在模型箱内的模拟材料整体称为试验模型，抽灌装置用于对试验模型不同深度的地下水进行抽取和回灌，数据测量设备用于测量试验模型各土层内部的应力值和地表沉降量，数字照相分析系统用于监测和分析试验模型各土层分层沉降特性，数据采集设备用于存储并处理采集到的数据。

所述模型箱为无盖的箱体结构，其中前侧面为透明钢化玻璃(厚度约为15mm，具有足够抵挡试验模型侧向压力的能力)，左侧面、后侧面、右侧面和底面为铝合金铆接结构，并在接缝处做防渗水处理。

所述模拟材料包括试验用土、桩基、桩基承台、模拟建筑物和抽灌水井。试验用土为研究区域的真实土体，用淤泥质黏土层模拟弱透水层，用细砂土层模拟含水层)；桩基采用长度为450mm、直径为8mm的铝管加工制作，桩基数量为5根；桩基承台采用200mm×200mm×10mm的铝板加工制作，桩基与桩基承台之间采用螺栓固定连接；模拟建筑物通过砝码堆载模拟；抽灌水井为铝制细长圆管，分别在试验模型不同深度处的含水层打透水孔，铝制细长圆管的底端缠绕滤网并插入到透水孔内，铝制细长圆管的顶端伸出地表。

所述数据测量设备包括土压力盒、孔隙水压力计和线位移传感器，土压力盒用于测量试验模型中的土压力，孔隙水压力计用于测量试验模型中的孔隙水压力，线位移传感器用于测量试验模型中的地表沉降量；土压力盒和孔隙水压力计布置在各土层的中部，线位移传感器布置在地表。

所述数据采集设备采用动态应变测试系统实现，数据采集设备分别连接土压力盒、孔隙水压力计和线位移传感器，并对采集到的数据进行处理与分析。

所述数字照相分析系统包括高精度数字照相机、支架、照明设备和颗粒图像测速设备，高精度数字照相机通过支架设置在模型箱的前侧，通过高精度数字照相机记录试验模型各土层的实时变形特征，颗粒图像测速设备根据高精度数字照相机的记录分析试验模型各土层的压缩变形量。

在向模型箱内填充试验用土前，应当在透明钢化玻璃上粘贴标志点以及已知实际物理坐标的控制点，并保证标志点在整个试验过程中均不发生位移变化，利用颗粒图像测速设备可得出标志点的实际物理坐标，并以该坐标系作为后续分析试验模型各土层变形的实际参考坐标系。在试验开始后，根据高精度数字照相机采集不同时刻的照片，利用颗粒图像测速设备可得出任意时刻试验模型各土层在像素坐标系下相对初始状态的位移变化特征，在根据标记点的物理坐标，将像素位移转化为实际物理位移，进而真实地反应出试验模型各土层的压缩变形特征。

所述抽灌装置包括橡皮软管和注射器，注射器通过橡皮软管与抽灌水井连通；注射器的容量为100ml，根据细砂土层体积以及含水量确定抽水量和灌水量，每次通过注射器抽取和注射水时，应尽可能保持缓慢，大约在10ml/min。

一种采用上述由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

第一步：确定所需研究的影响因素，采用量纲分析法确定各相似常数，构造模型箱；

第二步：确定模拟材料，包括试验用土、桩基、桩基承台、模拟建筑物和抽灌水井；

第三步：试验前期准备，包括传感器的标定、数据采集设备的测试、透明钢化玻璃上标记点的制作以及抽灌装置的检测；

第四步：铺设地基土层，在模型箱内侧面画好定位线，每5cm填筑一层砂土层或粘土层；在铺设砂土层时，在透明钢化玻璃和砂土层之间均匀播撒采砂，以增加砂土的纹理特征，便于颗粒图像测速设备分析和计算试验模型各土层的变形特征；在铺设粘土层时，先在制备好的粘土样与透明钢化玻璃接触的一侧均匀播撒采砂，再将制备好的粘土样铺设在模型箱内，以增加粘土的纹理特征，便于颗粒图像测速设备分析和计算试验模型各土层的变形特征；若相邻两层均为粘土层，在已经铺设完成的下层粘土层表面用钢丝刷刮毛，再铺设上层粘土层，便于上层粘土层和下层粘土层接触紧密；

第五步：安设传感器，按照试验方案，在各土层的中部埋设土压力盒和孔隙水压力计，并保证土压力盒的受力面水平；在地表安置线位移传感器，并通过线位移传感器支架固定在模型箱上，以实时检测地表各处沉降；

第六步：安放桩基、桩基承台和抽灌水井；

第七步：在模型箱的透明钢化玻璃前侧架设高精度数字照相机和照明设备；

第八步：等待整个试验模型在自重作用下完全固结，直至各传感器示数均已稳定，再用数字照相分析系统记录下该时刻试验模型各土层的变形特征；

第九步：分阶段添加模拟建筑物，通过传感器和数字照相分析系统时时采集和监测数据，直至整个试验模型的土层固结稳定；

第十步：分阶段开采不同深度的含水层，通过传感器和数字照相分析系统时时采集和监测数据，直至整个试验模型的土层固结稳定；

第十一步：分阶段回灌不同深度的含水层，通过传感器和数字照相分析系统时时采集和监测数据，直至整个试验模型的土层固结稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置，其特征在于：包括模型箱、用于模拟研究区域的模拟材料、抽灌装置、数据测量设备、数字照相分析系统和数据采集设备，模拟材料按照研究区域的土层结构和建筑结构设置在模型箱内，将设置在模型箱内的模拟材料整体称为试验模型，抽灌装置用于对试验模型不同深度的地下水进行抽取和回灌，数据测量设备用于测量试验模型各土层内部的应力值和地表沉降量，数字照相分析系统用于监测和分析试验模型各土层分层沉降特性，数据采集设备用于存储并处理采集到的数据。

2.根据权利要求1所述的由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置，其特征在于：所述模型箱为无盖的箱体结构，其中前侧面为透明钢化玻璃，左侧面、后侧面、右侧面和底面为铝合金铆接结构。

3.根据权利要求1所述的由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置，其特征在于：所述模拟材料包括试验用土、桩基、桩基承台、模拟建筑物和抽灌水井，试验用土为研究区域的真实土体，桩基和桩基承台均为铝制材料，模拟建筑物通过砝码堆载模拟，抽灌水井为铝制细长圆管；分别在试验模型不同深度处的含水层打透水孔，铝制细长圆管的底端缠绕滤网并插入到透水孔内，铝制细长圆管的顶端伸出地表。

4.根据权利要求1所述的由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置，其特征在于：所述数据测量设备包括土压力盒、孔隙水压力计和线位移传感器，土压力盒用于测量试验模型中的土压力，孔隙水压力计用于测量试验模型中的孔隙水压力，线位移传感器用于测量试验模型中的地表沉降量；土压力盒和孔隙水压力计布置在各土层的中部，线位移传感器布置在地表。

5.根据权利要求1所述的由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置，其特征在于：所述数据采集设备采用动态应变测试系统实现。

6.根据权利要求1所述的由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置，其特征在于：所述数字照相分析系统包括高精度数字照相机、支架、照明设备和颗粒图像测速设备，高精度数字照相机通过支架设置在模型箱的前侧，通过高精度数字照相机记录试验模型各土层的实时变形特征，颗粒图像测速设备根据高精度数字照相机的记录分析试验模型各土层的压缩变形量。

7.根据权利要求1所述的由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置，其特征在于：所述抽灌装置包括橡皮软管和注射器，注射器通过橡皮软管与抽灌水井连通。

8.一种采用权利要求1所述的由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：确定所需研究的影响因素，采用量纲分析法确定各相似常数，构造模型箱；

第二步：确定模拟材料，包括试验用土、桩基、桩基承台、模拟建筑物和抽灌水井；

第三步：试验前期准备，包括传感器的标定、数据采集设备的测试、透明钢化玻璃上标记点的制作以及抽灌装置的检测；

第四步：铺设地基土层，在模型箱内侧面画好定位线，每5cm填筑一层砂土层或粘土层；在铺设砂土层时，在透明钢化玻璃和砂土层之间均匀播撒采砂，以增加砂土的纹理特征，便于颗粒图像测速设备分析和计算试验模型各土层的变形特征；在铺设粘土层时，先在制备好的粘土样与透明钢化玻璃接触的一侧均匀播撒采砂，再将制备好的粘土样铺设在模型箱内，以增加粘土的纹理特征，便于颗粒图像测速设备分析和计算试验模型各土层的变形特征；若相邻两层均为粘土层，在已经铺设完成的下层粘土层表面用钢丝刷刮毛，再铺设上层粘土层，便于上层粘土层和下层粘土层接触紧密；

第五步：安设传感器，按照试验方案，在各土层的中部埋设土压力盒和孔隙水压力计，并保证土压力盒的受力面水平；在地表安置线位移传感器，以实时检测地表各处沉降；

第六步：安放桩基、桩基承台和抽灌水井；

第七步：在模型箱的透明钢化玻璃前侧架设高精度数字照相机和照明设备；

第八步：等待整个试验模型在自重作用下完全固结；

第九步：分阶段添加模拟建筑物，分阶段开采不同深度的含水层，分阶段回灌不同深度的含水层。