CN105862933B - 动态承压水作用的地基模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态承压水作用的地基模型试验装置。包括模型箱、承压架空层、承压水压力调节系统、传感器固定装置和量测系统；模型箱底部设置承压架空层，承压架空层与承压水压力调节系统连接；承压水压力调节系统由微型水压力变送器、有机玻璃圆筒装置和流量计组成；有机玻璃圆筒装置与流量计连通，通过流量计精确地调节有机玻璃圆筒装置内水柱高度的变化从而实现模型箱内承压水的动态变化；本发明可模拟承压水的动态变化过程；量测动态承压水作用下地基的水土压力和变形，确定地基受力和变形发展规律等问题；探求动态承压水变化的幅值和速率对地基稳定性的影响，为动态承压水作用引起的地基问题研究提供有效的试验数据支持。

Description

动态承压水作用的地基模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种地基模型试验装置，特别是涉及动态承压水作用下的地基模型试验装置，可用于模拟动态承压水作用时承压层和上覆弱透水性地基土体之间的相互作用，研究动态承压水作用下地基的水土压力响应、变形和稳定性问题。

背景技术

在滨海、沿江地区不仅地下水丰富，地基土层常呈强、弱透水层间的互层分布，工程中常面临深基坑坑底弱透水层以下尚存在承压层的情况，承压水作用引起的基坑变形和失稳问题是该类地区深基坑工程的重大风险源之一。对于大面积基坑的中心区域可以简化为地基模型，可通过设计地基模型试验的方法来揭示该区域的承压水动态变化引起的坑底弱透水层水土响应和变形规律。

相比于理论解析方法和有限元数值方法的研究采用既定的土体本构模型，计算得到的承压水动态变化引起的土体水土压力和变形大小对计算参数的选取具有很大的依赖性；实际工程监测过程中少有动态变化承压水压力和基坑水土压力的连续实时同步监测数据，且在研究过程中难以获得大量类似工程的实测数据用于统计分析以获得动态承压水变化引起的坑底弱透水层的水土压力响应和土体变形规律；鉴于常重力下土工模型试验，不影响土体微观结构，土颗粒尺寸及土颗粒间相互作用关系与实际情况相符，能客观反映承压水和坑底弱透水层土颗粒之间的相互作用，广泛应用于考虑土体应力应变关系的微观研究。

目前，传统承压水作用的相关土工模型试验研究，不考虑水中气体进入试验土体可能引起的非饱和土问题；大量模拟承压水变化的土工试验常考虑承压水压力的分级施加或减小，每一级承压水压力之间都是不连续的，因此不能实现承压水连续动态地变化，无法探讨承压水动态变化速率对土体水土压力响应、变形以及稳定性影响等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了模拟承压水动态变化的地基模型试验装置，解决了试验中承压水动态变化的精确模拟问题，可用于研究承压水动态变化时承压层和上覆弱透水性地基土体之间的相互作用，量测动态承压水变化过程中地基的水土压力和变形，整理相关试验数据确定动态承压水作用下地基的受力和变形发展规律等问题，探求动态承压水变化的幅值和速率对地基稳定性的影响，为动态承压水作用引起的地基问题研究提供有效的试验数据支持，并为之后理论分析模型提供依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种动态承压水作用的地基模型试验装置，包括模型箱、承压架空层、承压水压力调节系统、传感器固定装置和量测系统五个部分；所述模型箱由前后左右以及底部五块有机玻璃组成，可方便观测试验中土体的变形；所述模型箱左右两个侧面的上部均安装出水阀门，出水阀门底部与试验土体顶面齐平，试验过程中出水阀门保持打开以便及时排水，使得试验土体的水位线保持恒定；所述模型箱的底部一侧安装第一通水阀门用于饱和土体，另一侧安装第二通水阀门用于连通承压水压力调节系统；所述承压架空层由带通水孔的有机玻璃板、有机玻璃短柱和反滤土工织物组成；所述带通水孔的有机玻璃板底部固定有机玻璃短柱，放置于模型箱内，并与模型箱的四个侧面密封连接；所述带通水孔的有机玻璃板表面粘贴反滤土工织物，防止承压水动态变化过程中试验土体的流失；所述承压水压力调节系统由微型水压力变送器、有机玻璃圆筒装置和流量计组成；所述有机玻璃圆筒装置由有机玻璃圆筒、有机玻璃底座、刻度线和第三通水阀门组成；所述有机玻璃圆筒固定在有机玻璃底座上，侧壁竖直设置刻度线，底部设置第三通水阀门；所述微型水压力变送器通过三通管连接模型箱和有机玻璃圆筒，微型水压力变送器可连续记录承压水的动态变化情况；所述有机玻璃圆筒通过第三通水阀门与流量计连通，通过流量计精确地调节有机玻璃圆筒内水柱高度的变化从而实现模型箱内承压水的动态变化；所述传感器固定装置由不锈钢支架、尼龙板和螺栓组成；所述传感器固定装置通过螺栓固定在模型箱内的后侧面上；所述尼龙板固定在不锈钢支架上，不锈钢支架和尼龙板上开有贯穿的安装微型孔隙水压力传感器的圆孔，尼龙板上开有安装微型土压力盒的圆孔，不锈钢支架和尼龙板上开有导线槽用于放置微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的信号传输线；所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机；所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和微型水压力变送器通过信号传输线连接多通道数据采集仪；所述数码照相机放置于模型箱正前方。

进一步地，模型箱内的底部试验土体为砾砂，以模拟承压砾砂层，上覆试验土体为弱透水性土体，采用无气水饱和。

进一步地，所述弱透水性土体为粘质粉土。

进一步地，所述有机玻璃圆筒内的液体为无气水

进一步地，所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动；可根据拍摄需要增设光源。

进一步地，所述传感器固定装置的位置可根据试验的需要进行调整，其数量可根据试验的需要增加；传感器固定装置应安装在不影响数码照相机拍摄的模型箱侧面。

进一步地，所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和微型水压力变送器的信号传输线均连接至同一信号采集仪，在试验工程中保证所有信号的同步采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中采用承压架空层提供承压砾砂层承压水压力的方法，与天然承压水的埋藏条件相近；承压砾砂层与上覆弱透水性土层直接接触将客观模拟承压水动态变化过程中承压层与上覆弱透水性土层之间的相互作用，有利于进一步揭示动态承压水作用引起的地基土体水土压力响应和地基土体变形规律；常重力条件下进行试验研究，不影响地基土体的微观结构，使得土颗粒尺寸及土颗粒间相互作用关系与实际情况相符，有利于开展涉及土颗粒间相互作用的微观研究。

2、本发明在试验前采用无气水饱和试验土体，试验过程中提供无气承压水环境，使得试验土体的孔隙充满无气水，如上操作有两点益处：一是避免水中气泡进入弱透水性土层引起土体的非饱和问题(与饱和土相比，非饱和土的力学特性存在较大差异和不确定性)；二是避免水中气泡干扰微型孔隙水压力传感器影响其测量精度。

3、本发明采用流量计来精确地调节有机玻璃圆筒装置内水柱高度的变化幅值和变化速率，从而实现模型箱内承压水连续动态变化的模拟；微型水压力变送器的信号传输线与(连接有微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的同一)多通道数据采集仪连接后可连续记录承压水的动态变化情况，实现动态变化承压水压力和地基水土压力的同步监测。

4、本发明利用传感器固定装置固定微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒，有效避免试验过程中土体变形导致传感器测量位置变化而影响测试精度。

附图说明

图1为动态承压水作用的地基模型试验装置侧视图。

图2为填土前的模型箱俯视图。

图3为承压架空层结构示意图。

图4(a)为传感器固定装置侧视图。

图4(b)为传感器固定装置俯视图。

图4(c)为传感器固定装置剖面图。

图中：模型箱1；承压架空层2；带通水孔的有机玻璃板2-1；有机玻璃短柱2-2；反滤土工织物2-3；出水阀门3；第一通水阀门4-1；第二通水阀门4-2；微型水压力变送器5；有机玻璃圆筒装置6；有机玻璃圆筒6-1；有机玻璃底座6-2；刻度线6-3；第三通水阀门6-4；流量计7；传感器固定装置8；不锈钢支架8-1；尼龙板8-2；微型孔隙水压力传感器安装圆孔8-3；微型土压力盒安装圆孔8-4；导线槽8-5；螺栓8-6；砾砂9-1；弱透水性土体9-2；无气水10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明动态承压水作用的地基模型试验装置，包括模型箱1、承压架空层2、承压水压力调节系统、传感器固定装置8和量测系统五个部分。

所述模型箱1由前后左右以及底部五块有机玻璃组成，可方便观测试验中土体的变形；所述模型箱1左右两个侧面的上部均安装出水阀门3，出水阀门3底部与试验土体顶面齐平，试验过程中出水阀门3保持打开以便及时排水，使得试验土体的水位线保持恒定；所述模型箱1的底部一侧安装第一通水阀门4-1用于饱和土体，底部另一侧安装第二通水阀门4-2用于连通承压水压力调节系统；所述承压架空层2由带通水孔的有机玻璃板2-1、有机玻璃短柱2-2和反滤土工织物2-3组成；所述带通水孔的有机玻璃板2-1底部固定有机玻璃短柱2-2，放置于模型箱1内，并与模型箱1的四个侧面通过玻璃胶密封连接；所述带通水孔的有机玻璃板2-1表面粘贴反滤土工织物2-3，防止承压水动态变化过程中试验土体的流失；所述承压水压力调节系统由微型水压力变送器5、有机玻璃圆筒装置6和流量计7组成；所述有机玻璃圆筒装置6由有机玻璃圆筒6-1、有机玻璃底座6-2、刻度线6-3和第三通水阀门6-4组成；所述有机玻璃圆筒6-1固定在有机玻璃底座6-2上，侧壁竖直设置刻度线6-3，底部设置第三通水阀门6-4；所述微型水压力变送器5通过三通管连接模型箱1和有机玻璃圆筒6-1，微型水压力变送器5可连续记录承压水的动态变化情况；所述有机玻璃圆筒6-1通过第三通水阀门6-4与流量计7连通，通过流量计7精确地调节有机玻璃圆筒6-1内水柱高度的变化从而实现模型箱1内承压水的动态变化；所述传感器固定装置8由不锈钢支架8-1、尼龙板8-2和螺栓8-6组成；所述传感器固定装置8通过螺栓8-6固定在模型箱1内的后侧面上；所述传感器固定装置8的位置可根据试验的需要进行调整，其数量可根据试验的需要增加；所述传感器固定装置8应安装在不影响数码照相机拍摄的模型箱1侧面；所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机；所述数码照相机放置于模型箱正前方，可根据拍摄需要增设光源；所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动；所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和微型水压力变送器5的信号传输线均连接至同一信号采集仪，在试验工程中保证所有信号的同步采集。模型箱1内的底部试验土体为砾砂9-1(以模拟承压土层)，上覆试验土体为弱透水性土体9-2(如粘质粉土等)，采用无气水饱和。

如图3所示，所述带通水孔的有机玻璃板2-1使得承压架空层2中的无气水与砾砂9-1承压层水力连通，提供砾砂9-1承压层的承压水压力；所述带通水孔的有机玻璃板2-1的厚度、通水孔的排布和有机玻璃短柱2-2的排布应满足受力计算要求，使得承压架空层2足以承受试验土体的重量。

如图4(a)、4(b)、4(c)所示，所述尼龙板8-2固定在不锈钢支架8-1上，不锈钢支架8-1和尼龙板8-2上开有贯穿的安装微型孔隙水压力传感器所需的圆孔8-3，尼龙板8-2上开有安装微型土压力盒的圆孔8-4，不锈钢支架8-1和尼龙板8-2上开有导线槽8-5用于放置微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的信号传输线。

本发明的工作过程如下：首先向模型箱1内分层装填砾砂9-1夯实，填筑至指定高度；分层装填弱透水性土体9-2夯实，填至传感器固定装置8底部时，暂停填土，在模型箱1长轴一侧的中央位置安装传感器固定装置8，用螺栓8-6拧紧固定；而后在传感器固定装置8上安装微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒，由导线槽8-5引出孔隙水压力传感器和土压力盒的信号传输线，将信号传输线连接在多通道数据采集仪上；继续分层装填弱透水性土体9-2夯实，直至填土完成，由第一通水阀门4-1以6L/天的速度向模型箱1通无气水饱和试验土体砾砂9-1和弱透水性土体9-2，待土体完全饱和之后关闭第一通水阀门4-1，打开出水阀门3，在整个试验过程中出水阀门3保持开启状态以便及时排水，使得试验土体的水位线保持恒定。

由第二通水阀门4-2连接模型箱1和承压水压力调节系统(第二通水阀门4-2保持关闭)，将微型水压力变送器5的信号传输线连接至多通道数据采集仪，打开第三通水阀门6-4向有机玻璃圆筒6-1注入无气水10，至液面与试验土体顶面齐平，关闭第三通水阀门6-4；将数码照相机置于模型箱1正前方，调节相机参数，设置数码照相机的自动拍摄时间间隔为20s；若实验室光线不足，可在数码照相机两侧增设Led光源；利用数据采集仪采集记录试验初始状态下微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和微型水压力变送器5的读数，利用数码照相机拍摄试验初始状态下的试验土体照片。

待上述试验准备工作完成之后，进行第一组试验；根据第一组试验中承压水压力的变化速度，计算有机玻璃圆筒6-1内水柱高度相应变化所对应的流量，以此设定流量计7允许的流量值，而后将无气水10接入流量计7；打开第二通水阀门4-2和第三通水阀门6-4；打开数据采集仪连续采集记录该级水头压力下微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和微型水压力变送器5的读数，同时触发数码照相机；直至弱透水性土体9-2发生突涌破坏，关闭第二通水阀门4-2和第三通水阀门6-4，暂停数据采集仪和数码照相机，读取并记录有机玻璃圆筒6-1上刻度线6-3显示的水位值；而后卸除模型箱1内的试验土体，拆除传感器固定装置8，将有机玻璃圆筒6-1内的无气水10液面降至与试验土体顶面齐平。

采用如上所述方法重复试验，改变承压水压力变化的速率，进行多组试验；通过数据采集仪采集记录各组承压水动态变化过程中微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和微型水压力变送器5的读数，由数码照相机拍摄各组承压水动态变化过程中试验土体变形的照片。

最后对每组试验结果进行整理，分析数据采集仪采集记录的承压水动态变化过程中的微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和微型水压力变送器5的读数，得出动态承压水作用下地基土中的水土压力响应规律；通过对数码照相机所拍摄的照片进行PIV图像分析，得出土体的位移场，从而得知地基土体随承压水动态变化的变形规律；将各组试验结果进行对比，分析动态承压水变化的幅值和速率对地基水土压力响应、变形和稳定性的影响。

上述实施例为本发明的一个优选实施方式，是对本发明内容及其应用的进一步说明，不应理解为本发明仅适用于上述实施例。凡基于本发明原理和发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims (7)

1.一种动态承压水作用的地基模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)、承压架空层(2)、承压水压力调节系统、传感器固定装置(8)和量测系统五个部分；所述模型箱(1)由前后左右以及底部五块有机玻璃组成，可方便观测试验中土体的变形；所述模型箱(1)左右两个侧面的上部均安装出水阀门(3)，出水阀门(3)底部与试验土体顶面齐平，试验过程中出水阀门(3)保持打开以便及时排水，使得试验土体的水位线保持恒定；所述模型箱(1)的底部一侧安装第一通水阀门(4-1)用于饱和土体，另一侧安装第二通水阀门(4-2)用于连通承压水压力调节系统；所述承压架空层(2)由带通水孔的有机玻璃板(2-1)、有机玻璃短柱(2-2)和反滤土工织物(2-3)组成；所述带通水孔的有机玻璃板(2-1)底部固定有机玻璃短柱(2-2)，放置于模型箱(1)内，并与模型箱(1)的四个侧面密封连接；所述带通水孔的有机玻璃板(2-1)表面粘贴反滤土工织物(2-3)，防止承压水动态变化过程中试验土体的流失；所述承压水压力调节系统由微型水压力变送器(5)、有机玻璃圆筒装置(6)和流量计(7)组成；所述有机玻璃圆筒装置(6)由有机玻璃圆筒(6-1)、有机玻璃底座(6-2)、刻度线(6-3)和第三通水阀门(6-4)组成；所述有机玻璃圆筒(6-1)固定在有机玻璃底座(6-2)上，侧壁竖直设置刻度线(6-3)，底部设置第三通水阀门(6-4)；所述微型水压力变送器(5)通过三通管连接模型箱(1)和有机玻璃圆筒(6-1)，微型水压力变送器(5)可连续记录承压水的动态变化情况；所述有机玻璃圆筒(6-1)通过第三通水阀门(6-4)与流量计(7)连通，通过流量计(7)精确地调节有机玻璃圆筒(6-1)内水柱高度的变化从而实现模型箱(1)内承压水的动态变化；所述传感器固定装置(8)由不锈钢支架(8-1)、尼龙板(8-2)和螺栓(8-6)组成；所述传感器固定装置(8)通过螺栓(8-6)固定在模型箱(1)内的后侧面上；所述尼龙板(8-2)固定在不锈钢支架(8-1)上，不锈钢支架(8-1)和尼龙板(8-2)上开有贯穿的安装微型孔隙水压力传感器的圆孔(8-3)，尼龙板(8-2)上开有安装微型土压力盒的圆孔(8-4)，不锈钢支架(8-1)和尼龙板(8-2)上开有导线槽(8-5)用于放置微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的信号传输线；所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机；所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和微型水压力变送器(5)通过信号传输线连接多通道数据采集仪；所述数码照相机放置于模型箱(1)正前方。

2.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的地基模型试验装置，其特征在于，模型箱(1)内的底部试验土体为砾砂(9-1)，以模拟承压砾砂层，上覆试验土体为弱透水性土体(9-2)，采用无气水饱和。

3.根据权利要求2所述的一种动态承压水作用的地基模型试验装置，其特征在于，所述弱透水性土体(9-2)为粘质粉土。

4.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的地基模型试验装置，其特征在于，所述有机玻璃圆筒(6-1)内的液体为无气水(10)。

5.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的地基模型试验装置，其特征在于，所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动；可根据拍摄需要增设光源。

6.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的地基模型试验装置，其特征在于，所述传感器固定装置(8)的位置可根据试验的需要进行调整，其数量可根据试验的需要增加；传感器固定装置(8)应安装在不影响数码照相机拍摄的模型箱(1)侧面。

7.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的地基模型试验装置，其特征在于，所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和微型水压力变送器(5)的信号传输线均连接至同一信号采集仪，在试验工程中保证所有信号的同步采集。