CN106996902A - 含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置 - Google Patents

Abstract

一种含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，包括模型箱、围护板和加压系统，围护板位于模型箱内，加压仓包围住模型箱，模型箱内铺设试验土体，围护板的下部位于试验土体内，围护板内的试验土体表面层为监测层，监测层上布置数据采集系统；加压系统中，加压仓包围住模型箱，加压仓上部设有进水管和气门，加压仓的下部设有出水口，进水管使用封闭螺帽封堵；气门与气泵连接；模型箱下部设有用于供水渗透到模型箱内同时阻止试验土体进入加压仓的反滤板，加压仓的水位高于反滤板的顶部，围护板的下部高于反滤板的顶部。本发明提供一种效果好、操作方便、工期短、费用低的含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置。

Description

含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置

技术领域

本发明涉及含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置,主要适用于在室内试验中在不同承压层水压条件下对基坑坑底稳定性的影响研究，属于工程试验技术领域。

背景技术

地下空间的开发是城市发展的一个重要趋势，而这离不开基坑的开挖及围护。在基坑开挖中，由于坑底上部土压力逐渐减小，在基坑底部以下承压水的作用下易导致坑底隆起、突涌等工程事故的发生，且基坑开坑深度越大，问题越严重。为了评价基坑坑底稳定性，需要对不同承压水压力条件下的坑底位移进行研究，给实际工程提供可靠的数据。由于基底稳定性试验是破坏性试验，难以在工程现场进行测试，且具有工序复杂、费用高、工期长等不足，

发明内容

为了克服已有基坑坑底稳定性评价方式的工序复杂、费用高、工期长的不足，本发明提供一种效果好、操作方便、工期短、费用低的含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，包括模型箱、围护板、加压系统和数据采集系统，所述围护板位于所述模型箱内，所述加压仓包围住所述模型箱，所述模型箱内铺设试验土体，所述围护板的下部位于所述试验土体内，所述围护板内的试验土体表面层为监测层，所述监测层上布置数据采集系统；

所述加压系统包括加压仓、气泵、进水管、出水口、气门和封闭螺帽，所述加压仓包围住模型箱，所述加压仓上部设有进水管和气门，所述加压仓的下部设有出水口，所述进水管使用封闭螺帽封堵；所述气门与气泵连接；

所述模型箱下部设有用于供水渗透到模型箱内同时阻止试验土体进入加压仓的反滤板，所述加压仓的水位高于所述反滤板的顶部，所述围护板的下部高于所述反滤板的顶部。

进一步，所述模型箱是上部无盖的长方体，所述模型箱包括支柱、卡板和反滤板，所述模型箱四角设有用于支撑和增加整体性的支柱，所述卡板的两端分别与支柱相连，所述卡板的下部放置反滤板。

再进一步，所述气门通过不锈钢接口与分流器连接，所述分流器通过气阀与气泵连接。

更进一步，所述数据采集系统包括LVDT位移计、磁力表座、横梁和数据采集仪，所述横梁位于模型箱上，所述横梁上固定磁力表座，所述磁力表座与LVDT位移计连接，所述LVDT位移计阵列式分布在所述监测层上，所述LVDT位移计与所述数据采集仪连接。

所述橡胶垫包裹所述LVDT位移计伸缩针的顶端，所述橡胶垫与所述监测层的土体接触。

所述数据采集仪与所述计算机控制系统连接，所述计算机控制系统包括用于实时采集LVDT位移计、气压和水压数据，并进行动态实时处理的测试模块。

本发明的技术构思为：采用室内试验是进行承压水地层下基坑坑底稳定性测试的有效手段，本发明提供的承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，能够有效地评价含有承压水地层的基坑坑底稳定性，而且具有效果好、操作方便、工期短、费用低的特点。

本发明的有益效果主要表现在：(1)水气联合加压。在加压仓中使用气、水联合加压的方式，通过控制水面上方的气压来控制承压水头的大小。不仅降低了用水量，也克服了难以施加高压的难题。(2)承压层水压稳定性高。模型箱被加压仓包围在中间，采用反滤板相接，增大了接触面积，提高了承压水的影响范围。加压仓内部相通，水面上的气压始终相同，且仓内水位一致，水压力也相同，所以在承压层内部的水压力保持相同，提高水压稳定性和测试效果。(3)位移测试方式可靠。在试验过程中，通过对监测网格中各个监测点进行实时监测，并使用计算机进行基坑隆起位移进行实时记录和显示，获得不同承压水条件坑底渗流破坏前后坑底面的变形规律，为现场工程提供试验依据和工程指导。(4)操作简单、费用低、时间短、可靠性高。根据工程现场的实际情况，在室内试验装置可根据需要进行组装，工序简单，测试时间短，可靠性高；各部件可重复利用，费用低。

附图说明

图1是含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置的结构示意图。

图2是模型箱俯视图。

图3是监测网格图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，包括加压仓1；模型箱2；围护板3；试验土体4(包括填土41、淤泥质粘土42、砂土43、粘土44)；支柱5；卡板6；反滤板7；进水管8；封闭螺帽9；出水口10；水阀11；水12；气泵13；气阀14；分流器15；气管16；气压计17；不锈钢接口18；气门19；横梁20；磁力表座21；LVDT位移计22；橡胶垫23；监测点24；数据采集仪25和计算机控制系统26。

所述围护板3位于所述模型箱2内，所述加压仓1包围住所述模型箱2，所述模型箱2内填充试验土体4，所述围护板3的下部位于所述试验土体4内，所述围护板3内的试验土体表面层为监测层，所述监测层上布置数据采集系统；

所述加压系统由加压仓1、气泵13、进水管8、出水口10、气门19和封闭螺帽9组成，所述加压仓1包围住模型箱2，所述加压仓1上部设有进水管8和气门19，所述加压仓1的下部设有出水口10，所述进水管8使用封闭螺帽9封堵；所述气门与气泵连接；

所述模型箱2下部设有用于供水渗透到模型箱内同时阻止试验土体进入加压仓的反滤板7，所述加压仓1的水位高于所述反滤板7的顶部，所述围护板3的下部高于所述反滤板7的顶部；

其中，加压仓1包围住模型箱2，二者之间可以通过反滤板7完成水12的交换。模型箱2的四角设有支柱5，支柱5上设有卡板6，反滤板7可以放置在卡板6上。进水管8与封闭螺母9之间采用螺纹连接，气管16与气门19之间通过不锈钢接口18完成连接，分流器15连接着气泵13和气管16，完成空气分流。横梁20的两端嵌入模型1中，用于放置磁力表座21。橡胶垫23设有凹槽，用于嵌入LVDT位移计22的指针头。LVDT位移计22与数据采集仪25用数据线传输信号，再将数据转换传输给计算机控制系统26。

本实施例的测试装置包括模型箱、围护板、加压系统和数据采集系统四部分。所述模型箱是由透明的钢化玻璃组成，上部无盖的长方体，包括支柱、卡板、反滤板组成。在四角有用于支撑和增加整体性的支柱，卡板与支柱相连，用来放置反滤板。反滤板和卡板都有4块，位于内壁模型箱的四周。所述围护板为上下无盖的长方盒。所述加压系统由加压仓、气泵、不锈钢接口、气阀、气压计、进水管、出水口、气门、封闭螺帽、水等组成。加压仓包围住模型箱，由钢化玻璃组成，并使用角钢加固以提高整体强度。加压仓上部由1个进水管和4个气门组成，下部留有1个出水口。进水管和出水口用做加压仓中的水位控制，使用封闭螺帽封堵；气口用于空气交换，并使用不锈钢接口与气泵机械连接，提高密闭性。气阀用于控制加压仓中空气压力。所述数据采集系统由LVDT位移计、橡胶垫、磁力表座、横梁和数据采集仪组成。橡胶垫包裹位移计伸缩针顶端，用于将指针与土体隔离，保护位移计，而且橡胶垫提高了位移计的监测范围。横梁位于模型箱上，用于固定磁力表座。所述计算机数据采集系统内带软件，可以实时采集LVDT位移计和气压、水压等数据，并进行动态实时处理。

本实施例中，某基坑工程拟建地铁出入口，基坑整体呈现长方形，长宽深大约为50m、30m、10m。以地下连续墙作为围护结构，深度为20m，厚度为1m。场地土层自上而下依次是填土、淤泥质粘土、砂土、粘土厚度分别为2m、15m、5m、10m，其中砂土为承压含水层。本试验采用无油静音气泵，最大可以施加0.5MPa的气压。本试验模型箱的箱体内部尺寸为1500mm×1000mm×900mm。

本发明的测试方法的实施步骤是：

1)确定围护板尺寸、形状。围护板可根据实际工程中基坑的形状、围护形式确定，形状可为矩形、圆形、多边形等，材质可选用塑料和钢材。本实施例中基坑采用地下连续墙的形式，所以围护板采用10mm厚的硬质塑料板的代替，尺寸根据实际工程50:1的比例缩放，长宽高分别取1m、0.6m、0.4m。

2)确定基坑深度及厚度。根据现场地勘报告选择具有代表性的土层作为本次试验的土层，各个土层的厚度按照50：1的比例缩放，室内实验土层自上而下依次是填土、淤泥质粉质粘土、砂土、粘土，厚度分别为0.04、0.3m、0.1m、0.2m，基坑深度为0.2m，。

3)分层铺设土层，埋设围护板。根据土层的分布及其厚度，将各土层按照自下而上的顺序依次分层铺设。当铺设到围护板的位置时，将围护板组合体放置模型箱的中间位置。继续铺设土层，按先板内后板外的顺序铺设土体。每层土体的顶部和底部均用水平尺进行量测，保证铺设水平度，且要求铺设土层均可能达到现场的工程条件。

4)划分监测网格。因为在基坑坑底的任意一处均有可能发生土体的隆起、突涌等工程事故，所以采用在纵、横向等间距划分网格线的方法，并将交点作为位移量测点。本次试验网格线的横向间距为20cm，纵向间距为15cm，即为5×4网格，共计12个监测点，可用记号笔在基坑底部描绘出网格线。

5)安装数据采集系统。根据监测网格线的位置将横梁移动到相应的位置，用磁力表座将LVDT位移计固定横梁上，并把橡胶垫安装在LVDT位移计指针端部。调整位移计支架使橡胶垫与监测点垂直接触，保证坑底土隆起位移的测量可靠性。

6)加水和连接气泵。由于加压仓是相对密闭的空间，使用进水管和气门与外界连接。通过进水管往加压仓中注入适量水，超过反滤板0.1m位置，具体高度可以通过进水管上的刻度线来进行控制。待水位稳定后，使用封闭螺帽将进水管进行密封，随后将气泵与不锈钢接口密封连接。

7)压力加载级别的确定。根据实际承压层的水压确定本次试验的最大水压力值。在本次实例中预估水压为500kPa，按照50:1的比例缩小，即10kPa。分5次加载，每次加载梯度为2kPa。

8)确定气压加载级别。通过气泵给加压仓中加压，由于加压仓的水位保持不变，因此可通过调整气压大小来控制承压水的水头压力。本次实例中，水头差约为1kPa，所以气压首次加压为1kPa，之后每次加压2kPa。

9)加载气压。观察并记录气压计上的初始压力读数。打开气阀，利用气泵向加压仓中输送空气并察看气压计的压力值。当压力值在初始压力上增加2kPa时关闭气阀，保证加压仓内部处于恒压状态。

10)隆起位移监测。气压加载过程中坑底隆起逐渐增大，利用LVDT位移计对坑底竖向隆起位移进行测量和记录。

11)调整气压。打开气阀，并利用气泵加压，增大气压到下一级别，并维持压力不变。待气压稳定之后，监测和记录坑底的位移变化。

12)试验停止。实验过程中实时观察基坑坑底土体表面的情况，当坑底表面开始出现渗流破坏时停止加载。

13)数据整理。利用计算机根据12个网格点的竖向位移，绘制出水压力与坑底变形的关系图；当试验过程被终止，可以确定基坑承压水的临界值。

14)拆卸试验装置。对加压仓泄压至大气压后，打开水阀，利用出水口将加压仓中的水排出。按顺序拆除并擦拭相关元部件，回收模型箱内土体以便下次使用。

Claims (6)

1.一种含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，其特征在于：包括模型箱、围护板、加压系统和数据采集系统，所述围护板位于所述模型箱内，所述加压仓包围住所述模型箱，所述模型箱内铺设试验土体，所述围护板的下部位于所述试验土体内，所述围护板内的试验土体表面层为监测层，所述监测层上布置数据采集系统；

所述加压系统包括加压仓、气泵、进水管、出水口、气门和封闭螺帽，所述加压仓包围住模型箱，所述加压仓上部设有进水管和气门，所述加压仓的下部设有出水口，所述进水管使用封闭螺帽封堵；所述气门与气泵连接；

所述模型箱下部设有用于供水渗透到模型箱内同时阻止试验土体进入加压仓的反滤板，所述加压仓的水位高于所述反滤板的顶部，所述围护板的下部高于所述反滤板的顶部。

2.如权利要求1所述的含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，其特征在于：所述模型箱是上部无盖的长方体，所述模型箱包括支柱、卡板和反滤板，所述模型箱四角设有用于支撑和增加整体性的支柱，所述卡板的两端分别与支柱相连，所述卡板的下部放置反滤板。

3.如权利要求1或2所述的含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，其特征在于：所述气门通过不锈钢接口与分流器连接，所述分流器通过气阀与气泵连接。

4.如权利要求1或2所述的含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，其特征在于：所述数据采集系统包括LVDT位移计、磁力表座、横梁和数据采集仪，所述横梁位于模型箱上，所述横梁上固定磁力表座，所述磁力表座与LVDT位移计连接，所述LVDT位移计阵列式分布在所述监测层上，所述LVDT位移计与所述数据采集仪连接。

5.如权利要求1或2所述的含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，其特征在于：橡胶垫包裹所述LVDT位移计伸缩针的顶端，所述橡胶垫与所述监测层的土体接触。

6.如权利要求1或2所述的含有承压水地层的基坑坑底稳定性测试装置，其特征在于：所述数据采集仪与所述计算机控制系统连接，所述计算机控制系统包括用于实时采集位移和气压、水压数据，并进行动态实时处理的测试模块。