CN109537648A - 一种模拟沉井不排水吸泥下沉的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟沉井不排水吸泥下沉的实验装置，包括沉井模型、数据采集系统、数据记录仪、固液循环系统、梯形框架式操作台和模型槽。固液循环系统运行过程中，沉井下沉，数据采集系统通过管线与数据记录仪连接，采集沉井水平位移、竖向位移、空隙水压力变化、土压力变化、沉井下沉姿态、土体内部水平位移、竖向位移和空隙水压力变化，以及河床面水平位移和竖向位移等数据。本发明的有益效果在于，为解决大截面深水沉井设计、下沉等方面问题提供可供参考的实验数据。
Description
技术领域
本发明涉及土木建筑中沉井下沉技术领域，特别涉及一种模拟沉井不排水吸泥下沉的实验装置。
背景技术
沉井基础具有承载力大、整体性好和沉降量小等优点，多用于各种工业建筑和人防工程。但是为了满足日益发展的国民经济持续发展的要求，基础建设工程项目的规模日益增大，沉井逐步用于大跨度深水桥梁、地下洞室群、深大基础等工程中。虽然沉井基础在工程中的使用历史由来已久，但是大部分沉井基础多用于城市内的管线工程等，沉井尺寸较小，下沉过程也较容易。而大截面尺寸深水沉井设计和下沉技术仍需要大量研究。
发明内容
本发明旨在为研究沉井下沉过程中，沉井姿态变化，沉井周围土体迁移规律提供实验装置。
本发明的技术方案如下：一种模拟沉井不排水吸泥下沉的实验装置，
包括模型槽(2)；所述模型槽(2)的底部铺设有砂垫层，砂垫层上覆盖防雨布后填入实验砂土并压实为土体，之后注水至饱和后水面高出土体；
还包括沉井(4)；所述沉井(4)的下部放置在模型槽(2)中部的土体中，包括围合成矩形井孔的四面井壁，每一面井壁由两块钢板在刃脚处拼接作为内、外井壁，且底部设置刃脚踏面，内、外井壁间填充配重砂土；沉井(4)顶部的任一个角点设置有激光位移计(5)，角点两侧井壁的中点还分别设置有倾角仪(6)；沉井(4)的外井壁按高度分为多个截面，每个截面设置等量测点，每个测点包括土压力计(19)和孔隙水压力计(20)；
还包括三个孔压计组；所述孔压计组包括由上至下固定在孔压固定架(13)上的多个孔压计(3)；三个孔压计组均垂直埋设在模型槽(2)的土体中，分别位于沉井(4)的三个井壁的外侧；
还包括多个河床面土体位移计(14)；所述多个河床面土体位移计(14)与沉井(4)的外井壁的距离呈线性分布；河床面土体位移计(14)上固定有微型倾角仪，并通过可横向转动的转轮连接到位移计支架(7)的一侧，且其底部插入软木垫后与土体上表面相抵；
还包括多个土体内位移计(15)；所述多个土体内位移计(15)与沉井(4)的外井壁的距离呈线性分布；土体内位移计(15)通过滑块连接到位移计支架(7)另一侧的竖向滑轨(16)，滑块可在竖向滑轨(16)上下移动并锁紧；土体内位移计(15)的底部与细长空心铝杆(17)的上端相抵，细长空心铝杆(17)的下部插入到土体内且外部套装空心铝套管(18)，细长空心铝杆(17)的下端还设置有垫片；
还包括抽砂泵和回水泵，所述抽砂泵和回水泵分别连接有变频器；抽砂泵的进水口连接到沉井(4)的井孔，出水口连接到水箱(12)的进水口，水箱(12)的出水口连接到回水泵的进水口，回水泵的出水口连接到沉井(4)的井孔；所述水箱(12)的进水口和出水口之间还设置有滤砂网(11)。
进一步地，还包括梯形框架式操作台(8)；所述梯形框架式操作台(8)的顶面位于土体上表面之上，持力点位于模型槽(2)的底部。
本发明的有益效果在于，为解决大截面深水沉井设计、下沉等方面问题提供可供参考的实验数据。
附图说明
图1为实验装置的剖面图；
图2为沉井的剖面图；
图3为沉井的俯视图；
图4为实验装置的整体布局的俯视图；
图5为梯形框架式操作台的侧视图；
图6为河床面土体位移计和土体内位移计的布局图；
图7为土压力计和孔隙水压力计的布局图(俯视图)；
图8为土压力计和孔隙水压力计的布局图(侧视图)。
图中，1-数据采集系统，2-模型槽，3-孔压计，4-沉井，5-激光位移计，6-倾角仪，7-位移计支架，8-梯形框架式操作台，9-水管，10-抽砂泵，101-回水泵，11-滤砂网，12-水箱，13-孔压计固定架，14-河床面土体位移计，15-土体内位移计，16-滑轨，17-细长空心铝杆，18-空心铝套管，19-土压力计，20-孔隙水压力计。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。
一种模拟沉井不排水吸泥下沉的实验装置，整体布局如图4所示，包括沉井模型、数据采集系统、数据记录仪、固液循环系统、梯形框架式操作台和模型槽。固液循环系统运行过程中，沉井下沉，数据采集系统通过管线与数据记录仪连接，采集沉井水平位移、竖向位移、空隙水压力变化、土压力变化、沉井下沉姿态、土体内部水平位移、竖向位移和空隙水压力变化，以及河床面水平位移和竖向位移等数据。
如图1，模型槽模拟沉井下沉的河道，槽底部铺设一定厚度的砂垫层，再铺设与沉井底面等尺寸的PVC雨布防水，模拟河床下不被沉井下沉切入的土层。分层填入实验砂，并用电动夯机将砂层压实。填土完成后，向模型槽内加水至液面高出土体，静置三天，待实验砂土充分饱和后，实验前再加水至土表面以上0.1m。
在沉井的南、西、北侧，距离侧壁中点外侧一定距离处分别埋设几组孔压计，每一组孔压计均在垂直方向上相隔一定距离，并固定在孔压固定架上，防止孔压计受下沉过程中土体迁移的影响，测量下沉时沉井周围的水力梯度变化。
沉井模型如图2、图3所示，由两块钢板在刃脚处拼接作为内外井壁，拼接缝做满焊防水处理。内外井壁间可填砂土进行配重。沉井模型设置底部刃脚和刃脚踏面，且模型中间设置井孔。
数据记录仪包括激光位移计、倾角仪、支架位移计、孔压计、土压力计和孔隙水压力计等。
激光位移计设置在沉井顶面角点上，可精确测得沉井竖向位移，监测频率大于1Hz。倾角仪设置在沉井侧壁顶面中点上，用来测定沉井下沉过程中的倾角，与激光位移计测定的沉井竖向位移一起，确定沉井下沉的空间姿态。
支架位移计包括河床面位移计和土体内位移计，均安装在位移计支架上。支架位移计的布置如图6所示。
模型槽南侧设置位移计支架，支架一侧固定滑轨，并将土体内位移计固定在滑块上，按照位置编号，距沉井外井壁的距离呈线性变化，滑块可上下移动并锁紧。土体内位移计底部与细长空心铝杆相抵，可发生挠曲，实验前预先插入一段到土体里面。铝杆底部设置直径2cm圆垫片防止铝杆过度下钻。铝杆外部设置空心铝套管，保证铝杆能随土体发生横向位移，同时防止铝杆在端部发生过度挠曲。土体内位移计测量沉井下沉过程中，沉井周围土体内的位移变化。
位移计支架另一侧设置河床面土体位移计，按照位置编号，距沉井外井壁的距离呈线性分布，河床面土体位移计底部插入软木垫后与土面相抵。河床面土体位移计与支架间设置可横向转动的滚轮，保证位移计可随土体迁移发生转动，并在所述位移计上固定微型倾角仪，测量河床面土体位移计转动的角度。
土压力计和孔隙水压力计布置如图7和图8所示。在沉井侧壁按高度分为几个截面，每个截面设置等量测点，每个测点包括土压力计和孔隙水压力计，与距离沉井一定距离的孔压计一起，测量沉井下沉过程中，沉井附近土体的有效应力变化。安装时，通过对沉井钢外壳底部和外井壁进行冲孔，在沉井侧壁上嵌入土压力计和孔隙水压力计，表面与钢外壳平齐，用焊接胶粘接，并用中性硅胶对缝隙作防水处理。
如图4，固液循环系统控制沉井的不排水吸泥下沉，包括变频器、抽砂泵、回水泵、水箱和滤砂网，抽砂泵将井孔中砂水混合物抽入水箱，流经滤砂网后，再由回水泵将水抽回沉井中，使沉井内外液面基本维持一致。抽砂泵和回水泵，可以分别通过变频器控制抽砂或抽水速率。用变频器进行调速控制，在进出管口处设置阀门，确保沉井内外液面基本一致，以尽可能真实的模拟现场沉井吸泥下沉过程。
如图5，梯形框架式操作台顶面与填土面平齐，持力点位于模型槽底部，在不影响土体迁移的同时减少操作人员自身重力产生的附加应力对土体的影响。
Claims (2)
1.一种模拟沉井不排水吸泥下沉的实验装置，其特征在于，
包括模型槽(2)；所述模型槽(2)的底部铺设有砂垫层，砂垫层上覆盖防雨布后填入实验砂土并压实为土体，之后注水至饱和后水面高出土体；
还包括沉井(4)；所述沉井(4)的下部放置在模型槽(2)中部的土体中，包括围合成矩形井孔的四面井壁，每一面井壁由两块钢板在刃脚处拼接作为内、外井壁，且底部设置刃脚踏面，内、外井壁间填充配重砂土；沉井(4)顶部的任一个角点设置有激光位移计(5)，角点两侧井壁的中点还分别设置有倾角仪(6)；沉井(4)的外井壁按高度分为多个截面，每个截面设置等量测点，每个测点包括土压力计(19)和孔隙水压力计(20)；
还包括三个孔压计组；所述孔压计组包括由上至下固定在孔压固定架(13)上的多个孔压计(3)；三个孔压计组均垂直埋设在模型槽(2)的土体中，分别位于沉井(4)的三个井壁的外侧；
还包括多个河床面土体位移计(14)；所述多个河床面土体位移计(14)与沉井(4)的外井壁的距离呈线性分布；河床面土体位移计(14)上固定有微型倾角仪，并通过可横向转动的转轮连接到位移计支架(7)的一侧，且其底部插入软木垫后与土体上表面相抵；
还包括多个土体内位移计(15)；所述多个土体内位移计(15)与沉井(4)的外井壁的距离呈线性分布；土体内位移计(15)通过滑块连接到位移计支架(7)另一侧的竖向滑轨(16)，滑块可在竖向滑轨(16)上下移动并锁紧；土体内位移计(15)的底部与细长空心铝杆(17)的上端相抵，细长空心铝杆(17)的下部插入到土体内且外部套装空心铝套管(18)，细长空心铝杆(17)的下端还设置有垫片；
还包括抽砂泵和回水泵，所述抽砂泵和回水泵分别连接有变频器；抽砂泵的进水口连接到沉井(4)的井孔，出水口连接到水箱(12)的进水口，水箱(12)的出水口连接到回水泵的进水口，回水泵的出水口连接到沉井(4)的井孔；所述水箱(12)的进水口和出水口之间还设置有滤砂网(11)。
2.如权利要求1所述的一种模拟沉井不排水吸泥下沉的实验装置，其特征在于，还包括梯形框架式操作台(8)；所述梯形框架式操作台(8)的顶面位于土体上表面之上，持力点位于模型槽(2)的底部。
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