CN110565706A - 一种模拟潮汐作用下基坑渗水的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，包括模型箱、基坑盒、水平冲刷荷载形成机构以及潮位波动形成机构，所述模型箱的内腔从左至右由两块间隔固定在所述模型箱内的第一孔隙板分隔成水平冲刷荷载发生腔室、填土腔室和潮位波动发生腔室；所述填土腔室内填装有土体，所述基坑盒埋在土体内。本发明通过在填土腔室内填装土体，以基坑盒模拟基坑埋在土体内，并通过各位移传感器准确监测基坑盒的沉降量，各水压力传感器准确监测基坑盒周围土体受压的水压，来得到试验结果，并且实现了同时或分别模拟出潮汐的周期性水位波动作用和潮汐的水平冲刷作用对基坑产生的影响，能有效改善现有技术水箱内水位与模型箱内水位无法同步的问题。

Description

一种模拟潮汐作用下基坑渗水的装置

技术领域

本发明涉及工程模型试验领域，具体地说涉及一种模拟潮汐作用下基坑渗水的装置。

背景技术

我国沿海城市正在进入海洋发展的关键时期，随着我国经济的快速发展和人口的逐渐增多，沿海地区地下空间的开发规模越来越大，由于受到海洋循环潮位变化的作用，地下空间结构将产生瞬时的、周期性的沉降和水压力作用，造成地下结构出现渗水现象，将产生结构稳定性和安全性隐患。因此，开展模拟潮汐作用下基坑渗水的研究有着重要意义。

但目前，国内外学者关于潮位变化对运营期间地下空间结构渗水的影响规律研究的报道并不多。现有技术中的实验装置模拟潮汐作用时，通过软管连接水箱和模型箱，简单的改变水箱的高度实现模型箱内水位波动，水箱中的水位与模型水位具有一定的滞后性，对于水位的周期性变化无法实现自动化，另外，现有实验装置也没有考虑潮汐对于沿海地下空间结构的冲刷作用，无法准确研究潮汐作用下基坑渗水问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现同时或分别模拟出潮汐的周期性水位波动作用和潮汐的水平冲刷作用对基坑产生的影响的，能有效改善现有技术水箱内水位与模型箱内水位无法同步的问题的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，包括模型箱、基坑盒、水平冲刷荷载形成机构以及潮位波动形成机构，所述模型箱的内腔从左至右由两块间隔固定在所述模型箱内的第一孔隙板分隔成水平冲刷荷载发生腔室、填土腔室和潮位波动发生腔室；

所述填土腔室内填装有土体，所述基坑盒埋在土体内，所述基坑盒呈正方体型，所述基坑盒的底部四角分别固定有位移传感器，所述土体内位于所述基坑盒的周围设置多个水压力传感器；

所述水平冲刷荷载形成机构包括发动机、转轴以及一个以上的扇叶，所述发动机位于所述模型箱外，所述转轴的一端与所述发动机的转子连接，所述转轴的另一端活动穿过所述模型箱而伸入所述水平冲刷荷载发生腔室内，一个以上的所述扇叶固定在所述转轴上并位于所述水平冲刷荷载发生腔室内；

所述潮位波动形成机构包括活塞、活塞杆、伸缩板、直线驱动器以及两块第二孔隙板，两块所述第二孔隙板间隔固定在所述潮位波动发生腔室内并将所述潮位波动发生腔室从左至右分隔成渗透空间、波动空间和储水空间，所述渗透空间内填充有过滤材料，两块所述第二孔隙板的顶部固定有可将所述波动空间的顶部开口封闭的盖板，所述活塞上下活动地设置在所述波动空间内并可将所述波动空间分隔成上下两部分，所述直线驱动器位于所述模型箱的下方，所述活塞杆的下端与所述直线驱动器连接，所述活塞杆的上端活动穿过所述模型箱而伸入所述波动空间内并与所述活塞的底面连接，所述伸缩板位于所述波动空间内并与所述活塞固接，且所述伸缩板与靠近所述储水空间的所述第二孔隙板相互贴合，所述伸缩板的上下两端均可在外力作用下向内缩进并均可在撤去外力后伸出，所述伸缩板在上下两端伸出时可将靠近所述储水空间的所述第二孔隙板上的全部孔隙封闭。

进一步地，所述伸缩板包括横截面呈H形的中间板、两个横截面呈凵形的端板以及两个弹簧，两个所述端板分别以自身开口侧从上下两个方向活动套入所述中间板内，两个所述弹簧分别套入两个所述端板内，且两个所述弹簧的一端分别连接在所述中间板上，两个所述弹簧的另一端分别连接在两个所述端板上，所述中间板与所述活塞固接。

进一步地，所述直线驱动器选用液压缸或气缸或电动推杆。

进一步地，所述转轴上制有外螺纹，所述扇叶包括内螺纹套筒以及固定在所述内螺纹套筒的外表面的一个以上的叶片，所述内螺纹套筒螺纹连接在所述转轴上。

进一步地，所述过滤材料用500目的过滤网包裹住。

进一步地，所述模型箱、所述伸缩板、所述盖板、两个所述第一孔隙板以及两个所述第二孔隙板均为透明有机玻璃材质，所述活塞为钢材质。

进一步地，所述模型箱的底部固定有支撑架。

进一步地，所述支撑架包括固定在所述模型箱底部的多根支撑腿以及依次连接在各所述支撑腿之间的横撑杆。

进一步地，所述模拟箱的底部相应所述填土腔室的位置处设有出水口。

进一步地，还包括用于将水流导入所述水平冲刷荷载发生腔室和所述储水空间的供水机构。

本发明的原理详见具体实施部分，本发明的有益效果体现在：

本发明通过在填土腔室内填装土体，以基坑盒模拟基坑埋在土体内，并通过各位移传感器准确监测基坑盒的沉降量，各水压力传感器准确监测基坑盒周围土体受压的水压，来得到试验结果，并且本发明通过水平冲刷荷载发生腔室、潮位波动发生腔室以及水平冲刷荷载形成机构、潮位波动形成机构，实现了同时或分别模拟出潮汐的周期性水位波动作用和潮汐的水平冲刷作用对基坑产生的影响，从而能够精确辅助探究潮位变化对运营期间基坑渗水的影响规律；

另外，本发明是通过活塞挤压波动空间内的水体形成周期性水位波动的，不需要通过水箱的水位变化来模拟潮汐水位波动，因此不存在滞后的问题，而且本发明可以反复使用，进行多次实验，对探究潮汐作用对于基坑渗水的规律具有非常好的效果；

而且，本发明可以通过改变直线驱动器的上下运动的频率，调整活塞运动周期，通过改变发动机的转速，调整扇叶转动水流的速度，从而实现了调整模拟潮汐的周期性水位波动作用和水平冲刷作用的大小，使得试验更加完善。

附图说明

图1是本发明一实施例模拟潮汐作用下基坑渗水的装置的立体结构示意图。

图2是图1所示模拟潮汐作用下基坑渗水的装置的另一方向的立体结构示意图。

图3是图1所示模拟潮汐作用下基坑渗水的装置的另一方向的立体结构示意图。

图4是图1所示模拟潮汐作用下基坑渗水的装置中潮位波动形成机构的安装示意图。

图5是图1所示模拟潮汐作用下基坑渗水的装置中伸缩板的剖面结构示意图。

图6是图1所示模拟潮汐作用下基坑渗水的装置的试验状态图。

图7是图4所示潮位波动形成机构在实验时活塞下移、上移、再下移的水流变化图。

附图中各部件的标记为：1模型箱、11第一孔隙板、12出水口、2基坑盒、31发动机、32转轴、33扇叶、331内螺纹套筒、332叶片、41第二孔隙板、42盖板、43活塞、44伸缩板、441中间板、442端板、443弹簧、45活塞杆、46直线驱动器、51支撑腿、52横撑杆、61位移传感器、62水压力传感器、a水平冲刷荷载发生腔室、b填土腔室、c潮位波动发生腔室、c1渗透空间、c2波动空间、c3储水空间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上，另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参见图1至图7。

本发明模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，包括模型箱1、基坑盒2、水平冲刷荷载形成机构以及潮位波动形成机构，所述模型箱1的内腔从左至右由两块间隔固定在所述模型箱1内的第一孔隙板11分隔成水平冲刷荷载发生腔室a、填土腔室b和潮位波动发生腔室c；

所述填土腔室b内填装有土体，所述基坑盒2埋在土体内，所述基坑盒2呈正方体型，所述基坑盒2的底部四角分别固定有位移传感器61，所述土体内位于所述基坑盒2的周围设置多个水压力传感器62；

所述水平冲刷荷载形成机构包括发动机31、转轴32以及一个以上的扇叶33，所述发动机31位于所述模型箱1外，所述转轴32的一端与所述发动机31的转子连接，所述转轴32的另一端活动穿过所述模型箱1而伸入所述水平冲刷荷载发生腔室a内，一个以上的所述扇叶33固定在所述转轴32上并位于所述水平冲刷荷载发生腔室a内；

所述潮位波动形成机构包括活塞43、伸缩板44、活塞杆45、直线驱动器46以及两块第二孔隙板41，两块所述第二孔隙板41间隔固定在所述潮位波动发生腔室c内并将所述潮位波动发生腔室c从左至右分隔成渗透空间c1、波动空间c2和储水空间c3，所述渗透空间c1内填充有过滤材料，两块所述第二孔隙板41的顶部固定有可将所述波动空间c2的顶部开口封闭的盖板42，所述活塞43上下活动地设置在所述波动空间c2内并可将所述波动空间c2分隔成上下两部分，所述直线驱动器46位于所述模型箱1的下方，所述活塞杆45的下端与所述直线驱动器46连接，所述活塞杆45的上端活动穿过所述模型箱1而伸入所述波动空间c2内并与所述活塞43的底面连接，所述伸缩板44位于所述波动空间c2内并与所述活塞43固接，且所述伸缩板44与靠近所述储水空间c3的所述第二孔隙板41相互贴合，所述伸缩板44的上下两端均可在外力作用下向内缩进并均可在撤去外力后伸出，所述伸缩板44在上下两端伸出时可将靠近所述储水空间c3的所述第二孔隙板41上的全部孔隙封闭。

本发明通过在填土腔室内填装土体，以基坑盒模拟基坑埋在土体内，并通过各位移传感器准确监测基坑盒的沉降量，各水压力传感器准确监测基坑盒周围土体受压的水压，来得到试验结果；而模拟潮汐对基坑产生影响则通过水平冲刷荷载发生腔室、潮位波动发生腔室以及水平冲刷荷载形成机构和潮位波动形成机构实现，具体原理如下：

模拟潮汐的冲刷作用：参见图6，实验时，向水平冲刷荷载发生腔室内装入水，然后开启发动机，发动机带动转轴转动，继而带动扇叶转动，这样在扇叶的拨动下，产生水流穿过水平冲刷荷载发生腔室和填土腔室之间的第一孔隙板而冲刷填土腔室内的土体；

模拟潮汐的水位波动作用：参见图7，实验时，向储水空间内装入水，并保证在实验时，储水空间内的水位恒定在盖板高度，在活塞处于初始位置下，伸缩板的上下两端均处于伸出状态时可将靠近储水空间的第二孔隙板上的全部孔隙封闭，这样储水空间内的水无法进入波动空间，然后通过直线驱动器向下拉动活塞杆，这样活塞杆带着活塞向下移动，继而伸缩板的下端受到模拟箱壁的挤压而向内缩进，伸缩板的上端向下产生位移，从而使靠近储水空间的第二孔隙板上端的孔隙露出，储水空间内的水从上端露出的孔隙进入活塞上方的波动空间，之后，再通过直线驱动器向上推动活塞杆，这样活塞杆带着活塞向上移动，活塞就会挤压活塞上方的波动空间内水，水压增大，水流就可以穿过靠近渗透空间的第二孔隙板、渗透空间内填充的过滤材料、靠近渗透空间的第一孔隙板而流入填土腔室内的土体，随着活塞的上移，伸缩板的下端受到模拟箱壁的挤压而向内缩进，伸缩板的下端向上产生位移，从而使靠近储水空间的第二孔隙板下端的孔隙露出，储水空间内的水从下端露出的孔隙进入活塞下方的波动空间，再之后，通过直线驱动器向下拉动活塞杆，这样活塞杆带着活塞向下移动，活塞就会挤压活塞下方的波动空间内水，水压增大，水流就可以穿过靠近渗透空间的第二孔隙板、渗透空间内填充的过滤材料、靠近渗透空间的第一孔隙板而流入填土腔室内的土体，如此循环，水流反复从波动空间的上部和下部进入填土腔室，水位高度周期性改变，从而模拟出潮汐的周期性水位波动作用。

具体实施中，本发明可以通过改变直线驱动器的上下运动的频率，调整活塞运动周期，通过改变发动机的转速，调整扇叶转动水流的速度，从而实现了调整模拟潮汐的周期性水位波动作用和水平冲刷作用的大小。

在一实施例中，参见图6，所述模拟箱1的底部相应所述填土腔室b的位置处设有出水口12。这样设计，可以通过出水口排水，从而模拟退潮对基坑的影响。当然，出水口12要设置用于控制通断的阀门。

在一实施例中，所述过滤材料用500目的过滤网包裹住。这样设计，在静水作用下水流无法轻易通过过滤材料，只有在活塞进行挤压时，水流才能流畅通过过滤材料，模拟效果更好。具体实施中，过滤材料可以选用与填土腔室内填装的土体相同的土质，可以更好地模拟渗透作用。

在一实施例中，参见图5，所述伸缩板44包括横截面呈H形的中间板441、两个横截面呈凵形的端板442以及两个弹簧443，两个所述端板442分别以自身开口侧从上下两个方向活动套入所述中间板441内，两个所述弹簧443分别套入两个所述端板442内，且两个所述弹簧443的一端分别连接在所述中间板441上，两个所述弹簧443的另一端分别连接在两个所述端板442上，所述中间板441与所述活塞43固接。这样设计，结构简单，在第一、二弹簧的连接限制下，两个端板不会脱出中间板，保证处于图中所示的状态，并且两个端板可以在外力作用下挤压在第一、二弹簧而向中间板内缩进，并在撤去外力后，在第一、二弹簧的弹力作用伸出而回复到图中所示的状态，正好配合本发明实现储水空间内的水分别进入波动空间的上部和下部。

在一实施例中，所述直线驱动器46选用液压缸或气缸或电动推杆。这三种设备均是现有技术的成熟设备，可直接从市场购得，具有非常好的直线往复驱动效果。当然，其它任何具有直线往复驱动作用的设备都可以作为本发明的直线驱动器。

在一实施例中，所述转轴32上制有外螺纹，参见图2，所述扇叶33包括内螺纹套筒331以及固定在所述内螺纹套筒331的外表面的一个以上的叶片332，所述内螺纹套筒331螺纹连接在所述转轴32上。这样设计，扇叶可以在转轴上横向移动，改变每片旋转扇叶之间的间距，从而调整模拟水平冲刷的效果。

优选地，所述转轴32和所述扇叶33的外表面喷涂有防腐涂料，以避免腐蚀，提高使用寿命。

在一实施例中，所述模型箱1、所述伸缩板44、所述盖板42、两个所述第一孔隙板11以及两个所述第二孔隙板41均为透明有机玻璃材质，这样设计，可以在试验时方便观察装置的内部变化；所述活塞43为钢材质，不易变形。优选地，所述活塞43的外表面喷涂有防腐涂料，以避免腐蚀，提高使用寿命。

在一实施例中，参见图1至3，所述模型箱1的底部固定有支撑架。这样设计，可以支撑模型箱在一定的高度，从而方便操作。优选地，所述支撑架包括固定在所述模型箱1底部的多根支撑腿51以及依次连接在各所述支撑腿51之间的横撑杆52。这样设计，结构简单，容易制作，支撑效果可靠。

在一实施例中，还包括用于将水流导入所述水平冲刷荷载发生腔室a和所述储水空间c3的供水机构。供水机构是现有常见技术，最简单的如水泵，为简洁描述起见不再图中示出。

本发明可按如下步骤进行试验：

1、在模型箱的填土腔室内填土至设计高度；

2、将位移传感器按要求安装在基坑盒上，然后基坑盒埋置在填土腔室的土体中心处，并要求布置水压力传感器；

3、同时向水平冲刷荷载发生腔室和储水空间供水，模拟涨潮，同时开启发动机和直线驱动器，，模拟潮汐作用时水位变动和冲刷作用，水位每上升10cm，记录一次位移和水压力示数；

4、打开模型箱底部的出水口，模拟退潮，水位每下降10cm，记录一次位移和水压力示数；

5、改变基坑盒的埋置深度，重复步骤2、3、4，探究基坑盒埋置深度对于潮汐作用下基坑渗水的影响。

具体实施中，还可设置数据采集装置与位移传感器和水压力传感器，以方便记录相关数据。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：包括模型箱、基坑盒、水平冲刷荷载形成机构以及潮位波动形成机构，所述模型箱的内腔从左至右由两块间隔固定在所述模型箱内的第一孔隙板分隔成水平冲刷荷载发生腔室、填土腔室和潮位波动发生腔室；

所述填土腔室内填装有土体，所述基坑盒埋在土体内，所述基坑盒呈正方体型，所述基坑盒的底部四角分别固定有位移传感器，所述土体内位于所述基坑盒的周围设置多个水压力传感器；

所述水平冲刷荷载形成机构包括发动机、转轴以及一个以上的扇叶，所述发动机位于所述模型箱外，所述转轴的一端与所述发动机的转子连接，所述转轴的另一端活动穿过所述模型箱而伸入所述水平冲刷荷载发生腔室内，一个以上的所述扇叶固定在所述转轴上并位于所述水平冲刷荷载发生腔室内；

所述潮位波动形成机构包括活塞、活塞杆、伸缩板、直线驱动器以及两块第二孔隙板，两块所述第二孔隙板间隔固定在所述潮位波动发生腔室内并将所述潮位波动发生腔室从左至右分隔成渗透空间、波动空间和储水空间，所述渗透空间内填充有过滤材料，两块所述第二孔隙板的顶部固定有可将所述波动空间的顶部开口封闭的盖板，所述活塞上下活动地设置在所述波动空间内并可将所述波动空间分隔成上下两部分，所述直线驱动器位于所述模型箱的下方，所述活塞杆的下端与所述直线驱动器连接，所述活塞杆的上端活动穿过所述模型箱而伸入所述波动空间内并与所述活塞的底面连接，所述伸缩板位于所述波动空间内并与所述活塞固接，且所述伸缩板与靠近所述储水空间的所述第二孔隙板相互贴合，所述伸缩板的上下两端均可在外力作用下向内缩进并均可在撤去外力后伸出，所述伸缩板在上下两端伸出时可将靠近所述储水空间的所述第二孔隙板上的全部孔隙封闭。

2.如权利要求1所述的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：所述伸缩板包括横截面呈H形的中间板、两个横截面呈凵形的端板以及两个弹簧，两个所述端板分别以自身开口侧从上下两个方向活动套入所述中间板内，两个所述弹簧分别套入两个所述端板内，且两个所述弹簧的一端分别连接在所述中间板上，两个所述弹簧的另一端分别连接在两个所述端板上，所述中间板与所述活塞固接。

3.如权利要求1或2所述的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：所述直线驱动器选用液压缸或气缸或电动推杆。

4.如权利要求1或2所述的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：所述转轴上制有外螺纹，所述扇叶包括内螺纹套筒以及固定在所述内螺纹套筒的外表面的一个以上的叶片，所述内螺纹套筒螺纹连接在所述转轴上。

5.如权利要求1或2所述的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：所述过滤材料用500目的过滤网包裹住。

6.如权利要求1或2所述的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：所述模型箱、所述伸缩板、所述盖板、两个所述第一孔隙板以及两个所述第二孔隙板均为透明有机玻璃材质，所述活塞为钢材质。

7.如权利要求1或2所述的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：所述模型箱的底部固定有支撑架。

8.如权利要求7所述的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：所述支撑架包括固定在所述模型箱底部的多根支撑腿以及依次连接在各所述支撑腿之间的横撑杆。

9.如权利要求1或2所述的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：所述模拟箱的底部相应所述填土腔室的位置处设有出水口。

10.如权利要求1或2所述的模拟潮汐作用下基坑渗水的装置，其特征在于：还包括用于将水流导入所述水平冲刷荷载发生腔室和所述储水空间的供水机构。