CN114740179A

CN114740179A - 一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱

Info

Publication number: CN114740179A
Application number: CN202210326480.5A
Authority: CN
Inventors: 胡艳香; 王瑞洋; 林苗; 薛凯喜; 李鲁鑫; 杨庚; 田兴华; 李明东; 王升福; 朱小伟; 储怡鑫
Original assignee: East China Institute of Technology
Current assignee: East China Institute of Technology
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2022-07-12

Abstract

本申请涉及一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱，它包括模型本体系统、地下水模拟系统、参数测量系统和土体压实系统；模型本体系统包括模型池和模型箱，模型池两侧分别设置有水位标尺和水位管；地下水模拟系统活动设置在所述模型池中，包括第一水管、第二水管、水箱、三通阀和进水阀；参数测量系统包括角钢约束梁、连接钢、调节螺栓、压力传感器和压板；角钢约束梁、连接钢和调节螺栓之间通过螺纹连接，压板设置在连接钢底部，压力传感器设置在压板底面；土体压实系统包括两个液压调节杆，两个“L”型连接杆和压实板。本发明能够较为准确的还原实验土的模拟情况，提高临界上浮值的测量精度，降低实验误差。

Description

一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱

技术领域

本申请涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱。

背景技术

随着城市地下空间的开发利用，大量的地下建筑物涉及到深基坑的开挖与降水以及地下室的抗浮结构设计，特别是在地下水比较丰富的地区，常遇到抗浮设计水位计算不足、抗浮措施采取不当、降水停止条件不具备而引发的抗浮失效事故，从而造成不良的社会影响以及巨大的经济财产损失。

地下水会对建设在地下的结构产生向上的浮力，若向上的水浮力大于结构向下的重力时，结构物的底板可能会发生开裂或者向上拱起的现象，当水浮力相当大时甚至整个结构物都会向上浮起，产生一定的位移，最终结构物不能够正常使用。故在进行地下建筑设计时，需要进行抗浮实验，现有的抗浮试验箱对于土壤状态模拟情况较差，并且对于临界上浮值的测量精度较低，实验值与实际值误差较大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱，能够较为准确的还原试验土的模拟情况，提高临界上浮值的测量精度，降低实验误差。

本发明采取的技术方案是：一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱，包括模型本体系统、地下水模拟系统、参数测量系统和土体压实系统；

所述模型本体系统包括模型池和模型箱；所述模型池两个相对的侧面分别设置有水位标尺和水位管，水位管一端与模型池连通，模型池底部设置有排水孔，所述排水孔处设置有排水阀；所述模型箱顶部中央设置有第一通孔；

所述地下水模拟系统活动设置在所述模型池中，所述地下水模拟系统包括第一水管、第二水管、水箱、三通阀和进水阀；所述第一水管沿所述模型池底部四边环绕设置，相邻两根第一水管之间通过三通阀连接；每个三通阀上分别设置有一根第二水管，第二水管与水箱连接，第二水管与水箱的连接处设置有进水阀；所述第一水管的侧壁上间隔均匀的设置有渗水孔；

所述参数测量系统包括角钢约束梁、连接钢、调节螺栓、压力传感器和压板；所述角钢约束梁设置在模型池顶端，角钢约束梁中部设置有螺孔；所述连接钢上设置有外螺纹和内螺孔，内螺孔内设置有内螺纹，连接钢与角钢约束梁通过所述螺孔和外螺纹进行螺纹连接；所述压板设置在连接钢底部；所述调节螺栓一端贯穿压板，伸入所述内螺孔中，通过内螺纹与连接钢进行螺纹连接，另一端穿过所述第一通孔，固定在所述模型箱内部；所述压力传感器设置在所述底面；

所述土体压实系统包括两个液压调节杆，两个“L”型连接杆和压实板，所述液压调节杆设置在模型池的两侧，两个液压调节杆的连线与角钢约束梁垂直，两个“L”型连接杆的短边与液压调节杆链接，长边分别与压实板的两端连接，压实板与模型池的尺寸相匹配，并且压实板中央设置有与模型箱大小相匹配的第二通孔，模型箱设置在第二通孔中。

进一步地，还包括模型围护板，所述模型围护板设置在所述模型池四角外侧。

进一步地，所述渗水孔直径为1cm，相邻两个渗水孔之间间隔5cm。

进一步地，所述压实板顶面还设置有水平仪。

进一步地，所述模型箱上还设置有把手。

本发明的有益效果在于：

（1）通过地下水模拟系统向模型池内注水，第一水管侧壁上间隔均匀的设置有渗水孔，可向模型池内均匀注水，防止水流不均对试验土造成冲击，导致试验土发生局部塌陷，影响临界上浮值的检测精度；同时也可防止注水或排水过程中因水流过快，导致试验土随水流从排水孔中流出，堵塞排水孔；通过三通阀还可调整进水的方向，地下水模拟系统与模型池可拆卸连接，便于使用和排水；

（2）通过参数测量系统对模型箱施加支反力，限制模型箱上浮，通过水位标尺和水位管准确读取水位值，用于计算模型箱受到的最大浮力值；压力传感器用于检测压板对模型箱施加的支反力大小，通过压力传感器的数值，判断模型箱是否处于临界上浮状态，从而得到模型箱实际受到的最大浮力值，通过计算值和实际值的比较，验证计算值是否准确；

（3）通过土体压实系统对试验土施加压力，还原试验土的原土体状态，水平仪可确保压实板保持水平状态对试验土施力，使试验土各处均匀受力、均匀压实，避免试验土压实程度不一致导致模型箱对压板施加的压力不均匀，从而降低压力传感器检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的正面剖视图；

图3为本发明实施例的侧面剖视图；

图4为本发明实施例的俯视图；

图5为本发明实施例地下水模拟系统的结构示意图。

附图标记解释：1-模型池，2-模型箱，3-水位标尺，4-水位管，5-排水孔，6-模型围护板，7-排水阀，8-角钢约束梁，9-连接钢，10-调节螺栓，11-压力传感器，12-压板，13-试验土，14-液压调节杆，15-“L”型连接杆，16-压实板，17-水平仪，18-把手，19-第一水管，20-第二水管，21-水箱，22-三通阀，23-进水阀，24-渗水孔。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

如图1~图5所示，一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱，包括模型本体系统、地下水模拟系统、参数测量系统和土体压实系统；

所述模型本体系统包括模型池1和模型箱2。所述模型池1两个相对的侧面分别设置有水位标尺3和水位管4，水位标尺3和水位管4均用于读取模型池1内的水位高度，水位标尺3设置在模型池1的外表面，由试验人员通过目光进行数值读取，水位管4一端与模型池1连通，通过毛细作用（即连通器原理）反映模型池1内水位的变化情况，水位管4表面设置有刻度值；通过对水位标尺3和水位管4的读数取平均值，降低试验土13的渗透系数对水位变化造成的影响，提高水位读数的精确性。模型池1底部设置有排水孔5，排水孔5用于将模型池1内的水排出，排水孔5处设置有排水阀7，用于控制排水孔5的开启和关闭。所述模型箱2顶部中央设置有第一通孔，用于安装参数测量系统。

所述地下水模拟系统活动设置在所述模型池1中。所述地下水模拟系统包括第一水管19、第二水管20、水箱21、三通阀22和进水阀23；所述第一水管19沿所述模型池1底部四边环绕设置，相邻两根第一水管19之间通过三通阀22连接，三通阀22可以控制第一水管19中水的流动方向，从而控制向模型池1中注水的方向。每个三通阀22上分别设置有一根第二水管20，第二水管20与水箱21连接，第二水管20与水箱21的连接处设置有进水阀23，进水阀23用于控制水箱21内的水流入第二水管20，通过第二水管20将水箱21内的水导入第一水管19，再由第一水管19的侧壁上间隔均匀设置的渗水孔24注入模型池1中。通过渗水孔24向模型池1内均匀注水，可防止水流不均对试验土13造成冲击，导致试验土13发生局部塌陷，影响临界上浮值的检测精度。实验完毕需要排水时，可将地下水模拟系统取出，由排水孔5将模型池1的水排出。

所述参数测量系统包括角钢约束梁8、连接钢9、调节螺栓10、压力传感器11和压板12。所述角钢约束梁8设置在模型池1顶端，为压板12提供支撑力，使压板12能够在实验过程中为模型箱2提供支反力，限制模型箱2上移。角钢约束梁8中部设置有螺孔，所述连接钢9上设置有外螺纹和内螺孔，内螺孔内设置有内螺纹，连接钢9与角钢约束梁8通过所述螺孔和外螺纹进行螺纹连接；所述压板12设置在连接钢9底部；所述调节螺栓10一端贯穿压板12，伸入所述内螺孔中，通过内螺纹与连接钢9进行螺纹连接，另一端穿过所述第一通孔，固定在所述模型箱2内部；所述压力传感器11设置在所述底面。转动角钢约束梁8可使压板12沿调节螺栓10移动，改变压板12与模型箱2之间的距离。

所述土体压实系统包括两个液压调节杆14，两个“L”型连接杆15和压实板16，所述液压调节杆14设置在模型池1的两侧，两个液压调节杆14的连线与角钢约束梁8垂直，两个“L”型连接杆15的短边与液压调节杆14链接，长边分别与压实板16的两端连接，压实板16与模型池1的尺寸相匹配，并且压实板16中央设置有与模型箱2大小相匹配的第二通孔，模型箱2设置在第二通孔中。通过液压调节杆14带动压实板16移动，从而对试验土13施力，进行压实，还原真实环境下的土体状况；压实板16上设置有可令模型箱2伸出的第二通孔，使压实过程中模型箱2可保持直立。

在本发明实施例中，还包括模型围护板6，所述模型围护板6设置在所述模型池1四角外侧。模型围护板6采用不锈钢制成，用于对模型池1进行加固。所述渗水孔24直径为1cm，相邻两个渗水孔24之间间隔5cm。所述压实板16顶面还设置有水平仪17，确保压实板16保持水平状态对试验土13施力，使试验土13各处均匀受力、均匀压实，避免压实板16在倾斜状态下施力不均，使得试验土13压实程度不一致导致试验箱受到的浮力不均匀，降低实验检测精度。所述模型箱2上还设置有把手18，安装模型箱2时通过把手18支撑模型箱2，便于进行模型箱2的安装；更换模型箱2时，旋转角钢约束梁8使调节螺栓10脱出角钢约束梁8的内螺孔，实验人员通过把手18撑住模型箱2，防止模型箱2摔落对模型池1底部造成破坏。

本发明的试验过程如下：

（1）将模型箱2穿过第二通孔，并使调节螺栓10与内螺孔连接，将模型箱2和参数测量系统组装好，模型池1底部铺上试验土13，操作土体压实系统压实试验土13，使模型箱2稳固安插在试验土13中，模型箱2埋入试验土13的深度不小于模型箱2高度的3/5。

（2）将压力传感器11进行调零，旋转角钢约束梁8使压板12与模型箱2上表面刚好接触，此时压板12与模型箱2上表面互不产生作用力，压力传感器11数值为0。

（3）打开三通阀22和进水阀23，向模型池1内注水，随着水位不断上升，模型箱2受到的浮力逐渐增大，试验土13对模型箱2的支撑力越来越小，模型箱2呈现上浮趋势，但被压板12限制无法上浮，压板12施加给模型箱2的支反力不断增大，压力传感器11的数值也不断增大。当水加到一定量时，模型箱2达到上浮的临界状态，此时表现为压力传感器11的数值突然陡增至某一数值，此时停止向模型池1内注水，同时记录下压力传感器11的数值。

（4）记录此时的水位标尺3和水位管4的读数，并求平均值，得到在模型处于临界上浮状态下的水位高度，记录此时水位浸没模型箱2的的高度，得到模型箱2的排水体积，从而计算出模型箱2受到的最大浮力的理论计算值。

（5）根据模型箱2在土体中的摩擦因素可以得到试验土13对模型箱2的最大静摩擦力，压力传感器11的数值减去最大静摩擦力即可得到模型箱2在临界上浮状态下的浮力值；通过实测浮力值与理论浮力计算值的比较，进行验证性分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱，其特征在于，包括模型本体系统、地下水模拟系统、参数测量系统和土体压实系统；

2.根据权利要求1所述的一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱，其特征在于，还包括模型围护板，所述模型围护板设置在所述模型池四角外侧。

3.根据权利要求1所述的一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱，其特征在于，所述渗水孔直径为1cm，相邻两个渗水孔之间间隔5cm。

4.根据权利要求1所述的一种地下建筑结构抗浮设计模型试验箱，其特征在于，所述压实板顶面还设置有水平仪。