CN115389183A - 一种模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，包括钢筋混凝土试验池，该试验池中部竖向设有钢内筒，其下方设有第一盲沟，其外侧设有第二盲沟，两个盲沟均通过对应的排水管和水位管与试验池外部连通；该试验池的土体中，竖向间隔设置若干传感器布置平面，每个传感器布置平面中布置有若干渗压计和土压力计；钢内筒底部通过底板连接组件与浮力测试底板连接，浮力测试底板上设有若干压力传感器和位移传感器，钢内筒内的钢结构支架底部与压力传感器连接，顶部与顶部支撑结构连接。本发明还公开了对应安装及试验方法。本发明能够有效地模拟盲沟排水条件下地下车站水土作用以及底板与水的作用，为地铁地下车站结构的抗浮稳定设计提供理论依据。

Description

一种模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置及方法

技术领域

本发明属于地下车站抗浮技术领域，具体涉及一种模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置及其施工方法和测试方法。

背景技术

地铁地下车站埋深大，在地下水位埋深较浅的地区，受地下水压力的影响较大，地下结构的抗水压问题突出。泄水降压的方法，因其施工简单安全，造价相对较低，适应性强，在大埋深、地质条件复杂条件下的地铁车站中应用越来越多。

但该法下工程的抗浮设防水位尚未明确，缺少合理的方法计算不同地层的水压力。由于计算方法的不同，导致设计过程中出现两种不合理的状况。一方面，为偏于安全，设计者往往简单地按照最高抗浮设计水位，不考虑地下水压力的折减，按照阿基米德原理确定作用在地下结构物底板的浮力及侧墙的压力，从而过高地估算了地下结构物所受的荷载，增大了工程项目的投资；另一方面，在设计中因地下结构的浮力及压力计算值取值偏低，导致结构物的抗浮稳定不能满足要求，导致上部结构或围护结构破坏，给地铁车站的安全性埋下隐患。因此，研究盲沟泄水条件下地铁车站水压力的形成机理与计算方法具有重要意义，其中，准确测试和评价不同地层水压力性能是十分必要的关键问题。

为了获取地下车站所处地层的水压力参数，需观测不同压力水头、不同排水方式的影响情况，在此条件上定量分析不同地层水压力的变化，目前的室内外水压力测试试验中，还未见用于测试盲沟泄水条件下地层水压力的方法和设备。

综上，如需真实有效地计算盲沟泄水条件下地铁车站所受水压力的大小，得到精确的水压力作用关系与性能参数，针对工程实例和问题开发一种能测试其水压力力学参数的试验方法尤为重要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置及方法，能够有效地模拟盲沟排水条件下地下车站水土作用以及底板与水的作用，为地铁地下车站结构的抗浮稳定设计提供理论依据。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供一种模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，包括钢筋混凝土试验池；

所述钢筋混凝土试验池内从下至上填充有粘土层和砂土层，钢筋混凝土试验池内中部竖向设有钢内筒，所述钢内筒底部设于粘土层中；

所述钢筋混凝土试验池的土体中，竖向间隔设置传感器布置平面，每个传感器布置平面中布置有若干渗压计和土压力计；各传感器布置平面内，设有对应的水位管；

所述钢内筒下方设有第一盲沟，第一盲沟顶面设有钢丝网片，钢内筒底部边缘与钢丝网片固定；所述钢内筒外侧设有第二盲沟；所述第一盲沟和第二盲沟均通过对应的排水管和盲沟水位管与所述钢筋混凝土试验池外部连通；

所述钢内筒底部通过底板连接组件与浮力测试底板连接，两者连接处密封，且浮力测试底板可于底板连接组件内竖向限位移动；

所述浮力测试底板上设有若干压力传感器和位移传感器，其中压力传感器固定于其顶部，且压力传感器可通过压缩变形测量当前压力值，所述钢内筒内竖向设置的钢结构支架底部与所述压力传感器连接，顶部与顶部支撑结构连接，所述顶部支撑结构固定于所述钢筋混凝土试验池池壁顶面。

作为本发明的进一步改进，每个传感器布置平面中设有若干渗压计测线和土压力计测线，所述渗压计测线和土压力计测线从试验池中心向边缘延伸，所述渗压计测线和土压力计测线上分别布置有若干渗压计和土压力计。

作为本发明的进一步改进，每个传感器布置平面至少设有两条渗压计测线和两条土压力计测线。

作为本发明的进一步改进，各水位管与钢筋混凝土试验池外壁上对应的水位标识牌连通，同时与所述第一盲沟和第二盲沟连接的盲沟水位管，另一端与钢筋混凝土试验池外壁上对应的水位标识牌连通，以通过读数直观读出对应的水位。

作为本发明的进一步改进，所述水位管与渗压计和设于保护管中，保护管上设有若干小孔，渗压计和水位管端部通过土工布包裹，放置于保护管中，并采用砂石填满，同时保护管外部包裹有土工布。

作为本发明的进一步改进，所述水位管与其中一个渗压计测线重合，所述水位管和该测线的渗压计设于同一保护管中；只布置渗压计的测线，所述渗压计设于单独的保护管中。

作为本发明的进一步改进，所述钢内筒底部内侧竖向间隔设有第一钢板条和第二钢板条，所述第一钢板条和第二钢板条内侧设有钢环，所述浮力测试底板固定设于钢环之间；

所述钢环的环向槽内固定有限位销，且其一端位于第一钢板条和第二钢板条之间。

作为本发明的进一步改进，所述钢环底面和第一钢板条底面设有柔性止水条，并通过螺栓组件将该柔性止水条与两者连接；同时所述钢环与第二钢板条顶面设有柔性止水条，并通过螺栓组件将该柔性止水条与两者连接。

按照本发明的第二个方面，提供一种所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置的施工方法，包括如下步骤：

在试验场地施工钢筋混凝土试验池；

基于地铁车站所处地层信息，将现场开挖的土体取回分层回填至钢筋混凝土试验池；

待粘土层填埋至设计标高后，在钢筋混凝土试验池内制作钢内筒底部的第一盲沟，且在该盲沟底部布置第一盲沟水位管和带阀门的第一排水管；

在第一盲沟顶面设置钢丝网片，钢丝网片作为钢内筒的安装底座，在准确定位的钢丝网片上安装钢内筒；

在钢内筒与钢筋混凝土试验池池壁之间继续装土，填土达到设计位置处，在钢内筒筒壁侧面布置第二盲沟，并在第二盲沟底部布置第二盲沟水位管和带阀门的第二排水管；

与上述步骤同步地，填土过程中，在相应的设计位置处安装渗压计、土压力计以及水位管；

继续装填粘土层，并在粘土层上方装填砂土层和卵石层；

钢筋混凝土试验池填土达到设计标高后，在钢内筒内壁上安装底板连接组件和浮力测试底板，并在浮力测试底板上安装若干压力传感器和位移传感器；

吊装钢内筒中的钢结构支架，将其顶部和底部分别与顶部支撑结构和压力传感器连接。

按照本发明的第三个方面，提供一种所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置的测试方法，包括不同地层水压力测试方法和底板浮力测试方法；

所述不同地层水压力测试方法包括如下步骤：

先对钢筋混凝土试验池内土体进行饱和；

待水位管测试的水位变化与渗压计测试的水位基本相同，记录各测点水位管初始水位H0与渗压计初始读数M0，打开第一盲沟和/或第二盲沟处排水管阀门，每隔一定时间记录盲沟排水量Q、各测点水位管水位H与渗压计读数M，依此对盲沟泄水过程中，不同地层各个测点的总水头、压力水头和盲沟的流量和流速进行分析；

所述底板浮力测试方法包括如下步骤：

S1：将现场取回的岩土体参照现场地质情况回填至第一盲沟底部；

S2：往钢筋混凝土试验池中逐级注水，根据第一盲沟水位管的稳定读数获取各压力水头H，并按照式(1)计算不同压力水头下底部水压力值：

F＝γHA 式(1)

式(1)中，F为不同压力水头下底部水压力值，γ为水的重度，H为压力水头，A为浮力测试底板面积；

S3：记录不同压力水头下压力传感器的读数N，通过式(2)分别求得不同压力水头下浮力测试底板与钢内筒侧壁之间的摩擦力f，并绘制不同压力水头下底部水压力值F₁与摩擦力f的关系曲线；

F₁＝N+G+f 式(2)

式(2)中，F₁为不同压力水头下底部水压力值，G为浮力测试底板的重量，N为不同压力水头下压力传感器的读数；

S4：排净钢筋混凝土试验池中的水，将现场取回的岩土参照现场地质情况继续回填至钢筋混凝土试验池要求标高并压实；

S5：往卵石层中注水并保持满水状态；

S6：待压力传感器与位移传感器读数稳定，即岩土体达到饱和时，根据步骤S3求得满水头工况下摩擦力f，记录此时压力传感器的读数N，按照式(3)求得浮力测试底板在满水头工况下所受浮力F₂；

F₂＝N+G+f 式(3)

式(3)中，F₂为浮力测试底板所受浮力，f不同压力水头下浮力测试底板与钢内筒侧壁之间的摩擦力，G为浮力测试底板的重量，N为不同压力水头下压力传感器的读数；

S7：注水保持卵石层满水状态不变，根据情况选择打开第一盲沟和/或第二盲沟的排水管阀门进行泄水；记录两个盲沟单独泄水和联合泄水各工况下泄水时间与泄水量，按照步骤S6继续求得浮力测试底板在各工况各压力水头下所受浮力F₂。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明采用钢筋混凝土试验池盛放地铁车站场地土体，构成的可测试盲沟排水下地下车站不同地层水压力的试验用池体，通过不同层的利用水位管和渗压计，真实有效地去模拟盲沟排水下地下车站水土作用，得到精确的排水方式及排水量与水土压力大小的关系；并且利用压力传感器与位移传感器，能够真实有效地去模拟盲沟排水条件下地下车站底板与水的作用，获取底板与水之间的力学参数，得到精确的排水方式、排水量与水浮力作用大小的关系，本发明为盲沟泄水条件下地铁车站水压力和水浮力的形成机理与计算方法提供基础。

(2)本发明的模拟测试结果可为地铁地下车站结构的抗浮稳定设计提供理论依据和技术支持，同时也可供市政地下工程及地下空间等工程结构的抗浮稳定设计提供参考。

附图说明

图1为本发明实施例的模拟测试装置剖面结构示意图；

图2为本发明实施例的模拟测试装置涉及的第一高度测点布置平面示意图；

图3为本发明实施例的模拟测试装置涉及的第三、四、五高度测点布置平面示意图；

图4为本发明实施例的模拟测试装置涉及的钢内筒底部连接结构局部放大图；

图5为本发明实施例的模拟测试装置涉及的底板连接组件局部放大图；

图6为本发明实施例的模拟测试装置涉及的顶部支撑结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-钢筋混凝土试验池、2-粘土层、3-砂土层、4-卵石层、5-第一盲沟、6-第二盲沟、7-渗压计、8-土压力计、9-第一排水管、10-第二排水管、11-水位管、12-水位标识牌、13-钢内筒、14-钢丝网片、15-底板连接组件、16-浮力测试底板、17-压力传感器、18-位移传感器、19-钢结构支架、20-加载桁架、21-第一盲沟水位管、22-第二盲沟水位管；

151-第一钢板条、152-第二钢板条、153-钢环、154-限位销、155-柔性止水条、156-螺栓组件；191-桁架、192-角钢、193-槽钢、194-第一焊接缀板、195-第二焊接缀板、196-螺杆组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，本发明的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，包括钢筋混凝土试验池1，钢筋混凝土试验池1内下方填充有粘土层2，同时粘土层2上方填充有砂土层3，优选地，砂土层3内还设有局部卵石层4，卵石层4填设于砂土层3顶部，进一步优选地，卵石层4与砂土层3顶面标高相同。粘土层2、砂土层3以及卵石层4均从地下车站现场取回，钢筋混凝土试验池1内中部竖向设有钢内筒13，钢内筒13底部设于粘土层2中，顶部不低于砂土层3的顶面标高。

钢内筒13下方设有第一盲沟5，钢内筒13外侧设有环向的第二盲沟6，并且第二盲沟6设于粘土层2内。第一盲沟5与至少一个第一排水管9连接，第一排水管连接9一端与第一盲沟5底部连接，另一端延伸出钢筋混凝土试验池1外部，并在该端部设有阀门。第二盲沟6与至少一个第二排水管10连通，第二排水管10一端与第二盲沟6底部连接，另一端延伸出钢筋混凝土试验池1外部，并在该端部设有阀门。

第一盲沟5和第二盲沟6底部还分别设有第一盲沟水位管21和第二盲沟水位管22，第一盲沟水位管21和第二盲沟水位管22与钢筋混凝土试验池1外壁上对应的水位标识牌12连通，能够通过读数直观看到对应的水位。

钢筋混凝土试验池1的土体中，竖向间隔1～2m设置传感器布置平面，每个传感器布置平面中布置有若干渗压计7和土压力计8。具体地，每个布置平面中设有若干渗压计测线和土压力计测线，渗压计测线和土压力计测线从试验池中心向边缘延伸，每个传感器布置平面至少设有两条渗压计测线和两条土压力计测线，各渗压计测线和土压力计测线位于不同的方向，即互相不重合即可，对于测线的设置方向不作具体限制。另外渗压计测线和土压力计测线上分别布置有若干渗压计7和土压力计8，对于具体的数量不作具体限制，优选地，至少一个土压力计8设于钢筋混凝土试验池1与土体的接触处。

钢筋混凝土试验池1的土体中，竖向间隔1～2m设置有水位管11，各水位管11与钢筋混凝土试验池1外壁上对应的水位标识牌12连通，能够通过读数直观看到对应的水位。

本发明设置的第一盲沟和第二盲沟用于泄水减压，其中第一盲沟设置在装置底部，第二盲沟设置在装置中部侧壁，水位管用于监测试验池内不同位置处的水头变化情况，排水管用于泄水，排水管均设置阀门，用于控制排水方式及排水量，标识牌用于将不同位置水位管固定在试验池外，更直观的对比水位变化情况。

在本发明附图所示的一个具体实施例中，钢筋混凝土试验池1的土体中，间隔1m设置一个传感器布置平面，且具体设置在标高为1m、2m、3m、4m、5m处。并且钢筋混凝土试验池1以八边形的截面为例，每个传感器布置平面中，设有三条渗压计测线和两条土压力计测线，各测线优选与试验池不同的侧壁连接，且与侧壁垂直。

传感器布置平面标高位于钢内筒下方时(例如标高1m和标高2m处渗压计和土压力计的布置平面)，如图2所示，渗压计测线上，距离试验池中心1m、2m、3m处各布置1个渗压计，并在试验池中心位置处布置2个渗压计，共计11个渗压计；土压力计测线上，在池壁处和距离池壁1.25m处各布置1个土压力计。

传感器布置平面位于钢内筒侧边时(例如标高3m、4m、5m处渗压计和土压力计的布置平面)，如图3所示，渗压计测线上，距离试验池中心1m、2m、3m处各布置1个渗压计，土压力计测线上，在池壁处和距离池壁1.25m处各布置1个土压力计。

优选实施例中，渗压计和水位管设于保护管中，保护管优选为PVC管，PVC管上设有若干小孔。渗压计和水位管端部通过土工布包裹，放置于PVC管中，并采用砂石填满，同时PVC管外部包裹有土工布。优选地，各水位管11位于每层传感器布置平面，且与其中一个渗压计测线重合，该处将渗压计和水位管放置于同一PVC管(直径60mm、长度为500mm)中，只布置渗压计的位置处，将渗压计放置于一根PVC管(直径60mm、长度为250mm)中。PVC管布置在相应的测试位置处，进行埋置，埋置时底部应铺设一层细砂。

进一步地，第一盲沟5顶面设有钢丝网片14，钢内筒13底部边缘与钢丝网片14固定。钢丝网片14一方面作为安装钢内筒13的底座，能够保证钢内筒在安装时位置不产生偏移；另一方面，在钢内筒13和第一盲沟5之间设置钢丝网片，能够阻挡第一盲沟内部的石块与钢内筒底部的浮力测试底板16产生接触，同时又不影响第一盲沟内的水与浮力测试底板16接触。

钢内筒13优选为圆柱形，与之相对应地，第一盲沟于钢内筒底部呈圆柱形，第二盲沟设置于钢内筒侧壁呈圆环形，钢内筒底部沿环向通过底板连接组件15与圆形的浮力测试底板16连接。

如图5所示，底板连接组件15包括第一钢板条151、第二钢板条152、钢环153、限位销154、柔性止水条155以及螺栓组件156。具体地，钢内筒5底部内侧间隔设有第一钢板条151和第二钢板条152，优选与钢内筒焊接；第一钢板条151和第二钢板条152竖向间隔设置，在本发明附图所示的一个具体实施例中，第二钢板条152位于第一钢板条151上方，并且第一钢板条151底面与钢内筒5底面相平。

第一钢板条151和第二钢板条152内侧设有钢环153，钢环153顶面优选与第二钢板条152顶面相平，钢环153底面优选与第一钢板条151底面相平，且钢环153顶面和第二钢板条152顶面设有柔性止水条155，并通过对应的螺栓组件156将该柔性止水条155同时与第二钢板条152和钢环153连接，钢环153底面和第一钢板条151底面同样设有柔性止水条155，并通过对应的螺栓组件156将该柔性止水条155同时与第一钢板条151和钢环153连接。浮力测试底板与钢内筒上的钢条之间采用止水带止水，能够防止土体中水流渗入钢内筒，并且柔性的止水带能够保证浮力作用下，浮力测试底板16和钢环153竖向移动时，具有一定缓冲空间。

浮力测试底板16设于钢环153之间，并优选与之焊接。为了保证浮力测试底板与钢内筒之间有一定活动空间的同时，保证浮力测试底板的移动范围不能过大，在钢环153的环向槽内固定有限位销154，且限位销154一端位于第一钢板条151和第二钢板条152之间，从而使得浮力测试底板16和钢环153在浮力作用下竖向移动时，通过限位销154进行限位。

浮力测试底板16上设有若干压力传感器17和位移传感器18，压力传感器17用于测试底板上的浮力，位移传感器18用于测量浮力测试底板在水浮力作用下的位移值。其中压力传感器17设于浮力测试底板16顶面上，并且通过压力传感器17与钢结构支架19连接，钢结构支架19顶部通过顶部支撑结构固定，底部与压力传感器17连接，顶部支撑结构固定于钢筋混凝土试验池1池壁顶面，钢结构支架及顶部支撑结构用于提供浮力反力，以此测量浮力，同时钢结构支架上设有阶梯，便于试验人员到达钢内筒底部进行施工。

优选地，如图6所示，顶部支撑结构加载桁架20和若干钢结构桁架，加载桁架19固定于钢结构桁架上，各钢结构桁架固定于钢筋混凝土试验池1池壁顶面。

需要说明的是，压力传感器17可通过压缩变形测量当前压力值，在浮力测试底板16上浮的过程中，压力传感器17受到压缩的同时，可感应到对应的压力值。

在本发明附图所示的一个具体实施例中，位移传感器18优选设于浮力测试底板16的底部，通过位移传感器，判断浮力测试底板16是否发生位移。需要注意的是，只有在位移传感器18与初始值相比，发生位移变化的前提下，压力传感器17中测得的数据有效，即此时浮力测试底板与钢内筒之间产生滑动摩擦。

本发明采用钢筋混凝土试验池盛放地铁车站场地土体(现场监测断面土体有粘土、砂土及卵石)，构成的可测试盲沟排水下地下车站不同地层水压力的试验用池体，通过不同层的利用水位管和渗压计，真实有效地去模拟盲沟排水下地下车站水土作用，得到精确的排水方式及排水量与水土压力大小的关系；并且利用压力传感器与位移传感器，能够真实有效地去模拟盲沟排水条件下地下车站底板与水的作用，获取底板与水之间的力学参数，得到精确的排水方式、排水量与水浮力作用大小的关系，本发明为盲沟泄水条件下地铁车站水压力和水浮力的形成机理与计算方法提供基础。

本发明的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，其施工方法包括以下步骤：

(1)在试验场地施工钢筋混凝土试验池1；

试验场地施工平整后，在场地表面铺设混凝土垫层；依据设计进行试验池底板钢筋绑扎和底板混凝土的浇筑；待底板混凝土强度达到设计强度后，进行试验池池壁钢筋的绑扎和池壁混凝土的浇筑；

(2)基于地铁车站所处地层信息，将现场开挖的土体取回分层回填至钢筋混凝土试验池1；

为保证填土质量，优选地采用分层压实的方法进行填土，且每次压实后的填土厚度优选为0.3m；具体可在试验池内壁以0.3m为间隔绘制标记刻度线，确定填土的重量后，采用挖掘机往试验池中装土，然后采用夯实机分层压实每一层土体，并通过红外线超平仪确定每一层土体的平整度；

(3)待粘土层2填埋至设计标高后，在钢筋混凝土试验池1内制作钢内筒底部的第一盲沟5，且在该盲沟底部布置第一盲沟水位管21和带阀门的第一排水管9；

(4)在第一盲沟5顶面设置钢丝网片14，钢丝网片14作为钢内筒的安装底座，在准确定位的钢丝网片上安装钢内筒13；

(5)在钢内筒13与钢筋混凝土试验池1池壁之间继续装土，填土达到设计位置处，在钢内筒筒壁侧面布置第二盲沟6，并在第二盲沟6底部布置第二盲沟水位管22和带阀门的第二排水管10；

本发明提供的一个具体实施例中，第二盲沟6形状为圆环形，外径为2.5m，内径1.5m，高度为0.5m，盲沟二底部布置两根直径为25mm的排水管；

(6)与上述步骤同步地，填土过程中，在相应的设计位置处安装渗压计7、土压力计8以及水位管11；

根据试验池的平面布置和测点的对称性，本发明提供的一个具体实施例中，在试验池内沿高度方向分别在标高为1m、2m、3m、4m和5m所在的5个平面内布置测点；

同时，为便于直观地读取试验池内的渗透水位，在钢内筒与试验池池壁之间，分别在距离池底1m、2m、3m、4m和5m等位置处布置了水位管11，并将水位管沿水平方向向前延伸，穿过试验池池壁至试验池外侧，并在试验池外侧制作了水位标示牌12；

(7)继续装填粘土层2，并在粘土层2上方装填砂土层3和卵石层4；

本发明提供的一个具体实施例中，为保证试验过程中有充足的水源供应，在距离池顶0.3m位置处砂土夯实后，池壁与钢内筒之间敷设了宽2.0m、高0.3m后的卵石层，靠近池壁0.5m和钢内筒0.5m的宽度范围内仍填埋砂土；

(8)钢筋混凝土试验池1填土达到设计标高后，在钢内筒13内壁上安装底板连接组件15，并安装浮力测试底板16，并在浮力测试底板16底部安装若干位移传感器18，顶部安装若干压力传感器17；

(9)吊装钢内筒中的钢结构支架19，将其顶部和底部分别与顶部支撑结构和压力传感器17连接；钢结构支架19底部通过压力传感器17固定在浮力测试底板16上，钢结构支架19顶部通过螺栓组件固定在顶部支撑结构上，顶部支撑结构固定在钢筋混凝土试验池1池壁顶部。

另外，钢筋混凝土试验池1内的渗压计、土压力计、压力传感器、位移传感器安装完毕后，将各种传感器的电缆线连接到钢筋混凝土试验池外部相应的数据采集箱中；具体地，可将各种传感器的电缆线由试验池顶部牵引到泵房顶部的三角支架固定，然后在引入到房间里面，连接到相应的数据采集箱中。

为方便现场读取试验池内不同位置处的水位数据，同时也为了填土过程中方便人员施工，在钢筋混凝土试验池浇筑过程中，预先在水位标示牌的旁边、试验池内外两侧均安装了爬梯。

本发明的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，能够测量不同地层水压力和地下车站底板浮力。

测量不同地层水压力时，以下提供一种具体的测量方法：

先对土体进行饱和。在一个非限定性的实施例中，采用若干台水环式真空泵从试验池顶部抽取空气，同时从下部两个盲沟中自然注水，以保证土体中被空气占据的空间在空气被抽去后，由下部注入的水浸入其中，在真空泵运行过程中，优选在试验池顶部采用塑料薄膜和水体覆盖，以隔绝试验土体与外界空气的交换和补充；待池外水位管和池内渗压计的水头读数达到预期且稳定，关闭盲沟处排水管，停止顶部抽气、底部注水；拆除池顶的塑料薄膜隔层，由池顶注水，开始自然渗透。当然还可以采用顶部注水的方式，对土体进行饱和。

待水位管测试的水位变化与渗压计测试的水位基本相同，记录各测点水位管初始水位H0与渗压计初始读数M0，打开第一盲沟处排水管阀门，每隔一定时间(例如10min)记录盲沟排水量Q、各测点水位管水位H与渗压计读数M，依此对盲沟泄水过程中，不同地层各个测点的总水头、压力水头和盲沟的流量和流速进行分析。

同理，对第一盲沟、第二盲沟以及第一盲沟+第二盲沟依次进行3次排水试验，记录水位管和埋置在土层各测点处渗压计的读数，依此分析在盲沟泄水过程中，砂土层和粘土层中各个测点的水头变化情况。同时在排水过程中，待水位管水位趋于稳定时，对盲沟1、盲沟2以及盲沟1+盲沟2的渗流量进行至少3次以上的计量监测，每次计量监测时长优选为1小时，以分析各个盲沟渗流量的变化情况。

根据盲沟泄水时数据采集系统所采集到的压力水头数据以由水位管所检测的总水头记录，对模型池内各测点的总水头、压力水头和盲沟的流量和流速进行分析。

进一步地，对地下车站底板浮力进行模拟测试时，以下提供一种测试方法，包括如下步骤：

S1：将现场取回的岩土体参照现场地质情况回填至第一盲沟5底部；

S2：往钢筋混凝土试验池1中逐级注水，根据第一盲沟水位管21的稳定读数获取各压力水头H，并按照式(1)计算不同压力水头下底部水压力值：

F＝γHA 式(1)

式(1)中，F为不同压力水头下底部水压力值，γ为水的重度，H为压力水头，A为浮力测试底板面积；

例如压力水头的梯度可设置为1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m，也可根据实际情况设置其他压力水头梯度，计算不同压力水头高度下底部水压力值F；

S3：记录不同压力水头下压力传感器17的读数N，通过式(2)分别求得不同压力水头下浮力测试底板16与钢内筒13侧壁之间的摩擦力f，并绘制不同压力水头下底部水压力值F₁与摩擦力f的关系曲线。

F₁＝N+G+f 式(2)

式(2)中，F₁为不同压力水头下底部水压力值，G为浮力测试底板16的重量，N为不同压力水头下压力传感器17的读数；

S4：排净钢筋混凝土试验池1中的水，将现场取回的岩土参照现场地质情况继续回填至钢筋混凝土试验池1要求标高并压实；

S5：往卵石层4中注水并保持满水状态，优选采用真空泵从试验池顶部抽取空气，使水自由下渗，加速饱和岩土体；

S6：待压力传感器17与位移传感器18读数稳定，即岩土体达到饱和时，记录此时压力传感器17的读数N，按照式(3)求得浮力测试底板16在满水头工况下所受浮力F₂；

F₂＝N+G+f 式(3)

式(3)中，F₂为浮力测试底板所受浮力，f不同压力水头下浮力测试底板16与钢内筒13侧壁之间的摩擦力，G为浮力测试底板16的重量，N为不同压力水头下压力传感器17的读数；

根据不同压力水头下底部水压力值F₁与摩擦力f的关系曲线，求得满水头工况下摩擦力f，读取满水头工况下压力传感器17的读数，求得浮力测试底板16在满水头工况下所受浮力F₂；

S7：注水保持卵石层4满水状态不变，根据情况选择打开第一盲沟5和/或第二盲沟6的排水管阀门进行泄水；记录第一盲沟5或第二盲沟6单独泄水和联合泄水各工况下泄水时间与泄水量，记录对应水头数据和流量稳定时压力传感器17读数N，按照步骤S6继续求得浮力测试底板16在各工况各压力水头下所受浮力F₂。

本发明的模拟测试结果可为地铁地下车站结构的抗浮稳定设计提供理论依据和技术支持，同时也可供市政地下工程及地下空间等工程结构的抗浮稳定设计提供参考，具有重要的理论意义和工程应用价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，其特征在于，包括钢筋混凝土试验池(1)；

所述钢筋混凝土试验池(1)内从下至上填充有粘土层(2)和砂土层(3)，钢筋混凝土试验池(1)内中部竖向设有钢内筒(13)，所述钢内筒(13)底部设于粘土层(2)中；

所述钢筋混凝土试验池(1)的土体中，竖向间隔设置若干传感器布置平面，每个传感器布置平面中布置有若干渗压计(7)和土压力计(8)；各传感器布置平面内，设有对应的水位管(11)；

所述钢内筒(13)下方设有第一盲沟(5)，第一盲沟(5)顶面设有钢丝网片(14)，钢内筒(13)底部边缘与钢丝网片(14)固定；所述钢内筒(13)外侧设有第二盲沟(6)；所述第一盲沟(5)和第二盲沟(6)均通过对应的排水管和盲沟水位管与所述钢筋混凝土试验池(1)外部连通；

所述钢内筒(13)底部通过底板连接组件(15)与浮力测试底板(16)连接，两者连接处密封，且浮力测试底板(16)可于底板连接组件(15)内竖向限位移动；

所述浮力测试底板(16)上设有若干压力传感器(17)和位移传感器(18)，其中压力传感器(10)固定于其顶部，且压力传感器(10)可通过压缩变形测量当前压力值，所述钢内筒(13)内竖向设置的钢结构支架(19)底部与所述压力传感器(17)连接，顶部与顶部支撑结构连接，所述顶部支撑结构固定于所述钢筋混凝土试验池(1)池壁顶面。

2.根据权利要求1所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，其特征在于，每个传感器布置平面中设有若干渗压计测线和土压力计测线，所述渗压计测线和土压力计测线从试验池中心向边缘延伸，所述渗压计测线和土压力计测线上分别布置有若干渗压计(7)和土压力计(8)。

3.根据权利要求1所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，其特征在于，各水位管(11)与钢筋混凝土试验池(1)外壁上对应的水位标识牌(12)连通，同时与所述第一盲沟和第二盲沟连接的盲沟水位管，另一端与钢筋混凝土试验池(1)外壁上对应的水位标识牌(12)连通，以通过读数直观读出对应的水位。

4.根据权利要求1所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，其特征在于，所述水位管(11)与渗压计(7)和设于保护管中，保护管上设有若干小孔，渗压计和水位管端部通过土工布包裹，放置于保护管中，并采用砂石填满，同时保护管外部包裹有土工布。

5.根据权利要求4所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，其特征在于，所述水位管(11)与其中一个渗压计测线重合，所述水位管(11)和该测线的渗压计设于同一保护管中；只布置渗压计(7)的测线，所述渗压计设于单独的保护管中。

6.根据权利要求1-5任一项所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，其特征在于，所述钢内筒(13)底部内侧竖向间隔设有第一钢板条(151)和第二钢板条(152)，所述第一钢板条(151)和第二钢板条(152)内侧设有钢环(153)，所述浮力测试底板(16)固定设于钢环(153)之间；

所述钢环(153)的环向槽内固定有限位销(154)，且其一端位于第一钢板条(151)和第二钢板条(152)之间。

7.根据权利要求6所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置，其特征在于，所述钢环(153)底面和第一钢板条(151)底面设有柔性止水条(155)，并通过螺栓组件将该柔性止水条(155)与两者连接；同时所述钢环(153)与第二钢板条(152)顶面设有柔性止水条(155)，并通过螺栓组件将该柔性止水条(155)与两者连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

在试验场地施工钢筋混凝土试验池(1)；

基于地铁车站所处地层信息，将现场开挖的土体取回分层回填至钢筋混凝土试验池(1)；

待粘土层(2)填埋至设计标高后，在钢筋混凝土试验池(1)内制作钢内筒底部的第一盲沟(5)，且在该盲沟底部布置第一盲沟水位管(21)和带阀门的第一排水管(9)；

在第一盲沟(5)顶面设置钢丝网片(14)，钢丝网片(14)作为钢内筒的安装底座，在准确定位的钢丝网片上安装钢内筒(13)；

在钢内筒(13)与钢筋混凝土试验池(1)池壁之间继续装土，填土达到设计位置处，在钢内筒筒壁侧面布置第二盲沟(6)，并在第二盲沟(6)底部布置第二盲沟水位管(22)和带阀门的第二排水管(10)；

与上述步骤同步地，填土过程中，在相应的设计位置处安装渗压计(7)、土压力计(8)以及水位管(11)；

继续装填粘土层(2)，并在粘土层(2)上方装填砂土层(3)和卵石层(4)；

钢筋混凝土试验池(1)填土达到设计标高后，在钢内筒(13)内壁上安装底板连接组件(15)和浮力测试底板(16)，并在浮力测试底板(16)上安装若干压力传感器(17)和位移传感器(18)；

吊装钢内筒中的钢结构支架(19)，将其顶部和底部分别与顶部支撑结构和压力传感器(17)连接。

9.根据权利要求1-7任一项所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置的测试方法，其特征在于，包括不同地层水压力测试方法，具体包括如下步骤：

先对钢筋混凝土试验池(1)内土体进行饱和；

待水位管测试的水位变化与渗压计测试的水位基本相同，记录各测点水位管初始水位H0与渗压计初始读数M0，打开第一盲沟和/或第二盲沟处排水管阀门，每隔一定时间记录盲沟排水量Q、各测点水位管水位H与渗压计读数M，依此对盲沟泄水过程中，不同地层各个测点的总水头、压力水头和盲沟的流量和流速进行分析。

10.根据权利要求9所述的模拟测量地下车站不同地层水力作用的装置的测试方法，其特征在于，还包括底板浮力测试方法，具体包括如下步骤：

S1：将现场取回的岩土体参照现场地质情况回填至第一盲沟底部；

S2：往钢筋混凝土试验池中逐级注水，根据第一盲沟水位管的稳定读数获取各压力水头H，并按照式(1)计算不同压力水头下底部水压力值：

F＝γHA 式(1)

式(1)中，F为不同压力水头下底部水压力值，γ为水的重度，H为压力水头，A为浮力测试底板面积；

S3：记录不同压力水头下压力传感器的读数N，通过式(2)分别求得不同压力水头下浮力测试底板与钢内筒侧壁之间的摩擦力f，并绘制不同压力水头下底部水压力值F₁与摩擦力f的关系曲线；

F₁＝N+G+f 式(2)

式(2)中，F₁为不同压力水头下底部水压力值，G为浮力测试底板的重量，N为不同压力水头下压力传感器的读数；

S4：排净钢筋混凝土试验池中的水，将现场取回的岩土参照现场地质情况继续回填至钢筋混凝土试验池要求标高并压实；

S5：往卵石层中注水并保持满水状态；

S6：待压力传感器与位移传感器读数稳定，即岩土体达到饱和时，根据步骤S3求得满水头工况下摩擦力f，记录此时压力传感器的读数N，按照式(3)求得浮力测试底板在满水头工况下所受浮力F₂；

F₂＝N+G+f 式(3)

式(3)中，F₂为浮力测试底板所受浮力，f不同压力水头下浮力测试底板与钢内筒侧壁之间的摩擦力，G为浮力测试底板的重量，N为不同压力水头下压力传感器的读数；

S7：注水保持卵石层满水状态不变，根据情况选择打开第一盲沟和/或第二盲沟的排水管阀门进行泄水；记录两个盲沟单独泄水和联合泄水各工况下泄水时间与泄水量，按照步骤S6继续求得浮力测试底板在各工况各压力水头下所受浮力F₂。

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