CN203452104U - 桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，包括进水系统、排水系统、模型箱、桩基础、土体和测压装置，其中：所述进水系统和所述排水系统分别设置于所述模型箱的左右两侧；所述土体铺设于模型箱内；所述桩基础埋置于土体中；所述测压装置埋设于模型箱的土体中，用于测定土体的承压含水层的孔隙水压力。本实用新型通过调整桩基础的数量、相对位置、入土深度模拟降水工程中桩基础的存在对地下水渗流的影响，在室内重现地下复杂的渗流场；本实用新型适用于桩基础对地下水渗流影响的验证，为设计施工提供合理可行的计算设计参数，也适用于岩土工程和水利工程专业的教学与科研。

Description

桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种建筑施工技术领域的装置，具体地，涉及一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置。

背景技术

在沿海地区软土地层中施工的深基坑均需要降水，同时，沿海地区是经济比较发达的地区，城市化水平较高，所以待开挖基坑周围会有大量既有建筑物的基础。在这些区域大部分建筑物为高层建筑物，其基础形式多为桩基础。桩基础的存在会改变地下水流动路径，对地下水的渗流造成阻碍，造成桩前迎水面水头上升，从而导致程度不一的地面沉降，可能会造成地面开裂，对基坑的施工和运营安全及周边环境构成威胁。桩基础对地下水渗流环境的影响和造成相应的地面沉降可通过室内模型试验观察研究，从桩基础的布置形式、桩基础的数量、桩基础的深度等多种影响因素进行分析。传统的渗流试验装置多为一维的，一般只能测试土体渗透系数试验或一维均匀渗流条件的临界水力梯度，不能切实模拟工程中的桩基础对地下水三维渗流的影响。

经过对现有技术文献检索发现，中国专利ZL201010209039.6，申请日2010-06-24，记载了一种“一种模拟基坑降水土渗透系数变化的试验方法”，该技术由渗压容器、渗流管路、渗流计量管及调压阀四个部分组成。该专利能够模拟基坑工程降水过程中土体含水量减小、有效应力增大、土体固结压密对渗透系数的影响。该试验尚未克服现有渗流试验只能反映一维渗流，且未考虑地下构筑物，尤其是桩基础的存在造成的影响；中国专利ZL201010151297.3，申请日2010-04-21，记载了一种“地下结构物阻断地下水渗流的模拟装置”，该装置能够模拟地下连续墙对含水层降水过程的影响。根据该专利自述，该装置是直接从进水孔和排水孔处进行地下水的补给和排泄，因此采用该装置仅能模拟地下水的点状补给和排泄，这与自然条件下地下水全断面渗流的情况不符，因此采用该装置不能直接用于模拟桩基础的存在对渗流环境的影响。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，该装置能够较为真实地模拟实际工程中含有桩基础的土体内地下水渗流情况，通过分析试验中得到的水头分布，研究桩基础的数量，深度，布置形式等对地下水渗流，为设计施工提供合理可行的计算设计参数，用于保障城市化进程中基坑施工的安全和效率。

为实现以上目的，本实用新型提供一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，包括进水系统、排水系统、模型箱、桩基础、土体和测压装置，其中：所述进水系统和所述排水系统分别设置于所述模型箱的左右两侧，所述土体铺设于模型箱内，所述桩基础埋置于土体中，所述测压装置埋设于模型箱的土体中，用于测定土体的承压含水层的孔隙水压力。

优选地，所述模型箱是有机玻璃板制成的长方体箱体，尺寸根据试验要求确定；其左立面为进水面并设有一个进水孔，进水孔位于左立面中心线上，进水孔的孔径及设置高度根据试验要求确定；其右立面为排水面并设有一个排水孔，排水孔位于右立面中心线上，排水孔孔径及设置高度根据试验要求确定。

优选地，所述进水系统包括水箱、进水总管、进水分管和进水阀门，其中：水箱通过软管与进水总管相接；进水总管穿过模型箱的进水孔与进水分管通过三通接头连接；进水总管为单根PVC空心管；进水分管设置于模型箱的进水面内侧且垂直于模型箱的箱体底面，其宽度同模型箱箱体净宽度、其高度与试验设计上游水头一致；进水分管的平面形状呈网格状，由一侧间隔打孔的PVC空心管组成，孔洞上粘贴有过滤网；进水阀门为截止阀，设置于进水总管上，用于控制进水系统的水流开启和切断。

优选地，所述排水系统包括排水总管、排水分管和排水阀门，其中：排水总管穿过模型箱的排水孔与排水分管通过三通接头连接；排水总管为单根PVC空心管；排水分管设置于模型箱的排水面内侧且垂直于模型箱的箱体底面，其宽度同模型箱的箱体净宽度、其高度与试验设计下游水头一致；排水分管的平面形状呈网格状，由一侧间隔打孔的PVC空心管组成，孔洞上粘贴有过滤网；排水阀门为截止阀，设置于排水总管上，用于控制排水系统的水流开启和切断。

所述土体包括承压含水层、隔水层和潜水含水层，承压含水层、隔水层和潜水含水层自下而上依次铺设于模型箱内。所述承压含水层是厚度为0.2-0.4m的砂土。所述隔水层是厚度为0.2-0.4m的粘土。所述潜水含水层是厚度为0.2-0.4m的砂土。

优选的，所述桩基础垂直埋置于模型箱内的土体中，其埋置深度、数量及排列方式按试验工况确定。

优选的，所述桩基础是PVC空心管，并且该PVC空心管上下两端封堵。

优选的，所述测压装置包括数据采集系统、孔隙水压力传感器，其中：孔隙水压力传感器埋设于承压含水层中且依次贯穿潜水含水层和隔水层；数据采集系统与孔隙水压力传感器相连接；所述测压装置的测压点按试验要求布置。

更优选的，所述数据采集系统为与计算机相连的自动化数据采集仪。

更优选的，所述孔隙水压力传感器的量程为0.1MPa，精度为0.025%的量程，分辨率为0.0001MPa。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型克服现有的土体渗流模型试验仅能模拟地下连续墙存在下的渗流的缺陷，通过调整桩基础的数量、相对位置、入土深度模拟降水工程中桩基础的存在对地下水渗流的影响，在室内重现地下复杂的渗流场；本实用新型适用于桩基础对地下水渗流影响的验证，为设计的施工提供经验的建议参数，也适用于岩土工程和水利工程专业的教学与科研。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型试验装置的结构正视图；

图2为本实用新型试验装置的结构俯视图；

图3为本实用新型进水分管与排水分管平面图，其中（a）为进水分管平面图，（b）为排水分管平面图；

图4为本实用新型一实施例试验工况桩基础平面布置图；

图5为本实用新型一实施例试验工况测压点的平面布置图。

图中：

1为模型箱、2为桩基础、3为水箱、4为进水总管、5为进水分管、6为进水阀门、7为软管、8为排水总管、9为排水分管、10为排水阀门、11为承压含水层、12为隔水层、13为潜水含水层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

如图1-图2所示，本实施例提供一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，包括：进水系统、排水系统、模型箱1、桩基础2、土体和测压装置，其中：所述土体铺设于模型箱1内；所述桩基础2埋置于土体中；所述测压装置埋设于模型箱的土体中。

本实施例所述模型箱1是有机玻璃板制成的长方体箱体，长2m，宽1.2m，高1m，有机玻璃板壁厚为20mm；所述模型箱1的左立面为进水面，设有一个进水孔，进水孔位于左立面中心线上，距离箱体底面0.7m、孔径50mm；所述模型箱1的右立面为排水面，设有一个排水孔，排水孔位于右立面中心线上，距离箱体底面0.1m、孔径50mm。

如图1-图2所示，本实施例所述进水系统包括水箱3、进水总管4、进水分管5和进水阀门6，其中：水箱3通过软管7与进水总管4相接；进水总管为单根PVC空心管，外径50mm，壁厚2mm；如图3中（a）所示，进水分管5的平面形状呈5行6列网格状，由一侧间隔打孔的PVC空心管组成，孔洞上粘贴200目不锈钢过滤网，PVC空心管外径50mm，壁厚2mm，孔洞间隔为5cm；进水分管5设置于模型箱1的进水面内侧且垂直于箱体底面，宽度为1.16m，长度为0.7m；进水总管4穿过模型箱1中的进水孔与进水分管5用三通接头连接；进水阀门6为截止阀，设置于进水总管4上。

如图1-图2所示，本实施例所述排水系统包括排水总管8、排水分管9和排水阀门10，其中：排水总管8为单根PVC管，外径50mm，壁厚2mm；如图3中（b）所示，排水分管9的平面形状呈3行6列网格状，由一侧间隔打孔的PVC空心管组成，孔洞上粘贴200目不锈钢过滤网，PVC空心管外径50mm，壁厚2mm，孔洞间隔为5cm；排水分管9设置于模型箱1的进水面内侧且垂直于箱体底面，宽度为1.16m，高度为0.39m；排水总管8穿过模型箱1中的排水孔与排水分管9用三通接头连接；排水阀门10为截止阀，布置在排水总管8上。

如图1-图2所示，本实施例所述土体包括承压含水层11、隔水层12和潜水含水层13，承压含水层11、隔水层12和潜水含水层13自下而上依次铺设于模型箱1内。

本实施例所述承压含水层11为厚度是0.3m的粘土层，其组分及含量为：粉土5%、细砂93%、中砂2%，土粒比重为2.463，孔隙比为0.689。

本实施例所述隔水层12为厚度为0.2m的黏土层，干密度为1.486，土粒比重为2.701。

本实施例所述潜水含水层13为厚度是0.2m的砂土层，其组分及含量为：粉土10%、细砂85%、中砂5%，土粒比重为2.463，孔隙比为0.705。

本实施例所述桩基础2是PVC空心管，同时对PVC空心管上下两端进行封堵处理，单根管长700mm、外径50mm、壁厚2mm；所述桩基础2垂直埋置于模型箱1内的土体中；如图4所示，桩基础2数量为30根，按5行6列矩形布置，桩间间距为0.2m；其中：行所表示的方向为沿渗流方向，第3行桩基础2布置在箱体的中心线上，桩基础2贯穿整个土体且底部紧贴模型箱1的底面。

本实施例所述测压装置包括数据采集系统、孔隙水压力传感器，其中：数据采集系统为与计算机相连的自动化数据采集仪；孔隙水压力传感器的量程为0.1MPa，精度为0.025%倍的量程，分辨率为0.0001MPa；如图4所示，在距离箱体底面0.2m的位置，沿渗流方向在箱体的中心线上布置a、b、c、d、e、f六个测压点，间距依次为0.25m，0.15m，0.4m，0.5m，0.3m，测点a距箱体进水面的内侧0.2m。

本实施例所述装置进行地下水渗流的模拟试验按以下步骤操作：

（1）分层铺土，洒水养护

将所述土体即承压含水层11、隔水层12和潜水含水层13自下而上铺设于模型箱1内；所述土体按每层50mm厚逐层均匀地铺平，确保土层的顶面和底面在同一水平面上，并洒水养护。

（2）埋置桩基础2

铺土时根据图4埋置桩基础2，利用土与桩基础2之间的摩擦作用依次将桩基础2自立在土层中。

（3）垂直埋设测压装置

当铺土至0.2m时，根据图5垂直埋设测压装置，并在孔隙水压力传感器附近围填中粗砂，然后将孔隙水压力传感器与自动化数据采集仪相连接。

（4）注水加压

将水箱3的位置调整为试验所需初始水头对应的位置后，打开进水阀门6为模型箱1内的土体注水加压使承压含水层11饱和，当承压含水层11中各测压点水位均为试验所需的上游水位时关闭进水阀门6。

（5）自重固结

保持测压装置的孔隙水压力读数变化不大，待土层在自重作用下固结24小时。

（6）渗流试验

保持上游水位不变，将排水总管8位置设为试验所需的下游水位后，同时打开进水阀门6和排水阀门10进行渗流试验；试验过程中通过测压装置实时观测水位以得到不同时刻的承压水渗流场的变化情况，分析桩基础2对承压水渗流影响情况。

通过本实施例，填补了室内模拟桩基础存在下地下水渗流技术方面的空白，实现对桩基础对地下水渗流的影响的室内试验模拟，分析桩基础的存在对地下水渗流的影响，再现实际工程中桩基础存在时工程环境复杂的渗流场，克服了现有的土体渗流模型试验仅能模拟地下连续墙存在的地下水渗流的缺陷。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (10)

1.一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，包括进水系统、排水系统、模型箱、桩基础、土体和测压装置，其中：所述进水系统和所述排水系统分别设置于所述模型箱的左右两侧，所述土体铺设于所述模型箱内，所述桩基础埋置于所述土体中，所述测压装置埋设于所述模型箱的土体中，用于测定所述土体的承压含水层的孔隙水压力。

2.根据权利要求1所述的一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，所述模型箱是有机玻璃板制成的长方体箱体，该箱体左立面为进水面并设有一个进水孔，进水孔位于左立面中心线上，该箱体右立面为排水面并设有一个排水孔，排水孔位于右立面中心线上。

3.根据权利要求2所述的一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，所述进水系统包括水箱、进水总管、进水分管和进水阀门，其中：水箱通过软管与进水总管相接，进水总管穿过模型箱的进水孔与进水分管通过三通接头连接，进水分管设置于模型箱的进水面内侧且垂直于模型箱的箱体底面；进水分管的平面形状呈网格状，由一侧间隔打孔的空心管组成，孔洞上粘贴有过滤网；进水阀门为截止阀，设置于进水总管上。

4.根据权利要求2所述的一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，所述排水系统包括排水总管、排水分管和排水阀门，其中：排水总管穿过模型箱的排水孔与排水分管通过三通接头连接，排水分管设置于模型箱的排水面内侧且垂直于模型箱的箱体底面；排水分管的平面形状呈网格状，由一侧间隔打孔的空心管组成，孔洞上粘贴有过滤网；排水阀门为截止阀，设置于排水总管上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，所述土体包括承压含水层、隔水层和潜水含水层，承压含水层、隔水层和潜水含水层自下而上依次铺设于模型箱内。

6.根据权利要求5所述的一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，所述承压含水层是厚度为0.2-0.4m的砂土；所述隔水层是厚度为0.2-0.4m的粘土；所述潜水含水层是厚度为0.2-0.4m的砂土。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，所述测压装置包括数据采集系统、孔隙水压力传感器，其中：孔隙水压力传感器埋设于承压含水层中且依次贯穿潜水含水层和隔水层，数据采集系统与孔隙水压力传感器相连接。

8.根据权利要求7所述的一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集系统为与计算机相连的自动化数据采集仪。

9.根据权利要求7所述的一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，所述孔隙水压力传感器的量程为0.1MPa，精度为0.025%的量程，分辨率为0.0001MPa。

10.根据权利要求1-4任一项所述的一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验装置，其特征在于，所述桩基础是PVC空心管，并且该PVC空心管上下两端封堵。

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