CN212561462U - 可施加高水头的浮力折减模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了可施加高水头的浮力折减模型试验装置包括水压加载箱、测试箱以及渗流通道，形成U型结构，U型结构内填充有试验所需土体；所述测试箱内埋设有浮力箱，所述浮力箱外设置有定位箱，所述浮力箱内放置有多个竖向的位移计；所述水压加载箱和测试箱顶面均具有入线口和进气口，两个空气压缩机分别通过进气口密封连通至所述水压加载箱和测试箱内，所述水压加载箱的水内设置有孔压传感器，所述测试箱的水内以及浮力箱的底部也设置有孔压传感器，所述浮力箱的底部还设置有土压力盒。本实用新型的装置密封效果好，能够模拟不同水头压力，安装拆除快速，能够多次使用提高了试验效率，可避免材料的大量浪费，创造较大的经济效益。

Description

可施加高水头的浮力折减模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及地基土层性质确定领域。更具体地说，本实用新型涉及可施加高水头的浮力折减模型试验装置。

背景技术

近年来，我国城市轨道交通建设飞速发展，轨道交通和铁路工程占比日趋增长，隧道所处工程地质条件愈发复杂。而在岩土工程技术标准中，水下隧道的抗浮设计是工程设计中的一项重要内容，而目前有关黏性土浮力折减系数的大小也是土力学中学术见解分歧比较大的问题。目前各个规范中对黏性土中水压力的计算也并不一致：《岩土工程勘察规范》认为黏土中基础受到的浮力往往小于水头高度；《建筑地基基础与设计规范》中认为粘性土基础受到的浮力与在砂土中相同；《铁路桥涵地基和基础设计规范》与《公路桥涵地基和基础设计规范》中认为黏性土中基础不受浮力作用。因此，怎样获得较为准确的确定土层浮力折减系数并进一步得到隧道所受浮力无论是对结构设计或工程施工均具有较大益处。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供可施加高水头的浮力折减模型试验装置，密封效果好，能够模拟不同水头压力，安装拆除快速，能够多次使用提高了试验效率，可避免材料的大量浪费，创造较大的经济效益。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种可施加高水头的浮力折减模型试验装置，包括水压加载箱、测试箱以及渗流通道，所述水压加载箱与测试箱大小相同且均为密封的箱体结构，所述渗流通道为水平的管状且两端分别与所述水压加载箱和测试箱的下部密封连通形成U型结构，U型结构内填充有试验所需土体；

所述水压加载箱在试验所需土体上方填充有水；

所述测试箱在试验所需土体内埋设有浮力箱，所述浮力箱的外侧壁还设置有“回”字型的定位箱，其内壁与所述浮力箱外壁之间具有间隙，所述浮力箱内填充有水，所述浮力箱内壁在水的上方还设置有多个水平的定位片，其上分别放置有多个竖向的位移计，所述位移计凸出于所述浮力箱的部分通过位于测试箱内壁的限位机构限位为竖直状态；

所述水压加载箱和测试箱顶面均具有入线口和进气口，两个空气压缩机分别通过进气口密封连通至所述水压加载箱和测试箱内，所述水压加载箱的水内设置有孔压传感器，所述测试箱的水内以及浮力箱的底部也设置有孔压传感器，所述浮力箱的底部还设置有土压力盒，所述孔压传感器和土压力盒分别通过电线经入线口连接外部的孔压传感器接收装置和土压力传感器接收装置。

优选的是，所述渗流通道上间隔设置有竖向的预留管，其下端密封插入至渗透通道内，所述渗流通道内对应每个预留管处均设置有孔压传感器和土压力盒，其通过电线穿过预留管内部连接至外部的孔压传感器接收装置和土压力传感器接收装置。

优选的是，所述渗流通道上具有多个出线口，所述出线口处一体成型有竖向的密封管，其上端螺栓连接有法兰盘，所述预留管恰好密封穿过所述法兰盘的中心，所述法兰盘与密封管之间、所述法兰盘与所述预留管之间均设置有橡胶垫圈。

优选的是，所述水压加载箱和测试箱的上开口均固定有法兰盘，所述法兰盘与带有螺栓孔的密封盖通过螺栓连接且法兰盘上设置有橡胶垫圈以使得所述水压加载箱和测量箱为密封的箱体结构。

优选的是，浮力折减模型试验装置为装配式结构，所述水压加载箱和测试箱分别与渗流通道的两端通过法兰盘可拆卸连接，法兰盘之间均通过设置橡胶垫圈密封。

优选的是，所述渗流通道通过多节节段连接为整体，相邻节段之间通过法兰盘可拆卸连接，法兰盘之间均通过设置橡胶垫圈密封。

优选的是，所述限位机构包括磁性表座和夹具，所述磁性表座吸附于所述测量箱内壁，所述夹具固定于所述磁性表座上并朝向位移计伸出以将位移计夹持固定限位。

本实用新型至少包括以下有益效果：

本实用新型装置所获得的浮力折减系数与地下结构物实际状态能够较好的吻合。而且在浮力折减系数的确定方面，也考虑不同埋深情况对浮力折减系数的影响。本实用新型装置所得到现场实际浮力折减系数，对地下结构设计或地下工程施工均有较大益处。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型浮力折减模型试验装置结构示意图；

图2为本实用新型渗流通道出线口密封示意图。

附图标记说明：

1、水压加载箱，2、渗流通道，3、测试箱，4、试验所需土体，5、水，6、浮力箱，7、定位箱，8、定位片，9、位移计，10、空气压缩机，11、孔压传感器，12、土压力盒，13、孔压传感器接收装置，14、土压力传感器接收装置，15、磁性表座，16、夹具，17、预留管，18、密封管，19、法兰盘，20、橡胶垫圈，21、密封盖。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，并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实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型提供一种可施加高水头的浮力折减模型试验装置，包括水压加载箱1、测试箱3以及渗流通道2，所述水压加载箱1与测试箱3大小相同且均为密封的箱体结构，所述渗流通道2为水平的管状且两端分别与所述水压加载箱1和测试箱3的下部密封连通形成U型结构，U型结构内填充有试验所需土体4；

所述水压加载箱1在试验所需土体4上方填充有水5；

所述测试箱3在试验所需土体4内埋设有浮力箱6，所述浮力箱6的外侧壁还设置有“回”字型的定位箱7，其内壁与所述浮力箱6外壁之间具有间隙，所述浮力箱6内填充有水5，所述浮力箱6内壁在水5的上方还设置有多个水平的定位片8，其上分别放置有多个竖向的位移计9，所述位移计9凸出于所述浮力箱6的部分通过位于测试箱3内壁的限位机构限位为竖直状态；

所述水压加载箱1和测试箱3顶面均具有入线口和进气口，两个空气压缩机10分别通过进气口密封连通至所述水压加载箱1和测试箱3内，所述水压加载箱1的水内设置有孔压传感器11，所述测试箱3的水内以及浮力箱6的底部也设置有孔压传感器11，所述浮力箱6的底部还设置有土压力盒12，所述孔压传感器11和土压力盒12分别通过电线经入线口连接外部的孔压传感器接收装置13和土压力传感器接收装置14。

在上述技术方案中，水压加载箱1，形成不同水头压力下的渗流场；地下水渗流通道2，模拟土体中的渗流通道2；测试箱3，测试浮力箱6下方孔隙水压力以及土压力。试验所需土体4取自现场取样土体，晒干后加水填装。粉质黏土加水到可塑状态，含水量控制在塑限，易于压实以及夯实。粉土加水到稍湿状态，便于填土。

水压加载箱1的入线口接一个孔压传感器11或压力传感器，测试水压加载箱1中的水压，作为元件通道监测模拟水压，为稳压空压机提供反馈；进气口用于空气压缩机10施加不同大小的压力，压力作用于水压加载箱1内的水面上用于模拟水压；测试箱3的入线口外接土压力盒12、位移计9和孔压传感器11，进气口通过空气压缩机10施加不同大小的压力，用于模拟上覆土压，此压力为模拟隧道埋深引起的压力；入线口用于检测元件线路连接，作为元件通道监测上覆土压。利用空气压缩机10以及孔压传感器11等措施控制水压加载箱1内的气压，通过气压施加在水面上形成可调节的水压，稳压与施压相互配合可实现连续不断稳压控制。

在浮力箱6内部焊接了四个角部定位片8用于监测浮力箱6的位移，将位移计9的底端放置于定位片8上，当浮力箱6有位移时，位移计9可以立刻检测到位移变化，限位机构用于对位移计9进行限位，防止其发生水平方向的位移或倾斜。定位箱7是用来起到限位作用，防止浮力箱6上浮过程出现较大侧向位移，导致位移计9滑出定位片8，使得浮力监测失效。定位箱7为夹壁“回”形结构，中间空心尺寸可以放置浮力箱6并留有一定间隙。

在另一种技术方案中，如图2所示，所述渗流通道2上间隔设置有竖向的预留管17，其下端密封插入至渗透通道内，所述渗流通道2内对应每个预留管17处均设置有孔压传感器11和土压力盒12，其通过电线穿过预留管17内部连接至外部的孔压传感器接收装置13和土压力传感器接收装置14。所述渗流通道2上具有多个出线口，所述出线口处一体成型有竖向的密封管18，其上端螺栓连接有法兰盘19，所述预留管17恰好密封穿过所述法兰盘19的中心，所述法兰盘19与密封管18之间、所述法兰盘19与所述预留管17之间均设置有橡胶垫圈20。

在上述技术方案中，预留管17处在渗流通道2内设置孔压传感器11和土压力盒12是为了检测渗流通道2内土的压力是否正常。出线口设置密封管18并与预留管17之间采用法兰盘19连接，方便传感器的埋设与替换，并采用橡胶垫圈20和螺栓进行密封连接。

在另一种技术方案中，所述水压加载箱1和测试箱3的上开口均固定有法兰盘，所述法兰盘与带有螺栓孔的密封盖21通过螺栓连接且法兰盘上设置有橡胶垫圈以使得所述水压加载箱1和测量箱为密封的箱体结构。所述水压加载箱1和测试箱3的上端是通过密封盖21密封，密封盖21上有入线口和进气口。

在另一种技术方案中，浮力折减模型试验装置为装配式结构，所述水压加载箱1和测试箱3分别与渗流通道2的两端通过法兰盘可拆卸连接，法兰盘之间均通过设置橡胶垫圈密封。整个试验装置设置为可拆卸结构，可重复利用。

在另一种技术方案中，所述渗流通道2通过多节节段连接为整体，相邻节段之间通过法兰盘可拆卸连接，法兰盘之间均通过设置橡胶垫圈密封。渗流通道2的长度根据结构物底部土层厚度设计加工对应长度，每节节段上可设置有一个预留元件通道，用于监测土压和水压。

在另一种技术方案中，所述限位机构包括磁性表座15和夹具16，所述磁性表座15吸附于所述测量箱内壁，所述夹具16固定于所述磁性表座15上并朝向位移计9伸出以将位移计9夹持固定限位。

在上述技术方案中，磁性表座15具有磁性，与测量箱具有相互的吸引力，夹具16为普通的夹子，固定于磁性表座15上，将位移计9的外壳夹持固定从而使得位移计9水平方向限位，但不影响位移计9的位移监测。

本实用新型试验装置的实施方法包括以下步骤：

(1)将试验所需土填入水压加载箱1、渗流通道2，分层夯实；

(2)之后将渗流通道2一端和水压加载箱1用法兰盘连接在一起，然后再将测试箱3和渗流通道2另一端连接在一起；

(3)在测试箱3内压实渗流通道2内的土体，然后往测试箱3内分层填土并压实整平；

(4)将孔压传感器11以及土压力盒12埋入渗流通道2中并安装出线口处的密封管，连接完法兰盘和橡胶垫圈达到密封的效果；

(5)在加载箱以及测试箱3中加水至箱顶，静止一段时间使土体达到饱和，将土压力盒12放入水压加载箱1中水和土的分界处，用于测量水压加载箱1中的水压；

(6)将土压力盒12以及孔压传感器11埋入测试箱3的土中，在土上方放入定位箱7和浮力箱6，将加载箱和测试箱3利用螺栓和橡胶垫圈密封，将配置的水泥倒入入线口和进气口中封死，达到密封的效果；

(7)用空气压缩机10控制水压加载箱1和测试箱3中的水头差，试验过程中水压加载箱1的水头大于测试箱3中的水头，水压加载箱1体中的水头压力通过渗流通道2中的饱和土体传递至浮力箱6底部使得浮力箱6浮起来，并通过固定在浮力箱6内部的位移计9测出浮力箱6位移，根据浮力大小可以推算出实际浮力折减系数；

(8)完成浮力折减模型试验后，对各部件进行清洗、抹油，放置在干燥处保存，方便下次使用。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.可施加高水头的浮力折减模型试验装置，其特征在于，包括水压加载箱、测试箱以及渗流通道，所述水压加载箱与测试箱大小相同且均为密封的箱体结构，所述渗流通道为水平的管状且两端分别与所述水压加载箱和测试箱的下部密封连通形成U型结构，U型结构内填充有试验所需土体；

所述水压加载箱在试验所需土体上方填充有水；

所述测试箱在试验所需土体内埋设有浮力箱，所述浮力箱的外侧壁还设置有“回”字型的定位箱，其内壁与所述浮力箱外壁之间具有间隙，所述浮力箱内填充有水，所述浮力箱内壁在水的上方还设置有多个水平的定位片，其上分别放置有多个竖向的位移计，所述位移计凸出于所述浮力箱的部分通过位于测试箱内壁的限位机构限位为竖直状态；

所述水压加载箱和测试箱顶面均具有入线口和进气口，两个空气压缩机分别通过进气口密封连通至所述水压加载箱和测试箱内，所述水压加载箱的水内设置有孔压传感器，所述测试箱的水内以及浮力箱的底部也设置有孔压传感器，所述浮力箱的底部还设置有土压力盒，所述孔压传感器和土压力盒分别通过电线经入线口连接外部的孔压传感器接收装置和土压力传感器接收装置。

2.如权利要求1所述的可施加高水头的浮力折减模型试验装置，其特征在于，所述渗流通道上间隔设置有竖向的预留管，其下端密封插入至渗透通道内，所述渗流通道内对应每个预留管处均设置有孔压传感器和土压力盒，其通过电线穿过预留管内部连接至外部的孔压传感器接收装置和土压力传感器接收装置。

3.如权利要求2所述的可施加高水头的浮力折减模型试验装置，其特征在于，所述渗流通道上具有多个出线口，所述出线口处一体成型有竖向的密封管，其上端螺栓连接有法兰盘，所述预留管恰好密封穿过所述法兰盘的中心，所述法兰盘与密封管之间、所述法兰盘与所述预留管之间均设置有橡胶垫圈。

4.如权利要求1所述的可施加高水头的浮力折减模型试验装置，其特征在于，所述水压加载箱和测试箱的上开口均固定有法兰盘，所述法兰盘与带有螺栓孔的密封盖通过螺栓连接且法兰盘上设置有橡胶垫圈以使得所述水压加载箱和测量箱为密封的箱体结构。

5.如权利要求1所述的可施加高水头的浮力折减模型试验装置，其特征在于，浮力折减模型试验装置为装配式结构，所述水压加载箱和测试箱分别与渗流通道的两端通过法兰盘可拆卸连接，法兰盘之间均通过设置橡胶垫圈密封。

6.如权利要求1所述的可施加高水头的浮力折减模型试验装置，其特征在于，所述渗流通道通过多节节段连接为整体，相邻节段之间通过法兰盘可拆卸连接，法兰盘之间均通过设置橡胶垫圈密封。

7.如权利要求1所述的可施加高水头的浮力折减模型试验装置，其特征在于，所述限位机构包括磁性表座和夹具，所述磁性表座吸附于所述测试箱内壁，所述夹具固定于所述磁性表座上并朝向位移计伸出以将位移计夹持固定限位。

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