動態承壓水作用的地基模型試驗裝置的製造方法

2023-12-01 09:50:21

專利名稱:動態承壓水作用的地基模型試驗裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種動態承壓水作用的地基模型試驗裝置。包括模型箱、承壓架空層、承壓水壓力調節系統、傳感器固定裝置和量測系統；模型箱底部設置承壓架空層，承壓架空層與承壓水壓力調節系統連接；承壓水壓力調節系統由微型水壓力變送器、有機玻璃圓筒裝置和流量計組成；有機玻璃圓筒裝置與流量計連通，通過流量計精確地調節有機玻璃圓筒裝置內水柱高度的變化從而實現模型箱內承壓水的動態變化；本實用新型可模擬承壓水的動態變化過程；量測動態承壓水作用下地基的水土壓力和變形，確定地基受力和變形發展規律等問題；探求動態承壓水變化的幅值和速率對地基穩定性的影響，為動態承壓水作用引起的地基問題研究提供有效的試驗數據支持。
【專利說明】
動態承壓水作用的地基模型試驗裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種地基模型試驗裝置，特別是涉及動態承壓水作用下的地基模型試驗裝置，可用於模擬動態承壓水作用時承壓層和上覆弱透水性地基土體之間的相互作用，研究動態承壓水作用下地基的水土壓力響應、變形和穩定性問題。
【背景技術】
[0002]在濱海、沿江地區不僅地下水豐富，地基土層常呈強、弱透水層間的互層分布，工程中常面臨深基坑坑底弱透水層以下尚存在承壓層的情況，承壓水作用引起的基坑變形和失穩問題是該類地區深基坑工程的重大風險源之一。對於大面積基坑的中心區域可以簡化為地基模型，可通過設計地基模型試驗的方法來揭示該區域的承壓水動態變化引起的坑底弱透水層水土響應和變形規律。
[0003]相比於理論解析方法和有限元數值方法的研究採用既定的土體本構模型，計算得到的承壓水動態變化引起的土體水土壓力和變形大小對計算參數的選取具有很大的依賴性;實際工程監測過程中少有動態變化承壓水壓力和基坑水土壓力的連續實時同步監測數據，且在研究過程中難以獲得大量類似工程的實測數據用於統計分析以獲得動態承壓水變化引起的坑底弱透水層的水土壓力響應和土體變形規律;鑑於常重力下土工模型試驗，不影響土體微觀結構，土顆粒尺寸及土顆粒間相互作用關係與實際情況相符，能客觀反映承壓水和坑底弱透水層土顆粒之間的相互作用，廣泛應用於考慮土體應力應變關係的微觀研究。
[0004]目前，傳統承壓水作用的相關土工模型試驗研究，不考慮水中氣體進入試驗土體可能引起的非飽和土問題;大量模擬承壓水變化的土工試驗常考慮承壓水壓力的分級施加或減小，每一級承壓水壓力之間都是不連續的，因此不能實現承壓水連續動態地變化，無法探討承壓水動態變化速率對土體水土壓力響應、變形以及穩定性影響等問題。

【發明內容】

[0005]為了克服上述現有技術的不足，本實用新型提供了模擬承壓水動態變化的地基模型試驗裝置，解決了試驗中承壓水動態變化的精確模擬問題，可用於研究承壓水動態變化時承壓層和上覆弱透水性地基土體之間的相互作用，量測動態承壓水變化過程中地基的水土壓力和變形，整理相關試驗數據確定動態承壓水作用下地基的受力和變形發展規律等問題，探求動態承壓水變化的幅值和速率對地基穩定性的影響，為動態承壓水作用引起的地基問題研究提供有效的試驗數據支持，並為之後理論分析模型提供依據。
[0006]本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是:一種動態承壓水作用的地基模型試驗裝置，包括模型箱、承壓架空層、承壓水壓力調節系統、傳感器固定裝置和量測系統五個部分;所述模型箱由前後左右以及底部五塊有機玻璃組成，可方便觀測試驗中土體的變形;所述模型箱左右兩個側面的上部均安裝出水閥門，出水閥門底部與試驗土體頂面齊平，試驗過程中出水閥門保持打開以便及時排水，使得試驗土體的水位線保持恆定;所述模型箱的底部一側安裝第一通水閥門用於飽和土體，另一側安裝第二通水閥門用於連通承壓水壓力調節系統;所述承壓架空層由帶通水孔的有機玻璃板、有機玻璃短柱和反濾土工織物組成;所述帶通水孔的有機玻璃板底部固定有機玻璃短柱，放置於模型箱內，並與模型箱的四個側面密封連接;所述帶通水孔的有機玻璃板表面粘貼反濾土工織物，防止承壓水動態變化過程中試驗土體的流失;所述承壓水壓力調節系統由微型水壓力變送器、有機玻璃圓筒裝置和流量計組成;所述有機玻璃圓筒裝置由有機玻璃圓筒、有機玻璃底座、刻度線和第三通水閥門組成;所述有機玻璃圓筒固定在有機玻璃底座上，側壁豎直設置刻度線，底部設置第三通水閥門；所述微型水壓力變送器通過三通管連接模型箱和有機玻璃圓筒，微型水壓力變送器可連續記錄承壓水的動態變化情況;所述有機玻璃圓筒通過第三通水閥門與流量計連通，通過流量計精確地調節有機玻璃圓筒內水柱高度的變化從而實現模型箱內承壓水的動態變化;所述傳感器固定裝置由不鏽鋼支架、尼龍板和螺栓組成;所述傳感器固定裝置通過螺栓固定在模型箱內的後側面上;所述尼龍板固定在不鏽鋼支架上，不鏽鋼支架和尼龍板上開有貫穿的安裝微型孔隙水壓力傳感器的圓孔，尼龍板上開有安裝微型土壓力盒的圓孔，不鏽鋼支架和尼龍板上開有導線槽用於放置微型孔隙水壓力傳感器和微型土壓力盒的信號傳輸線;所述量測系統包括微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、多通道數據採集儀和數位照相機;所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和微型水壓力變送器通過信號傳輸線連接多通道數據採集儀;所述數位照相機放置於模型箱正前方。
[0007]進一步地，模型箱內的底部試驗土體為爍砂，以模擬承壓爍砂層，上覆試驗土體為粘質粉土，採用無氣水飽和。
[0008]進一步地，所述有機玻璃圓筒內裝有無氣水
[0009]進一步地，所述數位照相機在試驗過程中應排除幹擾，其位置不可發生挪動;可根據拍攝需要增設光源。
[0010]進一步地，所述傳感器固定裝置的位置可根據試驗的需要進行調整，其數量可根據試驗的需要增加;傳感器固定裝置應安裝在不影響數位照相機拍攝的模型箱側面。
[0011]進一步地，所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和微型水壓力變送器的信號傳輸線均連接至同一信號採集儀，在試驗工程中保證所有信號的同步採集。
[0012]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0013]1、本實用新型中採用承壓架空層提供承壓礫砂層承壓水壓力的方法，與天然承壓水的埋藏條件相近;承壓礫砂層與上覆弱透水性土層直接接觸將客觀模擬承壓水動態變化過程中承壓層與上覆弱透水性土層之間的相互作用，有利於進一步揭示動態承壓水作用引起的地基土體水土壓力響應和地基土體變形規律;常重力條件下進行試驗研究，不影響地基土體的微觀結構，使得土顆粒尺寸及土顆粒間相互作用關係與實際情況相符，有利於開展涉及土顆粒間相互作用的微觀研究。
[0014]2、本實用新型在試驗前採用無氣水飽和試驗土體，試驗過程中提供無氣承壓水環境，使得試驗土體的孔隙充滿無氣水，如上操作有兩點益處:一是避免水中氣泡進入弱透水性土層引起土體的非飽和問題(與飽和土相比，非飽和土的力學特性存在較大差異和不確定性)；二是避免水中氣泡幹擾微型孔隙水壓力傳感器影響其測量精度。
[0015]3、本實用新型採用流量計來精確地調節有機玻璃圓筒裝置內水柱高度的變化幅值和變化速率，從而實現模型箱內承壓水連續動態變化的模擬;微型水壓力變送器的信號傳輸線與(連接有微型孔隙水壓力傳感器和微型土壓力盒的同一)多通道數據採集儀連接後可連續記錄承壓水的動態變化情況，實現動態變化承壓水壓力和地基水土壓力的同步監測。
[0016]4、本實用新型利用傳感器固定裝置固定微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒，有效避免試驗過程中土體變形導致傳感器測量位置變化而影響測試精度。
【附圖說明】

[0017]圖1為動態承壓水作用的地基模型試驗裝置側視圖。
[0018]圖2為填土前的模型箱俯視圖。
[0019]圖3為承壓架空層結構示意圖。
[0020]圖4為傳感器固定裝置側視圖。
[0021]圖5為傳感器固定裝置俯視圖。
[0022]圖6為傳感器固定裝置剖面圖。
[0023]圖中:模型箱I;承壓架空層2;帶通水孔的有機玻璃板2-1;有機玻璃短柱2-2;反濾土工織物2-3;出水閥門3;第一通水閥門4-1;第二通水閥門4-2;微型水壓力變送器5;有機玻璃圓筒裝置6;有機玻璃圓筒6-1;有機玻璃底座6-2;刻度線6-3;第三通水閥門6-4;流量計7;傳感器固定裝置8;不鏽鋼支架8-1;尼龍板8-2;微型孔隙水壓力傳感器安裝圓孔8-3;微型土壓力盒安裝圓孔8-4 ；導線槽8-5 ；螺栓8-6 ；爍砂9-1 ；弱透水性土體9_2 ；無氣水10。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0025]如圖1、圖2所示，本實用新型動態承壓水作用的地基模型試驗裝置，包括模型箱1、承壓架空層2、承壓水壓力調節系統、傳感器固定裝置8和量測系統五個部分。
[0026]所述模型箱I由前後左右以及底部五塊有機玻璃組成，可方便觀測試驗中土體的變形;所述模型箱I左右兩個側面的上部均安裝出水閥門3，出水閥門3底部與試驗土體頂面齊平，試驗過程中出水閥門3保持打開以便及時排水，使得試驗土體的水位線保持恆定;所述模型箱I的底部一側安裝第一通水閥門4-1用於飽和土體，底部另一側安裝第二通水閥門4-2用於連通承壓水壓力調節系統;所述承壓架空層2由帶通水孔的有機玻璃板2-1、有機玻璃短柱2-2和反濾土工織物2-3組成;所述帶通水孔的有機玻璃板2-1底部固定有機玻璃短柱2-2，放置於模型箱I內，並與模型箱I的四個側面通過玻璃膠密封連接;所述帶通水孔的有機玻璃板2-1表面粘貼反濾土工織物2-3，防止承壓水動態變化過程中試驗土體的流失；所述承壓水壓力調節系統由微型水壓力變送器5、有機玻璃圓筒裝置6和流量計7組成;所述有機玻璃圓筒裝置6由有機玻璃圓筒6-1、有機玻璃底座6-2、刻度線6-3和第三通水閥門6-4組成;所述有機玻璃圓筒6-1固定在有機玻璃底座6-2上，側壁豎直設置刻度線6-3，底部設置第三通水閥門6-4;所述微型水壓力變送器5通過三通管連接模型箱I和有機玻璃圓筒6-1，微型水壓力變送器5可連續記錄承壓水的動態變化情況;所述有機玻璃圓筒6-1通過第三通水閥門6-4與流量計7連通，通過流量計7精確地調節有機玻璃圓筒6-1內水柱高度的變化從而實現模型箱I內承壓水的動態變化;所述傳感器固定裝置8由不鏽鋼支架8-1、尼龍板
8-2和螺栓8-6組成;所述傳感器固定裝置8通過螺栓8-6固定在模型箱I內的後側面上;所述傳感器固定裝置8的位置可根據試驗的需要進行調整，其數量可根據試驗的需要增加;所述傳感器固定裝置8應安裝在不影響數位照相機拍攝的模型箱I側面;所述量測系統包括微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、多通道數據採集儀和數位照相機;所述數位照相機放置於模型箱正前方，可根據拍攝需要增設光源;所述數位照相機在試驗過程中應排除幹擾，其位置不可發生挪動;所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和微型水壓力變送器5的信號傳輸線均連接至同一信號採集儀，在試驗工程中保證所有信號的同步採集。模型箱I內的底部試驗土體為礫砂9-1(以模擬承壓土層)，上覆試驗土體為弱透水性土體9-2(如粘質粉土等)，採用無氣水飽和。
[0027]如圖3所示，所述帶通水孔的有機玻璃板2-1使得承壓架空層2中的無氣水與礫砂
9-1承壓層水力連通，提供礫砂9-1承壓層的承壓水壓力;所述帶通水孔的有機玻璃板2-1的厚度、通水孔的排布和有機玻璃短柱2-2的排布應滿足受力計算要求，使得承壓架空層2足以承受試驗土體的重量。
[0028]如圖4、圖5、圖6所示，所述尼龍板8-2固定在不鏽鋼支架8-1上，不鏽鋼支架8-1和尼龍板8-2上開有貫穿的安裝微型孔隙水壓力傳感器所需的圓孔8-3，尼龍板8-2上開有安裝微型土壓力盒的圓孔8-4，不鏽鋼支架8-1和尼龍板8-2上開有導線槽8-5用於放置微型孔隙水壓力傳感器和微型土壓力盒的信號傳輸線。
[0029]本實用新型的工作過程如下:首先向模型箱I內分層裝填礫砂9-1夯實，填築至指定高度;分層裝填弱透水性土體9-2夯實，填至傳感器固定裝置8底部時，暫停填土，在模型箱I長軸一側的中央位置安裝傳感器固定裝置8，用螺栓8-6擰緊固定;而後在傳感器固定裝置8上安裝微型孔隙水壓力傳感器和微型土壓力盒，由導線槽8-5引出孔隙水壓力傳感器和土壓力盒的信號傳輸線，將信號傳輸線連接在多通道數據採集儀上;繼續分層裝填弱透水性土體9-2夯實，直至填土完成，由第一通水閥門4-1以6L/天的速度向模型箱I通無氣水飽和試驗土體礫砂9-1和弱透水性土體9-2，待土體完全飽和之後關閉第一通水閥門4-1，打開出水閥門3，在整個試驗過程中出水閥門3保持開啟狀態以便及時排水，使得試驗土體的水位線保持恆定。
[0030]由第二通水閥門4-2連接模型箱I和承壓水壓力調節系統(第二通水閥門4-2保持關閉)，將微型水壓力變送器5的信號傳輸線連接至多通道數據採集儀，打開第三通水閥門6-4向有機玻璃圓筒6-1注入無氣水10，至液面與試驗土體頂面齊平，關閉第三通水閥門6-4;將數位照相機置於模型箱I正前方，調節相機參數，設置數位照相機的自動拍攝時間間隔為20s;若實驗室光線不足，可在數位照相機兩側增設Led光源;利用數據採集儀採集記錄試驗初始狀態下微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和微型水壓力變送器5的讀數，利用數位照相機拍攝試驗初始狀態下的試驗土體照片。
[0031]待上述試驗準備工作完成之後，進行第一組試驗；根據第一組試驗中承壓水壓力的變化速度，計算有機玻璃圓筒6-1內水柱高度相應變化所對應的流量，以此設定流量計7允許的流量值，而後將無氣水10接入流量計7;打開第二通水閥門4-2和第三通水閥門6-4;打開數據採集儀連續採集記錄該級水頭壓力下微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和微型水壓力變送器5的讀數，同時觸發數位照相機;直至弱透水性土體9-2發生突湧破壞，關閉第二通水閥門4-2和第三通水閥門6-4，暫停數據採集儀和數位照相機，讀取並記錄有機玻璃圓筒6-1上刻度線6-3顯示的水位值;而後卸除模型箱I內的試驗土體，拆除傳感器固定裝置8，將有機玻璃圓筒6-1內的無氣水10液面降至與試驗土體頂面齊平。
[0032]採用如上所述方法重複試驗，改變承壓水壓力變化的速率，進行多組試驗;通過數據採集儀採集記錄各組承壓水動態變化過程中微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和微型水壓力變送器5的讀數，由數位照相機拍攝各組承壓水動態變化過程中試驗土體變形的照片。
[0033]最後對每組試驗結果進行整理，分析數據採集儀採集記錄的承壓水動態變化過程中的微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和微型水壓力變送器5的讀數，得出動態承壓水作用下地基土中的水土壓力響應規律;通過對數位照相機所拍攝的照片進行PIV圖像分析，得出土體的位移場，從而得知地基土體隨承壓水動態變化的變形規律;將各組試驗結果進行對比，分析動態承壓水變化的幅值和速率對地基水土壓力響應、變形和穩定性的影響。
[0034]上述實施例為本實用新型的一個優選實施方式，是對本【實用新型內容】及其應用的進一步說明，不應理解為本實用新型僅適用於上述實施例。凡基於本實用新型原理和【實用新型內容】所實現的技術均屬於本實用新型的範圍。
【主權項】
1.一種動態承壓水作用的地基模型試驗裝置，其特徵在於，包括模型箱(I)、承壓架空層(2)、承壓水壓力調節系統、傳感器固定裝置(8)和量測系統五個部分;所述模型箱(I)由前後左右以及底部五塊有機玻璃組成;所述模型箱(I)左右兩個側面的上部均安裝出水閥門(3)，出水閥門(3)底部與試驗土體頂面齊平;所述模型箱(I)的底部一側安裝第一通水閥門(4-1)，另一側安裝第二通水閥門(4-2);所述承壓架空層(2)由帶通水孔的有機玻璃板(2-1)、有機玻璃短柱(2-2)和反濾土工織物(2-3)組成;所述帶通水孔的有機玻璃板(2-1)底部固定有機玻璃短柱(2-2)，放置於模型箱(I)內，並與模型箱(I)的四個側面密封連接；所述帶通水孔的有機玻璃板(2-1)表面粘貼反濾土工織物(2-3);所述承壓水壓力調節系統由微型水壓力變送器(5)、有機玻璃圓筒裝置(6)和流量計(7)組成;所述有機玻璃圓筒裝置(6)由有機玻璃圓筒(6-1)、有機玻璃底座(6-2)、刻度線(6-3)和第三通水閥門(6-4)組成；所述有機玻璃圓筒(6-1)固定在有機玻璃底座(6-2)上，側壁豎直設置刻度線(6-3)，底部設置第三通水閥門(6-4);所述微型水壓力變送器(5)通過三通管連接模型箱(I)和有機玻璃圓筒(6-1);所述有機玻璃圓筒(6-1)通過第三通水閥門(6-4)與流量計(7)連通;所述傳感器固定裝置(8)由不鏽鋼支架(8-1)、尼龍板(8-2)和螺栓(8-6)組成;所述傳感器固定裝置(8)通過螺栓(8-6)固定在模型箱(I)內的後側面上;所述尼龍板(8-2)固定在不鏽鋼支架(8-1)上，不鏽鋼支架(8-1)和尼龍板(8-2)上開有貫穿的安裝微型孔隙水壓力傳感器的圓孔(8-3)，尼龍板(8-2)上開有安裝微型土壓力盒的圓孔(8-4)，不鏽鋼支架(8-1)和尼龍板(8-2)上開有導線槽(8-5);所述量測系統包括微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、多通道數據採集儀和數位照相機;所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和微型水壓力變送器(5)通過信號傳輸線連接多通道數據採集儀;所述數位照相機放置於模型箱(I)正前方。2.根據權利要求1所述的一種動態承壓水作用的地基模型試驗裝置，其特徵在於，模型箱(I)內的底部試驗土體為爍砂(9-1)，上覆試驗土體為粘質粉土。3.根據權利要求1所述的一種動態承壓水作用的地基模型試驗裝置，其特徵在於，所述有機玻璃圓筒(6-1)內裝有無氣水(10)。4.根據權利要求1所述的一種動態承壓水作用的地基模型試驗裝置，其特徵在於，所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和微型水壓力變送器(5)的信號傳輸線均連接至同一信號採集儀。
【文檔編號】E02D33/00GK205712218SQ201620273470
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】應宏偉, 章麗莎, 魏驍, 王小剛, 朱成偉, 沈華偉, 張金紅
【申請人】浙江大學