本發(fā)明涉及一種研究不同地層中浮力折減系數(shù)的試驗(yàn)裝置及方法，可通過(guò)改變模型箱內(nèi)填筑的土樣模擬不同地層及地層組合，采用減重上浮思路，研究不同地層條件下的浮力折減系數(shù)。

背景技術(shù)：

1、隨著城市化進(jìn)展加快，建筑物數(shù)量不斷增多，城市地下空間的開發(fā)與利用是現(xiàn)今城市建設(shè)和發(fā)展的重點(diǎn)。但在這個(gè)過(guò)程中，地下結(jié)構(gòu)受地下水浮力不利影響而導(dǎo)致破壞的問(wèn)題日益凸顯。大量工程實(shí)例表明，地下結(jié)構(gòu)所受真實(shí)浮力與基于阿基米德定律計(jì)算所得浮力值并不完全相等。目前主流的地下結(jié)構(gòu)浮力取值方法是對(duì)阿基米德定律計(jì)算值進(jìn)行折減，因此，折減系數(shù)如何合理的取值成為了目前研究熱點(diǎn)，這對(duì)于保證工程安全、節(jié)約工程造價(jià)、縮短工程建設(shè)時(shí)間等方面具有重要的意義。目前研究不同地層中的浮力折減系數(shù)的主要方法有：室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。

2、數(shù)值模擬往往是最理想情況下的結(jié)果，與實(shí)際情況有較大差距。室內(nèi)模型試驗(yàn)是模擬真實(shí)條件下的物理過(guò)程，可以直接觀察到實(shí)際發(fā)生的物理現(xiàn)象，提供更直觀的數(shù)據(jù)和結(jié)果。

3、目前主流的浮力折減試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：側(cè)壁摩擦力怎么測(cè)量或消除、及起浮時(shí)刻如何準(zhǔn)確判斷。關(guān)于側(cè)壁摩擦力的問(wèn)題，可以選擇通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)消除以及在計(jì)算時(shí)消除；在計(jì)算時(shí)消除側(cè)壁摩擦力的方法基于每次試驗(yàn)中該力不存在任何改變，這與實(shí)際情況很難相符；通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)時(shí)對(duì)側(cè)壁摩擦力不予考慮是更合理的方法。關(guān)于起浮時(shí)刻的判斷，使用傳感器確定起浮時(shí)刻的方法要明顯優(yōu)于使用定時(shí)攝影確定的方法?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)以及傳感器的應(yīng)用，可以更加準(zhǔn)確的完全實(shí)際浮力的測(cè)量，獲得更加精準(zhǔn)的浮力折減系數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袀?cè)壁摩擦力難以準(zhǔn)確測(cè)量或消除、及起浮時(shí)刻難以準(zhǔn)確判斷的問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種不考慮側(cè)壁摩擦力，同時(shí)通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)起浮狀態(tài)的試驗(yàn)裝置及方法。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種確定不同地層中浮力折減系數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)裝置，包括模型箱、模型桶、活動(dòng)底板、配重、位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)；

4、模型桶位于模型箱內(nèi)側(cè)，模型箱和模型桶之間填充有土樣層；模型桶底部開有圓洞，圓洞上覆蓋有彈性薄膜，確保外部水不會(huì)滲入模型桶中；

5、活動(dòng)底板為倒凸字形，活動(dòng)底板的底部直徑比模型桶底部圓洞的直徑小1.5～2.5mm，活動(dòng)底板的頂部直徑大于模型桶底部圓洞的直徑，活動(dòng)底板活動(dòng)蓋合在模型桶底部的圓洞上，活動(dòng)底板位于彈性薄膜上方；

6、配重置于活動(dòng)底板的頂部；

7、位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置在模型桶內(nèi)、用于監(jiān)測(cè)活動(dòng)底板的位移；

8、供水系統(tǒng)與模型箱連通、并向模型箱中供水。

9、上述模型桶底圓洞的直徑略大于活動(dòng)底板底部直徑，以確保活動(dòng)底板底部能順利穿過(guò)圓洞、而頂部滯留在圓洞上方周邊，這樣在浮力和重力的作用下，活動(dòng)底板可自由上浮和下降。

10、上述活動(dòng)底板之上安裝位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并放置配重，供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所要求不同水位。

11、試驗(yàn)時(shí)，模型箱內(nèi)裝入目標(biāo)土樣模擬地層(土樣層)，模型桶放置于土樣層正中，模型桶上安裝薄膜、活動(dòng)底板、位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、配重，經(jīng)由供水系統(tǒng)使模型箱內(nèi)達(dá)到指定水位。定量分次減少配重直至位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)讀數(shù)改變，記錄剩余配重及活動(dòng)底板總重量獲得實(shí)測(cè)浮力，應(yīng)當(dāng)注意，應(yīng)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觸發(fā)壓力計(jì)入實(shí)測(cè)浮力中，根據(jù)模型箱內(nèi)水位計(jì)算理論浮力，二者相除即可得到浮力折減系數(shù)。

12、本發(fā)明試驗(yàn)裝置能夠在室內(nèi)開展單一或組合地層條件下的浮力折減試驗(yàn)，從而給出具體工程對(duì)應(yīng)地層的浮力折減系數(shù)。該模型具有操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)現(xiàn)象明顯等優(yōu)點(diǎn)，可以為地下工程中的抗浮設(shè)防水位合理取值提供理論參考，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

13、為了方便組裝和測(cè)試，供水系統(tǒng)為槽型結(jié)構(gòu)，供水系統(tǒng)內(nèi)底部?jī)蓚?cè)設(shè)有支撐柱，模型箱位于供水系統(tǒng)內(nèi)，模型箱底部?jī)啥寺湓趦蓚€(gè)支撐柱上；模型箱的側(cè)壁和底部均布有滲水孔。

14、為了便于測(cè)試，供水系統(tǒng)的周邊高度高于土樣層的高度。

15、為了便于觀察供水系統(tǒng)內(nèi)壓力變化，供水系統(tǒng)上設(shè)有測(cè)壓管。

16、為了進(jìn)一步提供測(cè)試的準(zhǔn)確性，模型箱和供水系統(tǒng)為一體結(jié)構(gòu)，供水系統(tǒng)為槽型結(jié)構(gòu)，供水系統(tǒng)內(nèi)兩端設(shè)有沿寬度方向平行設(shè)置的擋水板，兩個(gè)擋水板的底部落在兩個(gè)支撐柱上，兩個(gè)擋水板的底部通過(guò)連接底板連接在一起，供水系統(tǒng)上兩個(gè)擋水板及連接底板之間的空間形成模型箱，也即模型箱是共用供水系統(tǒng)的部分長(zhǎng)度的前后側(cè)壁的，兩端擋水板分別與供水系統(tǒng)兩端側(cè)壁之間的空間、及連接底板與供水系統(tǒng)底部之間的空間相互貫通形成有效供水系統(tǒng)；兩個(gè)擋水板及連接底板上均設(shè)有滲水孔。供水系統(tǒng)由滲水孔向模型桶內(nèi)發(fā)生滲流，模擬地層剖面在垂向上因地下水浮力產(chǎn)生的變化。

17、為了避免或減少土樣進(jìn)入供水系統(tǒng)，模型箱和土樣層之間設(shè)有紗網(wǎng)層。

18、作為其中一種具體的實(shí)現(xiàn)方案，模型箱和模型桶均由10～15mm厚的有機(jī)玻璃板粘合而成，經(jīng)測(cè)試具有良好的密封性和強(qiáng)度，能夠滿足試驗(yàn)要求。

19、上述模型箱為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，模型箱的高度為600～650mm，長(zhǎng)度和寬度均為480～520mm。模型桶為圓柱狀結(jié)構(gòu)，模型桶的直徑為230～270mm，高度380～420mm。模型桶底部圓洞的直徑為130～135mm；彈性薄膜通過(guò)高強(qiáng)度膠帶粘合固定于模型桶上、并將圓洞完全覆蓋，確保外部水不會(huì)滲入模型桶中。

20、為了方便制備，活動(dòng)底板由兩塊10～15mm厚、直徑不等的圓柱璃板同心粘合而成，兩塊圓柱璃板的直徑分別為128～132mm和178～182mm，其中，較小的圓柱玻璃板直徑應(yīng)略小于模型桶底部圓洞直徑，二者直徑相差不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小，應(yīng)在1.5～2.5mm左右(如圓洞直徑132mm，則較小玻璃板直徑應(yīng)選取130mm)以保證活動(dòng)底板能夠順利上浮或下沉。

21、上述活動(dòng)底板為光滑結(jié)構(gòu)。制備時(shí)，可使用砂紙對(duì)活動(dòng)底板進(jìn)行打磨，使其表面光滑，以避免或減少活動(dòng)底板邊緣對(duì)塑料薄膜造成損害，同時(shí)也可以減小活動(dòng)底板與塑料薄膜之間的摩擦阻力。

22、為了便于測(cè)試，配重系統(tǒng)由環(huán)形鐵塊和配重桶組成，環(huán)形鐵塊的數(shù)量為兩塊以上、均位于配重桶內(nèi)，配重桶可盛水。試驗(yàn)過(guò)程中，使用針筒分次定量汲取配重桶中的水。

23、為使用方便，可采用水管和水泵根據(jù)測(cè)試要求，定時(shí)定量向配重桶中加水或抽水，結(jié)合現(xiàn)有的自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

24、上述位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用浙江臺(tái)州西域電子廠生產(chǎn)的pm11-1型位移傳感器，外接wxy/c-dc-wx數(shù)顯表直接顯示位移數(shù)據(jù)，因其傳感器工作需要直流電環(huán)境，因此選用溫州君臨電氣科技有限公司生產(chǎn)的s-120-24型開關(guān)電源，將試驗(yàn)室220v交流電轉(zhuǎn)換為24v直流電。將開關(guān)電源與數(shù)顯表連接，再外接上試驗(yàn)室用電，便可在數(shù)顯表上實(shí)時(shí)顯示位移傳感器所監(jiān)測(cè)的位移數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)壓力在3n左右。

25、為了方便安裝，位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的殼體通過(guò)固定支點(diǎn)連接在模型桶內(nèi)側(cè)壁上，位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的感應(yīng)端與活動(dòng)底板的頂部連接。固定支點(diǎn)所用材質(zhì)為有機(jī)玻璃板，通過(guò)膠粘合在模型桶內(nèi)側(cè)壁上。作為其中一種具體的實(shí)現(xiàn)方案，在固定支點(diǎn)上設(shè)置夾具，利用夾具夾持位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的殼體。位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的感應(yīng)端與活動(dòng)底板的頂部的連接，參照使用說(shuō)明或現(xiàn)有常規(guī)方式即可。

26、為了提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)量為兩個(gè)，兩個(gè)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)稱地設(shè)置在配重的兩側(cè)。兩個(gè)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝方式相同。

27、一種確定不同地層中浮力折減系數(shù)的方法，包括如下步驟：

28、s1：在模型箱底部及側(cè)壁鋪設(shè)目數(shù)為100目的細(xì)紗網(wǎng)層，防止或減少土樣進(jìn)入供水系統(tǒng)。

29、s2：按試驗(yàn)要求在模型箱中填筑土樣，要求分層填筑，并壓實(shí)整平，每層層厚9～11cm，各層填筑壓實(shí)整平后使用水平尺檢驗(yàn)，確認(rèn)整平后再填筑下一層，待第二層土樣填筑完畢后，將模型桶放置于土樣正中，并繼續(xù)填筑直至完成，模型箱和模型桶之間的土樣形成土樣層；模型桶底部開有圓洞，圓洞上覆蓋有彈性薄膜，彈性薄膜上的圓洞上蓋合有活動(dòng)底板，在活動(dòng)底板上放上配重，同時(shí)在模型桶內(nèi)加滿水，模型桶內(nèi)充滿水既可以保證活動(dòng)底板底部與土樣嚴(yán)密接觸，又可以避免模型桶受外部土樣向內(nèi)擠壓而可能產(chǎn)生的形變；

30、s3：填筑完成后，向供水系統(tǒng)內(nèi)加水，直至供水系統(tǒng)內(nèi)水位高出土樣層表面，靜置三天，期間隨時(shí)觀察，并保證供水系統(tǒng)內(nèi)水位一直高于模型箱內(nèi)土樣層的高度(需要根據(jù)需要補(bǔ)水)，使模型箱內(nèi)的土樣層充分飽和，然后隔1h觀測(cè)一次水位，連續(xù)觀測(cè)6h，若供水系統(tǒng)內(nèi)水位未發(fā)生變化，說(shuō)明模型箱內(nèi)土樣層已經(jīng)完全飽和；若供水系統(tǒng)內(nèi)水位發(fā)生變化，則重復(fù)上述步驟至連續(xù)觀測(cè)6h供水系統(tǒng)內(nèi)水位不發(fā)生變化；然后排出模型桶內(nèi)的水，如利用水管和水泵將模型桶內(nèi)的水抽出，排水時(shí)應(yīng)注意向模型桶(2)上部壓上重物，以避免排水過(guò)程中模型桶(2)向上起??；

31、s4：在模型桶內(nèi)安裝用于監(jiān)測(cè)活動(dòng)底板位移的位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，放置裝有配重塊的配重桶至模型桶底部的活動(dòng)底板之上，并在配重桶中注入水；

32、s5：選擇穩(wěn)定水頭壓力為a?m，即往供水系統(tǒng)中注水，使得供水系統(tǒng)中水位始終高于活動(dòng)底板底部a?m，靜置等待2h后，觀察測(cè)壓管中水位30分鐘內(nèi)不發(fā)生變化，即認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定水頭壓力；

33、s6：通過(guò)取走配重桶中配重塊的方式作為粗調(diào)、抽走配重桶中水的方式作為細(xì)調(diào)，調(diào)節(jié)配重桶的重量，一次重量調(diào)節(jié)結(jié)束后，等待15分鐘，觀察位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)讀數(shù)是否有變化，若發(fā)生變化，停止試驗(yàn)，使用電子秤稱量剩余配重及活動(dòng)底板(包含配重塊、配重桶、活動(dòng)底板及配重桶中剩余水)的總重量；若無(wú)變化，則繼續(xù)抽取配重桶中的水，直至位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)讀數(shù)發(fā)生改變，同時(shí)記錄剩余配重及活動(dòng)底板(包含配重塊、配重桶、活動(dòng)底板及配重桶中剩余水)總質(zhì)量，完成第一組試驗(yàn)；

34、s7：然后將取出的配重塊重新放入配重桶中，并重新往配重桶中注水，等待15分鐘后開始試驗(yàn)，重復(fù)s6，完成第二組試驗(yàn)；

35、s8：重復(fù)s7，直至完成三組以上的試驗(yàn)；

36、s9：通過(guò)計(jì)算實(shí)測(cè)浮力與理論浮力的比值得到各組試驗(yàn)的浮力折減系數(shù)，并取平均值，得到目標(biāo)浮力折減系數(shù)；應(yīng)當(dāng)注意，應(yīng)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觸發(fā)壓力計(jì)入實(shí)測(cè)浮力中。

37、為了提高準(zhǔn)確性，上述s6到s8中，每組試驗(yàn)在取配重塊及配重桶的同時(shí)，均應(yīng)將活動(dòng)底板向下壓住，避免活動(dòng)底板完全起浮，影響組內(nèi)平行試驗(yàn)的進(jìn)行。

38、為了進(jìn)一步提高測(cè)試準(zhǔn)確性，上述選擇與s5中不同的穩(wěn)定水頭壓力，并重復(fù)試驗(yàn)步驟s5到s9，得到不同穩(wěn)定水頭壓力下的浮力折減系數(shù)，測(cè)得不同穩(wěn)定水頭壓力下的浮力折減系數(shù)相對(duì)一致，則完成測(cè)試。

39、采用本技術(shù)得到的不同穩(wěn)定水頭壓力下的浮力折減系數(shù)是相對(duì)一致的，證明本技術(shù)的測(cè)試準(zhǔn)確性高。

40、在進(jìn)行組合地層條件下浮力折減試驗(yàn)時(shí)，在s2中按試驗(yàn)要求分層填筑不同土樣，控制每層試驗(yàn)介質(zhì)的質(zhì)量并壓平，要求每層層厚9～11cm，各層填筑壓實(shí)整平后使用水平尺檢驗(yàn)，確認(rèn)整平后再填筑下一層，再依次進(jìn)行s3～s9，得到組合地層條件下的浮力折減系數(shù)。

41、本發(fā)明未提及的技術(shù)均參照現(xiàn)有技術(shù)。

42、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明確定不同地層中浮力折減系數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)操作便利，試驗(yàn)現(xiàn)象明顯，僅需定量分次減少配重及觀察位移計(jì)讀數(shù)變化，便能實(shí)現(xiàn)活動(dòng)底板所受真實(shí)浮力的測(cè)量，與理論浮力相比即得浮力折減系數(shù)。該試驗(yàn)裝置僅需改變模型箱內(nèi)填筑土體，便能實(shí)現(xiàn)不同地層中浮力折減系數(shù)的求取，適用性強(qiáng)。