模擬承壓水頭升降的地基模型試驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種地基模型試驗裝置，特別是涉及承壓水頭升降條件下的地基模型試驗裝置，可用于模擬承壓水頭升降時承壓層和上覆弱透水性地基土體之間的相互作用，研究不同承壓水頭下地基的水土壓力響應(yīng)和變形問題。
【背景技術(shù)】
[0002]在濱海、沿江地區(qū)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(wěn)問題是該類地區(qū)深基坑工程的重大風(fēng)險源之一。對于大面積基坑的中心區(qū)域可以簡化為地基模型，可通過設(shè)計地基模型試驗的方法來揭示該區(qū)域的承壓水頭變化引起的坑底弱透水層水土響應(yīng)和變形規(guī)律。
[0003]相比于理論解析方法和有限元數(shù)值方法的研究采用既定的土體本構(gòu)模型，計算得到的承壓水頭變化引起的土體水土壓力和變形大小對計算參數(shù)的選取具有很大的依賴性；實際工程中較難進行對基坑坑底(位于基坑開挖區(qū)域內(nèi))的水土壓力實時監(jiān)測，進行大量相似的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以獲得承壓水頭變化引起的坑底弱透水層的變形規(guī)律的方法也很難實現(xiàn);鑒于常重力下土工模型試驗，不影響土體微觀結(jié)構(gòu)，土顆粒尺寸及土顆粒間相互作用關(guān)系與實際情況相符，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(yīng)用于考慮土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的微觀研究。傳統(tǒng)的承壓水作用的相關(guān)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了模擬承壓水頭升降的地基模型試驗裝置，解決了試驗中承壓水頭升降的模擬問題，可模擬承壓水頭升降時承壓層和上覆弱透水性地基土體之間的相互作用，量測不同承壓水頭下地基的水土壓力和變形，整理相關(guān)試驗數(shù)據(jù)并確定承壓水頭升降下地基的受力和變形發(fā)展規(guī)律等問題，為承壓水升降引起的地基問題研究提供有效的試驗數(shù)據(jù)支持，并為之后理論分析模型提供依據(jù)。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種模擬承壓水頭升降的地基模型試驗裝置，包括模型箱、承壓架空層、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)、傳感器固定裝置和量測系統(tǒng)五個部分;所述模型箱由前后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(cè)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恒定;所述模型箱的底部一側(cè)安裝第一通水閥門用于飽和土體，另一側(cè)安裝第二通水閥門用于連通承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng);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，放置于模型箱內(nèi)，并與模型箱的四個側(cè)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，防止承壓水頭變化過程中試驗土體的流失;所述承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計、支架和馬里奧特瓶組成;所述水壓計通過三通管連接模型箱和馬里奧特瓶;所述支架的頂端安裝定滑輪，鋼絲繩一端連接手搖器，另一端繞過定滑輪連接馬里奧特瓶，通過手搖器控制馬里奧特瓶的升降調(diào)節(jié)承壓水頭的大小;所述馬里奧特瓶由有機玻璃圓筒、進氣閥門、第三通水閥門、出氣閥門和氣囊組成;所述有機玻璃圓筒底部設(shè)置進氣閥門和第三通水閥門，頂部設(shè)置出氣閥門；所述進氣閥門與氣囊連接;所述傳感器固定裝置由不銹鋼支架、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(nèi)的后側(cè)面上;所述尼龍板固定在不銹鋼支架上，不銹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，不銹鋼支架和尼龍板上開有導(dǎo)線槽用于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(tǒng)包括微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、多通道數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)碼照相機;所述微型孔隙水壓力傳感器和微型土壓力盒通過信號傳輸線連接多通道數(shù)據(jù)采集儀;所述數(shù)碼照相機放置于模型箱正前方。
[000?]進一步地，所述氣囊內(nèi)裝有Iatm的氮氣。
[0007]進一步地，所述有機玻璃圓筒內(nèi)裝有無氣水。
[0008]進一步地，模型箱內(nèi)的底部試驗土體為礫砂，以模擬承壓土層;上覆試驗土體為弱透水性土體，采用無氣水飽和。
[OOO9 ]進一步地，所述的弱透水性土體為粘質(zhì)粉土。
[0010]進一步地，所述數(shù)碼照相機在試驗過程中應(yīng)排除干擾，其位置不可發(fā)生挪動;可根據(jù)拍攝需要增設(shè)光源。
[0011]進一步地，所述傳感器固定裝置的位置可根據(jù)試驗的需要進行調(diào)整，其數(shù)量可根據(jù)試驗的需要增加;傳感器固定裝置應(yīng)安裝在不影響數(shù)碼照相機拍攝的模型箱側(cè)面。
[0012]進一步地，所述帶通水孔的有機玻璃板與模型箱的四個側(cè)面通過玻璃膠密封連接。
[0013]進一步地，所述手搖器具有自鎖功能。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0015]1、本發(fā)明中采用承壓架空層提供承壓礫砂層承壓水頭壓力的方法，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頭升降過程中承壓層與上覆弱透水性土層之間的相互作用，有利于進一步揭示承壓水頭升降引起的地基土體水土壓力響應(yīng)和地基土體變形規(guī)律;常重力條件下進行試驗研究，不影響地基土體的微觀結(jié)構(gòu)，使得土顆粒尺寸及土顆粒間相互作用關(guān)系與實際情況相符，有利于開展涉及土顆粒間相互作用的微觀研究。
[0016]2、本發(fā)明在試驗前采用無氣水飽和試驗土體，試驗過程中提供無氣承壓水環(huán)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(xué)特性存在較大差異和不確定性)；二是避免水中氣泡干擾微型孔隙水壓力傳感器影響其測量精度。
[0017]3、本發(fā)明采用改進的馬里奧特瓶，通過氣囊內(nèi)的氮氣平衡馬里奧特瓶內(nèi)外的氣壓，利用氮氣難溶于水的特性，為試驗土體營造無氣承壓水環(huán)境，有效避免常規(guī)的馬里奧特瓶供水時溶于水中的氣泡引起的土體非飽和土問題;利用手搖器的自鎖功能固定馬里奧特瓶的高度保證提供穩(wěn)定的承壓水頭壓力；水壓計連接模型箱與承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可精確讀取施加的承壓水頭壓力的大小。
[0018]4、本發(fā)明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(dǎo)致傳感器測量位置變化而影響測試精度。
【附圖說明】
[0019]圖1為模擬承壓水頭升降的地基模型試驗裝置側(cè)視圖。
[0020]圖2為填土前的模型箱俯視圖。
[0021 ]圖3為承壓架空層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4(a)為傳感器固定裝置側(cè)視圖。
[0023]圖4(b)為傳感器固定裝置俯視圖。
[0024]圖4(c)為傳感器固定裝置剖面圖。
[0025]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;水壓計5;支架6;定滑輪6-1 ；鋼絲繩6-2;手搖器6-3;馬里奧特瓶7;有機玻璃圓筒7-1;進氣閥門7_2;第三通水閥門7-3;出氣閥門7-4;氣囊7-5;傳感器固定裝置8;不銹鋼支架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(dǎo)線槽8-5;螺栓8-6;礫砂9_1;弱透水性土體9-2;無氣水I O。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0027]如圖1、圖2所示，本發(fā)明模擬承壓水頭升降的地基模型試驗裝置，包括模型箱1、承壓架空層2、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)、傳感器固定裝置8和量測系統(tǒng)五個部分。
[0028]所述模型箱I由前后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(cè)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恒定;所述模型箱I的底部一側(cè)安裝第一通水閥門4-1用于飽和土體，底部另一側(cè)安裝第二通水閥門4-2用于連通承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng);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，放置于模型箱I內(nèi)，并與模型箱I的四個側(cè)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，防止承壓水頭變化過程中試驗土體的流失;所述承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計5、支架6和馬里奧特瓶7組成;所述水壓計5通過三通管連接模型箱I和馬里奧特瓶7;所述支架6的頂端安裝定滑輪6-1，鋼絲繩6-2—端連接手搖器6-3，另一端繞過定滑輪6-1連接馬里奧特瓶7，通過手搖器6-3控制馬里奧特瓶7的升降調(diào)節(jié)承壓水頭的大小;所述馬里奧特瓶7由有機玻璃圓筒7-1、進氣閥門7-2、第三通水閥門7-3、出氣閥門7-4和氣囊7-5組成;所述有機玻璃圓筒7-1底部設(shè)置進氣閥門7-2和第三通水閥門7-3，頂部設(shè)置出氣閥門7-4;所述進