模拟承压水作用下地下室底板受力的试验装置及使用方法与流程

本发明涉及一种模型试验装置，特别是涉及模拟承压水作用下地下室底板受力的试验装置及使用方法，属于土木工程技术领域。

背景技术：

承压水是地下水的一种，常形成于上下两个弱/不透水层中的含水层里，此含水层一般由透水性好的砂土、裂隙发育完全的岩石等组成。在沿海、沿江等地下水丰富的地区，工程上深基坑施工时常常遇到弱/不透水层下存在承压水层的情况。在承压水作用下，超大、超深的地下室容易发生变形和上浮失稳等问题，对工程安全造成巨大威胁。工程上对大面积地下室底板所受的地基反力和水浮力难以做到实时监测，对于这种情况，可简化地下室的内部结构，设计室内模型试验来研究承压水作用下地下室底板的受力情况。

传统的室内模型试验模拟承压水作用时，试验装置的供水系统一是采用马里奥特瓶，二是采用循环水路、溢流供水装置。马里奥特瓶供水系统受限于支架的高度，提供的稳定水位低，产生的承压水头低，且试验过程中不能对瓶内水源进行补充。循环水路、溢流供水装置提供的稳定水位取决于装置的支架高度，因支架一般较低，故产生的承压水头也较低，且供水系统中的水泵需要持续运行，耗能严重，设备也易损耗，故障率高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供模拟承压水作用下地下室底板受力的试验装置及使用方法，克服了传统试验装置的缺点，结构简单可靠，能够提供高稳定水位，产生高承压水头，并且水泵不易损耗，节能环保。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

模拟承压水作用下地下室底板受力的试验装置，包括储水箱、第一至第二个水泵、第一至第二个止回阀、稳压罐、安全阀、水压传感器、过滤器、基坑模型箱、管路、地下室模型及量测系统；所述储水箱通过管路将第一个水泵、第一个止回阀、水压传感器、过滤器连成第一条支路，储水箱通过管路将第二个水泵、第二个止回阀、安全阀、稳压罐连成第二条支路；且第一条支路与第二条支路之间通过管路连通，该管路一端位于第一止回阀与水压传感器之间，另一端位于第二止回阀与安全阀之间；第一水泵、第二水泵、水压传感器分别与控制器连接；过滤器安装于基坑模型箱底部进水口处，基坑模型箱包括敞口钢化玻璃容器、至少两个阀门及容器内部由底向上依次填筑的粗砂、细砂和弱/不透水层，阀门对称设置于敞口钢化玻璃容器左右两侧上部，地下室模型埋设于基坑模型箱内，且地下室模型的底板与敞口钢化玻璃容器的底板平行，地下室模型的顶部高于弱/不透水层；量测系统包括微型渗压计、微型土压力计和多通道数据采集仪，其中，微型渗压计、微型土压力计埋设于地下室模型底板下方，微型渗压计、微型土压力计分别与多通道数据采集仪连接。

作为本发明装置的一种优选方案，所述管路由不锈钢管连接而成。

作为本发明装置的一种优选方案，所述基坑模型箱还包括外框，外框由角钢、钢肋条、中心开孔的钢板和钢底座焊接而成；角钢位于敞口钢化玻璃容器的四条棱处，相邻两个角钢之间焊接有钢肋条，中心开孔的钢板位于敞口钢化玻璃容器的底板下方，且与底板接触，钢底座位于中心开孔的钢板下方的四个角上。

作为本发明装置的一种优选方案，所述地下室模型包括敞口不锈钢容器、压重部件，压重部件置于敞口不锈钢容器内，敞口不锈钢容器的顶部高于弱/不透水层。

作为本发明装置的一种优选方案，所述第一个水泵和第二个水泵的扬程均大于等于20米。

作为本发明装置的一种优选方案，所述弱/不透水层的渗透系数小于1×10^-4cm/s。

模拟承压水作用下地下室底板受力的试验装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1，在储水箱中存储满足试验需要的纯净水，在敞口钢化玻璃容器内壁均匀涂抹凡士林，并按地质条件由底向上依次填筑粗砂、细砂和弱/不透水层，当填筑至预定高度时，在预埋地下室模型底板下方根据试验需求埋设微型渗压计和微型土压力计，于其线缆上均匀涂抹凡士林并引出线缆与多通道数据采集仪连接，然后埋置地下室模型，并在敞口不锈钢容器外壁均匀涂抹凡士林，继续填筑至顶部与敞口钢化玻璃容器左右两侧最高处阀门的底部对齐；

步骤2，设定稳压罐的工作气压，设定安全阀压力值，利用多通道数据采集仪开始采集数据，开启两台水泵，纯净水经由两台水泵加压后通过管路进入稳压罐和基坑模型箱内；

步骤3，基坑模型箱中粗砂和细砂逐渐饱和，纯净水进入稳压罐导致气压逐渐升高并达到设定值，当水压传感器测得管路的水压达到设定值后，反馈给控制器，控制器关闭两台水泵；

步骤4，基坑模型箱中的水压由稳压罐来维持稳定，微型渗压计和微型土压力计用于实时监测敞口不锈钢容器底板下孔隙水压力和地基土压力的大小；

步骤5，当水压传感器测得的水压低于设定值时，控制器重新开启任一台水泵进行补水增压工作，此时，纯净水进入稳压罐导致气压逐渐升高重新达到设定值，当水压传感器测得的水压又达到设定值时，控制器关闭水泵，完成补水稳压工作；

步骤6，在不中断试验的情况下，通过改变放置于敞口不锈钢容器内部中间位置的压重部件的质量来模拟建筑物在上部荷载改变时地下室底板的受力情况；提取多通道数据采集仪的数据，得到固定承压水作用下地下室模型底板下的孔隙水压力和地基土压力的大小及分布规律。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明相比于传统的试验装置能够提供高稳定水位，模拟高承压水头作用，同时，由于水泵无需一直运行且两台水泵可相互补充，协调工作，因此每台泵的损耗都较小，减小了故障率，节能环保，降低了试验成本，提高了经济效益；还可通过改变配重模拟建筑物上部荷载改变时地下室底板的受力情况。

2、本发明利用纯净水做水源既可减少水中气体对土体饱和度的影响，避免出现不确定性较大的土体非饱和问题，又可减少水中气体对试验仪器测量精度的影响，还可以减少水中离子对试验仪器和管路的侵蚀。

3、本发明利用粗砂缓冲承压水压力，可使水压均匀分布；利用细砂贮存承压水，与实际水文、地质环境接近；细砂与弱/不透水层直接接触，可更好地模拟在承压水作用下地基土层之间力的大小和分布规律；常重力试验下不改变土体微观结构，使得水土相互作用关系与实际情况一致。

附图说明

图1是本发明模拟承压水作用下地下室底板受力的试验装置的整体结构连接示意图。

图2是本发明填土完成后基坑模型箱的俯视图。

图3是本发明基坑模型箱外框的主视图。

其中，1储水箱，2水泵，3止回阀，4安全阀，5稳压罐，6水压传感器，7过滤器，8控制器，9基坑模型箱，9-1角钢，9-2钢肋条，9-3钢板，9-4钢底座，9-5敞口钢化玻璃容器，9-6阀门，10-1敞口不锈钢容器，10-2压重部件，11-1粗砂，11-2细砂，11-3弱/不透水层，12管路，13纯净水。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1、图2、图3所示，一种模拟承压水作用下地下室底板受力的试验装置，主要由储水箱1、水泵2、止回阀3、稳压罐5、安全阀4、水压传感器6、过滤器7、控制器8、基坑模型箱9、管路12、按地质条件配置的土层、地下室模型和量测系统组成。

储水箱1内装有纯净水13；水泵2由两台同型号的相互并联，试验时可协同工作；水泵2扬程大于等于20米，可提供高承压水头；水泵2的进水口通过管路12与储水箱1连通；管路12由不锈钢管连接而成，可减小高水压下管路12的变形，减小试验误差；水泵2的出水口安装有止回阀3并通过管路12与稳压罐5、基坑模型箱9相互连通，可防止管路12中的纯净水13倒流；水泵2与控制器8相连并通过控制器8的指令开启或关闭；基坑模型箱9由敞口钢化玻璃容器9-5和外框组成，敞口钢化玻璃容器9-5恰好嵌套在外框内；敞口钢化玻璃容器9-5由前后左右及底部五块钢化玻璃组成，可方便观测试验现象；敞口钢化玻璃容器9-5左右两侧的钢化玻璃开孔设有阀门9-6，最高处阀门9-6的底部与土层顶面对齐，试验时保持开启以方便排水，使得试验土体表面不存在积水；敞口钢化玻璃容器9-5底部的钢化玻璃在中心开孔以便连接过滤器7；基坑模型箱9底部按地质条件填筑的土层由底向上依次为粗砂11-1、细砂11-2和弱/不透水层11-3；弱/不透水层11-3渗透系数小于1×10^-4cm/s；外框由位于容器棱处的角钢9-1、钢肋条9-2、中心开孔的钢板9-3和钢底座9-4焊接而成，可约束在承压水作用下敞口钢化玻璃容器9-5的变形，防止水沿内壁流到土层顶面，减小试验误差；基坑模型箱9底部进水口安装有过滤器7，防止土颗粒阻塞管路；水压传感器6安装在过滤器7的进水方向；水压传感器6与控制器8相连，用于监测管路12水压以开启或关闭控制器8；稳压罐5接口处的管路上装有安全阀4，可在压力异常升高时开启泄压，防止管路12压力突增对试验仪器造成破坏；地下室模型由敞口不锈钢容器10-1和压重部件10-2组成；敞口不锈钢容器10-1外壁光滑，可减少外壁摩阻力的影响；量测系统包括微型渗压计、微型土压力计和多通道数据采集仪；微型渗压计和微型土压力计埋设于敞口不锈钢容器10-1底板下方；微型渗压计和微型土压力计可根据试验需要改变埋设数量；微型渗压计和微型土压力计通过线缆与多通道数据采集仪连接。

一种模拟承压水作用下地下室底板受力的试验装置使用步骤如下：

(1)连接各试验装置或仪器，于储水箱1中加满足试验需要的纯净水13，在敞口钢化玻璃容器9-5内壁均匀涂抹凡士林，再按地质条件由下往上依次分层填筑粗砂11-1、细砂11-2和弱/不透水层11-3，边填筑边夯实，当土层填筑至预定高度时，在预埋地下室模型底板下方根据试验需求埋设微型渗压计和微型土压力计，于其线缆上均匀涂抹凡士林并引出线缆与多通道数据采集仪连接，然后埋置地下室模型，并在敞口不锈钢容器10-1外壁均匀涂抹凡士林，继续填筑土层至土层顶部与敞口钢化玻璃容器9-5左右两侧最高处阀门9-6的底部对齐，打开多通道数据采集仪预热，凡士林用于止水；

(2)设定稳压罐5的工作气压，设定安全阀4压力值，利用多通道数据采集仪开始采集数据，开启两台水泵2，纯净水13经由两台水泵2加压后通过管路12进入稳压罐5和基坑模型箱9内，过滤器7用于防止基坑模型箱9中填筑的土颗粒阻塞管路；

(3)基坑模型箱9中粗砂11-1和细砂11-2逐渐饱和，稳压罐5中纯净水13进入导致气压逐渐升高并达到设定值，当水压传感器6测得管路12的水压达到设定值后，反馈给控制器8，控制器8关闭两台水泵2；

(4)止回阀3可阻止稳压罐5中的纯净水13回流至水泵2，基坑模型箱9中的水压由稳压罐5来维持稳定，微型渗压计和微型土压力计可以实时监测敞口不锈钢容器10-1底板下孔隙水压力和土压力的大小；

(5)由于土层渗流等原因，稳压罐5中纯净水13逐渐减少而不能维持既定水压，水压传感器6测得的水压低于设定值时，控制器8重新开启任一台水泵2进行补水增压工作，此时，稳压罐5中纯净水13进入导致气压逐渐升高重新达到设定值，当水压传感器6测得的水压又达到设定值时，控制器8关闭水泵2，完成补水稳压工作，如果某台水泵2出现故障，可由另一台水泵2完成补水增压工作，不影响试验进程；

(6)在不中断试验的情况下，可通过改变放置于敞口不锈钢容器10-1内部中间位置的压重部件10-2的质量来模拟建筑物在上部荷载改变时地下室底板的受力情况；

(7)因偶然因素导致管路12水压力异常增大时，安全阀4可自动开启泄压，保护试验仪器设备；

(8)提取多通道数据采集仪的数据，得到固定承压水头下地下室模型底板下的孔隙水压力和地基土压力的大小及分布规律。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。