一种用于转换复杂地质条件的沉井下沉多功能模拟装置的制作方法

1.本实用新型涉及土木工程技术领域。更具体地说，本实用新型涉及一种用于转换复杂地质条件的沉井下沉多功能模拟装置。


背景技术：

2.沉井基础是由内外墙形成垂直井壁，顶部和底部敞开的筒状结构物。沉井基础在定位着床后，沉井的下沉主要是通过从井内取土，依靠自重下沉，期间要克服侧壁摩阻力、刃脚端阻力以及浮力，通过逐节接高，达到预定深度后封底盖顶形成沉井基础。沉井平稳下沉至稳定深度后，必须及时灌注井壁水下混凝土，并密切监测河床冲刷情况，发现有继续加速冲刷或出现局部冲坑扩大时，及时抛填大砂袋、碎石等进行冲坑回填，避免局部冲坑扩大。随着井壁混凝土的灌注，沉井自重加大，沉井入土深度继续加大，有利于沉井的姿态稳定。沉井基础具有刚度大、整体性好、稳定性高以及抗震性能好等特点，且由于占地面积小、挖土量少、施工方便、提供的承载力大、造价较低等优点一直在国内外桥梁墩台、地下泵房等基础工程中应用十分广泛。
3.为了保证沉井施工期间下沉姿态精度，需要对沉井几何姿态、井底地形、井壁与土的摩阻力和刃脚的土压力等方面进行实时监测，用于分析沉井结构受力状态，确定取土方式、位置、范围和速度，控制沉井在施工期间均匀缓慢下沉。目前，国内对沉井的受力研究主要集中在沉井施工过程中的下沉系数、端阻力及侧摩阻力等方面。主要存在以下问题：(1)现行的沉井规范主要基于大直径桩的下沉机理分析，或者针对中小沉井得出的。是否适用于地质复杂、尺寸及开挖深度越来越大的沉井有待考证。(2)忽略了刃脚踏面土压力对端阻力的影响。(3)侧摩阻力只考虑侧摩阻力的纵向分布，忽略了侧摩阻力的横向分布研究。(4)深水大型沉井结构空间受力状态复杂，施工过程中结构穿越不同的土层，受力随沉井入土深度及施工状态的不同而不断发生变化，可能出现沉井下沉过缓或停滞下沉、下沉过快、突沉、偏斜等现象。(5)沉井施工的关键技术是确保其平稳下沉，而下沉过程中井壁与土的摩阻力和刃脚阻力很难实时监测。(6)井底地形探测受到水底能见度低制约，常规手段以测绳和潜水员探摸为主。但是，采用测绳探测，采样点少，难以全面了解井底泥土表面形态。而潜水员探摸的方法面临安全隐患大、可视范围有限、探测结果误差大等问题。沉井内部地形探测一直是沉井施工监控中的难题，分析深水大型沉井内部地形探测面临的技术难题。(7)水文地质条件复杂，汛期流速大，河床易冲刷、地层不均匀，表层存在硬塑粉质粘土层，沉井初期下沉安全风险及姿态控制难度大。为了解决上述问题，我们发明了一种用于转换复杂地质条件的沉井下沉多功能模拟装置。


技术实现要素：

4.本实用新型的一个目的是提供一种用于转换复杂地质条件的沉井下沉多功能模拟装置，能够快速，方便的模拟沉井下沉过程，进行不同地质条件，水文地质条件下的下沉机理分析，为沉井平稳下沉提供支撑。
5.为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种用于转换复杂地质条件的沉井下沉多功能模拟装置，包括：
6.模拟箱，其为具有上开口的透明箱体结构，所述模拟箱一侧粘贴有竖直的直尺，其刻度紧贴所述模拟箱侧壁设置，所述模拟箱内从下至上依次设置有下水层、土层和上水层，所述下水层和土层之间还设置有带有孔的垫板，所述下水层和上水层内均设置有水流测速计和水位传感器，所述土层内设置有位移计、测力计和温度计，所述下水层和上水层均通过管路连接外部的调速进水泵和调速出水泵；
7.横架，其为门型结构并固定位于所述模拟箱外周，所述横架用于吊装模拟沉井，所述模拟沉井底部设置有四个刃脚，其上均安装侧摩阻力计，所述模拟沉井的四个侧面也均设置有侧摩阻力计，所述模拟沉井下部设置有出泥泵，其通过出泥管连接至外部；
8.数据采集仪，其通过导线分别连接位移计、测力计、侧摩阻力计、水位传感器、水流测速计、温度计进行对应的数据采集。
9.优选的是，所述模拟箱底部固定设置4个箱脚，其固定设置。
10.优选的是，所述模拟沉井上设置有拉缆和钢丝绳，所述拉缆和钢丝绳分别连接所述横架上设置卷扬机和提升装置，所述拉缆前后动作用于控制沉井的前后位置，所述钢丝绳上下升降用于控制沉井的上下位置。
11.优选的是，所述模拟箱外还设置有摄像机，其用于记录模拟沉井整个下沉的过程。
12.优选的是，所述土层中还设置有降温管和升温管，其通过外部的无线遥控器控制。
13.优选的是，所述出泥管连接至外部的泥浆池。
14.本实用新型至少包括以下有益效果：
15.(1)通过更换土层可以模拟不同地质条件下的沉井过程。
16.(2)通过调整调速进水泵的档位可以调节地下水和地表水的流水速度。
17.(3)通过调整调速出水泵的档位可以控制水位。
18.(4)不仅可以实时监测沉井下降时的侧摩阻力，也能实时监测刃脚踏面土压力对端阻力的影响。
19.(5)井底能见度高，通过直尺和摄像头可直接观测沉井下沉整个过程。
20.(6)可以监测温度对沉井的影响，通过调节降温管和升温管模拟不同温度下沉井下沉的过程。
21.(7)安装简单，易操作，价格低廉。
22.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
23.图1为本实用新型沉井下沉多功能模拟装置整体示意图。
24.附图标记说明：
25.1、模拟箱，2、土层，3、横架，4、钢丝绳，5、拉缆，6、模拟沉井，7、刃脚，8、箱脚，9、摄像机，10、直尺，11、位移计，12、导线，13、测力计，14、侧摩阻力计，15、调速进水泵，16、下水层，17、上水层，18、调速出水泵，19、水位传感器，20、水流测速计，21、温度计，22、降温管，23、升温管，24、出泥泵，25、出泥管，26、泥浆池，27、数据采集仪，28、电脑。
具体实施方式
26.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。
27.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。
28.如图1所示，本实用新型提供一种用于转换复杂地质条件的沉井下沉多功能模拟装置，包括：
29.模拟箱1，其为具有上开口的透明箱体结构，所述模拟箱1一侧粘贴有竖直的直尺10，其刻度紧贴所述模拟箱1侧壁设置，所述模拟箱1内从下至上依次设置有下水层16、土层2和上水层17，所述下水层16和土层2之间还设置有带有孔的垫板，所述下水层16和上水层17内均设置有水流测速计20和水位传感器19，所述土层2内设置有位移计11、测力计13和温度计21，所述下水层16和上水层17均通过管路连接外部的调速进水泵15和调速出水泵18；
30.横架3，其为门型结构并固定位于所述模拟箱1外周，所述横架3用于吊装模拟沉井6，所述模拟沉井6底部设置有四个刃脚7，其上均安装侧摩阻力计14，所述模拟沉井6的四个侧面也均设置有侧摩阻力计14，所述模拟沉井6下部设置有出泥泵24，其通过出泥管25连接至外部；
31.数据采集仪27，其通过导线12分别连接位移计11、测力计13、侧摩阻力计14、水位传感器19、水流测速计20、温度计21进行对应的数据采集。
32.在上述技术方案中，通过模拟松散粉砂、硬塑粉质黏土、中密粉砂、软塑粉质黏土、中密细砂、软塑粉质黏土、中密粉砂、密实细砂、软塑粉质黏土、密实中粗砂、密实粗砂，等不同地质条件，以及模拟不同的水文地质条件，快速的进行沉井下沉过程模拟。土层2根据实际模拟情况进行设置。
33.模拟箱1主要由透明钢化玻璃组成，可以透过模拟箱1看见内部变化。土层2在模拟箱1内，从上到下依次为松散粉砂、硬塑粉质黏土、中密粉砂、软塑粉质黏土、中密细砂、软塑粉质黏土、中密粉砂、密实细砂、软塑粉质黏土、密实中粗砂、密实粗砂等，根据实际模拟情况进行调整布设。横架3在模拟箱1上部，用于起吊模拟沉井6，模拟沉井6与现场的制作材料相同，根据模拟箱1的大小按比例缩小。直尺10用于标记土层2的整体下降位置。位移计11监测土层2内部的下降位置。测力计13在土层2内部，用来测土层2内部的应力变化。侧摩阻力计14安装在沉井侧面和刃脚7底部，用来测沉井在下沉过程中侧壁和底部的应力变化。调速进水泵15为下水层16和上水层17进行供水，通过调整调速进水泵15的档位来调整水流速度。下水层16模拟地下水的流动状态，上水层17模拟地表水的流动状态。调速出水泵18控制下水层16和上水层17的出水速度，进而控制水位，水位传感器19用来监测水位变化。水流测速计20安装在下水层16和上水层17，分别监测下水层16和上水层17的水流速度。温度计21用来监测模拟箱1内的温度。出泥泵24抽出模拟箱1内多余的淤泥，出泥管25一端连接出泥泵24，另一端放在泥浆池26内，泥浆池26用来装多余的淤泥。数据采集仪27一端通过导线12
连接位移计11、测力计13、侧摩阻力计14、水位传感器19、水流测速计20和温度计21，另一端将采集的数据传输电脑28，电脑28用于显示和处理数据。
34.在另一种技术方案中，所述模拟箱1底部固定设置4个箱脚8，其固定设置。通过箱脚8将模拟箱1固定于相应的设置位置。
35.在另一种技术方案中，所述模拟沉井6上设置有拉缆5和钢丝绳4，所述拉缆5和钢丝绳4分别连接所述横架3上设置卷扬机和提升装置，所述拉缆5前后动作用于控制沉井的前后位置，所述钢丝绳4上下升降用于控制沉井的上下位置。通过卷扬机和提升装置控制拉缆5和钢丝绳4实现沉井的前后和上下位置的调整。
36.在另一种技术方案中，所述模拟箱1外还设置有摄像机9，其用于记录模拟沉井6整个下沉的过程。摄像头记录整个过程，进一步用于图像分析，从多方位，多角度的分析，探明大型沉井的下沉机理。
37.在另一种技术方案中，所述土层2中还设置有降温管22和升温管23，其通过外部的无线遥控器控制，分别用于降低或升高模拟箱1内的温度。
38.在另一种技术方案中，所述出泥管25连接至外部的泥浆池26。
39.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。