一种可分层控制水位的分层沉降模型试验装置及试验方法与流程

本发明涉及一种分层沉降模型试验装置及试验方法，尤其适用于岩土工程技术领域使用的可分层控制水位的分层沉降模型试验装置及试验方法。

背景技术

地面沉降是指某一区域内地面标高相对于周围地面或者海平面下降的地质现象，既包含地面的缓慢下降，也包含地表的突然塌陷。导致地面沉降的原因可以分为自然因素和人为因素两大类。自然因素有成岩过程中的失水固结、区域性的构造运动、地震等。人为因素则包括长期大量开采地下资源(固体、液体、气体资源)、工程建设。地面沉降不仅会导致房屋地基下沉、房屋开裂，造成路面受损、地下管线断裂，而且会使地面高程逐步降低，导致城市防汛能力的降低甚至丧失，加剧洪涝及风暴潮危害，给国民经济造成巨大的损失。

我国地面沉降危害较为严重，其中长江三角洲、华北平原和汾渭盆地的地面沉降灾害最为严重。20世纪90年代以前，我国城市化程度不高，地下水不合理开采是引起地面沉降的主要原因。90年代之后，随着城市化的程度的不断提高，城市基础设施建设快速发展，原本已经得到一定程度控制的地面沉降又出现了加速增长的情况。在软土地区的工程建设中，往往要进行工程降水以保证施工期间的安全，但工程降水的实施常常会导致周围土体的固结压缩，从而引起地表沉降。近年来，在实际的工程降水施工过程中，又发现了一些有悖于以往经验的现象。如何在室内通过模型试验更加客观合理地模拟降水过程中土体的变形情况，得到尽可能多的数据，并以此为基础更深一步研究变形机理成为了迫切需要解决的问题。

目前，在地面沉降的相关研究中，尚无模型试验和试验方法对边界水头补给和三层土体的分层水位控制进行模拟，且单次试验获取的数据较为有限。与本发明相似的发明专利，如同济大学唐益群等人的发明专利“一种由工程环境效应引起地面沉降的模型及其试验方法”(专利号：cn102094432a)和“一种水位循环升降引起的地面沉降试验装置及试验方法”(专利号：cn105974088a)、中国矿业大学崔振东等人的发明专利“一种由高层建筑荷载和地下水抽灌引起土体分层沉降模型试验装置及试验方法”(专利号：cn105242028a)、河海大学窦智等人的发明专利“一种定降深诱发粘土承压含水层释水的装置和方法”(专利号：cn105628612a)此类装置仅实现了单层土的水位控制，边界补给水头的设置不够客观合理，获取的土体内部变形数据也极为有限。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了步骤简单，检测效果好，可以研究承压层地下水开采过程中，上下相邻弱透水层的竖向变形分布特征，结合粒子图像测速技术、土体表面满布的线性位移计、土压力盒以及孔隙水压力计分析相邻土层变形特征以及抽水过程中不同土层中孔压变化规律，从而研究承压层降水过程中，地面沉降和土体内部变形的时空演化规律以及与承压层不同相对位置土层的变形机理的可分层控制水位的分层沉降模型试验装置及试验方法。

为实现上述目的，本发明的可分层控制水位的分层沉降模型试验装置及试验方法

包括模型箱、分层水位控制水箱、地下水抽水装置、数字拍照分析系统、数据测量系统和数据采集设备；

所述模型箱包括模型箱主体和设置在模型箱主体上方的模型箱上盖，模型箱上盖上设有抽水金属毛细管和传感器信号线通过的贯穿孔，

所述模型箱主体内设有土体，所述土体从下向上依次设置有第一层淤泥质粘土层、标准砂层、第二层淤泥质粘土层，土体上方设有线性位移计固定架，线性位移计固定架设有多个线性位移计，线性位移计的尖端与第二层淤泥质粘土层上表面接触，模型箱左右两侧为设置有9个模型箱进水口的金属板，进水口按照高度从上到下的顺序分为三组，每组3个模型箱进水口，模型箱左右两侧的第一组模型箱进水口位置对应箱内第一层淤泥质粘土层，第二组模型箱进水口位置对应箱内标准砂层，第三层模型箱进水口位置对应箱内第二层淤泥质粘土层，模型箱前后两侧为透明钢化玻璃，嵌固在连接于金属板的铝合金角钢中，

所述分层水位控制水箱为两个独立的有机玻璃箱体，放置于模型箱主体左右两侧，即带有模型箱进水口的金属板外侧，有机玻璃箱体内部空间利用两块有机玻璃板划分为互不连通的分层水位控制水箱区域i、分层水位控制水箱区域ii和分层水位控制水箱区域iii，三个水箱区域容积依次增大，分层水位控制水箱区域i控制第一层淤泥质粘土层水位、分层水位控制水箱区域ii控制标准砂层水位，分层水位控制水箱区域iii控制第二层淤泥质粘土层水位，每个水箱区域底部设有带有出水阀门的出水口，并利用一进三出分水器与相应的三个进水口连接，每个出水阀门高于与之相连接的模型箱进水口2cm，

所述地下水抽水装置包含抽水金属毛细管、导水硅胶管和蠕动泵三个部分，所述蠕动泵设置在模型箱上盖上方，抽水金属毛细管通过导水硅胶管与蠕动泵相连接，

所述数字拍照分析系统包含高精度数码照相机、三角支架、照明设备和粒子图像测速设备，两台高精度数码照相机通过三角支架分别架设在模型箱前后两侧，分别正对模型箱的两块透明钢化玻璃，

所述数据测量系统包括孔隙水压力计、土压力盒、线性位移计及线性位移计固定支架，线性位移计固定支架由通过螺栓固定在模型箱上的6根开孔方管组成，方管上设有用于插入并固定线性位移计的孔洞，孔隙水压力计用于测量土体中孔隙水压力，土压力盒用于测量土体中的土压力，线性位移计用于测量土体表面的沉降量；

所述数据采集设备采用datataker智能数据采集系统。

模型箱左右两侧金属板上设置有模型箱进水口，模型箱进水口通过软管与分层水位控制水箱的有机玻璃箱体连接，并在模型箱中设置的第一层淤泥质粘土层、标准砂层、第二层淤泥质粘土层中每层之间的位置粘贴有硅胶膜防止不同土层水位沿金属板渗流互相影响，所述第一层淤泥质粘土层的厚度为40cm，标准砂层的厚度为30cm，第二层淤泥质粘土层的厚度为40cm。

所述数据测量系统中的孔隙水压力计共有12个，土压力盒共有12个，线性位移计共有41个，其中12个孔隙水压力计和12个土压力盒按照每层土4个的布置方式放置在第一层淤泥质粘土层、标准砂层、第二层淤泥质粘土层的中部，所有41个线性位移计都通过线性位移计固定架均布在土体上表面，记录整个土体表面沉降随时空的变化；所述线性位移计固定支架的每一根方管上开7个孔洞，除第四个孔外，其余6个孔洞以设置在中间的孔洞对称分布且间距相同，而同一根方管上两个孔洞间距与两根方管间距不同。

一种可分层控制水位的分层沉降模型试验试验方法，其步骤如下：

a.确定可分层控制水位的分层沉降模型试验的影响因素，包括抽水时间、抽水量、抽水速度、土层厚度，利用量纲分析法确定几何相似缩比和时间相似缩比，按照几何缩比设计并制作模型箱、分层水位控制水箱和抽水金属毛细管结构；

b.利用金属板和有机玻璃板组装模型箱并铺设试验用土，在模型箱中按照从下到上的顺序依次设置三个土层：第一层淤泥质粘土层、标准砂层、第二层淤泥质粘土层，每铺设5cm加水使其饱和；在布置第一层淤泥质粘土层、标准砂层、第二层淤泥质粘土层的过程中分别布置压力检测传感器，并在淤泥质粘土层和标准砂层交界面靠近模型箱左右两侧金属板处，分别粘贴两条硅胶膜，以防止土层内水沿壁渗透、干扰不同土层内的水位，在第二层淤泥质粘土层上设置线性位移计固定架，并在线性位移计固定架上设置线性位移计，保证线性位移计的尖端与第二层淤泥质粘土层上表面接触；

c.安装抽水金属毛细管并在分层水位控制水箱区域i1、分层水位控制水箱区域ii和分层水位控制水箱区域iii中注水至根据几何缩比计算得到的预定高度；

中注水至根据几何缩比计算得到的预定高度；

d.打开分层水位控制水箱出水阀门，使分层水位控制水箱的三个水箱区域：分层水位控制水箱区域i、分层水位控制水箱区域ii和分层水位控制水箱区域iii分别与其控制的第一层淤泥质粘土层、标准砂层、第二层淤泥质粘土层分别连通，并使三个水箱区域内水位分别与连通的水箱区域内预定高度相同，使模型箱内土体在自重作用下固结，当线性位移计测量的数值趋于稳定后土体达到固结稳定状态；

e.待土体固结稳定后，分阶段从标准砂层中抽取地下水以模拟承压层降水的实际情况，抽水过程中和抽水完毕后应保持分层水位控制水箱三个水箱区域中水位不变，以模拟实际中三个土层的边界补给情况，使各土层水位恢复到固结稳定时的状态，模拟边界补给情况时，水箱中水位会有一定程度的下降，此时应当进行适当的补水，使其保持预定高度不变，在模型箱前后钢化玻璃处利用两台高精度数码照相机从抽水时开始每隔一小时记录一次土层的变形情况；

f.等待各土层孔隙水压力计的测量数据稳定，再开始下一次抽水。

在铺设淤泥质粘土层和标准砂层时，提前在粘土或砂层与模型箱钢化玻璃接触处播撒与粘土颜色对比强烈的彩砂，以便粒子图像测速设备识别和计算不同位置处的变形情况；在淤泥质粘土层与标准砂层交界面靠近模型箱左右两侧金属板处分别设置两条硅胶膜，防止土层内水沿壁渗透干扰淤泥质粘土层与标准砂层内的水位。

所述压力检测传感器包括多个孔隙水压力计和土压力盒，其中一个土压力盒和一个孔隙水压力计构成一个压力传感器组，每组中孔隙水压力计和土压力盒相聚5cm放置，两个压力传感器组之间相距20cm，布置土压力盒时使用水准器保证土压力盒水平设置，布置在孔隙水压力计后在孔隙水压力计周围布置一层细砂，使孔隙水压力计包裹在细砂中。

有益效果：

(1)通过设置分层水位控制水箱，实现了三层土体水位的分别控制，并且能在试验过程中对土层进行补水，更加准确地模拟了实际情况中补水边界；

(2)通过对分层水位控制水箱内部空间的合理划分，使其出水口位于一条竖直线上，分层水位控制水箱更加美观的同时，避免了软管杂乱的问题，且针对需要补水量的体积对其控制土层进行了合理的分配；

(3)通过在承压层与上下相邻土层粘贴硅胶膜，大大缓解了实验过程中不同土层中的水沿壁渗流情况，使大部分渗流通过土体内部进行，避免了沿壁渗流对孔隙水压力的干扰；

(4)通过模型箱前后两面使用钢化玻璃材料，借助数字拍照分析系统，可以记录并分析距离抽水金属毛细管不同距离处土体内部变形情况，以获取更多的数据；

(5)通过土体表面满布线性位移计，可以记录整个土体表面在试验过程中的时空演化规律；

(6)通过设置模型箱上盖，有效防止了试验过程中水的蒸发，避免了土体由于饱和程度变化对变形产生的干扰。

附图说明

图1为本发明装置正视结构示意图；

图2为本发明装置模型箱的俯视结构示意图；

图3为本发明装置模型箱的侧视结构示意图；

图4为本发明装置分层水位控制水箱的正视结构示意图；

图中：1-模型箱上盖；2-模型箱主体；3-线性位移计固定架；4-淤泥质粘土层；5-标准砂层；6-蠕动泵；7-硅胶管；8-线性位移计；9-钢化玻璃板；10-排水管；11-模型箱进水口；12-抽水金属毛细管；13-分层水位控制水箱区域i；14-分层水位控制水箱区域ii；15-分层水位控制水箱区域iii；16-出水阀门；17-分层水位控制水箱；18-一进三出分水器；ppt-号孔隙水压力计；epc-1号土压力盒。

具体实施方式

下面结合装置附图对本发明进行更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种可分层控制水位的分层沉降模型试验装置，它包括模型箱、分层水位控制水箱、地下水抽水装置、数字拍照分析系统、数据测量系统和数据采集设备；

所述模型箱包括模型箱主体2和设置在模型箱主体2上方的模型箱上盖1，模型箱上盖1上设有抽水金属毛细管12和传感器信号线通过的贯穿孔，

所述模型箱主体2内设有土体，所述土体从下向上依次设置有第一层淤泥质粘土层4、标准砂层5、第二层淤泥质粘土层4，土体上方设有线性位移计固定架3，线性位移计固定架3设有多个线性位移计8，线性位移计8的尖端与第二层淤泥质粘土层4上表面接触，模型箱左右两侧为设置有9个模型箱进水口11的金属板，进水口按照高度从上到下的顺序分为三组，每组3个模型箱进水口11，模型箱左右两侧的第一组模型箱进水口11位置对应箱内第一层淤泥质粘土层4，第二组模型箱进水口11位置对应箱内标准砂层5，第三层模型箱进水口11位置对应箱内第二层淤泥质粘土层4，模型箱前后两侧为透明钢化玻璃，嵌固在连接于金属板的铝合金角钢中，图中ppt1～ppt15分别为1号孔隙水压力计～15号孔隙水压力计；epc1～epc15分别为1号土压力盒～15号土压力盒；

如图3和图4所示，所述分层水位控制水箱为两个独立的有机玻璃箱体，放置于模型箱主体2左右两侧，即带有模型箱进水口11的金属板外侧，有机玻璃箱体内部空间利用两块有机玻璃板划分为互不连通的分层水位控制水箱区域i13、分层水位控制水箱区域ii14和分层水位控制水箱区域iii15，三个水箱区域容积依次增大，分层水位控制水箱区域i13控制第一层淤泥质粘土层4水位、分层水位控制水箱区域ii14控制标准砂层5水位，分层水位控制水箱区域iii15控制第二层淤泥质粘土层4水位，每个水箱区域底部设有带有出水阀门16的出水口，并利用一进三出分水器18与相应的三个进水口连接，每个出水阀门16高于与之相连接的模型箱进水口112cm，如图2所示，所述地下水抽水装置包含抽水金属毛细管12、导水硅胶管7和蠕动泵6三个部分，所述蠕动泵6设置在模型箱上盖1上方，抽水金属毛细管12通过导水硅胶管7与蠕动泵6相连接，模型箱进水口11通过软管与分层水位控制水箱的有机玻璃箱体连接，并在模型箱中设置的第一层淤泥质粘土层4、标准砂层5、第二层淤泥质粘土层4中每层之间的位置粘贴有硅胶膜防止不同土层水位沿金属板渗流互相影响，所述第一层淤泥质粘土层4的厚度为40cm，标准砂层5的厚度为30cm，第二层淤泥质粘土层4的厚度为40cm；

所述数字拍照分析系统包含高精度数码照相机、三角支架、照明设备和粒子图像测速设备，两台高精度数码照相机通过三角支架分别架设在模型箱前后两侧，分别正对模型箱的两块透明钢化玻璃，

所述数据测量系统包括孔隙水压力计ppt、土压力盒epc、线性位移计8及线性位移计固定支架3，线性位移计固定支架3由通过螺栓固定在模型箱上的6根开孔方管组成，方管上设有用于插入并固定线性位移计8的孔洞，孔隙水压力计ppt用于测量土体中孔隙水压力，土压力盒epc用于测量土体中的土压力，线性位移计8用于测量土体表面的沉降量；所述数据测量系统中的孔隙水压力计ppt共有12个，土压力盒epc共有12个，线性位移计8共有41个，其中12个孔隙水压力计ppt和12个土压力盒epc按照每层土4个的布置方式放置在第一层淤泥质粘土层4、标准砂层5、第二层淤泥质粘土层4的中部，所有41个线性位移计8都通过线性位移计固定架3均布在土体上表面，记录整个土体表面沉降随时空的变化；所述线性位移计固定支架3的每一根方管上开7个孔洞，除第四个孔外，其余6个孔洞以设置在中间的孔洞对称分布且间距相同，而同一根方管上两个孔洞间距与两根方管间距不同，

所述数据采集设备采用datataker智能数据采集系统。

一种可分层控制水位的分层沉降模型试验方法，其步骤如下：

a.确定可分层控制水位的分层沉降模型试验的影响因素，包括抽水时间、抽水量、抽水速度、土层厚度，利用量纲分析法确定几何相似缩比和时间相似缩比，按照几何缩比设计并制作模型箱、分层水位控制水箱和抽水金属毛细管结构；

b.利用金属板和有机玻璃板组装模型箱并铺设试验用土，在模型箱中按照从下到上的顺序依次设置三个土层：第一层淤泥质粘土层4、标准砂层5、第二层淤泥质粘土层4，每铺设5cm加水使其饱和；并在布置第一层淤泥质粘土层4、标准砂层5、第二层淤泥质粘土层4的过程中分别布置压力检测传感器，所述压力检测传感器包括多个孔隙水压力计ppt和土压力盒epc，其中一个土压力盒epc和一个孔隙水压力计ppt构成一个压力传感器组，每组中孔隙水压力计ppt和土压力盒epc相聚5cm放置，两个压力传感器组之间相距20cm，布置土压力盒epc时使用水准器保证土压力盒epc水平设置，布置在孔隙水压力计ppt后在孔隙水压力计ppt周围布置一层细砂，使孔隙水压力计ppt包裹在细砂中；在淤泥质粘土层4和标准砂层5交界面靠近模型箱左右两侧金属板处，分别粘贴两条硅胶膜，以防止土层内水沿壁渗透、干扰不同土层内的水位，在第二层淤泥质粘土层4上设置线性位移计固定架3，并在线性位移计固定架3上设置线性位移计8，保证线性位移计8的尖端与第二层淤泥质粘土层4上表面接触；在铺设淤泥质粘土层4和标准砂层5时，提前在粘土或砂层与模型箱钢化玻璃接触处播撒与粘土颜色对比强烈的彩砂，以便粒子图像测速设备识别和计算不同位置处的变形情况；在淤泥质粘土层4与标准砂层5交界面靠近模型箱左右两侧金属板处分别设置两条硅胶膜，防止土层内水沿壁渗透干扰淤泥质粘土层4与标准砂层5内的水位；

c.安装抽水金属毛细管12并在分层水位控制水箱区域i13、分层水位控制水箱区域ii14和分层水位控制水箱区域iii15中注水至根据几何缩比计算得到的预定高度；

d.打开分层水位控制水箱出水阀门16，使分层水位控制水箱的三个水箱区域：分层水位控制水箱区域i13、分层水位控制水箱区域ii14和分层水位控制水箱区域iii15分别与其控制的第一层淤泥质粘土层4、标准砂层5、第二层淤泥质粘土层4分别连通，并使三个水箱区域内水位分别与连通的水箱区域内预定高度相同，使模型箱内土体在自重作用下固结，当线性位移计8测量的数值趋于稳定后土体达到固结稳定状态；

e.待土体固结稳定后，分阶段从标准砂层5中抽取地下水以模拟承压层降水的实际情况，抽水过程中和抽水完毕后应保持分层水位控制水箱三个水箱区域中水位不变，以模拟实际中三个土层的边界补给情况，使各土层水位恢复到固结稳定时的状态，模拟边界补给情况时，水箱中水位会有一定程度的下降，此时应当进行适当的补水，使其保持预定高度不变，在模型箱前后钢化玻璃处利用两台高精度数码照相机从抽水时开始每隔一小时记录一次土层的变形情况；

f.等待各土层孔隙水压力计8的测量数据稳定，再开始下一次抽水。