本發(fā)明涉及一種模型試驗(yàn)裝置，特別是涉及模擬承壓水作用下地下室底板受力的試驗(yàn)裝置及使用方法，屬于土木工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

承壓水是地下水的一種，常形成于上下兩個(gè)弱/不透水層中的含水層里，此含水層一般由透水性好的砂土、裂隙發(fā)育完全的巖石等組成。在沿海、沿江等地下水豐富的地區(qū)，工程上深基坑施工時(shí)常常遇到弱/不透水層下存在承壓水層的情況。在承壓水作用下，超大、超深的地下室容易發(fā)生變形和上浮失穩(wěn)等問題，對工程安全造成巨大威脅。工程上對大面積地下室底板所受的地基反力和水浮力難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測，對于這種情況，可簡化地下室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)室內(nèi)模型試驗(yàn)來研究承壓水作用下地下室底板的受力情況。

傳統(tǒng)的室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M承壓水作用時(shí)，試驗(yàn)裝置的供水系統(tǒng)一是采用馬里奧特瓶，二是采用循環(huán)水路、溢流供水裝置。馬里奧特瓶供水系統(tǒng)受限于支架的高度，提供的穩(wěn)定水位低，產(chǎn)生的承壓水頭低，且試驗(yàn)過程中不能對瓶內(nèi)水源進(jìn)行補(bǔ)充。循環(huán)水路、溢流供水裝置提供的穩(wěn)定水位取決于裝置的支架高度，因支架一般較低，故產(chǎn)生的承壓水頭也較低，且供水系統(tǒng)中的水泵需要持續(xù)運(yùn)行，耗能嚴(yán)重，設(shè)備也易損耗，故障率高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供模擬承壓水作用下地下室底板受力的試驗(yàn)裝置及使用方法，克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，能夠提供高穩(wěn)定水位，產(chǎn)生高承壓水頭，并且水泵不易損耗，節(jié)能環(huán)保。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

模擬承壓水作用下地下室底板受力的試驗(yàn)裝置，包括儲水箱、第一至第二個(gè)水泵、第一至第二個(gè)止回閥、穩(wěn)壓罐、安全閥、水壓傳感器、過濾器、基坑模型箱、管路、地下室模型及量測系統(tǒng)；所述儲水箱通過管路將第一個(gè)水泵、第一個(gè)止回閥、水壓傳感器、過濾器連成第一條支路，儲水箱通過管路將第二個(gè)水泵、第二個(gè)止回閥、安全閥、穩(wěn)壓罐連成第二條支路；且第一條支路與第二條支路之間通過管路連通，該管路一端位于第一止回閥與水壓傳感器之間，另一端位于第二止回閥與安全閥之間；第一水泵、第二水泵、水壓傳感器分別與控制器連接；過濾器安裝于基坑模型箱底部進(jìn)水口處，基坑模型箱包括敞口鋼化玻璃容器、至少兩個(gè)閥門及容器內(nèi)部由底向上依次填筑的粗砂、細(xì)砂和弱/不透水層，閥門對稱設(shè)置于敞口鋼化玻璃容器左右兩側(cè)上部，地下室模型埋設(shè)于基坑模型箱內(nèi)，且地下室模型的底板與敞口鋼化玻璃容器的底板平行，地下室模型的頂部高于弱/不透水層；量測系統(tǒng)包括微型滲壓計(jì)、微型土壓力計(jì)和多通道數(shù)據(jù)采集儀，其中，微型滲壓計(jì)、微型土壓力計(jì)埋設(shè)于地下室模型底板下方，微型滲壓計(jì)、微型土壓力計(jì)分別與多通道數(shù)據(jù)采集儀連接。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述管路由不銹鋼管連接而成。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述基坑模型箱還包括外框，外框由角鋼、鋼肋條、中心開孔的鋼板和鋼底座焊接而成；角鋼位于敞口鋼化玻璃容器的四條棱處，相鄰兩個(gè)角鋼之間焊接有鋼肋條，中心開孔的鋼板位于敞口鋼化玻璃容器的底板下方，且與底板接觸，鋼底座位于中心開孔的鋼板下方的四個(gè)角上。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述地下室模型包括敞口不銹鋼容器、壓重部件，壓重部件置于敞口不銹鋼容器內(nèi)，敞口不銹鋼容器的頂部高于弱/不透水層。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述第一個(gè)水泵和第二個(gè)水泵的揚(yáng)程均大于等于20米。

作為本發(fā)明裝置的一種優(yōu)選方案，所述弱/不透水層的滲透系數(shù)小于1×10^-4cm/s。

模擬承壓水作用下地下室底板受力的試驗(yàn)裝置的使用方法，包括如下步驟：

步驟1，在儲水箱中存儲滿足試驗(yàn)需要的純凈水，在敞口鋼化玻璃容器內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，并按地質(zhì)條件由底向上依次填筑粗砂、細(xì)砂和弱/不透水層，當(dāng)填筑至預(yù)定高度時(shí)，在預(yù)埋地下室模型底板下方根據(jù)試驗(yàn)需求埋設(shè)微型滲壓計(jì)和微型土壓力計(jì)，于其線纜上均勻涂抹凡士林并引出線纜與多通道數(shù)據(jù)采集儀連接，然后埋置地下室模型，并在敞口不銹鋼容器外壁均勻涂抹凡士林，繼續(xù)填筑至頂部與敞口鋼化玻璃容器左右兩側(cè)最高處閥門的底部對齊；

步驟2，設(shè)定穩(wěn)壓罐的工作氣壓，設(shè)定安全閥壓力值，利用多通道數(shù)據(jù)采集儀開始采集數(shù)據(jù)，開啟兩臺水泵，純凈水經(jīng)由兩臺水泵加壓后通過管路進(jìn)入穩(wěn)壓罐和基坑模型箱內(nèi)；

步驟3，基坑模型箱中粗砂和細(xì)砂逐漸飽和，純凈水進(jìn)入穩(wěn)壓罐導(dǎo)致氣壓逐漸升高并達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)水壓傳感器測得管路的水壓達(dá)到設(shè)定值后，反饋給控制器，控制器關(guān)閉兩臺水泵；

步驟4，基坑模型箱中的水壓由穩(wěn)壓罐來維持穩(wěn)定，微型滲壓計(jì)和微型土壓力計(jì)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測敞口不銹鋼容器底板下孔隙水壓力和地基土壓力的大小；

步驟5，當(dāng)水壓傳感器測得的水壓低于設(shè)定值時(shí)，控制器重新開啟任一臺水泵進(jìn)行補(bǔ)水增壓工作，此時(shí)，純凈水進(jìn)入穩(wěn)壓罐導(dǎo)致氣壓逐漸升高重新達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)水壓傳感器測得的水壓又達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器關(guān)閉水泵，完成補(bǔ)水穩(wěn)壓工作；

步驟6，在不中斷試驗(yàn)的情況下，通過改變放置于敞口不銹鋼容器內(nèi)部中間位置的壓重部件的質(zhì)量來模擬建筑物在上部荷載改變時(shí)地下室底板的受力情況；提取多通道數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)，得到固定承壓水作用下地下室模型底板下的孔隙水壓力和地基土壓力的大小及分布規(guī)律。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的試驗(yàn)裝置能夠提供高穩(wěn)定水位，模擬高承壓水頭作用，同時(shí)，由于水泵無需一直運(yùn)行且兩臺水泵可相互補(bǔ)充，協(xié)調(diào)工作，因此每臺泵的損耗都較小，減小了故障率，節(jié)能環(huán)保，降低了試驗(yàn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益；還可通過改變配重模擬建筑物上部荷載改變時(shí)地下室底板的受力情況。

2、本發(fā)明利用純凈水做水源既可減少水中氣體對土體飽和度的影響，避免出現(xiàn)不確定性較大的土體非飽和問題，又可減少水中氣體對試驗(yàn)儀器測量精度的影響，還可以減少水中離子對試驗(yàn)儀器和管路的侵蝕。

3、本發(fā)明利用粗砂緩沖承壓水壓力，可使水壓均勻分布；利用細(xì)砂貯存承壓水，與實(shí)際水文、地質(zhì)環(huán)境接近；細(xì)砂與弱/不透水層直接接觸，可更好地模擬在承壓水作用下地基土層之間力的大小和分布規(guī)律；常重力試驗(yàn)下不改變土體微觀結(jié)構(gòu)，使得水土相互作用關(guān)系與實(shí)際情況一致。

附圖說明

圖1是本發(fā)明模擬承壓水作用下地下室底板受力的試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)連接示意圖。

圖2是本發(fā)明填土完成后基坑模型箱的俯視圖。

圖3是本發(fā)明基坑模型箱外框的主視圖。

其中，1儲水箱，2水泵，3止回閥，4安全閥，5穩(wěn)壓罐，6水壓傳感器，7過濾器，8控制器，9基坑模型箱，9-1角鋼，9-2鋼肋條，9-3鋼板，9-4鋼底座，9-5敞口鋼化玻璃容器，9-6閥門，10-1敞口不銹鋼容器，10-2壓重部件，11-1粗砂，11-2細(xì)砂，11-3弱/不透水層，12管路，13純凈水。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

如圖1、圖2、圖3所示，一種模擬承壓水作用下地下室底板受力的試驗(yàn)裝置，主要由儲水箱1、水泵2、止回閥3、穩(wěn)壓罐5、安全閥4、水壓傳感器6、過濾器7、控制器8、基坑模型箱9、管路12、按地質(zhì)條件配置的土層、地下室模型和量測系統(tǒng)組成。

儲水箱1內(nèi)裝有純凈水13；水泵2由兩臺同型號的相互并聯(lián)，試驗(yàn)時(shí)可協(xié)同工作；水泵2揚(yáng)程大于等于20米，可提供高承壓水頭；水泵2的進(jìn)水口通過管路12與儲水箱1連通；管路12由不銹鋼管連接而成，可減小高水壓下管路12的變形，減小試驗(yàn)誤差；水泵2的出水口安裝有止回閥3并通過管路12與穩(wěn)壓罐5、基坑模型箱9相互連通，可防止管路12中的純凈水13倒流；水泵2與控制器8相連并通過控制器8的指令開啟或關(guān)閉；基坑模型箱9由敞口鋼化玻璃容器9-5和外框組成，敞口鋼化玻璃容器9-5恰好嵌套在外框內(nèi)；敞口鋼化玻璃容器9-5由前后左右及底部五塊鋼化玻璃組成，可方便觀測試驗(yàn)現(xiàn)象；敞口鋼化玻璃容器9-5左右兩側(cè)的鋼化玻璃開孔設(shè)有閥門9-6，最高處閥門9-6的底部與土層頂面對齊，試驗(yàn)時(shí)保持開啟以方便排水，使得試驗(yàn)土體表面不存在積水；敞口鋼化玻璃容器9-5底部的鋼化玻璃在中心開孔以便連接過濾器7；基坑模型箱9底部按地質(zhì)條件填筑的土層由底向上依次為粗砂11-1、細(xì)砂11-2和弱/不透水層11-3；弱/不透水層11-3滲透系數(shù)小于1×10^-4cm/s；外框由位于容器棱處的角鋼9-1、鋼肋條9-2、中心開孔的鋼板9-3和鋼底座9-4焊接而成，可約束在承壓水作用下敞口鋼化玻璃容器9-5的變形，防止水沿內(nèi)壁流到土層頂面，減小試驗(yàn)誤差；基坑模型箱9底部進(jìn)水口安裝有過濾器7，防止土顆粒阻塞管路；水壓傳感器6安裝在過濾器7的進(jìn)水方向；水壓傳感器6與控制器8相連，用于監(jiān)測管路12水壓以開啟或關(guān)閉控制器8；穩(wěn)壓罐5接口處的管路上裝有安全閥4，可在壓力異常升高時(shí)開啟泄壓，防止管路12壓力突增對試驗(yàn)儀器造成破壞；地下室模型由敞口不銹鋼容器10-1和壓重部件10-2組成；敞口不銹鋼容器10-1外壁光滑，可減少外壁摩阻力的影響；量測系統(tǒng)包括微型滲壓計(jì)、微型土壓力計(jì)和多通道數(shù)據(jù)采集儀；微型滲壓計(jì)和微型土壓力計(jì)埋設(shè)于敞口不銹鋼容器10-1底板下方；微型滲壓計(jì)和微型土壓力計(jì)可根據(jù)試驗(yàn)需要改變埋設(shè)數(shù)量；微型滲壓計(jì)和微型土壓力計(jì)通過線纜與多通道數(shù)據(jù)采集儀連接。

一種模擬承壓水作用下地下室底板受力的試驗(yàn)裝置使用步驟如下：

(1)連接各試驗(yàn)裝置或儀器，于儲水箱1中加滿足試驗(yàn)需要的純凈水13，在敞口鋼化玻璃容器9-5內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，再按地質(zhì)條件由下往上依次分層填筑粗砂11-1、細(xì)砂11-2和弱/不透水層11-3，邊填筑邊夯實(shí)，當(dāng)土層填筑至預(yù)定高度時(shí)，在預(yù)埋地下室模型底板下方根據(jù)試驗(yàn)需求埋設(shè)微型滲壓計(jì)和微型土壓力計(jì)，于其線纜上均勻涂抹凡士林并引出線纜與多通道數(shù)據(jù)采集儀連接，然后埋置地下室模型，并在敞口不銹鋼容器10-1外壁均勻涂抹凡士林，繼續(xù)填筑土層至土層頂部與敞口鋼化玻璃容器9-5左右兩側(cè)最高處閥門9-6的底部對齊，打開多通道數(shù)據(jù)采集儀預(yù)熱，凡士林用于止水；

(2)設(shè)定穩(wěn)壓罐5的工作氣壓，設(shè)定安全閥4壓力值，利用多通道數(shù)據(jù)采集儀開始采集數(shù)據(jù)，開啟兩臺水泵2，純凈水13經(jīng)由兩臺水泵2加壓后通過管路12進(jìn)入穩(wěn)壓罐5和基坑模型箱9內(nèi)，過濾器7用于防止基坑模型箱9中填筑的土顆粒阻塞管路；

(3)基坑模型箱9中粗砂11-1和細(xì)砂11-2逐漸飽和，穩(wěn)壓罐5中純凈水13進(jìn)入導(dǎo)致氣壓逐漸升高并達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)水壓傳感器6測得管路12的水壓達(dá)到設(shè)定值后，反饋給控制器8，控制器8關(guān)閉兩臺水泵2；

(4)止回閥3可阻止穩(wěn)壓罐5中的純凈水13回流至水泵2，基坑模型箱9中的水壓由穩(wěn)壓罐5來維持穩(wěn)定，微型滲壓計(jì)和微型土壓力計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測敞口不銹鋼容器10-1底板下孔隙水壓力和土壓力的大??；

(5)由于土層滲流等原因，穩(wěn)壓罐5中純凈水13逐漸減少而不能維持既定水壓，水壓傳感器6測得的水壓低于設(shè)定值時(shí)，控制器8重新開啟任一臺水泵2進(jìn)行補(bǔ)水增壓工作，此時(shí)，穩(wěn)壓罐5中純凈水13進(jìn)入導(dǎo)致氣壓逐漸升高重新達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)水壓傳感器6測得的水壓又達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制器8關(guān)閉水泵2，完成補(bǔ)水穩(wěn)壓工作，如果某臺水泵2出現(xiàn)故障，可由另一臺水泵2完成補(bǔ)水增壓工作，不影響試驗(yàn)進(jìn)程；

(6)在不中斷試驗(yàn)的情況下，可通過改變放置于敞口不銹鋼容器10-1內(nèi)部中間位置的壓重部件10-2的質(zhì)量來模擬建筑物在上部荷載改變時(shí)地下室底板的受力情況；

(7)因偶然因素導(dǎo)致管路12水壓力異常增大時(shí)，安全閥4可自動(dòng)開啟泄壓，保護(hù)試驗(yàn)儀器設(shè)備；

(8)提取多通道數(shù)據(jù)采集儀的數(shù)據(jù)，得到固定承壓水頭下地下室模型底板下的孔隙水壓力和地基土壓力的大小及分布規(guī)律。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。