一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研究方法技术

本发明专利技术涉及基坑突涌研究领域，旨在提供一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研究方法。该种基坑突涌演示仪包括演示仪箱体、蓄水箱、基坑模型和监测系统；所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，所述蓄水箱能进行升降，内设有隔板，所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪，所述基坑模型包括砾石层、软土层、围护桩模型、工程桩模型。该种基坑突涌实验研究方法，利用基坑突涌演示仪用以模拟工程实际或用以进行基坑突涌机制的研究。本发明专利技术结构简单、成本低廉，维护费用低，易于上手，模型材料可重复利用，不会造成浪费与污染，也不需要依靠离心机进行实验，也不需要如原型试验一般使用巨大的场地。

【技术实现步骤摘要】
一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研究方法
本专利技术是关于基坑突涌研究领域，特别涉及一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研究方法。
技术介绍
近年来，随着我国城市地下铁道、高层建筑、人防工程等基础设施的迅速发展，深基坑工程日益增多，深基坑工程开挖施工的地质条件和环境也日益复杂，其工程事故率和损失也越来越大。而在深基坑工程中，地下水防是治一项事关全局的工作，特别是在沿海地区，地下水是导致基坑工程事故最直接的原因之一。根据统计，约有一半以上的基坑事故与地下水有关。地下水按其埋藏条件一般包括上层滞水、潜水和承压水这三类。其中，承压水是地表以下充满于两个稳定隔水层之间承受静水压力的含水层中的重力水，承压水常分布于松散地层，埋藏于场地下部，具有承压性，承压力大小与该含水层补给区与排泄区的地势有关；水量由含水层或含水构造的性质、渗透性等决定。软土地区承压水基坑突涌模式主要有3种：接触面涌水涌砂破坏、整体顶升破坏和隔水层表面砂沸破坏。然而，回顾承压水基坑抗突涌稳定分析方法的研究现状，我们可以发现：①传统的压力平衡法在评判承压水基坑突涌稳定性时，只考虑了承压含水层顶隔水层土体自重力引起的抗力，没有考虑隔水层土体内聚力、摩擦力，其计算结果不合理。②均质连续构件分析法，将坑底隔水层土体假定为均质线弹性梁、板单元来分析。实际工程中，软土地区坑底承压含水层以上的隔水层为非均质、成层分布的非弹性土体，而且当隔水层厚度与基坑跨度之比较大时，简化成梁、板单元分析显然不合理。③均质连续体法，假设突涌破坏体为均质方柱体或圆柱体，这一假定与软土地区承压水基坑突涌破坏形式相差较大。实际工程中，基坑突涌破坏形式，要么为坑底被承压水水头压力顶破，出现网状或树枝状裂缝；要么为坑底发生流砂、流土或类似于“沸腾”的喷水冒砂现象。因此，对于某一特定基坑在承压水作用下发生何种形式的突涌，突涌的内在机制研究，无论是学术界还是工程界都是亟待解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能填补目前关于基坑突涌研究领域空白的基坑突涌演示仪及基坑突涌实验研究方法。为解决上述技术问题，本专利技术的解决方案是：提供一种基坑突涌演示仪，包括演示仪箱体、蓄水箱和监测系统；所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，演示仪箱体的底部为(厚度大于10mm的)钢板，演示仪箱体的四面侧壁为有机玻璃，且四面侧壁的外部箍紧有铁条，用于增加演示仪箱体的承压能力；所述演示仪箱体上开有两个箱体进水口、一个箱体排水口和一个测压口，箱体进水口、测压口分别设在演示仪箱体的侧壁上，箱体排水口设在演示仪箱体的底部，且箱体进水口、箱体排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；演示仪箱体的内部用于装设基坑模型，演示仪箱体的顶部装有可拆卸的网格支架，网格支架通过卡扣实现可拆卸地定位固定在演示仪箱体的顶部；所述蓄水箱安装在导轨上，并连接有电机，蓄水箱能利用电机提供的动力，沿导轨进行升降，且能通过电机控制升降速度；蓄水箱内设有隔板，用于将蓄水箱内部分隔为蓄水区和排水区，且隔板高度为蓄水箱箱体高度的2/3；蓄水箱上开有一个蓄水箱进水口与四个蓄水箱排水口，蓄水箱进水口、蓄水箱排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；所述蓄水箱进水口设置在蓄水区的上方，一个蓄水箱排水口设置在排水区的底部，三个蓄水箱排水口设置在蓄水区的底部，且蓄水区底部的其中两个蓄水箱排水口分别通过塑料软管与演示仪箱体的两个箱体进水口连接；所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪；所述测压管为标有刻度的透明玻璃管，利用测压管支架垂直固定在演示仪箱体外部，测压管通过塑料软管与演示仪箱体的测压口连接，用于监测演示仪箱体内承压水层的实际水头高度(水头高度是指隔板高度与蓄水箱底部至演示仪箱体底部垂直距离之和，而根据达西定律，水在砾石层中渗流会损失水头高度，因此需要测出实际的水头高度)；所述位移百分表的表盘固定在演示仪箱体顶部的网格支架上，并将位移百分表的测量头布置于基坑模型的工程桩模型顶部与桩间土表面，用于监测基坑底部土体与桩顶竖直位移；所述应变片埋设在工程桩模型的桩内，并通过导线采用半桥接法与应变监测仪连接(应变片与应变监测仪间的导线不应触碰基坑模型其余部分)，用于监测工程桩模型的形变。在本专利技术中，所述演示仪箱体上测压口的高度高于箱体进水口的高度；测压管的高度大于蓄水箱的水头最大高度。在本专利技术中，所述演示仪箱体上的箱体进水口、测压口、箱体排水口处都设置有滤网，用于防止土体堵塞管道。在本专利技术中，所述蓄水箱中的隔板与蓄水箱的底部垂直设置。在本专利技术中，所述蓄水箱的升降范围满足：蓄水箱降至高度最低时，蓄水箱内部的水位高度能低于演示仪箱体上箱体进水口的高度；蓄水箱升至高度最高时，蓄水箱内部的水位高度能高于演示仪箱体的高度。在本专利技术中，所述基坑突涌演示仪还包括基坑模型，基坑模型包括砾石层、软土层、围护桩模型、工程桩模型；所述砾石层铺设在演示仪箱体内部的下层，且砾石层顶部在靠近演示仪箱体四周处，涂有用于减少接触面渗透的防水硅胶；所述软土层采用经(较小固结压力)固结后的软土(具体土的种类根据试验所模拟的工程情况进行选择)，软土层铺设在砾石层的上部；所述围护桩模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的围护桩模型(其材料应保证基坑模型不发生较大形变)，围护桩模型的布置位置按照所模拟工程进行布置；所述工程桩模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的混凝土工程桩模型，工程桩模型的布置位置按照所模拟工程进行布置。在本专利技术中，所述砾石层的层顶高度高于箱体进水口的高度，并与测压口的高度相同(需要要求砾石层渗透性较好)。在本专利技术中，所述测压管的零刻度位置与砾石层的顶部处于同一水平位置。在本专利技术中，所述工程桩模型每一个水平截面均匀布置4片应变片，每一根工程桩布置3个截面。提供基于所述的一种基坑突涌演示仪的基坑突涌实验研究方法，具体包括如下步骤：步骤A：制作围护桩模型与工程桩模型，并在制作工程桩模型时预先将应变片编号完毕后埋入工程桩模型内；步骤B：向演示仪箱体内部铺设下层的砾石层，保证层顶平整，砾石层的高度高于箱体进水口的高度；步骤C：向演示仪箱体内部铺设上层的软土层，且分层夯实以模拟实际土质情况；布置围护桩模型、工程桩模型与位移百分表(布置工程桩模型时，若实验对象为挤土桩，则在软土层铺设完毕后插入土体；若实验对象为非挤土桩，则在铺设软土层时预先埋入；布置布置位移百分表与埋有应变片的工程桩模型时，可按照中心密集，四周稀疏的原则进行布置)；步骤D：将蓄水箱、测压管连接到演示仪箱体，将应变片连接至应变监测仪(应变片与应变监测仪的接线不宜张拉过紧以影响实验效果)；步骤E：将蓄水箱降至最低高度后开始注水，当水位达到平稳后，即测压管中的实际水头高度保持稳定，不再变化时，(缓慢)提升蓄水箱，通过测压管读出实际水头高度(期间需严密监测位移百分表与应变检测仪的读数并做记录)；在实验持续阶段，箱体排水口应处于开启状态以保持砾石层中有流动的承压水；步骤F：当达到实验结束条件中的任意一种情况时，实验研究结束；所述实验结束条件包括：条件1)水头高度稳定在预先设定的目标高度，即测压管中的实际水头高度稳定在预先设定的目标高度，并持续1小时，位移百分表及应变片读数基本保持不变；条件2)水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基坑突涌演示仪，其特征在于，包括演示仪箱体、蓄水箱和监测系统；所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，演示仪箱体的底部为钢板，演示仪箱体的四面侧壁为有机玻璃，且四面侧壁的外部箍紧有铁条，用于增加演示仪箱体的承压能力；所述演示仪箱体上开有两个箱体进水口、一个箱体排水口和一个测压口，箱体进水口、测压口分别设在演示仪箱体的侧壁上，箱体排水口设在演示仪箱体的底部，且箱体进水口、箱体排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；演示仪箱体的内部用于装设基坑模型，演示仪箱体的顶部装有网格支架，网格支架通过卡扣实现可拆卸地定位固定在演示仪箱体的顶部；所述蓄水箱安装在导轨上，并连接有电机，蓄水箱能利用电机提供的动力，沿导轨进行升降，且能通过电机控制升降速度；蓄水箱内设有隔板，用于将蓄水箱内部分隔为蓄水区和排水区，且隔板高度为蓄水箱箱体高度的2/3；蓄水箱上开有一个蓄水箱进水口与四个蓄水箱排水口，蓄水箱进水口、蓄水箱排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；所述蓄水箱进水口设置在蓄水区的上方，一个蓄水箱排水口设置在排水区的底部，三个蓄水箱排水口设置在蓄水区的底部，且蓄水区底部的其中两个蓄水箱排水口分别通过塑料软管与演示仪箱体的两个箱体进水口连接；所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪；所述测压管为标有刻度的透明玻璃管，利用测压管支架垂直固定在演示仪箱体外部，测压管通过塑料软管与演示仪箱体的测压口连接，用于监测演示仪箱体内承压水层的实际水头高度；所述位移百分表的表盘固定在演示仪箱体顶部的网格支架上，并将位移百分表的测量头布置于基坑模型的工程桩模型顶部与桩间土表面，用于监测基坑底部土体与桩顶竖直位移；所述应变片埋设在工程桩模型的桩内，并通过导线采用半桥接法与应变监测仪连接，用于监测工程桩模型的形变。...

【技术特征摘要】
1.一种基坑突涌演示仪，其特征在于，包括演示仪箱体、蓄水箱和监测系统；所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，演示仪箱体的底部为钢板，演示仪箱体的四面侧壁为有机玻璃，且四面侧壁的外部箍紧有铁条，用于增加演示仪箱体的承压能力；所述演示仪箱体上开有两个箱体进水口、一个箱体排水口和一个测压口，箱体进水口、测压口分别设在演示仪箱体的侧壁上，箱体排水口设在演示仪箱体的底部，且箱体进水口、箱体排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；演示仪箱体的内部用于装设基坑模型，演示仪箱体的顶部装有网格支架，网格支架通过卡扣实现可拆卸地定位固定在演示仪箱体的顶部；所述蓄水箱安装在导轨上，并连接有电机，蓄水箱能利用电机提供的动力，沿导轨进行升降，且能通过电机控制升降速度；蓄水箱内设有隔板，用于将蓄水箱内部分隔为蓄水区和排水区，且隔板高度为蓄水箱箱体高度的2/3；蓄水箱上开有一个蓄水箱进水口与四个蓄水箱排水口，蓄水箱进水口、蓄水箱排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；所述蓄水箱进水口设置在蓄水区的上方，一个蓄水箱排水口设置在排水区的底部，三个蓄水箱排水口设置在蓄水区的底部，且蓄水区底部的其中两个蓄水箱排水口分别通过塑料软管与演示仪箱体的两个箱体进水口连接；所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪；所述测压管为标有刻度的透明玻璃管，利用测压管支架垂直固定在演示仪箱体外部，测压管通过塑料软管与演示仪箱体的测压口连接，用于监测演示仪箱体内承压水层的实际水头高度；所述位移百分表的表盘固定在演示仪箱体顶部的网格支架上，并将位移百分表的测量头布置于基坑模型的工程桩模型顶部与桩间土表面，用于监测基坑底部土体与桩顶竖直位移；所述应变片埋设在工程桩模型的桩内，并通过导线采用半桥接法与应变监测仪连接，用于监测工程桩模型的形变。2.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述演示仪箱体上测压口的高度高于箱体进水口的高度；测压管的高度大于蓄水箱的水头最大高度。3.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述演示仪箱体上的箱体进水口、测压口、箱体排水口处都设置有滤网，用于防止土体堵塞管道。4.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述蓄水箱中的隔板与蓄水箱的底部垂直设置。5.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述蓄水箱的升降范围满足：蓄水箱降至高度最低时，蓄水箱内部的水位高度能低于演示仪箱体上箱体进水口的高度；蓄水箱升至高度最高时，蓄水箱内...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宏磊，蔡袁强，杨逸敏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33