一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置及试验方法，该装置包括：多层土体承托装置，内部自下而上铺设有砂性土层和黏性土层；导流管，从多层土体承托装置底部插入，内部填充有至顶端齐平的砂土；水位控制系统，与导流管连接；气缸加载系统，用对多层土体承托装置中的土体施加可控负荷；伺服系统，与水位控制系统和气缸加载系统连接；数据采集系统，包括孔隙水压传感器、水压传感器、位移传感器和土压传感器；数据处理终端，分别与气缸加载系统、水位控制系统、数据采集系统连接。与现有技术相比，本发明专利技术可对高水头作用下黏性土层失稳破坏进行准确实验，且具有操作方便、精度高、易于观察的优点。易于观察的优点。易于观察的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置及试验方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程室内物理试验模拟
，尤其是涉及一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置。

技术介绍

[0002]城市的快速发展对地下空间开发提出了新的要求，大量超大超深的基坑工程随之涌现，并由于发达城市主要集中在滨海及沿江地区，而这些地区地层条件复杂，并分布着丰富的承压水。承压水对深基坑工程安全及稳定有着重要影响，是深基坑工程变形及失稳的关键因素之一，由承压水引发的基坑坑底突涌失稳也成为基坑工程中的热点问题。
[0003]传统岩土工程1g室内模型试验是在常重力条件下进行的，由于实际工程尺寸过大，故室内试验常为缩尺模型，依据土体自重应力，缩尺模型带来的是土体深度的倍缩，进而改变土体自重应力场，不能反映现场实际的应力状态，导致模型试验模拟实际工程面对着较大的困难，此外耦合了基坑开挖的模型试验也难以量化坑底弱透水层性质对承压水作用下基坑坑底稳定性的影响；同时现有试验模拟的均为承压含水层均匀连续分布的形式，而实际地层中，承压含水层厚度并不均匀，甚至成透镜状分布，这都成为基坑坑底局部突涌失稳的不利因素。现有规范验算公式也仅针对理想的简化土层形式进行验算，且未考虑土层抗剪强度的影响，造成结果较为保守。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种实验结果准确性更高的黏性土层水力顶升破坏模型试验装置及试验方法，可以模拟基坑原始地应力状态，基坑坑底弱透水层不同厚度、抗剪强度，以及不同承压含水层水头的条件，适用范围广、模拟精度高。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]根据本专利技术的第一方面，提供了一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置，该装置包括：
[0007]多层土体承托装置，内部自下而上铺设有砂性土层和黏性土层；
[0008]导流管，从所述多层土体承托装置底部插入，所述导流管内部填充有至顶端齐平的砂土；
[0009]水位控制系统，与所述导流管连接，通过对导流管中试验水位控制以模拟承压水头；
[0010]气缸加载系统，用于对多层土体承托装置中的土体施加大小可控的负荷；
[0011]伺服系统，分别与所述水位控制系统和气缸加载系统连接；
[0012]数据采集系统，包括设置在导流管顶端的孔隙水压传感器、设置在导流管进水管道上的水压传感器、以及用于测取气缸加载时多层土体承托装置中土体的位移以及所受负荷的位移传感器和土压传感器；
[0013]数据处理终端，分别与气缸加载系统、水位控制系统、数据采集系统连接。
[0014]优选地，所述多层土体承托装置包括多个高度可分别设置的中空玻璃筒、金属圆环和设置在底端的承托圆盘；
[0015]所述多个中空玻璃筒由锁紧螺杆及金属圆环拼装在一起并固定于所述承托圆盘上；所述导流管从所述多层土体承托装置底部插入，且超出所述承托圆盘设定高度；所述导流管与所述承托圆盘相接处做密封处理。
[0016]优选地，所述中空玻璃筒为圆柱形中空玻璃筒；
[0017]所述黏性土层与所述砂性土层的铺设采用承压水地层中上部为黏性弱透水层，下部为承压含水层的组合形式。
[0018]优选地，所述多层土体承托装置为可拆卸的多层土体承托装置，用于在实际试验中，拆除顶部的模型玻璃筒以进行后续围压加载试验。
[0019]优选地，所述承托圆盘等高处设有水平放置的带孔有机玻璃板；所述承托圆盘底部开有若干小孔，小孔处设置有阀门，并通过排水软管与水位控制系统连通。
[0020]优选地，所述水位控制系统包括通过管道依次连接的水箱、水泵和阀门，并接至导流管；
[0021]所述水压传感器设置在阀门和导流管的连接管道上，以测取进入导流管的水压。
[0022]优选地，所述气缸加载系统包括加载反力架、气缸加载装置、以及分别与多层土体承托装置内土体接触的用于进行固结加载的加载板或用于进行围压加载的加载环；
[0023]所述气缸加载装置固定在所述加载反力架上，所述气缸加载系统通过设有的加长杆与所述加载板或加载环连接，以施加负荷作用于多层土体承托装置中土体上；所述土压传感器设置在所述加长杆的杆顶。
[0024]优选地，所述加载反力架的底部设置有滑轮。
[0025]优选地，所述数据采集系统还包括数码成像记录装置；所述数据处理终端还配置有动态信号测试分析装置。
[0026]根据本专利技术的第二方面，提供了一种承压水引发基坑坑底弱透水层失稳破坏的模拟试验方法，采用任一项所述的装置，所述方法包括以下步骤：
[0027]步骤S1、试验所需黏性土层、砂性土层分别采用黏土与砂土制备，将黏土按实际含水率加水搅拌制成重塑土可得黏性土层土样，将砂土去除颗粒杂质并烘干得到砂性土样；
[0028]步骤S2、砂土分别布置于承托圆盘上与导流管内，导流管内砂土布置至与导流管顶端齐平，并于导流管顶部放置孔隙水压力传感器，而后再加入制备好的黏土泥浆；
[0029]步骤S3、通过伺服系统启动气缸加载系统进行固结加载，逐级调整加载压力至预设值，实时采集加载压力及位移数据；
[0030]步骤S4、固结加载完成后进行围压加载，对黏性土层施加上覆土压力，实时采集土压力数据，达到预设压力时通过伺服系统控制气缸加载系统以保持围压稳定；
[0031]步骤S5、通过伺服系统控制水位控制系统，将水泵至导流管顶面，实时采集孔隙水压数据；
[0032]步骤S6、逐级增大水压力，每一级水压力保持稳定设定时长；
[0033]步骤S7、重复步骤S6直至黏性土层失稳破坏。
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0035]1)本专利技术能在1g条件下，针对承压水地层基坑坑底突涌稳定性问题，可以模拟基坑原始地应力状态，基坑坑底弱透水层不同厚度、抗剪强度，以及不同承压含水层水头的条件，适用范围广、模拟精度高，试验装置整体体积小，原理简单明确，操作方便，通过试验研究分析可解决现有设计理论中无法考虑黏土抗剪强度对抵抗承压水隆起的有利作用导致设计浪费的问题；
[0036]2)本专利技术通过调节气缸加载系统和水位控制系统，可以实现固结加载和水力加载的连续精确变化；同时，采用气缸加载装置可在较小设备体积的情况下实现较大的加载压力；通过水管将导流管通过与水位控制系统相连，可精确调节试验水位的大小以模拟承压水头；
[0037]3)本专利技术通过采用不同高度的多层模型玻璃筒设计，可精确控制固结后的黏性土层厚度，以模拟基坑底部到承压水层顶面黏土层厚度；
[0038]4)本专利技术通过采用直径小于多套模型玻璃筒的导流管，且导流管外的砂性土层高度低于导流管高出承托圆盘部分，可防止延伸至多套模型玻璃筒壁的破裂面产生以及水通过多套模型玻璃筒的筒壁渗出至黏性土层顶部，以致得不到预计的试验结果；
[0039]5)通过将加载板拆装替换为加载环可对黏性土层施加上覆土压力以模拟基坑未开挖土体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置，其特征在于，该装置包括：多层土体承托装置，内部自下而上铺设有砂性土层和黏性土层；导流管(4)，从所述多层土体承托装置底部插入，所述导流管(4)内部填充有至顶端齐平的砂土；水位控制系统，与所述导流管(4)连接，通过对导流管(4)中试验水位控制以模拟承压水头；气缸加载系统，用于对多层土体承托装置中的土体施加大小可控的负荷；伺服系统(6)，分别与所述水位控制系统和气缸加载系统连接；数据采集系统，包括设置在导流管(4)顶端的孔隙水压传感器、设置在导流管(4)进水管道上的水压传感器(10)、以及用于测取气缸加载时多层土体承托装置中土体的位移以及所受负荷的位移传感器和土压传感器；数据处理终端，分别与气缸加载系统、水位控制系统、数据采集系统连接。2.根据权利要求1所述的一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置，其特征在于，所述多层土体承托装置包括多个高度可分别设置的中空玻璃筒(1)，金属圆环(2)，以及设置在底端的承托圆盘(3)；所述多个中空玻璃筒(1)由锁紧螺杆及金属圆环(2)拼装在一起并固定于所述承托圆盘(3)上；所述导流管(4)从所述多层土体承托装置底部插入，且超出所述承托圆盘(3)设定高度；所述导流管(4)与所述承托圆盘(4)相接处做密封处理。3.根据权利要求2所述的一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置，其特征在于，所述中空玻璃筒(1)为圆柱形中空玻璃筒；所述黏性土层与所述砂性土层的铺设采用承压水地层中上部为黏性弱透水层，下部为承压含水层的组合形式。4.根据权利要求2所述的一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置，其特征在于，所述多层土体承托装置为可拆卸的多层土体承托装置，用于在实际试验中，拆除顶部的中空玻璃筒(1)以进行后续围压加载试验。5.根据权利要求2所述的一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置，其特征在于，所述承托圆盘(4)等高处设有水平放置的带孔有机玻璃板；所述承托圆盘(3)底部开有若干小孔，小孔处设置有阀门，并通过排水软管与水位控制系统连通。6.根据权利要求1所述的一种黏性土层水力顶升破坏模型试验装置，其特征在于，所述水位控制系统包括通过管道依...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄茂松，俞剑，李弈杉，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：