高精度地下结构静水浮力模型试验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种土工室内试验装置，具体涉及一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，包括外箱、内箱及一用于测量所述内箱位移的监测装置，所述试验系统使用时外箱和内箱之间设置饱和介质，及将所述监测装置放置于或部分放置于所述内箱中，其特征在于：所述内箱由内箱侧壁和内箱底板组成，所述内箱底板设于内箱侧壁一端内形成间隙配合，内箱底板通过柔性止水带与所述内箱侧壁密封连接；所述内箱侧壁与所述外箱可活动式连接固定。本发明专利技术的优点是：消除了摩擦力对浮力测试结果的影响，能准确判定结构浮起状态，纯水中内箱底板所受浮力实测值基本等于浮力理论值，二者最大相差＋０．９３％，平均相差仅＋０．０７％，系统参数准确，试验误差小、数据可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种土工室内试验装置，具体涉及一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统。
技术介绍
合理确定地下结构所受到的浮力，对于地下工程的安全性、经济性和可靠性至关 重要。由于学术界和工程界对此在理论上缺乏统一认识，目前普遍以试验作为最重要和可 靠的研究手段。以下对于目前通常采用的实验装置进行分析及介绍图1所示装置现有浮力模型试验中最为常见的一种，其基本过程为首先将内箱2放入 外箱1中合适的高度，内箱2中注满水，再将饱和介质3放入外箱1、内箱2之间。而后逐渐 抽取内箱2中的水，一旦内箱2开始移动，则可知内箱2受浮力影响开始上浮，此时即为其 平衡状态，而后称取内箱2中的水的重量即可依照式(1. 1)进行计算浮力。Ww + W + Fm = Ar(1. 1)式中N—总浮力；W—内箱2自重、Ww—内箱2中水重； Fm —内箱侧壁13与介质3的摩擦力。内箱侧壁13与介质3的摩擦力通常按式(1. 2)计算Fm =1^σβζ(1. 2)式中1一内箱2的周长； B —内箱2与外箱1介质3接触的外壁高度； σ 一内箱侧壁13正应力；f 一摩擦系数。摩擦系数通常采用测定斜坡下滑角度的方法，如图2所示。其基本操作为将装有 饱和介质3的容器倒扣在光滑玻璃板4上，并使饱和介质3稍凸出容器，而后将下玻璃板4 逐渐倾斜，当饱和介质3开始下滑时，记录倾角α，摩擦系数f=tan α。上述方法的优点是可以直接测定出模型结构(内箱2)在不同介质3中，不同埋深 下实际受到的浮力大小。但稍加分析即可发现，采用该方法测定的模型所受浮力的精度是 非常有限的，其原因主要有三个方面侧壁摩擦力、浮起状态的判定和内箱2姿态控制，下 面就这三个方面进行分析。(1)侧壁摩擦力由式(1. 1)可知，浮力计算时侧壁摩擦力是其组成部分，因此侧壁摩擦力准确与否直接 影响试验结果的准确性。这里式(1. 2)所采用的计算摩擦力的方法实际上是按照库伦摩擦 定律来计算的，即单位面积上的摩擦力等于摩擦系数乘以正应力，如图3所示。因此，侧壁 摩擦力的计算需要解决作用在侧壁上的土压力的大小和分布，以及侧壁与介质3的摩擦系 数两个方面的问题。侧壁上的土压力的按式(1.3)计算，即σ=ΚσΣ(1.3)式中σ —水平土压力； K一水平土压力系数； σζ—竖向土压力。 试验中侧壁周围的土层宽度是很小的，与理想的半无限空间存在显著差异，因此 此时的竖向土压力与理想条件下的值可能存在较大的差别。对于不同的介质3而言，计算 竖向土压力时土的重度的取值目前也存在较大争议。再有计算填筑形成的介质3在壁后形 成的水平推力时，水平土压力系数的如何取值也是一个问题。而就侧壁与土的摩擦系数而 言，考虑到土体的固结变形性状，在不同的应力水平和固结状态下，二者之间的摩擦特性可 能会发生改变，进而使得摩擦系数也发生变化。而采用图2所示方法无法反映出这种变化。 因此，可以说计算所得的侧壁摩擦力值是存在明显系统误差的，而且由于可能引起误差的 因素太多，对于误差的大小和规律很难作出判定。在这种情况下，一种解决思路是采用了在侧壁表面涂抹硅油的办法，并认为这样 处理之后摩阻力基本完全消除。显然，涂抹硅油是可以在一定程度上减小侧壁与土体之间 的摩阻力，但由于硅油的润滑效果是有限的，要达到光滑接触是不太可能的。因此砂土中测 得的地下室模型所受浮力与模型理论上所受的浮力存在偏差的原因，除了人为的操作误差 夕卜，主要原因是地下室模型所受摩擦力并没有通过涂抹硅油而完全消除。随着基础埋深的 不断加大，相应的侧壁摩擦力也逐渐增大，试验所测的浮力也越来越偏离理论计算值。那 么，如果能够通过一定的技术手段消除侧壁摩擦力，该试验方法的精度便可以大大提高。(2)浮起状态的判定该试验方法的另一个关键是找到减小内箱2重量的过程中，内箱2开始移动的那一瞬 间所对应的内箱2重量进行浮力的计算。如何捕捉这一极限浮力平衡状态呢？一种方法是在外箱1四角安设测定水位的标尺，从内箱2中分次少量抽水，当外箱1水 位标尺读数发生变化时，认为此时即为极限浮力平衡状态。这种方法对于浮起状态的判定 精度显然是有限的。首先，由于内、外箱1底面积相差数倍，当外箱1水位高度发生降低时， 内箱2必然已经发生了很大的上浮量。假定水位标尺的读数精度为mm，而外箱1底面积为 内箱2底面积的4倍，介质3体积不变，那么当外箱1饱和介质3水位发生Imm的下降时， 就意味着内箱2已经上浮多达4mm。此上浮量下，对于砂土和经过固结的黏性土而言，上浮 前后内箱2底部的受力状态可能已经发生了改变，甚至可能出现内箱2底部与下部土体脱 开的情况，从而使得浮力实测值偏离实际。另一种方法是在内箱2设置量力环来实现对浮起状态的判定，即在内箱2上部设 置一量力环，量力环通过传力杆与内箱2底部中心相接触。在内箱2抽水前通过调整升降 台使量力环的指针归零，当抽水至某一重量，指针刚好摆动时，这说明内箱2正处于临界平 衡状态，即量力杆自重、内箱2自重与箱内水重之和与浮力相平衡。这种方法的精度受量力环精度的影响，同时为防止传力杆左右摆动，在模型槽的 顶端需采用支架进行固定，并做消除摩擦的处理，这将进一步影响到试验的精度。另外，对于渗透性较小的介质3，即便内箱2重量已经减小到小于其受到的浮力， 内箱2也不会马上浮起，而是会经历一定时间之后才缓慢浮起达到新的平衡位置。那么，这 就要求对于上浮状态的观测是需要长时间连续进行的。因此，如果能够有一个明确的、而不是以“读数发生变化时”或“指针刚好摆动时”这种模糊的标准来对内箱2极限浮力平衡状 态进行判定的话，将有助于提高试验的精度、可靠性和可比性。 (3)模型姿态控制如图4所示，当模型室存在一定角度的偏转时，模型室侧壁上的水(土)压力将存在竖向 分量，从而影响到摩擦力与浮力的测试结果。试验中由于内箱2是仅受周围介质3约束，在 填筑介质3的过程中很难确保其不会发生偏转，由此可能使得试验结果明显失真，或者降 低不同组别试验结果的可比性。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种高精度地下结构静水浮 力模型试验系统，该试验系统通过断开模型室(内箱)侧壁与底板、选用柔性止水带密封止 水和采用水准仪观测三方面措施，较好地克服了以往模型试验中的缺点与不足之处，大幅 度提高了地下结构浮力试验的精度。本专利技术目的实现由以下技术方案完成一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，包括外箱、内箱及一用于测量所述内箱 位移的监测装置，所述试验系统使用时外箱和内箱之间设置饱和介质，及将所述监测装置 放置于或部分放置于所述内箱中，其特征在于所述内箱由内箱侧壁和内箱底板组成，所述 内箱底板设于内箱侧壁一端内形成间隙配合，内箱底板通过柔性止水带与所述内箱侧壁密 封连接；所述内箱侧壁与所述外箱可活动式连接固定。所述内箱侧壁和内箱底板之间的相对面中的至少一个设置有滚珠，以限定所述内 箱底板和内箱侧壁之间相对移动方向。所述内箱侧壁和内箱底板之间相对面上分别对应设置有垂直的凹槽以配合构成 定位滑槽，所述定位滑槽内放置有至少一个滚珠。所述外箱侧壁及内箱侧壁上对应开设有定位孔，并穿设螺杆相对固定。所述试验系统包括有若干测压装置，所述测压装置包括测压管和玻璃管，所述测 压管为水平设置的中空圆管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度地下结构静水浮力模型试验系统，包括外箱、内箱及一用于测量所述内箱位移的监测装置，所述试验系统使用时外箱和内箱之间设置饱和介质，及将所述监测装置放置于或部分放置于所述内箱中，其特征在于：所述内箱由内箱侧壁和内箱底板组成，所述内箱底板设于内箱侧壁一端内形成间隙配合，内箱底板通过柔性止水带与所述内箱侧壁密封连接；所述内箱侧壁与所述外箱可活动式连接固定。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：向科，周顺华，詹超，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]