本发明公开了种模拟承压水头升降的地基模型试验装置。包括模型箱、承压架空层、承压水头调节系统、传感器固定装置和量测系统;模型箱底部设置承压架空层;承压架空层与承压水头调节系统连接,通过调节承压水头调节系统的马里奥特瓶来控制模型箱内承压水头的升降;量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机;本发明可模拟承压水头升降时承压层和上覆弱透水性地基土体之间的相互作用;量测不同承压水头下地基的水土压力和变形,整理相关试验数据并确定地基受力和变形发展规律等问题,为承压水升降引起的地基问题研究提供有效的试验数据支持,并对于之后理论分析模型提供依据。
1.一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)、承压架空层(2)、承压水头调节系统、传感器固定装置(8)和量测系统五个部分；所述模型箱(1)由前后左右以及底部五块有机玻璃组成；所述模型箱(1)左右两个侧面的上部均安装出水阀门(3)，出水阀门(3)底部与试验土体顶面齐平；所述模型箱(1)的底部一侧安装第一通水阀门(4-1)用于饱和土体，另一侧安装第二通水阀门(4-2)用于连通承压水头调节系统；所述承压架空层(2)由带通水孔的有机玻璃板(2-1)、有机玻璃短柱(2-2)和反滤土工织物(2-3)组成；所述带通水孔的有机玻璃板(2-1)底部固定有机玻璃短柱(2-2)，放置于模型箱(1)内，并与模型箱(1)的四个侧面密封连接；所述带通水孔的有机玻璃板(2-1)表面粘贴反滤土工织物(2-3)；所述承压水头调节系统由水压计(5)、支架(6)和马里奥特瓶(7)组成；所述水压计(5)通过三通管连接模型箱(1)和马里奥特瓶(7)；所述支架(6)的顶端安装定滑轮(6-1)，钢丝绳(6-2)一端连接手摇器(6-3)，另一端绕过定滑轮(6-1)连接马里奥特瓶(7)，通过手摇器(6-3)控制马里奥特瓶(7)的升降调节承压水头的大小；所述马里奥特瓶(7)由有机玻璃圆筒(7-1)、进气阀门(7-2)、第三通水阀门(7-3)、出气阀门(7-4)和气囊(7-5)组成；所述有机玻璃圆筒(7-1)底部设置进气阀门(7-2)和第三通水阀门(7-3)，顶部设置出气阀门(7-4)；所述进气阀门(7-2)与气囊(7-5)连接；所述传感器固定装置(8)由不锈钢支架(8-1)、尼龙板(8-2)和螺栓(8-6)组成；所述传感器固定装置(8)通过螺栓(8-6)固定在模型箱(1)内的后侧面上；所述尼龙板(8-2)固定在不锈钢支架(8-1)上，不锈钢支架(8-1)和尼龙板(8-2)上开有贯穿的安装微型孔隙水压力传感器的圆孔(8-3)，尼龙板(8-2)上开有安装微型土压力盒的圆孔(8-4)，不锈钢支架(8-1)和尼龙板(8-2)上开有导线槽(8-5)；所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机；所述微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒通过信号传输线连接多通道数据采集仪；所述数码照相机放置于模型箱正前方。
2.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述气囊(7-5)内装有1atm的氮气。
3.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述有机玻璃圆筒(7-1)内装有无气水(10)。
4.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，模型箱(1)内的底部试验土体为砾砂(9-1)，以模拟承压土层；上覆试验土体为弱透水性土体(9-2)，采用无气水饱和。
5.根据权利要求4所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述的弱透水性土体(9-2)为粘质粉土。
6.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动；可根据拍摄需要增设光源。
7.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述传感器固定装置(8)的位置可根据试验的需要进行调整，其数量可根据试验的需要增加；
传感器固定装置(8)应安装在不影响数码照相机拍摄的模型箱(1)侧面。
8.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述带通水孔的有机玻璃板(2-1)与模型箱(1)的四个侧面通过玻璃胶密封连接。
9.根据权利要求1所述的一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，其特征在于，所述手摇器(6-3)具有自锁功能。
模拟承压水头升降的地基模型试验装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地基模型试验装置，特别是涉及承压水头升降条件下的地基模型试验装置，可用于模拟承压水头升降时承压层和上覆弱透水性地基土体之间的相互作用，研究不同承压水头下地基的水土压力响应和变形问题。
背景技术
[0002] 在滨海、沿江地区不仅地下水丰富，地基土层常呈强、弱透水层间的互层分布，工程中常面临深基坑坑底弱透水层以下尚存在承压层的情况，承压水作用引起的基坑变形和失稳问题是该类地区深基坑工程的重大风险源之一。对于大面积基坑的中心区域可以简化为地基模型，可通过设计地基模型试验的方法来揭示该区域的承压水头变化引起的坑底弱透水层水土响应和变形规律。
[0003] 相比于理论解析方法和有限元数值方法的研究采用既定的土体本构模型，计算得到的承压水头变化引起的土体水土压力和变形大小对计算参数的选取具有很大的依赖性；实际工程中较难进行对基坑坑底(位于基坑开挖区域内)的水土压力实时监测，进行大量相似的工程监测数据统计分析以获得承压水头变化引起的坑底弱透水层的变形规律的方法也很难实现；鉴于常重力下土工模型试验，不影响土体微观结构，土颗粒尺寸及土颗粒间相互作用关系与实际情况相符，能客观反映承压水和坑底弱透水层土颗粒之间的相互作用，广泛应用于考虑土体应力应变关系的微观研究。传统的承压水作用的相关土工模型试验研究，不考虑水中气体进入试验土体可能引起的非饱和土问题。
发明内容
[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了模拟承压水头升降的地基模型试验装置，解决了试验中承压水头升降的模拟问题，可模拟承压水头升降时承压层和上覆弱透水性地基土体之间的相互作用，量测不同承压水头下地基的水土压力和变形，整理相关试验数据并确定承压水头升降下地基的受力和变形发展规律等问题，为承压水升降引起的地基问题研究提供有效的试验数据支持，并为之后理论分析模型提供依据。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟承压水头升降的地基模型试验装置，包括模型箱、承压架空层、承压水头调节系统、传感器固定装置和量测系统五个部分；所述模型箱由前后左右以及底部五块有机玻璃组成，可方便观测试验中土体的变形；所述模型箱左右两个侧面的上部均安装出水阀门，出水阀门底部与试验土体顶面齐平，试验过程中出水阀门保持打开以便及时排水，使得试验土体的水位线保持恒定；所述模型箱的底部一侧安装第一通水阀门用于饱和土体，另一侧安装第二通水阀门用于连通承压水头调节系统；所述承压架空层由带通水孔的有机玻璃板、有机玻璃短柱和反滤土工织物组成；
所述带通水孔的有机玻璃板底部固定有机玻璃短柱，放置于模型箱内，并与模型箱的四个侧面密封连接；所述带通水孔的有机玻璃板表面粘贴反滤土工织物，防止承压水头变化过程中试验土体的流失；所述承压水头调节系统由水压计、支架和马里奥特瓶组成；所述水压计通过三通管连接模型箱和马里奥特瓶；所述支架的顶端安装定滑轮，钢丝绳一端连接手摇器，另一端绕过定滑轮连接马里奥特瓶，通过手摇器控制马里奥特瓶的升降调节承压水头的大小；所述马里奥特瓶由有机玻璃圆筒、进气阀门、第三通水阀门、出气阀门和气囊组成；所述有机玻璃圆筒底部设置进气阀门和第三通水阀门，顶部设置出气阀门；所述进气阀门与气囊连接；所述传感器固定装置由不锈钢支架、尼龙板和螺栓组成；所述传感器固定装置通过螺栓固定在模型箱内的后侧面上；所述尼龙板固定在不锈钢支架上，不锈钢支架和尼龙板上开有贯穿的安装微型孔隙水压力传感器的圆孔，尼龙板上开有安装微型土压力盒的圆孔，不锈钢支架和尼龙板上开有导线槽用于放置微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的信号传输线；所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机；所述微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒通过信号传输线连接多通道数据采集仪；所述数码照相机放置于模型箱正前方。
[0006] 进一步地，所述气囊内装有1atm的氮气。
[0007] 进一步地，所述有机玻璃圆筒内装有无气水。
[0008] 进一步地，模型箱内的底部试验土体为砾砂，以模拟承压土层；上覆试验土体为弱透水性土体，采用无气水饱和。
[0009] 进一步地，所述的弱透水性土体为粘质粉土。
[0010] 进一步地，所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动；可根据拍摄需要增设光源。
[0011] 进一步地，所述传感器固定装置的位置可根据试验的需要进行调整，其数量可根据试验的需要增加；传感器固定装置应安装在不影响数码照相机拍摄的模型箱侧面。
[0012] 进一步地，所述带通水孔的有机玻璃板与模型箱的四个侧面通过玻璃胶密封连接。
[0013] 进一步地，所述手摇器具有自锁功能。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0015] 1、本发明中采用承压架空层提供承压砾砂层承压水头压力的方法，与天然承压水的埋藏条件相近；承压砾砂层与上覆弱透水性土层直接接触将客观模拟承压水头升降过程中承压层与上覆弱透水性土层之间的相互作用，有利于进一步揭示承压水头升降引起的地基土体水土压力响应和地基土体变形规律；常重力条件下进行试验研究，不影响地基土体的微观结构，使得土颗粒尺寸及土颗粒间相互作用关系与实际情况相符，有利于开展涉及土颗粒间相互作用的微观研究。
[0016] 2、本发明在试验前采用无气水饱和试验土体，试验过程中提供无气承压水环境，使得试验土体的孔隙充满无气水，如上操作有两点益处：一是避免水中气泡进入弱透水性土层引起土体的非饱和问题(与饱和土相比，非饱和土的力学特性存在较大差异和不确定性)；二是避免水中气泡干扰微型孔隙水压力传感器影响其测量精度。
[0017] 3、本发明采用改进的马里奥特瓶，通过气囊内的氮气平衡马里奥特瓶内外的气压，利用氮气难溶于水的特性，为试验土体营造无气承压水环境，有效避免常规的马里奥特瓶供水时溶于水中的气泡引起的土体非饱和土问题；利用手摇器的自锁功能固定马里奥特瓶的高度保证提供稳定的承压水头压力；水压计连接模型箱与承压水头调节系统，可精确读取施加的承压水头压力的大小。
[0018] 4、本发明利用传感器固定装置固定微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒，有效避免试验过程中土体变形导致传感器测量位置变化而影响测试精度。
附图说明
[0019] 图1为模拟承压水头升降的地基模型试验装置侧视图。
[0020] 图2为填土前的模型箱俯视图。
[0021] 图3为承压架空层结构示意图。
[0022] 图4(a)为传感器固定装置侧视图。
[0023] 图4(b)为传感器固定装置俯视图。
[0024] 图4(c)为传感器固定装置剖面图。
[0025] 图中：模型箱1；承压架空层2；带通水孔的有机玻璃板2-1；有机玻璃短柱2-2；反滤土工织物2-3；出水阀门3；第一通水阀门4-1；第二通水阀门4-2；水压计5；支架6；定滑轮6-1；钢丝绳6-2；手摇器6-3；马里奥特瓶7；有机玻璃圆筒7-1；进气阀门7-2；第三通水阀门7-
3；出气阀门7-4；气囊7-5；传感器固定装置8；不锈钢支架8-1；尼龙板8-2；微型孔隙水压力传感器安装圆孔8-3；微型土压力盒安装圆孔8-4；导线槽8-5；螺栓8-6；砾砂9-1；弱透水性土体9-2；无气水10。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0027] 如图1、图2所示，本发明模拟承压水头升降的地基模型试验装置，包括模型箱1、承压架空层2、承压水头调节系统、传感器固定装置8和量测系统五个部分。
[0028] 所述模型箱1由前后左右以及底部五块有机玻璃组成，可方便观测试验中土体的变形；所述模型箱1左右两个侧面的上部均安装出水阀门3，出水阀门3底部与试验土体顶面齐平，试验过程中出水阀门3保持打开以便及时排水，使得试验土体的水位线保持恒定；所述模型箱1的底部一侧安装第一通水阀门4-1用于饱和土体，底部另一侧安装第二通水阀门4-2用于连通承压水头调节系统；所述承压架空层2由带通水孔的有机玻璃板2-1、有机玻璃短柱2-2和反滤土工织物2-3组成；所述带通水孔的有机玻璃板2-1底部固定有机玻璃短柱
2-2，放置于模型箱1内，并与模型箱1的四个侧面通过玻璃胶密封连接；所述带通水孔的有机玻璃板2-1表面粘贴反滤土工织物2-3，防止承压水头变化过程中试验土体的流失；所述承压水头调节系统由水压计5、支架6和马里奥特瓶7组成；所述水压计5通过三通管连接模型箱1和马里奥特瓶7；所述支架6的顶端安装定滑轮6-1，钢丝绳6-2一端连接手摇器6-3，另一端绕过定滑轮6-1连接马里奥特瓶7，通过手摇器6-3控制马里奥特瓶7的升降调节承压水头的大小；所述马里奥特瓶7由有机玻璃圆筒7-1、进气阀门7-2、第三通水阀门7-3、出气阀门7-4和气囊7-5组成；所述有机玻璃圆筒7-1底部设置进气阀门7-2和第三通水阀门7-3，顶部设置出气阀门7-4；所述进气阀门7-2与气囊7-5连接；所述有机玻璃圆筒7-1内的液体为无气水10；所述气囊7-5内装有1atm的氮气；所述传感器固定装置8由不锈钢支架8-1、尼龙板8-2和螺栓8-6组成；所述传感器固定装置8通过螺栓8-6固定在模型箱1内的后侧面上；所述传感器固定装置8的位置可根据试验的需要进行调整，其数量可根据试验的需要增加；所述传感器固定装置8应安装在不影响数码照相机拍摄的模型箱1侧面；所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、多通道数据采集仪和数码照相机；所述微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的信号传输线连接在多通道数据采集仪上；所述数码照相机放置于模型箱正前方，可根据拍摄需要增设光源；所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动；模型箱1内的底部试验土体为砾砂9-1(以模拟承压土层)，上覆试验土体为弱透水性土体9-2(如粘质粉土等)，采用无气水饱和。
[0029] 如图3所示，所述带通水孔的有机玻璃板2-1使得承压架空层2中的无气水与砾砂9-1承压层水力连通，提供砾砂9-1承压层的承压水头压力；所述带通水孔的有机玻璃板2-1的厚度、通水孔的排布和有机玻璃短柱2-2的排布应满足受力计算要求，使得承压架空层2足以承受试验土体的重量。
[0030] 如图4(a)、4(b)、4(c)所示，所述尼龙板8-2固定在不锈钢支架8-1上，不锈钢支架8-1和尼龙板8-2上开有贯穿的安装微型孔隙水压力传感器的圆孔8-3，尼龙板8-2上开有安装微型土压力盒的圆孔8-4，不锈钢支架8-1和尼龙板8-2上开有导线槽8-5用于放置微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的信号传输线。
[0031] 本发明的工作过程如下：首先向模型箱1内分层装填砾砂9-1夯实，填筑至指定高度；分层装填弱透水性土体9-2夯实，填至传感器固定装置8底部时，暂停填土，在模型箱1长轴一侧的中央位置安装传感器固定装置8，用螺栓8-6拧紧固定；而后在传感器固定装置8上安装微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒，由导线槽8-5引出孔隙水压力传感器和土压力盒的信号传输线，将信号传输线连接在多通道数据采集仪上；继续分层装填弱透水性土体9-2夯实，直至填土完成，由第一通水阀门4-1以6L/天的速度向模型箱1通无气水饱和试验土体砾砂9-1和弱透水性土体9-2，待土体完全饱和之后关闭第一通水阀门4-1，打开出水阀门3，在整个试验过程中出水阀门3保持开启状态。
[0032] 打开第三通水阀门7-3和出气阀门7-4，通过第三通水阀门7-3向马里奥特瓶7的有机玻璃圆筒7-1内注入无气水10，由出气阀门7-4排出有机玻璃圆筒7-1内的气体；待有机玻璃圆筒7-1内注满无气水，关闭第三通水阀门7-3和出气阀门7-4；通过进气阀门7-2连接装有1atm氮气的气囊7-5；而后通过第二通水阀门4-2连接模型箱1和承压水头调节系统。
[0033] 将数码照相机置于模型箱1正前方，调节相机参数，设置数码照相机的自动拍摄时间间隔为20s；若实验室光线不足，可在数码照相机两侧增设Led光源；利用数据采集仪采集记录试验初始状态下微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的读数，利用数码照相机拍摄试验初始状态下的试验土体照片；打开第二通水阀门4-2、第三通水阀门7-3和进气阀门7-2，并在试验过程中保持开启状态；通过手摇器6-3调节马里奥特瓶7的高度，由水压计5读取承压水头大小；将承压水头升高至第一级水头压力，利用手摇器6-3的自锁功能固定马里奥特瓶7的高度，打开数据采集仪连续采集记录该级水头压力下微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的读数，同时触发数码照相机；待数据采集仪显示的传感器读数稳定之后，暂停数据采集和图像拍摄；采用如前所述的方法继续增加至下一级的承压水头压力，直至达到试验要求的承压水头压力为止；通过数据采集仪采集记录各级承压水头压力下微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的读数，由数码照相机拍摄各级承压水头压力下试验土体变形的照片。
[0034] 通过分析数据采集仪采集记录的各级承压水头压力下微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的读数，得出各级承压水头下地基土中的水土压力响应规律；通过对数码照相机所拍摄的照片进行PIV图像分析，得出土体的位移场，从而得知地基土体随承压水头变化的变形规律。
