[發(fā)明專利]高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統

有效

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• 申請日: 2010-04-14
• 公開（公告）號: CN101806669A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發(fā)明（設計）人: 向科;周順華;詹超
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01M19/00
• 分類號: G01M19/00
• 代理公司: 上海申蒙商標專利代理有限公司 31214
• 代理人: 徐小蓉

技術領域

本發(fā)明涉及一種土工室內試驗裝置，具體涉及一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統。

背景技術

合理確定地下結構所受到的浮力，對于地下工程的安全性、經濟性和可靠性至關重要。由于學術界和工程界對此在理論上缺乏統一認識，目前普遍以試驗作為最重要和可靠的研究手段。以下對于目前通常采用的實驗裝置進行分析及介紹：

圖1所示裝置現有浮力模型試驗中最為常見的一種，其基本過程為：首先將內箱2放入外箱1中合適的高度，內箱2中注滿水，再將飽和介質3放入外箱1、內箱2之間。而后逐漸抽取內箱2中的水，一旦內箱2開始移動，則可知內箱2受浮力影響開始上浮，此時即為其平衡狀態(tài)，而后稱取內箱2中的水的重量即可依照式（1.1）進行計算浮力。

????????????????????（1.1）

式中N－總浮力；

W－內箱2自重、W_w－內箱2中水重；

F_m－內箱側壁13與介質3的摩擦力。

內箱側壁13與介質3的摩擦力通常按式（1.2）計算：

????????????????????（1.2）

式中l(wèi)－內箱2的周長；

B－內箱2與外箱1介質3接觸的外壁高度；

σ－內箱側壁13正應力；

f－摩擦系數。

摩擦系數通常采用測定斜坡下滑角度的方法，如圖2所示。其基本操作為將裝有飽和介質3的容器倒扣在光滑玻璃板4上，并使飽和介質3稍凸出容器，而后將下玻璃板4逐漸傾斜，當飽和介質3開始下滑時，記錄傾角α，摩擦系數f?=tanα。

上述方法的優(yōu)點是可以直接測定出模型結構（內箱2）在不同介質3中，不同埋深下實際受到的浮力大小。但稍加分析即可發(fā)現，采用該方法測定的模型所受浮力的精度是非常有限的，其原因主要有三個方面：側壁摩擦力、浮起狀態(tài)的判定和內箱2姿態(tài)控制，下面就這三個方面進行分析。

（1）側壁摩擦力

由式（1.1）可知，浮力計算時側壁摩擦力是其組成部分，因此側壁摩擦力準確與否直接影響試驗結果的準確性。這里式（1.2）所采用的計算摩擦力的方法實際上是按照庫倫摩擦定律來計算的，即單位面積上的摩擦力等于摩擦系數乘以正應力，如圖3所示。因此，側壁摩擦力的計算需要解決作用在側壁上的土壓力的大小和分布，以及側壁與介質3的摩擦系數兩個方面的問題。側壁上的土壓力的按式（1.3）計算，即：

????????????????????????（1.3）

式中σ－水平土壓力；

K－水平土壓力系數；

σ_z－豎向土壓力。

試驗中側壁周圍的土層寬度是很小的，與理想的半無限空間存在顯著差異，因此此時的豎向土壓力與理想條件下的值可能存在較大的差別。對于不同的介質3而言，計算豎向土壓力時土的重度的取值目前也存在較大爭議。再有計算填筑形成的介質3在壁后形成的水平推力時，水平土壓力系數的如何取值也是一個問題。而就側壁與土的摩擦系數而言，考慮到土體的固結變形性狀，在不同的應力水平和固結狀態(tài)下，二者之間的摩擦特性可能會發(fā)生改變，進而使得摩擦系數也發(fā)生變化。而采用圖2所示方法無法反映出這種變化。因此，可以說計算所得的側壁摩擦力值是存在明顯系統誤差的，而且由于可能引起誤差的因素太多，對于誤差的大小和規(guī)律很難作出判定。

在這種情況下，一種解決思路是采用了在側壁表面涂抹硅油的辦法，并認為這樣處理之后摩阻力基本完全消除。顯然，涂抹硅油是可以在一定程度上減小側壁與土體之間的摩阻力，但由于硅油的潤滑效果是有限的，要達到光滑接觸是不太可能的。因此砂土中測得的地下室模型所受浮力與模型理論上所受的浮力存在偏差的原因，除了人為的操作誤差外，主要原因是地下室模型所受摩擦力并沒有通過涂抹硅油而完全消除。隨著基礎埋深的不斷加大，相應的側壁摩擦力也逐漸增大，試驗所測的浮力也越來越偏離理論計算值。那么，如果能夠通過一定的技術手段消除側壁摩擦力，該試驗方法的精度便可以大大提高。

（2）浮起狀態(tài)的判定

該試驗方法的另一個關鍵是找到減小內箱2重量的過程中，內箱2開始移動的那一瞬間所對應的內箱2重量進行浮力的計算。如何捕捉這一極限浮力平衡狀態(tài)呢？