[發明專利]一種可模擬動態承壓水作用土體的試驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201810098500.1
• 申請日: 2018-01-31
• 公開（公告）號: CN108593513A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 應宏偉;王迪;章麗莎;許鼎業;沈華偉;朱成偉;李哲偉;陳川;虞展望;張宇宣
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N3/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

本發明公開了一種可模擬動態承壓水作用土體的試驗裝置及方法，該裝置包括主體圓筒、數據采集儀、真空泵和承壓水壓力控制系統；承壓水壓力控制系統包括有機玻璃圓筒裝置、流量計和電子閥；主體圓筒包括從上至下依次連接的蓋板、一節頂部圓筒、若干節中間圓筒、一節底部圓筒和小車；主體圓筒不同高度上安裝孔隙水壓力計固定裝置。本發明可模擬地基中承壓水的動態連續變化過程；量測計算動態承壓水作用下地基的水土壓力和變形，整理相關試驗數據并確定地基受力和變形發展規律等問題；探求動態承壓水變化的均值、幅值和速率對地基穩定性的影響，為動態承壓水作用引起的地基問題研究提供有效的試驗數據支持，并對于之后理論分析模型提供依據。

技術領域

本發明涉及一種地基模型試驗裝置，尤其涉及一種可模擬動態承壓水作用土體的試驗裝置及方法，可用于模擬可簡化為一維的弱透水性地基土體，當承壓水位動態變化時的水土壓力響應情況，地基的沉降隨等承壓水頭變化的規律，研究動態承壓水作用下地基的破壞條件和破壞模式。

背景技術

在沿江、濱海等地區，弱透水層底部承壓水位多具有動態變化的特點，這種變化的原因大多來自于海洋或者潮汐的影響，降雨、地下工程泄露也會引起承壓水頭的變化。這種變化會引起弱透水層土體的水土壓力分布變化，進而影響土體的變形和穩定。在現有理論和規范不完善的條件下，在這些地區進行工程建設或要給定一個過大的安全系數，或面臨潛在的風險。

在動態承壓水的作用下，弱透水層土體的性狀是很難界定的，在滲流場和應力場耦合作用的條件下，土體性狀可能會發生很大變化，這種變化用現有理論不能很好地解釋，致使土體本構模型的選取面臨很大的難度，而若想用理論解析或數值方法進行研究，土體本構模型的選取起著至關重要的作用。由此看來，在承壓水動態變化的條件下，用試驗的方法進行研究是現階段比較可靠的研究方法。用試驗的方法，無需假定此種條件下土體的本構關系，在施加與實際工程相當的應力邊界條件及位移邊界條件下，可以直接模擬承壓水位的連續動態變化，由于實際條件被很好地模擬，因此通過讀取數據及現象分析，即可得到土體中的水土應力分布情況，位移情況等，進一步揭示弱透水層在動態變化的承壓水作用下的響應規律，完善現有理論及規范。

目前，在已有的與動態承壓水相關的1g試驗研究中，大部分研究為縮小比尺的三維模型試驗研究，幾乎沒有土單元體的試驗。土工單體尺度下的縮尺模型試驗往往對不同實際工程中的局部場地行為進行模擬，如基坑開挖、隧道開挖等。這些縮尺模型試驗往往關注整個試驗區域內的孔壓分布、變形規律、土壓力分布以及結構內力等等，從而對實際工程中的某些關鍵數值進行預測、模擬，但無法揭示這些表觀現象之下的內在規律，對新的本構、計算理論的建立沒有太大的用處。與之相對應的是，以三軸試驗為代表的土單元體試驗則旨在于解決上述的問題，更多關注土體本身的各種本構關系，在與承壓水相關的科學研究中，承壓水壓力在土體中如何進行傳播則為土單元體研究中的關鍵問題。

從現有的試驗看來，大量的土工試驗在模擬承壓水的動態變化時，一般使水壓力逐級增加或下降，壓力值較為離散，這與實際工程中的水壓力連續變化不相一致，得出的結論難以應用到實際工程。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種可模擬動態承壓水作用土體的試驗裝置及方法，通過設計一維土單元體模型試驗獲得受底部動態承壓水影響的弱透水層中的水土壓力，并根據試驗結果揭示弱透水層在底部動態承壓水作用下的響應規律，獲悉土體中孔壓傳播的模式，總結規律并進而應用到工程計算之中。對于許多工程建設中的某些大面積的區域，都可以將其簡化為一維地基模型以應用該模型所帶來的研究成果，如大面積基坑的坑底中心區域，開挖隧道的遠場等。并且，用電子閥和流量計組成的水壓控制裝置，可以實現水位的連續變化，因此可以研究承壓水壓力變化時的均值、幅值以及變化周期對于弱透水層性狀的影響研究；并且設計了可以調節高度的主體圓筒，因此弱透水層的厚度的影響也可以被精確地研究，試驗人員可以根據所在地區的實際情況自由選取土層厚度、承壓水頭的均值，變化的幅值和周期進行試驗。