一种模拟沉井发生翻砂突沉的试验装置论文和设计-章露露

全文摘要

本实用新型公开了一种模拟沉井发生翻砂突沉的试验装置，包括模型箱，沉井侧壁的前侧边和后侧边分别通过带滚轮的滑轨竖直连接到模型箱的前、后侧面；模型箱底部有填土，填土中还设置有多层彩砂以及多个土压力盒；沉井侧壁的上部还连接有加载装置；沉井侧壁将模型箱的填土上方分割为左、右两部，左部填砂中由下至上还布置有多层彩砂、多个孔隙水压力计；沉井侧壁的左、右两侧还分别设置有电控单向阀水箱。使用本装置进行沉井翻砂突沉模拟试验，通过控制沉井井壁内外侧水位差来使沉井发生翻砂突沉，确定沉井翻砂突沉时内外侧水位差、突沉速率及突沉量，研究翻砂突沉前后渗透力、端部阻力及侧摩阻力之间的关系，确定翻砂影响范围及通道。

主设计要求

1.一种模拟沉井发生翻砂突沉的试验装置，其特征在于，包括模型箱，模型箱的前侧面透明，前侧面外侧还设置有高速摄像机；还包括沉井侧壁，沉井侧壁的上侧边设置有位移计，下侧边设置有刃脚踏面和刃脚斜面，刃脚斜面倾角为45度，并设置有多个土压力盒；所述沉井侧壁的前侧边和后侧边分别通过带滚轮的滑轨竖直连接到模型箱的前侧面中部和后侧面中部；模型箱底部有填土，试验前填土表面与沉井侧壁的底端在同一水平线上，沉井侧壁下方的填土中还设置有多层彩砂以及多个土压力盒；沉井侧壁的上部还连接有用于试验前拉住沉井侧壁以及试验时将沉井侧壁压入下方填土中的加载装置；所述沉井侧壁将模型箱的填土上方分割为左、右两部，左、右两部分别设置有注水管，沉井侧壁左侧面上部还设置有模拟沉井台阶的凹槽，并用与凹槽厚度相等的平板填平后，对模型箱左部填砂完成模型并固结后，将平板竖直向上抽出，以模拟土体由于台阶而产生的松弛；左部填砂中由下至上还布置有多层彩砂，靠近沉井侧壁的填砂中还由下至上布置多个孔隙水压力计，远离沉井侧壁的填砂中还由下至上布置多个孔隙水压力计和土压力盒；左部填砂的高度不高于试验时沉井侧壁压入下方填土后其上侧边的高度；沉井侧壁的左、右两侧还分别设置有电控单向阀水箱。

设计方案

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及土木建筑行业中沉井基础技术领域，特别是一种模拟沉井发生翻砂突沉的试验装置。

背景技术

随着国民经济建设逐步稳定地发展，基础建设项目日益增多，各类工程建设规模也日益扩大，重大项目包括高耸建筑大跨度结构、地下洞室群、深大基础、高坝、海洋工程等日益增多，他们的共同特点是施工规模大、范围广、周期长、过程复杂。沉井作为一种地基基础，其特点是刚度大、承载力高、抗渗耐久性好，内部空间可利用，可在很大深度地下工程及复杂地形和地质条件下施工，目前已广泛利用于各领域。

在复杂多变的地层中实施沉井，由于不同土层间承载能力差异较大、摩擦系数多变等特性，极易产生突沉、翻砂和超沉，沉井下沉的速度和方向极难控制。为了揭示沉井下沉中翻砂突沉的机理，建立翻砂突沉的计算模型，怎样使得沉井模型发生翻砂突沉，并且再现原型应力场，这是至今尚未能够很好解决的试验难题。

实用新型内容

为了克服上述问题，在原型应力场下，使得沉井模型发生翻砂突沉，以便揭示沉井翻砂突沉的机理，本实用新型以相似原理为基础，提出了一种模拟沉井发生翻砂突沉的试验装置。

实现本实用新型目的的技术方案如下：

一种模拟沉井发生翻砂突沉的试验装置，包括模型箱，模型箱的前侧面透明，前侧面外侧还设置有高速摄像机；还包括沉井侧壁，沉井侧壁的上侧边设置有位移计，下侧边设置有刃脚踏面和刃脚斜面，刃脚斜面倾角为45度，并设置有多个土压力盒；所述沉井侧壁的前侧边和后侧边分别通过带滚轮的滑轨竖直连接到模型箱的前侧面中部和后侧面中部；模型箱底部有填土，试验前填土表面与沉井侧壁的底端在同一水平线上，沉井侧壁下方的填土中还设置有多层彩砂以及多个土压力盒；沉井侧壁的上部还连接有用于试验前拉住沉井侧壁以及试验时将沉井侧壁压入下方填土中的加载装置；所述沉井侧壁将模型箱的填土上方分割为左、右两部，左、右两部分别设置有注水管，沉井侧壁左侧面上部还设置有模拟沉井台阶的凹槽，并用与凹槽厚度相等的平板填平后，对模型箱左部填砂完成模型并固结后，将平板竖直向上抽出，以模拟土体由于台阶而产生的松弛；左部填砂中由下至上还布置有多层彩砂，靠近沉井侧壁的填砂中还由下至上布置多个孔隙水压力计，远离沉井侧壁的填砂中还由下至上布置多个孔隙水压力计和土压力盒；左部填砂的高度不高于试验时沉井侧壁压入下方填土后其上侧边的高度；沉井侧壁的左、右两侧还分别设置有电控单向阀水箱。

使用本实用新型的装置，通过土工离心模型试验，进行沉井翻砂突沉模拟试验，通过控制沉井井壁内外侧水位差来使沉井发生翻砂突沉，确定沉井翻砂突沉时内外侧水位差、突沉速率及突沉量，研究翻砂突沉前后渗透力、端部阻力及侧摩阻力之间的关系，确定翻砂影响范围及通道。相较于在重力场中开展的室内模型试验，沉井下沉阻力离心模型试验能再现原型的应力场，可以更好地满足力学相似性；通过布置彩砂，来确定沉井翻砂突沉时土体流动通道和范围。

附图说明

图1是本实用新型的俯视图。

图2是本实用新型的正视图。

图3是沉井侧壁的刃脚示意图。

图4是沉井侧壁外侧传感器布置图。

图5是加载装置与沉井侧壁的连接示意图。

其中，1-沉井侧壁，2-滑轨，3-高速摄像机，4-土压力盒，5-孔隙水压力计，6-彩砂，7-位移计，8-加载装置，9-填平沉井侧壁的凹槽的平板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

1.模型箱长80cm、宽70cm、高70cm。模型箱有4个侧面，其中一侧为有机玻璃板，可进行试验观测；另外三侧不透明。从有机玻璃板侧观察，模型箱左边填砂，中间为模拟沉井侧壁的钢板，右边为操作系统箱，操作系统箱底部以下6cm为填土表面，右边的填土高度为12cm，填土表面与沉井刃脚底端在同一水平线上。在模型箱四个角位置竖向布置4根PVC管，管侧壁开有若干小孔，待试验模型制作完成后，往管内缓慢注水，使模型从底部向上渗水，当水面高于土表面1-2cm时停止注水，左右液面高度一致，使土样达到饱和状态。

2.模型箱左边底部以上的52cm为填砂，在沉井模型刃脚及侧壁附近范围内的土体，每间隔3-5cm的厚度布置一层彩砂，以便对比试验前后彩砂的位移情况。填砂时，在台阶凹陷位置用一块厚0.2cm平板填平，后将砂填到指定高度，完成模型并固结后，将平板竖直向上抽出，模拟土体由于台阶而产生的松弛。在填的砂土表面以上2cm设置高度为16cm的水箱，水箱长30cm、宽20cm，从有机玻璃板侧观察，模型箱左边前后两侧各设一只。离模型箱左侧15cm处，竖直方向布置土压力盒和孔隙水压力计。

3.沉井侧壁高50cm，其刃脚以上一段侧壁厚度为2cm，刃脚踏面为0.3cm，刃脚斜面倾角为45度。在离沉井侧壁底部以上8cm处设置0.2cm厚的凹槽，这是为了模拟沉井台阶。由于大型沉井都是有20-30cm的内缩台阶，因此沉井侧壁设置台阶是该设计的技术特征。凹槽高度为42cm。因此，从沉井侧壁顶部以下42cm，其厚度一直为1.8cm。在有机玻璃板一侧，沉井侧壁紧靠有机玻璃板，在沉井侧壁上粘上2-4mm的硅胶板，再涂上玻璃胶来进行防水。通过将沉井壁内侧用带滚轮的滑轨固定，滑轨通过钢横撑固定在模型箱上。刃脚斜面处的土压力采用土压力盒来进行监测。沉井侧壁左侧布置孔隙水压力计。

4.从有机玻璃板侧观察，右边的操作系统箱长32cm、宽23.2cm、高36cm。操作系统箱中为水箱电控单向阀，阀门是220V的交流电。该操作系统箱与支架撑相连，支架撑上部设有两根槽钢。槽钢长度方向为左右侧，每根槽钢的腰上两边各设置2个孔，用8个螺栓搭接在模型箱顶部，以便和加载系统相连。左边的两只水箱通过螺栓分别搭接在两根槽钢上。试验前，使得左边的两个水箱中装满水，右边的操作系统箱没有水；试验中，右边的水流入右边的操作系统箱中，左边的水通过渗流作用来补充右边，打开电控阀门，使左边两只水箱中的水通过重力流下来，以补充左边，保持左右液面高度一致，使得水面一直高于土表面1-2cm。在试验中，在沉井侧壁顶部布置加载系统并施加竖向荷载。加载系统根据电机来确定电源，电机规格不同，电压不同。并且，水箱电控单向阀和加载系统没有连接或控制关系，是分开的。试验前，加载装置用以拉住沉井侧壁；试验时，加载装置用以将沉井侧壁压入土体中。施加的是恒定位移，为0.3cm\/s，最终将沉井侧壁压入土中3cm。

5.在沉井侧壁左侧表面预留放置土压力盒与孔隙水压计的圆孔，将土压力盒、孔隙水压计嵌入，并走线至沉井侧壁右侧。从有机玻璃板侧观测，模型箱左侧面，离竖向中心线10cm两侧各布置7个土压力盒，从模型箱底部以上，7个土压力盒的间距分别为3、3、4、5、10、10cm；侧面顶部两侧各布置1个位移计。

6.利用激光位移计实时量测沉井侧壁顶部的位移，计算沉井突沉量和突沉速率。

7.在有机玻璃外侧进行高速摄像，记录土体变形全过程。

采用本实用新型进行模拟沉井翻砂突沉时，基本的过程为：

1.把沉井简化为二维模型，仅将沉井刃脚及外壁作为研究对象制作模型，通过将沉井井壁内侧用带滚轮的滑轨固定，滑轨通过钢横撑固定在模型箱上，可沿竖直方向上下滑动，如图1所示。

2.刃脚斜面处的土压力采用多个土压力盒来进行监测，如图3所示。

3.选取了沉井下沉至40m时发生翻砂突沉的工况，对沉井模型刃脚及侧壁附近范围内的土体，每间隔3-5cm的厚度布置一层彩砂，如图2所示。

4.试验采用自主设计加工的加载装置控制位移。加载装置安装在沉井侧壁上部，试验前，加载装置用以拉住沉井侧壁；试验时，加载装置用以将沉井侧壁压入土体中，如图5所示。

5.在沉井模型侧壁表面预留放置土压力盒与孔隙水压计的圆孔，将土压力盒、孔隙水压计嵌入，如图2、图4所示。

6.在沉井模型四个角的位置分别布置一根竖向的PVC管，管侧壁开有若干个小孔，待模型制作完成后，向管内缓慢注入水，使得水从模型底部向上渗入，当水面高于土表面1-2cm时停止注水。

7.在台阶试验模型制作过程中，当填置砂土时，在台阶凹陷位置用一块0.2cm厚的平板填平，如图5所示，后将砂土填到指定高度后，将平板竖直向上抽出。

设计图

一种模拟沉井发生翻砂突沉的试验装置论文和设计

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