[发明专利]一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置及方法，该装置包括主体圆筒、数据采集仪、真空泵和承压水压力控制系统；承压水压力控制系统包括有机玻璃圆筒装置、流量计和电子阀；主体圆筒包括从上至下依次连接的盖板、一节顶部圆筒、若干节中间圆筒、一节底部圆筒和小车；主体圆筒不同高度上安装孔隙水压力计固定装置。本发明可模拟地基中承压水的动态连续变化过程；量测计算动态承压水作用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；探求动态承压水变化的均值、幅值和速率对地基稳定性的影响，为动态承压水作用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。

技术领域

本发明涉及一种地基模型试验装置，尤其涉及一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置及方法，可用于模拟可简化为一维的弱透水性地基土体，当承压水位动态变化时的水土压力响应情况，地基的沉降随等承压水头变化的规律，研究动态承压水作用下地基的破坏条件和破坏模式。

背景技术

在沿江、滨海等地区，弱透水层底部承压水位多具有动态变化的特点，这种变化的原因大多来自于海洋或者潮汐的影响，降雨、地下工程泄露也会引起承压水头的变化。这种变化会引起弱透水层土体的水土压力分布变化，进而影响土体的变形和稳定。在现有理论和规范不完善的条件下，在这些地区进行工程建设或要给定一个过大的安全系数，或面临潜在的风险。

在动态承压水的作用下，弱透水层土体的性状是很难界定的，在渗流场和应力场耦合作用的条件下，土体性状可能会发生很大变化，这种变化用现有理论不能很好地解释，致使土体本构模型的选取面临很大的难度，而若想用理论解析或数值方法进行研究，土体本构模型的选取起着至关重要的作用。由此看来，在承压水动态变化的条件下，用试验的方法进行研究是现阶段比较可靠的研究方法。用试验的方法，无需假定此种条件下土体的本构关系，在施加与实际工程相当的应力边界条件及位移边界条件下，可以直接模拟承压水位的连续动态变化，由于实际条件被很好地模拟，因此通过读取数据及现象分析，即可得到土体中的水土应力分布情况，位移情况等，进一步揭示弱透水层在动态变化的承压水作用下的响应规律，完善现有理论及规范。

目前，在已有的与动态承压水相关的1g试验研究中，大部分研究为缩小比尺的三维模型试验研究，几乎没有土单元体的试验。土工单体尺度下的缩尺模型试验往往对不同实际工程中的局部场地行为进行模拟，如基坑开挖、隧道开挖等。这些缩尺模型试验往往关注整个试验区域内的孔压分布、变形规律、土压力分布以及结构内力等等，从而对实际工程中的某些关键数值进行预测、模拟，但无法揭示这些表观现象之下的内在规律，对新的本构、计算理论的建立没有太大的用处。与之相对应的是，以三轴试验为代表的土单元体试验则旨在于解决上述的问题，更多关注土体本身的各种本构关系，在与承压水相关的科学研究中，承压水压力在土体中如何进行传播则为土单元体研究中的关键问题。

从现有的试验看来，大量的土工试验在模拟承压水的动态变化时，一般使水压力逐级增加或下降，压力值较为离散，这与实际工程中的水压力连续变化不相一致，得出的结论难以应用到实际工程。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置及方法，通过设计一维土单元体模型试验获得受底部动态承压水影响的弱透水层中的水土压力，并根据试验结果揭示弱透水层在底部动态承压水作用下的响应规律，获悉土体中孔压传播的模式，总结规律并进而应用到工程计算之中。对于许多工程建设中的某些大面积的区域，都可以将其简化为一维地基模型以应用该模型所带来的研究成果，如大面积基坑的坑底中心区域，开挖隧道的远场等。并且，用电子阀和流量计组成的水压控制装置，可以实现水位的连续变化，因此可以研究承压水压力变化时的均值、幅值以及变化周期对于弱透水层性状的影响研究；并且设计了可以调节高度的主体圆筒，因此弱透水层的厚度的影响也可以被精确地研究，试验人员可以根据所在地区的实际情况自由选取土层厚度、承压水头的均值，变化的幅值和周期进行试验。