一种建筑物液体浮力室内试验装置的制作方法

本实用新型涉及基础浮托力测试技术领域，尤其涉及一种建筑物液体浮力室内试验装置。

背景技术：

近年来，随着城市地下空间的开发利用，地下建筑物、构筑物(为了简洁，本文以建筑物为代表进行阐述)的浮力问题已逐渐凸显出来，在建筑物基坑开挖过程中，往往会采取相应的降水措施，在基础完工后地下水位会随着时间的推移，逐渐恢复到正常水位，这会对基础产生较大浮力，若建筑物结构自重不能满足抗浮要求，又没有采用合理的抗浮措施就会造成工程事故的发生，目前常见的工程事故有：(1)地下建筑物整体上浮；(2)地下建筑物底板隆起；(3)地下建筑物结构局部破坏，这势必需要对地下建筑物进行抗浮设计研究。

当建筑物在液体水中浮起时，所受浮力可用阿基米德原理p＝γwhA计算得到，其中，γw为水的重度，h为地下结构底板以上的水头高度，A为地下结构底面积；当建筑物在密实不透水介质层中时，其所受浮力为零，不会浮起；当建筑物在透水不密实介质层中浮起时，所受浮力介于前两者之间，可通过对阿基米德原理浮力进行一定程度的折减来确定。具体的折减系数K通过液体浮力室内试验得到，折减系数K＝F浮试验值/F浮理论值，F浮理论值为模拟建筑物的建筑物箱在液体水中完全浮起时所受理论浮力大小，通过阿基米德原理计算得到，F浮试验值为当建筑物箱在相应介质中所受浮力大小，通过室内试验得到。

在现有的液体浮力室内试验过程中，建筑物都是用矩形铁皮水箱来模拟。然而这种模拟方式无法消除土体与结构侧壁之间的摩阻力，而且在试验中也无法得知该部分摩阻力具体数值大小。根据建筑物的实际受力情况，其结构竖向最终会受到三种力的作用：F侧+W＝F浮，W为建筑物结构自重，F侧为土体对结构侧面的侧摩阻力，F浮为地下水对结构基础底板的浮力；由于F侧未知，我们无法准确得到W与F浮之间的关系。回到室内试验，由于F侧未知，试验得到的F浮试验值普遍偏大，以至使折减系数K偏大，若将该试验数据应用于工程实践中势必会浪费大量材料，增加工程造价(因为要保证建筑物自重W大于地下水对结构的浮力F浮，若F浮偏大，W自然也就偏大)。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种建筑物液体浮力室内试验装置，以解决现有试验中因不能消除土体对结构侧壁产生的侧摩阻力，致使浮力折减系数偏大的问题。

为解决上述问题，本实用新型所述的一种建筑物液体浮力室内试验装置，该装置包括基坑模型箱，填入所述基坑模型箱的介质土层，设在所述介质土层中上部、底板和侧壁均与土体接触的建筑物模型箱，设在所述建筑物模型箱底板下方置于土体中的压力传感器和孔隙水压力计；所述压力传感器用于检测所述建筑物模型箱对下方土层的压力值；所述建筑物模型箱侧壁与水平面之间呈45度。

优选的，所述建筑物模型箱整体呈正四棱台状。

优选的，所述压力传感器的数量为多个，均匀分布在所述建筑物模型箱底板中心及四周。

优选的，所述介质土层包括黏土、粗砂、细砂、粉细砂、黄土或者红砂岩。

优选的，该装置还包括设在所述建筑物模型箱底板和侧壁上的水泥砂浆层。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

本实用新型中，(1)建筑物模型箱侧壁与水平面之间呈45度，能够有效消除土体与结构侧壁的侧摩阻力，使浮力在数值上等于结构自重即W＝F浮，使试验得到的F浮试验值更贴近真实值；(2)压力传感器和孔隙水压力计的使用，能够准确获得当时的F浮试验值。综上，本实用新型有效提高了F浮试验值的精确度，进而保证了折减系数K的精确度，最终能够避免大量材料的浪费，降低工程造价。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例提供的一种建筑物液体浮力室内试验装置的纵向剖视图。

图2为本实用新型实施例提供的一种建筑物液体浮力室内试验装置的俯视图。

图3为本实用新型实施例提供的压力传感器和孔隙水压力计的平面布置图。

图中：1—基坑模型箱，2—建筑物模型箱，3—压力传感器，4—液体水，5—孔隙水压力计，6—介质土层。

具体实施方式

参考图1～2，本实用新型实施例提供一种建筑物液体浮力室内试验装置，该装置具体包括基坑模型箱1，填入基坑模型箱1的介质土层6，设在介质土层6中上部、底板和侧壁均与土体接触的建筑物模型箱2，设在建筑物模型箱2底板下方置于土体中的压力传感器3和孔隙水压力计5。

上述建筑物模型箱2侧壁与水平面之间呈45度。在实际应用中，建筑物模型箱2具体可以采用整体呈正四棱台状的无盖铁箱；基坑模型箱1为呈长方体的无盖铁箱。

压力传感器3用于检测建筑物模型箱2对下方土层的压力值。进一步地，压力传感器3的数量为多个，均匀分布在建筑物模型箱2底板中心及四周。比如，对于建筑物模型箱2呈正四棱台状的情况，其底板为一正方形板，压力传感器3和孔隙水压力计5在底板下方的布置情况可以参考图3，图中，底板中心和周围四个角上均设置一个，压力传感器3，孔隙水压力计5位于底板中心附近。

对于试验装置的制作过程中，举个例子：建筑物模型箱2呈正四棱台状；将基坑模型箱1的高度划分为十五等份，建筑物模型箱2的高度为六等份厚；(1)先往基坑模型箱1填入五等份厚的介质土层6，(2)在该介质土层6中心位置，按上述位置方式布置压力传感器3和孔隙水压力计5，(3)将建筑物模型箱2置于介质土层6上，使箱底与土体紧密接触，注意要确保箱底中心与处在中心的压力传感器3对齐，(4)最后再往基坑模型箱1填入六等份厚的介质土层6，此时介质土层6顶面与建筑物模型箱2顶部平齐，完成试验装置的制作。

考虑到在不同介质层中建筑物模型箱2浮起时所受浮力大小不同，因此，介质土层6可以是黏土、粗砂、细砂、粉细砂、黄土以及红砂岩等介质中的一种，具体选择哪一种视实际需求而定即可。其中，红砂岩为西北地区特有的具有中弱透水性的红砂岩土。当然，在实际应用中，可以对这些介质都做室内模拟试验，得到在不同介质土层中建筑物基础底板所承受水浮力大小，进而计算出相应的折减系数，以便研究建筑物基础底板所受水浮力与不同介质土层土体物理性质之间的关系。

进一步地，本实用新型装置还可以包括设在建筑物模型箱2底板和侧壁上的水泥砂浆层；水泥砂浆与建筑物模型箱2之间通过水泥砂浆粘结剂实现连接。这种方式能够使建筑物模型箱2底板和侧壁所受水浮力通过水泥砂浆传递于建筑物模型箱2，从而改变介质土层6土体与建筑物模型箱2之间的颗粒接触方式，消除土体孔隙率。通过比较分析这种情况下建筑物模型箱2底板所受浮力大小和正常情况下浮力大小，能够研究土体孔隙率对建筑物基础底板所受水浮力大小产生的影响。

这里对45度能够有效消除土体与结构侧壁的侧摩阻力，使浮力的变化量在数值上等于结构自重的变化量ΔW＝ΔF浮进行解释说明：根据库伦土压力公式

式中：γ—填土的重度，KN/m3；

—填土的内摩擦角，度；

α—墙背的倾斜角，度，俯斜时取正号，仰斜时取负号；

β—墙后填土面的倾角，度。

在上式中，γ、h、α、β和φ都是已知的，滑动面与水平面的夹角θ是假定的。若假定滑动面与水平面之间的夹角θ＝45°，在本实用新型中让建筑物模型箱2侧壁来代替土体滑动面，则侧壁与水平方向的夹角为45度，然后按照建筑物模型箱2的形状墙背为仰斜，所以可以得到α＝-45°，然后代入式中，由于cos(θ-α)＝0，所以E＝0，从而也就不会产生当建筑物上浮时土体对结构侧面给予的侧摩阻力。通过改变模拟建筑物模型箱的底边角度有效消除了土体颗粒与结构侧壁产生的侧摩阻力，使浮力在数值上等于结构自重即W＝F浮。

基于上述实施例公开的建筑物液体浮力室内试验装置，本实用新型另一实施例还相应提供了一种建筑物液体浮力室内试验方法，该方法具体包括如下步骤：

(1)往基坑模型箱1内介质土层6中加入水，直至水淹没到介质土层6顶面。

(2)往建筑物模型箱2中加水，使建筑物模型箱2与土体紧密贴合且不呈浮起状态，然后静置一段时间，让介质土层6达到饱和状态。

(3)静置完成后，将建筑物模型箱2中的水逐步抽走，并参照压力传感器3示数寻找建筑物模型箱2浮起的瞬间。

(4)待寻找到浮起瞬间时立即停止排水，并根据此时孔隙水压力计5的示数和建筑物模型箱2底板面积计算得到建筑物模型箱2在介质土层6中底板所受浮力大小。

当有压力传感器3的示数为0时，认为此时为建筑物模型箱2浮起的瞬间，建筑物模型箱2自重等于地下水对建筑物模型箱2底板的水浮力。这里需要说明的是，从理想上来说，应该是当所有压力传感器3的示数均为零的时候，才算是浮起瞬间，但是在实际操作时，有压力传感器3的示数为0时即可认为是浮起瞬间。

按照受力分析，反映到建筑物模型箱2和孔隙水压力计5上有:

式中：G为建筑物模型箱2自重，F浮试验值为建筑物模型箱2底板所受浮力，f为压力传感器3的示数；P为孔隙水压力计5的示数，S为建筑物模型箱2底板面积。可见，压力传感器3示数是用来寻找建筑物模型箱2浮起瞬间的，孔隙水压力计5示数是用来与建筑物模型箱2底板面积S相乘计算得到F浮试验值。在得到F浮试验值后，根据公式K＝F浮试验值/F浮理论值计算出折减系数K即可；可以理解的是，这里的F浮理论值根据阿基米德原理计算得到。

进一步地，该方法还包括：在建筑物模型箱2底板和侧壁上设置水泥砂浆层，计算出这种情况下建筑物模型箱2底板所受浮力大小，并通过对该浮力大小和正常情况下浮力大小进行比较分析，研究土体孔隙率对建筑物基础底板所受水浮力大小产生的影响。

以上对本实用新型所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。