基坑承压水降水室内模拟试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及实验装置及试验方法，特别涉及基坑承压水降水室内模拟试验装置及其试验方法。

背景技术：

在滨海、沿江地区不仅地下水丰富，而且地基土层常呈强、弱透水层间的互层分布，土方开挖导致含水层断裂，由于压力差的作用，基坑中必然会流入大量地下水。工程中承压水作用引起的基坑变形和失稳问题是该类地区深基坑工程的重大风险源之一，若不及时进行降排水工作，基坑持续渗水将造成现场施工条件变差以及地基承载力下降，为保证基坑开挖的安全稳定，常常需要对承压含水层进行减压降水。为了确定实际基坑降水工程中的的各项参数，常采用操作便利的室内试验进行预先模拟。在试验过程中，水位观测尤为重要。由于模型试验尺寸远比现场要小，水位观测装置要兼顾模型试验的精度要求与操作简单灵活的要求。为了保证含水层的承压性，对于含水层水压力的控制需要具有准确性与便捷性。

经过对现有技术文献检索发现：

中国专利201310303890.9，公开了一种桩基础阻碍地下水渗流的室内模拟试验方法，该试验考虑了桩基础对降水过程中地下水渗流的影响情况，但存在以下不足(1)试验土层为单层土，土体层数难以模拟真实地下情况；(2)只能模拟潜水层情况下的渗流情况，无法模拟承压含水层情况下的降水及地下水渗流情况；中国专利201510759865.0，公开了一种教学用模拟含水层的实验装置，该装置采用水袋模拟承压含水层，但是存在以下不足(1)对于水压力的模拟范围受限，对模拟水压力的大小没有直观的掌控；(2)利用水袋装水来模拟含水层，水不与土体接触，模拟过于理想化。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是提供模拟基坑承压含水层的降水过程，同时可以监测地下水位变化的实验装置。

本发明的另一目的是提供所述实验装置的实验方法。

技术方案：本发明提供一种基坑承压水降水室内模拟试验装置，包括模型箱和水气交换仪，模型箱通过供水管与水气交换仪连通。

进一步地，所述模型箱内部盛放模拟土层，模拟土层内设置降水井管和监测井管，模拟土层上覆盖盖板，盖板套设在降水井管和监测井管上，模型箱内壁上布设供水管，供水管伸出模型箱并与水气交换仪连通，模型箱内壁上还设置刻度和玻璃管，所述玻璃管通过软管与监测井管连通。所述降水井管管壁设孔作为过滤段、过滤段外部包覆过滤材料，过滤材料上方填充封堵材料，降水井管上方与抽水装置连接。所述监测井管管壁设孔作为过滤段、过滤段外部包覆过滤材料，过滤材料上方填充封堵材料。所述水气交换仪由供水室、控制面板和稳定气压源构成。所述供水室由进水管、进气孔、排气孔、中空隔离膜和出水管构成，出水管与供水管连接，进水管与外部水源连通。所述模型箱为长方体或圆柱体。

以下对上述技术方案进行进一步的解释说明：

通过采用水气交换仪对地下水施加压力来模拟承压含水层，能够保证承压含水层水压的稳定性，克服了现有技术中模拟基坑降水方法中较难模拟承压含水层存在的缺点。对上层盖板施加压力可以增大上覆土层荷载，同时可以通过观测井可观测不同深度地下水位的变化情况。该试验装置中模型箱要求具有一定强度、刚度，透明，形状为长方形或圆形，模型箱一侧内壁上设置刻度。布置在模型箱内的模拟土层要跟实际土层相符，以实际土层为原型，模拟土层物理性质要与实际土层相近，按照一定比例缩尺确定尺寸。布置在模拟土层之上的盖板可采用与模型箱相同或者不同的材质，盖板上根据降水管的尺寸和位置在相应位置开孔，盖板的材质要有一定的承载力，必要时可在盖板上施加荷载，以提高承压含水层的承压性。埋设于土层之中的降水井管和监测井管，材质可以根据需要选用，如可以选用pvc管等，其尺寸应通过按比例缩尺获得，降水井管与监测井管在下半部分打洞，并覆盖锦纶或者纱布等，用以模拟实际井管的过滤段。模型箱内壁上的刻度、附着在内壁上的玻璃管、埋设于土层中的监测井、连接玻璃管和监测井的软管组成水位观测计，玻璃管、监测井与软管组成连通器，使得观测基坑内的水位变化变得更直观。布置在模型箱四周的供水管可以根据需要采用不同的材质，供水管的尺寸根据实际需要选定，供水管上在与含水土层相应部分打孔，与水气交换仪连接，作为供水通道，模拟实际基坑中的承压含水层。提供水压力的水气交换仪由控制面板、稳定气压源和供水室组成。供水室由进水管、出水管、排气孔、进气孔和隔离膜组成。供水室的进水管与水源(如自来水等)连接，水通过进水管进入供水室中，通过控制面板确定压力值，通过稳定气压源向隔离膜内注入空气，使隔离膜膨胀，对供水室内的水施加压力。供水室的出水管与布置在模型箱四周的供水管连接，来自于水源的水经水气交换仪提供压力，由供水管进入模型箱土体中，作为水压力的来源。

所述基坑承压水降水室内模拟试验装置的实验方法，包括如下步骤：

a、组装模型箱：按照要求尺寸制作模型箱，在模型箱内壁标记刻度，将供水管固定于模型箱内壁，在供水管管壁上开孔；

b、配置模拟土层：根据实际工程场地土层要求，配置模拟土层，通过土工试验测得模拟土层的物化性质，为保证试验准确度，配置时应保证模拟土层的物化性质与实际土层相符；

c、铺设模拟土层：根据实际工程场地地勘报告，测得每一土层厚度，并在模型箱中铺设土层，根据不同工程的土层分布改变模型箱内的土层分布，铺设土层时，将降水井管和监测井管埋设在土层中，并在井管四周填充过滤材料和封堵材料；

d、组装水气交换仪：将水气交换仪中各部分组装，进水管与外部水源连接，出水管与供水管连接；

e、注水固结：打开供水室的排气孔，由进水管将供水室内注满水，排净供水室中的空气后关闭排气孔，将进气孔与空气压缩机连接，打开空气压缩机，向供水室内注入空气，通过中空隔离膜的膨胀，对供水室内的水提供压力，通过控制面板控制水压力情况，当达到需要的水压力时，向模型箱内注水，通过刻度观察模型箱内水位，当监测井管水位稳定且模拟土层表面有水渗出时停止供水，记录监测井管水位，随后土体开始自重固结，当土层沉降量连续三日小于0.01mm/d，则达到试验要求；

f、试验：将抽水设备与降水井管连接，进水管与水气交换仪连接，打开排气孔，将供水室注满水，通过控制面板设定压力值，将带有压力的水通过进水管注入模型箱中，打开抽水设备抽取土层中的水，通过玻璃管观测土中水位变化情况。也可以在土层中埋设其他监测设备，获取相应的监测数据。

进一步地，在试验之前进行运行测试，当监测井管水位保持初始水位不变，在玻璃管内可观察到降水漏斗时，表明运行正常。

有益效果：本发明的模拟土层符合真实地下土层情况，可以模拟承压含水层的降水情况，水压力可控，且可直观地观察水压，水与土层接触，检测准确度更高。本发明较适用于室内模拟基坑承压水降水过程，为基坑降水设计参数及施工提供参考，保证基坑开挖降水的准确性与安全性，为基坑降水设计提供可靠参数。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的水气交换仪结构示意图；

图3是本发明的供水室结构示意图；

图4是本发明的降水井管结构示意图；

图5是本发明的监测井管结构示意图；

图6是本发明的水位观测计结构示意图；

图7是本发明的刻度示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的基坑承压水降水室内模拟试验装置结构包括两大部分：模型箱1和水气交换仪8，模型箱1通过供水管7与水气交换仪8连通。关于模型箱1的结构如图1，模型箱1内部盛放模拟土层2，所述模拟土层2中部的含水层为承压水层。模拟土层2内设置降水井管4和监测井管5，模拟土层2上覆盖盖板3，盖板3套设在降水井管4和监测井管5上，模型箱1内壁上布设供水管7，供水管7伸出模型箱1并与水气交换仪8连通，模型箱1内壁上还设置刻度61(如图7所示)和玻璃管62，玻璃管62通过软管63与监测井管5连通。其中，如图2所示，水气交换仪8由供水室81、控制面板82和稳定气压源83构成。本实施例中模型箱1的结构为长方体。

如图4-5所示，降水井管4和监测井管5的外部结构基本相同，降水井管4在管壁打孔作为过滤段42、过滤段42外部包覆过滤材料43，过滤材料43上方填充封堵材料41，降水井管4上方与抽水装置9连接。相同地，监测井管5管壁设孔作为过滤段52、过滤段52外部包覆过滤材料53，过滤材料53上方填充封堵材料51。

如图3所示，供水室81由进水管811、进气孔812、排气孔815、中空隔离膜813和出水管814构成，出水管814与供水管7连接，进水管811与外部水源连通。

本实施例的实验装置的制作及实验过程如下：

(1)按照要求尺寸制作模型箱1，尺寸为2m*1.5m*1m，在模型箱1内壁标记刻度61范围为0～70cm，将供水管7分别固定于模型箱1四角，在供水管7相应位置开孔；

(2)根据实际工程场地土层要求，配置模拟土层2，通过土工试验测得模拟土层2的基本特性，如重度、含水率、渗透系数等，为保证试验准确度，配置时应保证模拟土层2的特性与实际土层相符；

(3)根据实际工程场地地勘报告，按比例缩尺得每一土层厚度，在模型箱1中铺设土层，上层为15cm厚黏土，中间为40cm厚粉质黏土，下部为15cm厚黏土；

(4)组装水气交换仪8中供水室81、控制面板82和稳定气压源83等各部分，将自来水和供水室81中进水管811相连接，由进水管811将供水室81内注满水，排净供水室中的空气，将空气压缩机与进气孔812连接，通过控制面板82设定需要的压力，打开稳定气压源，向供水室81内注入空气，通过中空隔离膜813的膨胀，对供水室81内的水提供压力，通过控制面板82控制水压力情况，当达到需要的水压力时，向模型箱1内注水；

(5)通过水位观测计(如图6所示)观察模型箱1内水位，当监测井管5水位达到要求并保持稳定时停止供水，记录观测井水位，随后土体开始自重固结，当土层沉降量连续三日小于0.01mm/d，则认为达到试验要求；

(6)运行测试：当监测井管5水位保持初始水位不变，在玻璃管62内可观察到降水漏斗时，表明运行正常，即可进行正式试验；

(7)试验：将抽水设备9与降水井管4连接，进水管811与水气交换仪8连接，打开排气孔815，将供水室81注满水，通过控制面板82设定压力值，将带有压力的水通过进水管811注入模型箱1中，打开抽水设备9抽取土层中的水，通过玻璃管62观测土中水位变化情况。