一种浮力模型试验装置的制作方法

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种浮力模型试验装置。

背景技术：

液体中的浮力计算通常可以简单应用阿基米德定律，而固液两相介质中的浮力在部分固体介质中则不能很好的应用，尤其是饱和粘性土中的浮力计算即弱透水层的孔隙水压力问题一直饱受争议。争辩的观点基本分为两派，部分学者认为即使没有渗流情况下，由于结合水造成弱透水层的连通性较差等原因，孔隙水压力也是需要折减的，一些学者通过模型试验测得折减系数最高可达65％；另一部分学者的观点则认为即使是粘性土，其孔隙水压力折减系数也很小，工程应用中几乎不考虑，通过模型试验研究证明了在长期稳定状态下，饱和粘性土能完全传递孔隙水压力。

地下结构模块装置的侧壁垂向应力主要为摩阻力和粘聚力，上述学者在进行模型试验时消除模拟地下结构模块装置的侧壁垂向应力时一般采用两种方式：第一种是将地下结构模块侧壁尽量采用光滑、平整的材料，或同时涂抹凡士林等润滑剂，但这种处理方式通常只能一定量减小摩阻力和粘聚力，并不能完全消除摩阻力和粘聚力，尤其当地下结构模块四周土体夯实效果比较好时，效果欠佳。另一种是先做摩阻力和粘聚力的破坏实验，测得没有浮力作用时模块向上滑动所需要的力即最大静摩擦力、粘聚力与模块自身重力之和，进而减掉重力后视为装置侧向应力。但这种处理方式测得的最大应力值当中最大静摩擦力与实际的滑动摩擦力并不一致，同时受到周围土体夯实效果影响显著。试验过程中侧壁受到的垂向应力实际是一个变化值，不同情景条件和侧壁压力状态下是不同的，而用统一的一个值去替代显然误差很大。

纵观上述试验研究，由于地下结构浮力测算试验装置的局限，各位研究者对粘性土中地下结构模块所有浮力作用的测算成果存在较大的分歧。因此，有必要在考虑上述试验装置优缺点的基础上，设计出一种测算更加细致、更接近客观值的地下结构浮力测算装置，以便开展更加深入的试验研究工作。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种浮力模型试验装置，该装置消除了侧壁受到的垂向应力，从而实现装置仅受到重力、浮力和底部土体的反力，测量结果更加准确。

(二)技术方案

本发明提供一种浮力模型试验装置，包括试验箱体、地下结构单元和进水管；

所述试验箱体的顶部敞口，内部设置有地基土层；

所述地下结构单元设置在所述地基土层内部，且地下结构单元的顶部与试验箱体的顶部位于同一水平线；

所述地下结构单元包括内桶和外侧套筒，所述内桶为顶部敞口的圆柱形桶体，所述外侧套筒为上下贯通的套设在所述内桶外部的套筒，所述外侧套筒与内桶之间有间隙；

所述进水管设置在试验箱体的内部，沿试验箱体的高度方向垂向设置；

在浮力测算时，水通过进水管进入地基土层，根据静力平衡原理，对地下结构单元进行受力分析：

地下结构单元在地基土层中会受到结构自重g、底部土体反力f1、地下水浮力f2、侧壁土体反力f3、侧壁水压力f4、侧壁摩阻力f5和侧壁粘聚力f6；

侧壁土体反力f3和侧壁水压力f4在水平方向上相互抵消；

垂直方向上，静力平衡方程计算如下：

f1+f2＝g+f5+f6(1)

当地下结构单元处于临界浮起状态时，地下结构单元所受的侧壁摩阻力f5和侧壁粘聚力f6仅作用于外侧套筒的侧壁上，内桶所受底部土体反力f1也由于处于上浮临界状态等于零，此时内桶的静力平衡方程计算如下：

f2＝g(2)

得到地下水浮力f2。

进一步地，所述间隙为3-5mm。

进一步地，所述地下结构单元的外部设置有防水层。

进一步地，还包括多个水位观测孔，所述水位观测孔设置在试验箱体的内部，沿试验箱体的高度方向垂向设置，且多个水位观测孔的底部位于试验箱体的不同深度。

进一步地，所述地基土层包括从试验箱体底部到地下结构单元顶部所在水平线之间，在高度方向上依次设置的粗砂层和粘土层。

进一步地，所述粗砂层的厚度为15-20cm，所述粘土层的厚度为95-100cm。

进一步地，还包括出水口，所述出水口设置在试验箱体的至少一个侧面的底部。

进一步地，所述外侧套筒为刚性材料制成。

进一步地，所述试验箱体的长为100cm、宽为100cm、高为120cm。

进一步地，所述地基土层的顶部距离试验箱体的顶部4-6cm。

(三)有益效果

(1)本发明中地下结构单元采用内桶与外侧套筒的组合，有效地消除了侧壁摩阻力和粘聚力。其中，必须保证内桶与外侧套筒之间有适当的间隙，以保证内桶自由上浮和旋转时不会与外侧套筒接触。

(2)在地下结构单元的底部和侧部外包有防水层，地基土层中的水不会进入内桶与外侧套筒之间的空隙，使得内桶的侧壁不受到水压力，以保证内桶只受到垂向的结构自重g、浮力f2以及底部土体反力f1，测量结果更加准确。

附图说明

图1为本发明提供的浮力模型试验装置的主视图；

图2为本发明提供的浮力模型试验装置的俯视图；

图3为本发明中地下结构单元的主视图；

图4为本发明中地下结构单元的受力分析图。

【附图标记说明】

1：试验箱体；2：地下结构单元；3：进水管；4：出水口；5：粗砂层；6：粘土层；7：水位观测孔；8：防水层；21：内桶；22：外侧套筒。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供的一种浮力模型试验装置，包括试验箱体1、地下结构单元2、地基土层、进水管3、出水口4和水位观测孔7。

试验箱体1为采用3mm厚的铁皮制作的顶部敞口的立方体结构，其长宽高分别为100cm、100cm和120cm。在试验箱体1的至少一个侧面的底部位置设置有出水口4，出水口4的直径约为5cm并安装有阀门开关，用于排出试验箱体1内的水体。

试验箱体1的内部设置有地基土层，地基土层包括从下至上依次设置铺设有20cm厚的粗砂层5和95cm厚的粘土层6。具体地，试验箱体1内分层装填地基土层：先在底部装填20cm厚的中粗砂，便于排水和注水；再在粗砂层5上分层装填粉质的粘土层6，每20cm一层，分层夯实并取样检测密度、含水率等指标确保与模拟的实际地层的误差在可控范围内。

进一步地，在试验箱体1的角位置沿试验箱体1的高度方向设置进水管3，进水管3的底部与粘土层6的底部位于同一水平线。进水管3为直径为10cmpvc管，底部20cm长度处打间距5cm左右的孔并外包2层缠丝滤网作为进水管3的过滤器。

在装填过程中依次放入直径为5cm、长度分别为90cm、80cm、70cm、60cm、50cm、40cm、30cm的pvc管作为水位观测孔7，先放置进水管3所处三角以外的三个角点后放置四个侧面的中点，在pvc管底部20cm长度处打间距5cm左右的孔并外包2层缠丝滤网作为水位观测孔7的过滤器，过滤器用于防止地基土层进入水位观测孔7，对试验结果造成影响。同时保证水位观测孔7的顶部与试验箱体1的顶部位于同一水平线，便于水位的量测和计算。

当粘土层6装填至距试验箱体1顶部敞口约40cm处仔细平整土体上表面并放入地下结构单元2。地下结构单元2的顶部与试验箱体1的顶部位于同一水平线上。放置地下结构单元2时需要保证内桶21的底部接触的粘土层6的平整，进而保证内桶21的底部和粘土层6完全贴合，以防止底部受力不均影响测量结果的准确。

地下结构单元2包括内桶21和外侧套筒22，内桶21为顶部敞口的圆柱形桶体，其底面直径为30cm、高40cm，外侧套筒22为上下贯通的套桶，外侧套筒22套设于内桶21的外部，外侧套筒22与内桶21之间有4mm左右的间隙，以保证内桶21在自由上浮或旋转时不与外侧套筒22的侧壁产生摩擦。优选地，外侧套筒22为刚性材料制成。在地下结构单元2的底部和侧部外包有防水层8，防水层8可以避免地基土层中的水进入内桶21与外侧套筒22之间的空隙。放入地下结构单元2后继续装填粘土至距试验箱体1的顶部5cm处。

工作原理

地基土层装填完毕后向内桶内加满水以确保向试验箱体内注水时内桶不会发生上浮，然后通过进水管向试验箱体内注水并通过水位观测孔同时观测水位上浮情况，水通过进水管进入粗砂层，再由粗砂层向上补给粘土层至饱和，待水位达到一定高度且稳定后，地下结构单元受力如下：

如图4所示，地下结构单元在粘土层中会受到结构自重g、底部土体反力f1、浮力f2、侧壁土体反力f3、侧壁水压力f4、侧壁摩阻力f5和侧壁粘聚力f6。其中侧壁摩阻力f5和侧壁粘聚力f6的方向取决于地下结构单元的运动趋势。在浮力测算试验过程中，通常地下结构单元是具有向上的运动趋势，因此在力的平衡关系式中侧壁摩阻力f5和侧壁粘聚力f6的方向视为向下。由于地下结构单元为圆桶状，所受的侧壁土体反力f3、侧壁水压力f4在水平方向相互抵消，此时对于整个地下结构单元的受力平衡方程为：

f1+f2＝g+f5+f6(1)

缓慢减少内桶中装有的水，直至内桶即将出现上浮，即当地下结构单元处于即将上浮的临界状态时，地下结构单元所受的侧壁摩阻力f5和侧壁粘聚力f6仅作用于外侧套筒的侧壁上，内桶所受底部土体反力f1也由于处于上浮临界状态等于零，此时内桶仅受到结构自重g和浮力f2，因此内桶的受力平衡方程为：

f2＝g(2)

此时准确测量内桶(含桶内水体)的重量即可算出此时地下结构单元受的浮力f2即孔隙水压力的大小。另外，根据水位观测孔内水位，利用阿基米德原理可反算内桶实际进入水中深度并计算内桶受到的液体浮力理论值，与实际测算出的浮力f2大小相比较即可确定孔隙水压力的折减程度。

进一步地，由于装置使用时，液体浮力理论值是通过水位观测孔测得水位进行计算，粘土层注水后水位稳定较慢，因此必须保证四周观测孔水位完全一致即水位已经完全稳定后才能进行试验。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。