一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研究方法
一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研究方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于基坑突涌研宄领域，特别涉及一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研宄方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国城市地下铁道、高层建筑、人防工程等基础设施的迅速发展，深基坑工程日益增多，深基坑工程开挖施工的地质条件和环境也日益复杂，其工程事故率和损失也越来越大。而在深基坑工程中，地下水防是治一项事关全局的工作，特别是在沿海地区，地下水是导致基坑工程事故最直接的原因之一。根据统计，约有一半以上的基坑事故与地下水有关。
[0003]地下水按其埋藏条件一般包括上层滞水、潜水和承压水这三类。其中，承压水是地表以下充满于两个稳定隔水层之间承受静水压力的含水层中的重力水，承压水常分布于松散地层，埋藏于场地下部，具有承压性，承压力大小与该含水层补给区与排泄区的地势有关；水量由含水层或含水构造的性质、渗透性等决定。软土地区承压水基坑突涌模式主要有3种:接触面涌水涌砂破坏、整体顶升破坏和隔水层表面砂沸破坏。
[0004]然而，回顾承压水基坑抗突涌稳定分析方法的研宄现状，我们可以发现:①传统的压力平衡法在评判承压水基坑突涌稳定性时，只考虑了承压含水层顶隔水层土体自重力引起的抗力，没有考虑隔水层土体内聚力、摩擦力，其计算结果不合理。②均质连续构件分析法，将坑底隔水层土体假定为均质线弹性梁、板单元来分析。实际工程中，软土地区坑底承压含水层以上的隔水层为非均质、成层分布的非弹性土体，而且当隔水层厚度与基坑跨度之比较大时，简化成梁、板单元分析显然不合理。③均质连续体法，假设突涌破坏体为均质方柱体或圆柱体，这一假定与软土地区承压水基坑突涌破坏形式相差较大。实际工程中，基坑突涌破坏形式，要么为坑底被承压水水头压力顶破，出现网状或树枝状裂缝；要么为坑底发生流砂、流土或类似于“沸腾”的喷水冒砂现象。
[0005]因此，对于某一特定基坑在承压水作用下发生何种形式的突涌，突涌的内在机制研宄，无论是学术界还是工程界都是亟待解决的关键问题。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能填补目前关于基坑突涌研宄领域空白的基坑突涌演示仪及基坑突涌实验研宄方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是:
[0007]提供一种基坑突涌演示仪，包括演示仪箱体、蓄水箱和监测系统；
[0008]所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，演示仪箱体的底部为(厚度大于1mm的)钢板，演示仪箱体的四面侧壁为有机玻璃，且四面侧壁的外部箍紧有铁条，用于增加演示仪箱体的承压能力；
[0009]所述演示仪箱体上开有两个箱体进水口、一个箱体排水口和一个测压口，箱体进水口、测压口分别设在演示仪箱体的侧壁上，箱体排水口设在演示仪箱体的底部，且箱体进水口、箱体排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；演示仪箱体的内部用于装设基坑模型，演示仪箱体的顶部装有可拆卸的网格支架，网格支架通过卡扣实现可拆卸地定位固定在演示仪箱体的顶部；
[0010]所述蓄水箱安装在导轨上，并连接有电机，蓄水箱能利用电机提供的动力，沿导轨进行升降，且能通过电机控制升降速度；蓄水箱内设有隔板，用于将蓄水箱内部分隔为蓄水区和排水区，且隔板高度为蓄水箱箱体高度的2/3 ;蓄水箱上开有一个蓄水箱进水口与四个蓄水箱排水口，蓄水箱进水口、蓄水箱排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；所述蓄水箱进水口设置在蓄水区的上方，一个蓄水箱排水口设置在排水区的底部，三个蓄水箱排水口设置在蓄水区的底部，且蓄水区底部的其中两个蓄水箱排水口分别通过塑料软管与演示仪箱体的两个箱体进水口连接；
[0011]所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪；所述测压管为标有刻度的透明玻璃管，利用测压管支架垂直固定在演示仪箱体外部，测压管通过塑料软管与演示仪箱体的测压口连接，用于监测演示仪箱体内承压水层的实际水头高度(水头高度是指隔板高度与蓄水箱底部至演示仪箱体底部垂直距离之和，而根据达西定律，水在砾石层中渗流会损失水头高度，因此需要测出实际的水头高度)；所述位移百分表的表盘固定在演示仪箱体顶部的网格支架上，并将位移百分表的测量头布置于基坑模型的工程粧模型顶部与粧间土表面，用于监测基坑底部土体与粧顶竖直位移；所述应变片埋设在工程粧模型的粧内，并通过导线采用半桥接法与应变监测仪连接(应变片与应变监测仪间的导线不应触碰基坑模型其余部分)，用于监测工程粧模型的形变。
[0012]在本发明中，所述演示仪箱体上测压口的高度高于箱体进水口的高度；测压管的高度大于蓄水箱的水头最大高度。
[0013]在本发明中，所述演示仪箱体上的箱体进水口、测压口、箱体排水口处都设置有滤网，用于防止土体堵塞管道。
[0014]在本发明中，所述蓄水箱中的隔板与蓄水箱的底部垂直设置。
[0015]在本发明中，所述蓄水箱的升降范围满足:
[0016]蓄水箱降至高度最低时，蓄水箱内部的水位高度能低于演示仪箱体上箱体进水口的高度；
[0017]蓄水箱升至高度最高时，蓄水箱内部的水位高度能高于演示仪箱体的高度。
[0018]在本发明中，所述基坑突涌演示仪还包括基坑模型，基坑模型包括砾石层、软土层、围护粧模型、工程粧模型；
[0019]所述砾石层铺设在演示仪箱体内部的下层，且砾石层顶部在靠近演示仪箱体四周处，涂有用于减少接触面渗透的防水硅胶；
[0020]所述软土层采用经(较小固结压力)固结后的软土(具体土的种类根据试验所模拟的工程情况进行选择)，软土层铺设在砾石层的上部；
[0021]所述围护粧模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的围护粧模型(其材料应保证基坑模型不发生较大形变)，围护粧模型的布置位置按照所模拟工程进行布置；
[0022]所述工程粧模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的混凝土工程粧模型，工程粧模型的布置位置按照所模拟工程进行布置。
[0023]在本发明中，所述砾石层的层顶高度高于箱体进水口的高度，并与测压口的高度相同(需要要求砾石层渗透性较好)。
[0024]在本发明中，所述测压管的零刻度位置与砾石层的顶部处于同一水平位置。
[0025]在本发明中，所述工程粧模型每一个水平截面均匀布置4片应变片，每一根工程粧布置3个截面。
[0026]提供基于所述的一种基坑突涌演示仪的基坑突涌实验研宄方法，具体包括如下步骤:
[0027]步骤A:制作围护粧模型与工程粧模型，并在制作工程粧模型时预先将应变片编号完毕后埋入工程粧模型内；
[0028]步骤B:向演示仪箱体内部铺设下层的砾石层，保证层顶平整，砾石层的高度高于箱体进水口的高度；
[0029]步骤C:向演示仪箱体内部铺设上层的软土层，且分层夯实以模拟实际土质情况；布置围护粧模型、工程粧模型与位移百分表(布置工程粧模型时，若实验对象为挤土粧，则在软土层铺设完毕后插入土体；若实验对象为非挤土粧，则在铺设软土层时预先埋入；布置布置位移百分表与埋有应变片的工程粧模型时，可按照中心密集，四周稀疏的原则进行布置)；
[0030]步骤D:将蓄水箱、测压管连接到演示仪箱体，将应变片连接至应变监测仪(应变片与应变监测仪的接线不宜张拉过紧以影响实验效果)；
[0031]步骤E:将蓄水箱降至最低高度后开始注水，当水位达到平稳后，即测压管中的实际水头高度保持稳定，不再变化时，(缓慢)提升蓄水箱，通过测压管读出实际水头高度(期间需严密监测位移百分表与应变检测仪的读数并做记录)；在实验持续阶段，箱体排水口应处于开启状态以保持砾石层中有流动的承压水；
[0032]步骤F:当达到实验结束条件中的任意一种情况时，实验研宄结束；
[0033]所述实验结束条件包括:条件I)水头高度稳定在预先设定的目标高度，即测压管中的实际水头高度稳定在预先设定的目标高度，并持续I小时，位移百分表及应变片读数基本保持不变；条件2)水头高度在达到预先设定 的目标高度前，基坑模型发生突涌；条件3)工程粧模型因粧顶位移过大而发生失稳破坏，或者因粧身应变过大而发生断裂破坏；
[0034]步骤G:实验结束后，关闭蓄水箱进水口，打开蓄水箱排水口与演示仪箱体排水口进行排水，将水排干后，回收模型粧与实验土体。
[0035]本发明的工作原理为:实验时对实验对象进行等比例缩小从而制作基坑模型，利用基坑突涌演示仪用以模拟工程实际或用以进行基坑突涌机制的研宄，通过对基坑模型进行监测，从而做出基坑突涌风险评估或研宄不同条件不同工况下基坑突涌机制。
[0036]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0037]本发明能直观地观察基坑模型随着工况的改变或水位的上升而发生的基坑突涌，亦能在不发生基坑突涌时对于基坑模型细微的变化进行精确地监测。
[0038]本发明不光考虑到土体内摩擦力对于基坑突涌的影响，同时考虑了工程粧负摩阻力与工程粧种类不同对于基坑突涌的影响。
[0039]本发明结构简单、成本低廉，维护费用低，易于上手，模型材料可重复利用，不会造成浪费与污染，也不需要依靠离心机进行实验，也不需要如原型试验一般使用巨大的场地。
[0040]本发明能较好地模拟基坑工程中任何一种工况与任何一种承压水条件，也可用于研宄如边坡稳定、基坑变形机理、滑坡机理等防灾工程、岩土工程问题。
【附图说明】
[0041]图1为本发明的实施工作示意图。
[0042]图2为图1中蓄水箱的节点详图。
[0043]图中的附图标记为:1蓄水箱；2砾石层；3软土层；4围护粧模型；5工程粧模型；6箱体进水口 ；7箱体进水口 ；8测压口 ；9箱体排水口 ；10测压管；11测压管支架；12蓄水箱排水口 ； 13蓄水箱排水口 ； 14蓄水箱排水口 ； 15蓄水箱排水口 ； 16隔板；17位移百分表；18应变片；19应变监测仪；20蓄水区；21排水区；22蓄水箱进水口 ；23网格支架。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0045]如图1所示的一种基坑突涌演示仪，包括演示仪箱体、蓄水箱I和监测系统。通过蓄水箱I将水诸如演示仪箱体以模拟承压水，通过监测系统的监测数据做出基坑突涌风险评估或研宄不同条件不同工况下基坑突涌机制。该装置可以被广泛地应用于岩土工程、防灾工程的各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作。
[0046]所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，演示仪箱体的底部为厚度大于1mm的厚钢板，演示仪箱体的四面侧壁为便于观测采用有机玻璃，且四面侧壁的外部箍紧有铁条，用于增加演示仪箱体的承压能力；演示仪箱体的内部侧壁为用砂纸或钢刷打毛处理后的侧壁。演示仪箱体尺寸不宜过大或过小，过大则不方便实验，过小则实验效果不佳。
[0047]所述演示仪箱体上开有两个箱体进水口 6，7、一个箱体排水口 9和一个测压口 8，箱体进水口 6，7、测压口 8分别设在演示仪箱体的侧壁上，测压口 8的高度高于箱体进水口6，7的高度，箱体排水口 9设在演示仪箱体的底部；且箱体进水口 6，7、箱体排水口 9分别装有用于控制开启关闭的阀门，箱体进水口 6，7、测压口 8、箱体排水口 9处都设置有滤网，用于防止土体堵塞管道。演示仪箱体的内部用于装设基坑模型，演示仪箱体的顶部装有可拆卸的网格支架23，网格支架23大小应适合模型箱体顶部面积，通过卡扣实现可拆卸及定位，且使其保持固定，从而适合安装位移百分表17。
[0048]基坑模型包括砾石层2、软土层3、围护粧模型4、工程粧模型5，按照实际工程情况等比例缩小并进行布置。
[0049]所述砾石层2铺设在演示仪箱体内部的下层，且砾石层2顶部在靠近演示仪箱体四周处，涂有用于减少接触面渗透的防水硅胶，从而防止水流从侧面渗漏影响实验效果。砾石层2的烁石颗粒均勾，最大粒径不超过5mm，其渗透系数约为5xl0_6cm/s，以保证内部渗流稳定；烁石层2的层顶高度高于箱体进水口 6，7的高度，并与测压口 8的高度相同。
[0050]所述软土层3铺设在砾石层2上部，具体是指经5kPa固结压力固结后的淤泥质粘性土。
[0051]所述围护粧模型4是指经过等比例缩小的混凝土围护粧模型，具体应按照比例围成一个正方形基坑。
[0052]所述工程粧模型5是指经过等比例缩小的混凝土工程粧模型，具体布置时共布置9x9共81根粧。工程粧模型5每一个水平截面均匀布置4片应变片18，每一根工程粧布置3个截面。
[0053]如图2所示，所述蓄水箱I安装在导轨上，并连接有电机，蓄水箱I能利用电机提供的动力，沿导轨进行升降，且能通过电机控制升降速度。蓄水箱I的升降范围满足:蓄水箱I降至高度最低时，蓄水箱I内部的水位高度低于演示仪箱体上箱体进水口 6，7的高度；蓄水箱I升至高度最高时，蓄水箱I内部的水位高度高于演示仪箱体的高度。
[0054]蓄水箱I内设有与蓄水箱I底部垂直设置的隔板16，用于将蓄水箱I内部分隔为蓄水区20和排水区21，用以在实验时保持稳定的水头高度，其水头高度即为隔板16高度与蓄水箱I底部至演示仪箱体底部垂直距离之和；且隔板16高度为蓄水箱I箱体高度的2/3ο蓄水箱I上开有一个蓄水箱进水口 22与四个蓄水箱排水口 12，13，14，15，蓄水箱进水口 22、蓄水箱排水口 12，13，14，15分别装有用于控制开启关闭的阀门；所述蓄水箱进水口22设置在蓄水区20的上方，一个蓄水箱排水口 15设置在排水区21的底部，三个蓄水箱排水口 12，13，14设置在蓄水区20的底部，且蓄水区20底部的其中两个蓄水箱排水口 13，14分别使用塑料软管与演示仪箱体的两个箱体进水口 6，7连接，并密封以防止渗漏。
[0055]所述监测系统包括测压管10、位移百分表17、应变片18、应变监测仪19。
[0056]所述测压管10为标有刻度的透明玻璃管，利用测压管支架11垂直固定在演示仪箱体外部，测压管10通过塑料软管与演示仪箱体的测压口 8连接，并密封以防止渗漏，用于监测演示仪箱体内承压水层的实际水头高度；测压管10的高度大于蓄水箱I的水头最大高度，测压管10零刻度位置的高度与砾石层2的层顶高度相同。其中，水头高度是指隔板16高度与蓄水箱I底部至演示仪箱体底部垂直距离之和，而根据达西定律，水在砾石层2中渗流会损失水头高度，因此需要测出实际的水头高度。
[0057]所述位移百分表17利用网格支架23固定在演示仪箱体的内部上端，并布置于工程粧模型5顶部与粧间土表面，用于监测基坑底部土体与粧顶竖直位移。
[0058]所述应变片18埋设在工程粧模型5的粧内，并通过导线采用半桥接法与应变监测仪19连接，应变片18与应变监测仪19间的导线不应触碰基坑模型其余部分，用于监测工程粧模型5的形变。
[0059]基于上述基坑突涌演示仪，利用示意图对基坑突涌实验研宄方法进行详细描述，为了便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。
[0060]所述基坑突涌实验研宄方法具体包括以下步骤:
[0061](I)根据实际工程设计图或实验方案实际确定基坑模型尺寸，模型粧的数量与尺寸，并进行工程粧模型5与围护粧模型4的制作，在制作工程粧模型5时预先埋入应变片18。根据基坑模型大小制作演示仪箱体，本实施例中演示仪箱体材质底部为厚钢板，侧壁四周为便于观测使用有机玻璃，并用铁条箍紧以增加承压能力。箱体内部侧壁用砂纸或钢刷打毛。
[0062](2)铺设下层砾石层2，确保砾石层2颗粒均匀，并保证层顶平整。下层砾石层2层顶高度与测压口 8高度一致，并在铺设完下层砾石层2后在砾石层2顶部靠近箱壁四周涂防水硅胶以减少接触面的渗透性，从而防止水流从侧面渗漏影响实验效果
[0063](3)铺设上层软土层3，布置围护粧模型4、工程粧模型5以及位移百分表17。本实施例中，布置9X9 根工程粧模型5，且带有应变片18的工程粧模型5与位移百分表17按照中心密集，四周稀疏的原则进行布置。本实施例中工程粧模型5采用挤土粧，在布置完围护粧模型4与上层软土层3后将粧插入土中。
[0064](4)连接蓄水箱I与测压管10，将应变片18连接至应变监测仪19。需注意的是，应变片18与应变监测仪19的接线不宜张拉过紧以影响实验效果。本实施例中，连接导线假设于网格支架23上。
[0065](5)关闭蓄水箱排水口 13与演示仪箱体排水口 9，将蓄水箱I降至最低高度后开始注水，当水位达到隔板16后，多余的水流入蓄水箱排水区21从而达到动态平衡。观察演示仪箱体内部下层砾石层2是否已充满水，若已充满，缓慢提升蓄水箱1，并通过测压管10读出实际水头高度。期间需严密监测位移百分表17与应变检测仪的读数并做记录。
[0066](6)当达到以下条件之一时结束实验:
[0067]I)水头高度稳定在目标高度并持续一段时间。
[0068]2)水头高度在达到目标高度前基坑模型已发生突涌。
[0069]3)工程粧模型5粧顶位移过大而发生失稳破坏或粧身应变过大而发生断裂破坏。
[0070](7)实验结束后，关闭蓄水箱进水口 22，打开蓄水箱排水口 13与演示仪箱体排水口 9进行排水，将水排干后，回收模型粧与实验土体。
[0071]对于采用非挤土粧，入钻孔灌注粧的的基坑工程，可以在实施例一的基础上，改变步骤(3)的实施方式。在布置完围护粧模型4与上层软土层3后，在将要布置模型粧的位置上进行钻孔，钻孔直径略小于工程粧模型5，而后将工程粧模型5 —一插入相应位置以此模拟钻孔灌注粧。
[0072]最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基坑突涌演示仪，其特征在于，包括演示仪箱体、蓄水箱和监测系统； 所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，演示仪箱体的底部为钢板，演示仪箱体的四面侧壁为有机玻璃，且四面侧壁的外部箍紧有铁条，用于增加演示仪箱体的承压能力； 所述演示仪箱体上开有两个箱体进水口、一个箱体排水口和一个测压口，箱体进水口、测压口分别设在演示仪箱体的侧壁上，箱体排水口设在演示仪箱体的底部，且箱体进水口、箱体排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；演示仪箱体的内部用于装设基坑模型，演示仪箱体的顶部装有网格支架，网格支架通过卡扣实现可拆卸地定位固定在演示仪箱体的顶部； 所述蓄水箱安装在导轨上，并连接有电机，蓄水箱能利用电机提供的动力，沿导轨进行升降，且能通过电机控制升降速度；蓄水箱内设有隔板，用于将蓄水箱内部分隔为蓄水区和排水区，且隔板高度为蓄水箱箱体高度的2/3;蓄水箱上开有一个蓄水箱进水口与四个蓄水箱排水口，蓄水箱进水口、蓄水箱排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；所述蓄水箱进水口设置在蓄水区的上方，一个蓄水箱排水口设置在排水区的底部，三个蓄水箱排水口设置在蓄水区的底部，且蓄水区底部的其中两个蓄水箱排水口分别通过塑料软管与演示仪箱体的两个箱体进水口连接； 所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪；所述测压管为标有刻度的透明玻璃管，利用测压管支架垂直固定在演示仪箱体外部，测压管通过塑料软管与演示仪箱体的测压口连接，用于监测演示仪箱体内承压水层的实际水头高度；所述位移百分表的表盘固定在演示仪箱体顶部的网格支架上，并将位移百分表的测量头布置于基坑模型的工程粧模型顶部与粧间土表面，用于监测基坑底部土体与粧顶竖直位移；所述应变片埋设在工程粧模型的粧内，并通过导线采用半桥接法与应变监测仪连接，用于监测工程粧模型的形变。2.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述演示仪箱体上测压口的高度高于箱体进水口的高度；测压管的高度大于蓄水箱的水头最大高度。3.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述演示仪箱体上的箱体进水口、测压口、箱体排水口处都设置有滤网，用于防止土体堵塞管道。4.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述蓄水箱中的隔板与蓄水箱的底部垂直设置。5.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述蓄水箱的升降范围满足: 蓄水箱降至高度最低时，蓄水箱内部的水位高度能低于演示仪箱体上箱体进水口的高度； 蓄水箱升至高度最高时，蓄水箱内部的水位高度能高于演示仪箱体的高度。6.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述基坑突涌演示仪还包括基坑模型，基坑模型包括砾石层、软土层、围护粧模型、工程粧模型； 所述砾石层铺设在演示仪箱体内部的下层，且砾石层顶部在靠近演示仪箱体四周处，涂有用于减少接触面渗透的防水硅胶； 所述软土层采用经固结后的软土，软土层铺设在砾石层的上部； 所述围护粧模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的围护粧模型，围护粧模型的布置位置按照所模拟工程进行布置； 所述工程粧模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的混凝土工程粧模型，工程粧模型的布置位置按照所模拟工程进行布置。7.根据权利要求6所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述砾石层的层顶高度高于箱体进水口的高度，并与测压口的高度相同。8.根据权利要求6所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述测压管的零刻度位置与砾石层的顶部处于同一水平位置。9.根据权利要求6所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述工程粧模型每一个水平截面均匀布置4片应变片，每一根工程粧布置3个截面。10.基于权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪的基坑突涌实验研宄方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 步骤A:制作围护粧模型与工程粧模型，并在制作工程粧模型时预先将应变片编号完毕后埋入工程粧模型内； 步骤B:向演示仪箱体内部铺设下层的砾石层，保证层顶平整，砾石层的高度高于箱体进水口的高度； 步骤C:向演示仪箱体内部铺设上层的软土层，且分层夯实以模拟实际土质情况；布置围护粧模型、工程粧模型与位移百分表； 步骤D:将蓄水箱、测压管连接到演示仪箱体，将应变片连接至应变监测仪； 步骤E:将蓄水箱降至最低高度后开始注水，当水位达到平稳后，即测压管中的实际水头高度保持稳定，不再变化时，提升蓄水箱，通过测压管读出实际水头高度；在实验持续阶段，箱体排水口应处于开启状态以保持砾石层中有流动的承压水； 步骤F:当达到实验结束条件中的任意一种情况时，实验研宄结束； 所述实验结束条件包括:条件I)水头高度稳定在预先设定的目标高度，即测压管中的实际水头高度稳定在预先设定的目标高度，并持续I小时，位移百分表及应变片读数基本保持不变；条件2)水头高度在达到预先设定的目标高度前，基坑模型发生突涌；条件3)工程粧模型因粧顶位移过大而发生失稳破坏，或者因粧身应变过大而发生断裂破坏； 步骤G:实验结束后，关闭蓄水箱进水口，打开蓄水箱排水口与演示仪箱体排水口进行排水，将水排干后，回收模型粧与实验土体。
【专利摘要】本发明涉及基坑突涌研究领域，旨在提供一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研究方法。该种基坑突涌演示仪包括演示仪箱体、蓄水箱、基坑模型和监测系统；所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，所述蓄水箱能进行升降，内设有隔板，所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪，所述基坑模型包括砾石层、软土层、围护桩模型、工程桩模型。该种基坑突涌实验研究方法，利用基坑突涌演示仪用以模拟工程实际或用以进行基坑突涌机制的研究。本发明结构简单、成本低廉，维护费用低，易于上手，模型材料可重复利用，不会造成浪费与污染，也不需要依靠离心机进行实验，也不需要如原型试验一般使用巨大的场地。
【IPC分类】G09B25/00
【公开号】CN104900130
【申请号】CN201510316759
【发明人】孙宏磊, 蔡袁强, 杨逸敏
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月10日
【技术领域】
[0001]本发明是关于基坑突涌研宄领域，特别涉及一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研宄方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国城市地下铁道、高层建筑、人防工程等基础设施的迅速发展，深基坑工程日益增多，深基坑工程开挖施工的地质条件和环境也日益复杂，其工程事故率和损失也越来越大。而在深基坑工程中，地下水防是治一项事关全局的工作，特别是在沿海地区，地下水是导致基坑工程事故最直接的原因之一。根据统计，约有一半以上的基坑事故与地下水有关。
[0003]地下水按其埋藏条件一般包括上层滞水、潜水和承压水这三类。其中，承压水是地表以下充满于两个稳定隔水层之间承受静水压力的含水层中的重力水，承压水常分布于松散地层，埋藏于场地下部，具有承压性，承压力大小与该含水层补给区与排泄区的地势有关；水量由含水层或含水构造的性质、渗透性等决定。软土地区承压水基坑突涌模式主要有3种:接触面涌水涌砂破坏、整体顶升破坏和隔水层表面砂沸破坏。
[0004]然而，回顾承压水基坑抗突涌稳定分析方法的研宄现状，我们可以发现:①传统的压力平衡法在评判承压水基坑突涌稳定性时，只考虑了承压含水层顶隔水层土体自重力引起的抗力，没有考虑隔水层土体内聚力、摩擦力，其计算结果不合理。②均质连续构件分析法，将坑底隔水层土体假定为均质线弹性梁、板单元来分析。实际工程中，软土地区坑底承压含水层以上的隔水层为非均质、成层分布的非弹性土体，而且当隔水层厚度与基坑跨度之比较大时，简化成梁、板单元分析显然不合理。③均质连续体法，假设突涌破坏体为均质方柱体或圆柱体，这一假定与软土地区承压水基坑突涌破坏形式相差较大。实际工程中，基坑突涌破坏形式，要么为坑底被承压水水头压力顶破，出现网状或树枝状裂缝；要么为坑底发生流砂、流土或类似于“沸腾”的喷水冒砂现象。
[0005]因此，对于某一特定基坑在承压水作用下发生何种形式的突涌，突涌的内在机制研宄，无论是学术界还是工程界都是亟待解决的关键问题。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能填补目前关于基坑突涌研宄领域空白的基坑突涌演示仪及基坑突涌实验研宄方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是:
[0007]提供一种基坑突涌演示仪，包括演示仪箱体、蓄水箱和监测系统；
[0008]所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，演示仪箱体的底部为(厚度大于1mm的)钢板，演示仪箱体的四面侧壁为有机玻璃，且四面侧壁的外部箍紧有铁条，用于增加演示仪箱体的承压能力；
[0009]所述演示仪箱体上开有两个箱体进水口、一个箱体排水口和一个测压口，箱体进水口、测压口分别设在演示仪箱体的侧壁上，箱体排水口设在演示仪箱体的底部，且箱体进水口、箱体排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；演示仪箱体的内部用于装设基坑模型，演示仪箱体的顶部装有可拆卸的网格支架，网格支架通过卡扣实现可拆卸地定位固定在演示仪箱体的顶部；
[0010]所述蓄水箱安装在导轨上，并连接有电机，蓄水箱能利用电机提供的动力，沿导轨进行升降，且能通过电机控制升降速度；蓄水箱内设有隔板，用于将蓄水箱内部分隔为蓄水区和排水区，且隔板高度为蓄水箱箱体高度的2/3 ;蓄水箱上开有一个蓄水箱进水口与四个蓄水箱排水口，蓄水箱进水口、蓄水箱排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；所述蓄水箱进水口设置在蓄水区的上方，一个蓄水箱排水口设置在排水区的底部，三个蓄水箱排水口设置在蓄水区的底部，且蓄水区底部的其中两个蓄水箱排水口分别通过塑料软管与演示仪箱体的两个箱体进水口连接；
[0011]所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪；所述测压管为标有刻度的透明玻璃管，利用测压管支架垂直固定在演示仪箱体外部，测压管通过塑料软管与演示仪箱体的测压口连接，用于监测演示仪箱体内承压水层的实际水头高度(水头高度是指隔板高度与蓄水箱底部至演示仪箱体底部垂直距离之和，而根据达西定律，水在砾石层中渗流会损失水头高度，因此需要测出实际的水头高度)；所述位移百分表的表盘固定在演示仪箱体顶部的网格支架上，并将位移百分表的测量头布置于基坑模型的工程粧模型顶部与粧间土表面，用于监测基坑底部土体与粧顶竖直位移；所述应变片埋设在工程粧模型的粧内，并通过导线采用半桥接法与应变监测仪连接(应变片与应变监测仪间的导线不应触碰基坑模型其余部分)，用于监测工程粧模型的形变。
[0012]在本发明中，所述演示仪箱体上测压口的高度高于箱体进水口的高度；测压管的高度大于蓄水箱的水头最大高度。
[0013]在本发明中，所述演示仪箱体上的箱体进水口、测压口、箱体排水口处都设置有滤网，用于防止土体堵塞管道。
[0014]在本发明中，所述蓄水箱中的隔板与蓄水箱的底部垂直设置。
[0015]在本发明中，所述蓄水箱的升降范围满足:
[0016]蓄水箱降至高度最低时，蓄水箱内部的水位高度能低于演示仪箱体上箱体进水口的高度；
[0017]蓄水箱升至高度最高时，蓄水箱内部的水位高度能高于演示仪箱体的高度。
[0018]在本发明中，所述基坑突涌演示仪还包括基坑模型，基坑模型包括砾石层、软土层、围护粧模型、工程粧模型；
[0019]所述砾石层铺设在演示仪箱体内部的下层，且砾石层顶部在靠近演示仪箱体四周处，涂有用于减少接触面渗透的防水硅胶；
[0020]所述软土层采用经(较小固结压力)固结后的软土(具体土的种类根据试验所模拟的工程情况进行选择)，软土层铺设在砾石层的上部；
[0021]所述围护粧模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的围护粧模型(其材料应保证基坑模型不发生较大形变)，围护粧模型的布置位置按照所模拟工程进行布置；
[0022]所述工程粧模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的混凝土工程粧模型，工程粧模型的布置位置按照所模拟工程进行布置。
[0023]在本发明中，所述砾石层的层顶高度高于箱体进水口的高度，并与测压口的高度相同(需要要求砾石层渗透性较好)。
[0024]在本发明中，所述测压管的零刻度位置与砾石层的顶部处于同一水平位置。
[0025]在本发明中，所述工程粧模型每一个水平截面均匀布置4片应变片，每一根工程粧布置3个截面。
[0026]提供基于所述的一种基坑突涌演示仪的基坑突涌实验研宄方法，具体包括如下步骤:
[0027]步骤A:制作围护粧模型与工程粧模型，并在制作工程粧模型时预先将应变片编号完毕后埋入工程粧模型内；
[0028]步骤B:向演示仪箱体内部铺设下层的砾石层，保证层顶平整，砾石层的高度高于箱体进水口的高度；
[0029]步骤C:向演示仪箱体内部铺设上层的软土层，且分层夯实以模拟实际土质情况；布置围护粧模型、工程粧模型与位移百分表(布置工程粧模型时，若实验对象为挤土粧，则在软土层铺设完毕后插入土体；若实验对象为非挤土粧，则在铺设软土层时预先埋入；布置布置位移百分表与埋有应变片的工程粧模型时，可按照中心密集，四周稀疏的原则进行布置)；
[0030]步骤D:将蓄水箱、测压管连接到演示仪箱体，将应变片连接至应变监测仪(应变片与应变监测仪的接线不宜张拉过紧以影响实验效果)；
[0031]步骤E:将蓄水箱降至最低高度后开始注水，当水位达到平稳后，即测压管中的实际水头高度保持稳定，不再变化时，(缓慢)提升蓄水箱，通过测压管读出实际水头高度(期间需严密监测位移百分表与应变检测仪的读数并做记录)；在实验持续阶段，箱体排水口应处于开启状态以保持砾石层中有流动的承压水；
[0032]步骤F:当达到实验结束条件中的任意一种情况时，实验研宄结束；
[0033]所述实验结束条件包括:条件I)水头高度稳定在预先设定的目标高度，即测压管中的实际水头高度稳定在预先设定的目标高度，并持续I小时，位移百分表及应变片读数基本保持不变；条件2)水头高度在达到预先设定 的目标高度前，基坑模型发生突涌；条件3)工程粧模型因粧顶位移过大而发生失稳破坏，或者因粧身应变过大而发生断裂破坏；
[0034]步骤G:实验结束后，关闭蓄水箱进水口，打开蓄水箱排水口与演示仪箱体排水口进行排水，将水排干后，回收模型粧与实验土体。
[0035]本发明的工作原理为:实验时对实验对象进行等比例缩小从而制作基坑模型，利用基坑突涌演示仪用以模拟工程实际或用以进行基坑突涌机制的研宄，通过对基坑模型进行监测，从而做出基坑突涌风险评估或研宄不同条件不同工况下基坑突涌机制。
[0036]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0037]本发明能直观地观察基坑模型随着工况的改变或水位的上升而发生的基坑突涌，亦能在不发生基坑突涌时对于基坑模型细微的变化进行精确地监测。
[0038]本发明不光考虑到土体内摩擦力对于基坑突涌的影响，同时考虑了工程粧负摩阻力与工程粧种类不同对于基坑突涌的影响。
[0039]本发明结构简单、成本低廉，维护费用低，易于上手，模型材料可重复利用，不会造成浪费与污染，也不需要依靠离心机进行实验，也不需要如原型试验一般使用巨大的场地。
[0040]本发明能较好地模拟基坑工程中任何一种工况与任何一种承压水条件，也可用于研宄如边坡稳定、基坑变形机理、滑坡机理等防灾工程、岩土工程问题。
【附图说明】
[0041]图1为本发明的实施工作示意图。
[0042]图2为图1中蓄水箱的节点详图。
[0043]图中的附图标记为:1蓄水箱；2砾石层；3软土层；4围护粧模型；5工程粧模型；6箱体进水口 ；7箱体进水口 ；8测压口 ；9箱体排水口 ；10测压管；11测压管支架；12蓄水箱排水口 ； 13蓄水箱排水口 ； 14蓄水箱排水口 ； 15蓄水箱排水口 ； 16隔板；17位移百分表；18应变片；19应变监测仪；20蓄水区；21排水区；22蓄水箱进水口 ；23网格支架。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0045]如图1所示的一种基坑突涌演示仪，包括演示仪箱体、蓄水箱I和监测系统。通过蓄水箱I将水诸如演示仪箱体以模拟承压水，通过监测系统的监测数据做出基坑突涌风险评估或研宄不同条件不同工况下基坑突涌机制。该装置可以被广泛地应用于岩土工程、防灾工程的各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作。
[0046]所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，演示仪箱体的底部为厚度大于1mm的厚钢板，演示仪箱体的四面侧壁为便于观测采用有机玻璃，且四面侧壁的外部箍紧有铁条，用于增加演示仪箱体的承压能力；演示仪箱体的内部侧壁为用砂纸或钢刷打毛处理后的侧壁。演示仪箱体尺寸不宜过大或过小，过大则不方便实验，过小则实验效果不佳。
[0047]所述演示仪箱体上开有两个箱体进水口 6，7、一个箱体排水口 9和一个测压口 8，箱体进水口 6，7、测压口 8分别设在演示仪箱体的侧壁上，测压口 8的高度高于箱体进水口6，7的高度，箱体排水口 9设在演示仪箱体的底部；且箱体进水口 6，7、箱体排水口 9分别装有用于控制开启关闭的阀门，箱体进水口 6，7、测压口 8、箱体排水口 9处都设置有滤网，用于防止土体堵塞管道。演示仪箱体的内部用于装设基坑模型，演示仪箱体的顶部装有可拆卸的网格支架23，网格支架23大小应适合模型箱体顶部面积，通过卡扣实现可拆卸及定位，且使其保持固定，从而适合安装位移百分表17。
[0048]基坑模型包括砾石层2、软土层3、围护粧模型4、工程粧模型5，按照实际工程情况等比例缩小并进行布置。
[0049]所述砾石层2铺设在演示仪箱体内部的下层，且砾石层2顶部在靠近演示仪箱体四周处，涂有用于减少接触面渗透的防水硅胶，从而防止水流从侧面渗漏影响实验效果。砾石层2的烁石颗粒均勾，最大粒径不超过5mm，其渗透系数约为5xl0_6cm/s，以保证内部渗流稳定；烁石层2的层顶高度高于箱体进水口 6，7的高度，并与测压口 8的高度相同。
[0050]所述软土层3铺设在砾石层2上部，具体是指经5kPa固结压力固结后的淤泥质粘性土。
[0051]所述围护粧模型4是指经过等比例缩小的混凝土围护粧模型，具体应按照比例围成一个正方形基坑。
[0052]所述工程粧模型5是指经过等比例缩小的混凝土工程粧模型，具体布置时共布置9x9共81根粧。工程粧模型5每一个水平截面均匀布置4片应变片18，每一根工程粧布置3个截面。
[0053]如图2所示，所述蓄水箱I安装在导轨上，并连接有电机，蓄水箱I能利用电机提供的动力，沿导轨进行升降，且能通过电机控制升降速度。蓄水箱I的升降范围满足:蓄水箱I降至高度最低时，蓄水箱I内部的水位高度低于演示仪箱体上箱体进水口 6，7的高度；蓄水箱I升至高度最高时，蓄水箱I内部的水位高度高于演示仪箱体的高度。
[0054]蓄水箱I内设有与蓄水箱I底部垂直设置的隔板16，用于将蓄水箱I内部分隔为蓄水区20和排水区21，用以在实验时保持稳定的水头高度，其水头高度即为隔板16高度与蓄水箱I底部至演示仪箱体底部垂直距离之和；且隔板16高度为蓄水箱I箱体高度的2/3ο蓄水箱I上开有一个蓄水箱进水口 22与四个蓄水箱排水口 12，13，14，15，蓄水箱进水口 22、蓄水箱排水口 12，13，14，15分别装有用于控制开启关闭的阀门；所述蓄水箱进水口22设置在蓄水区20的上方，一个蓄水箱排水口 15设置在排水区21的底部，三个蓄水箱排水口 12，13，14设置在蓄水区20的底部，且蓄水区20底部的其中两个蓄水箱排水口 13，14分别使用塑料软管与演示仪箱体的两个箱体进水口 6，7连接，并密封以防止渗漏。
[0055]所述监测系统包括测压管10、位移百分表17、应变片18、应变监测仪19。
[0056]所述测压管10为标有刻度的透明玻璃管，利用测压管支架11垂直固定在演示仪箱体外部，测压管10通过塑料软管与演示仪箱体的测压口 8连接，并密封以防止渗漏，用于监测演示仪箱体内承压水层的实际水头高度；测压管10的高度大于蓄水箱I的水头最大高度，测压管10零刻度位置的高度与砾石层2的层顶高度相同。其中，水头高度是指隔板16高度与蓄水箱I底部至演示仪箱体底部垂直距离之和，而根据达西定律，水在砾石层2中渗流会损失水头高度，因此需要测出实际的水头高度。
[0057]所述位移百分表17利用网格支架23固定在演示仪箱体的内部上端，并布置于工程粧模型5顶部与粧间土表面，用于监测基坑底部土体与粧顶竖直位移。
[0058]所述应变片18埋设在工程粧模型5的粧内，并通过导线采用半桥接法与应变监测仪19连接，应变片18与应变监测仪19间的导线不应触碰基坑模型其余部分，用于监测工程粧模型5的形变。
[0059]基于上述基坑突涌演示仪，利用示意图对基坑突涌实验研宄方法进行详细描述，为了便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。
[0060]所述基坑突涌实验研宄方法具体包括以下步骤:
[0061](I)根据实际工程设计图或实验方案实际确定基坑模型尺寸，模型粧的数量与尺寸，并进行工程粧模型5与围护粧模型4的制作，在制作工程粧模型5时预先埋入应变片18。根据基坑模型大小制作演示仪箱体，本实施例中演示仪箱体材质底部为厚钢板，侧壁四周为便于观测使用有机玻璃，并用铁条箍紧以增加承压能力。箱体内部侧壁用砂纸或钢刷打毛。
[0062](2)铺设下层砾石层2，确保砾石层2颗粒均匀，并保证层顶平整。下层砾石层2层顶高度与测压口 8高度一致，并在铺设完下层砾石层2后在砾石层2顶部靠近箱壁四周涂防水硅胶以减少接触面的渗透性，从而防止水流从侧面渗漏影响实验效果
[0063](3)铺设上层软土层3，布置围护粧模型4、工程粧模型5以及位移百分表17。本实施例中，布置9X9 根工程粧模型5，且带有应变片18的工程粧模型5与位移百分表17按照中心密集，四周稀疏的原则进行布置。本实施例中工程粧模型5采用挤土粧，在布置完围护粧模型4与上层软土层3后将粧插入土中。
[0064](4)连接蓄水箱I与测压管10，将应变片18连接至应变监测仪19。需注意的是，应变片18与应变监测仪19的接线不宜张拉过紧以影响实验效果。本实施例中，连接导线假设于网格支架23上。
[0065](5)关闭蓄水箱排水口 13与演示仪箱体排水口 9，将蓄水箱I降至最低高度后开始注水，当水位达到隔板16后，多余的水流入蓄水箱排水区21从而达到动态平衡。观察演示仪箱体内部下层砾石层2是否已充满水，若已充满，缓慢提升蓄水箱1，并通过测压管10读出实际水头高度。期间需严密监测位移百分表17与应变检测仪的读数并做记录。
[0066](6)当达到以下条件之一时结束实验:
[0067]I)水头高度稳定在目标高度并持续一段时间。
[0068]2)水头高度在达到目标高度前基坑模型已发生突涌。
[0069]3)工程粧模型5粧顶位移过大而发生失稳破坏或粧身应变过大而发生断裂破坏。
[0070](7)实验结束后，关闭蓄水箱进水口 22，打开蓄水箱排水口 13与演示仪箱体排水口 9进行排水，将水排干后，回收模型粧与实验土体。
[0071]对于采用非挤土粧，入钻孔灌注粧的的基坑工程，可以在实施例一的基础上，改变步骤(3)的实施方式。在布置完围护粧模型4与上层软土层3后，在将要布置模型粧的位置上进行钻孔，钻孔直径略小于工程粧模型5，而后将工程粧模型5 —一插入相应位置以此模拟钻孔灌注粧。
[0072]最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基坑突涌演示仪，其特征在于，包括演示仪箱体、蓄水箱和监测系统； 所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，演示仪箱体的底部为钢板，演示仪箱体的四面侧壁为有机玻璃，且四面侧壁的外部箍紧有铁条，用于增加演示仪箱体的承压能力； 所述演示仪箱体上开有两个箱体进水口、一个箱体排水口和一个测压口，箱体进水口、测压口分别设在演示仪箱体的侧壁上，箱体排水口设在演示仪箱体的底部，且箱体进水口、箱体排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；演示仪箱体的内部用于装设基坑模型，演示仪箱体的顶部装有网格支架，网格支架通过卡扣实现可拆卸地定位固定在演示仪箱体的顶部； 所述蓄水箱安装在导轨上，并连接有电机，蓄水箱能利用电机提供的动力，沿导轨进行升降，且能通过电机控制升降速度；蓄水箱内设有隔板，用于将蓄水箱内部分隔为蓄水区和排水区，且隔板高度为蓄水箱箱体高度的2/3;蓄水箱上开有一个蓄水箱进水口与四个蓄水箱排水口，蓄水箱进水口、蓄水箱排水口分别装有用于控制开启关闭的阀门；所述蓄水箱进水口设置在蓄水区的上方，一个蓄水箱排水口设置在排水区的底部，三个蓄水箱排水口设置在蓄水区的底部，且蓄水区底部的其中两个蓄水箱排水口分别通过塑料软管与演示仪箱体的两个箱体进水口连接； 所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪；所述测压管为标有刻度的透明玻璃管，利用测压管支架垂直固定在演示仪箱体外部，测压管通过塑料软管与演示仪箱体的测压口连接，用于监测演示仪箱体内承压水层的实际水头高度；所述位移百分表的表盘固定在演示仪箱体顶部的网格支架上，并将位移百分表的测量头布置于基坑模型的工程粧模型顶部与粧间土表面，用于监测基坑底部土体与粧顶竖直位移；所述应变片埋设在工程粧模型的粧内，并通过导线采用半桥接法与应变监测仪连接，用于监测工程粧模型的形变。2.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述演示仪箱体上测压口的高度高于箱体进水口的高度；测压管的高度大于蓄水箱的水头最大高度。3.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述演示仪箱体上的箱体进水口、测压口、箱体排水口处都设置有滤网，用于防止土体堵塞管道。4.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述蓄水箱中的隔板与蓄水箱的底部垂直设置。5.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述蓄水箱的升降范围满足: 蓄水箱降至高度最低时，蓄水箱内部的水位高度能低于演示仪箱体上箱体进水口的高度； 蓄水箱升至高度最高时，蓄水箱内部的水位高度能高于演示仪箱体的高度。6.根据权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述基坑突涌演示仪还包括基坑模型，基坑模型包括砾石层、软土层、围护粧模型、工程粧模型； 所述砾石层铺设在演示仪箱体内部的下层，且砾石层顶部在靠近演示仪箱体四周处，涂有用于减少接触面渗透的防水硅胶； 所述软土层采用经固结后的软土，软土层铺设在砾石层的上部； 所述围护粧模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的围护粧模型，围护粧模型的布置位置按照所模拟工程进行布置； 所述工程粧模型是指经过等比例缩小的所模拟工程的混凝土工程粧模型，工程粧模型的布置位置按照所模拟工程进行布置。7.根据权利要求6所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述砾石层的层顶高度高于箱体进水口的高度，并与测压口的高度相同。8.根据权利要求6所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述测压管的零刻度位置与砾石层的顶部处于同一水平位置。9.根据权利要求6所述的一种基坑突涌演示仪，其特征在于，所述工程粧模型每一个水平截面均匀布置4片应变片，每一根工程粧布置3个截面。10.基于权利要求1所述的一种基坑突涌演示仪的基坑突涌实验研宄方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 步骤A:制作围护粧模型与工程粧模型，并在制作工程粧模型时预先将应变片编号完毕后埋入工程粧模型内； 步骤B:向演示仪箱体内部铺设下层的砾石层，保证层顶平整，砾石层的高度高于箱体进水口的高度； 步骤C:向演示仪箱体内部铺设上层的软土层，且分层夯实以模拟实际土质情况；布置围护粧模型、工程粧模型与位移百分表； 步骤D:将蓄水箱、测压管连接到演示仪箱体，将应变片连接至应变监测仪； 步骤E:将蓄水箱降至最低高度后开始注水，当水位达到平稳后，即测压管中的实际水头高度保持稳定，不再变化时，提升蓄水箱，通过测压管读出实际水头高度；在实验持续阶段，箱体排水口应处于开启状态以保持砾石层中有流动的承压水； 步骤F:当达到实验结束条件中的任意一种情况时，实验研宄结束； 所述实验结束条件包括:条件I)水头高度稳定在预先设定的目标高度，即测压管中的实际水头高度稳定在预先设定的目标高度，并持续I小时，位移百分表及应变片读数基本保持不变；条件2)水头高度在达到预先设定的目标高度前，基坑模型发生突涌；条件3)工程粧模型因粧顶位移过大而发生失稳破坏，或者因粧身应变过大而发生断裂破坏； 步骤G:实验结束后，关闭蓄水箱进水口，打开蓄水箱排水口与演示仪箱体排水口进行排水，将水排干后，回收模型粧与实验土体。
【专利摘要】本发明涉及基坑突涌研究领域，旨在提供一种基坑突涌演示仪及其基坑突涌实验研究方法。该种基坑突涌演示仪包括演示仪箱体、蓄水箱、基坑模型和监测系统；所述演示仪箱体为顶部开口的长方体结构箱体，所述蓄水箱能进行升降，内设有隔板，所述监测系统包括测压管、位移百分表、应变片、应变监测仪，所述基坑模型包括砾石层、软土层、围护桩模型、工程桩模型。该种基坑突涌实验研究方法，利用基坑突涌演示仪用以模拟工程实际或用以进行基坑突涌机制的研究。本发明结构简单、成本低廉，维护费用低，易于上手，模型材料可重复利用，不会造成浪费与污染，也不需要依靠离心机进行实验，也不需要如原型试验一般使用巨大的场地。
【IPC分类】G09B25/00
【公开号】CN104900130
【申请号】CN201510316759
【发明人】孙宏磊, 蔡袁强, 杨逸敏
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月10日
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