一种主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置及试验方法
本发明涉及建筑物主动抗浮，具体涉及一种主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置及试验方法。
背景技术：
1、近年来，随着大量带有地下室的高层建筑物、地下车库、下沉式广场以及地铁、地下商场等地下结构物的兴建，地下空间在广度和深度上都在迅速扩大，这导致地下结构所承受的水荷载剧增，给地下结构的抗浮设计带来严重的挑战。
2、目前地下空间的抗浮方法主要分为主动抗浮和被动抗浮两类。其中被动抗浮主要包括配重抗浮、抗浮锚杆、抗浮桩抗浮，主动抗浮主要为排水泄压、限压排水法、限压与截排法结合的几种方式。
3、主动抗浮相比于被动抗浮，具有节约造价、节约工期、施工简便、节约资源等优点。但也有如下一些问题：第一，主动抗浮在各种地层组合情况，特别是基底以下有局部透水地层情况下的适用性研究尚不明确。第二，主动抗浮后续长期排水量预估尚不准确。第三，不同降雨强度与时长情况下，渗流场与排水量的变化规律尚不清楚。
4、鉴于此，急需一种能模拟在不同降雨和地层条件下主动抗浮措施的排水模拟装置，可使得抽象的土体渗流变得更直观，为主动抗浮措施在实际工程中的应用提供了科学的参考数据。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置及试验方法，以解决现有技术中建筑物采用主动抗浮措施下，在不同条件下地下水渗流场与排水量的变化规律不清楚的技术问题。
2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
3、本发明提供的一种主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置,包括：边界模型箱以及与所述边界模型箱连接的建筑物模型箱；
4、所述边界模型箱内形成有腔体，所述腔体用于填充和铺设模拟土层结构；所述建筑物模型箱设置于所述模拟土层结构的上方；所述模拟土层结构内埋设有多个孔压传感器；
5、所述建筑物模型箱上设置有多个限压排水管，所述限压排水管的端部与所述建筑物模型箱之间的高度为可调节形式；多个所述限压排水管用于模拟实际建筑物中的主动抗浮结构。
6、可选的或优选的，所述边界模型箱上分别设置有降雨模拟组件和水循环组件；
7、所述降雨模拟组件包括降雨板、二号集水箱和支架；所述降雨板通过所述支架固定于所述边界模型箱上，并作用于所述模拟土层结构；
8、所述降雨板通过第四管道与所述二号集水箱相连通，所述第四管道上分别设置有第二流量计和第二水泵。
9、可选的或优选的，所述水循环组件包括水头控制结构和一号集水箱；
10、所述水头控制结构通过第二管道与所述一号集水箱相连通，所述第二管道上设置有第三流量计；
11、所述水头控制结构固定于所述边界模型箱上侧外缘，用于收集所述边界模型箱中溢出的水，并通过所述第二管道收集于所述一号集水箱中；
12、所述一号集水箱通过第三管道与所述二号集水箱相连通；所述第三管道上设置有第一水泵。
13、可选的或优选的，所述建筑物模型箱底部设置有多个第一管道，所述第一管道用于模拟实际建筑物中的泄压井结构；
14、所述第一管道远离所述建筑物模型箱的一端连通有三号集水箱；所述第一管道用于收集来自多个所述限压排水管的水，并收集于所述三号集水箱中；
15、所述第一管道上设置有第一流量计。
16、可选的或优选的，所述支架为可伸缩支架；
17、所述限压排水管底部为镂空的半球状。
18、一种主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验方法，包括以下步骤：
19、s1、安装试验装置，填充模拟土层结构，埋设传感器；
20、s2、通过控制变量，得到建筑物采用主动抗浮措施在不同条件下的地下水渗流规律；
21、s3、完成试验，拆解试验装置并记录数据。
22、可选的或优选的，s1中安装试验装置的方法，包括以下步骤：
23、s11、安装建筑物模型箱并将建筑物模型箱与边界模型箱通过多个螺栓固定连接；
24、s12、在建筑物模型箱中安装多个限压排水管，调节多个限压排水管的端部与建筑物模型箱底面高度保持一致；
25、s13、安装降雨模拟组件，通过支架调节降雨板高度，使来自降雨板（4）的模拟降雨能够覆盖模拟土层结构表面；
26、s14、开启水循环组件，并分别收集来自第一流量计、第二流量计和第三流量计的流量数据。
27、可选的或优选的，s1中填充模拟土层结构的方法为：分层铺设土层，并在铺设完每层土层后，采用环刀切割取样，对取样得到的图样进行渗透试验，确保所堆土体性质与预设土层性质相同。
28、可选的或优选的，s2中通过控制变量，从而得到建筑物采用主动抗浮措施在不同条件下的地下水渗流规律的方法，包括以下步骤：
29、s21、控制模拟土层结构、第一管道布设方式以及限压排水管端头漏出高度不变，改变降雨条件，通过孔压传感器以及多个流量计的流量数据，从而得到采用主动抗浮措施在不同降雨条件下的地下水渗流规律；
30、s22、控制降雨条件、第一管道布设方式以及限压排水管端头漏出高度不变，改变模拟土层结构，通过孔压传感器以及多个流量计的流量数据，从而分析不同土层结构对限压排水管的排水量和孔压传感器的影响，进而得到采用主动抗浮措施在不同土层结构条件下的地下水渗流规律；
31、s23、控制降雨条件、模拟土层结构以及限压排水管端头漏出高度不变，改变第一管道的间距或平面布置方式，通过孔压传感器以及多个流量计的流量数据，从而分析泄压井的布置方式对限压排水管的排水量和孔压传感器的影响，进而得到采用主动抗浮措施在不同排水井布置条件下的地下水渗流规律；
32、s24、控制降雨条件、模拟土层结构以及第一管道的布设方式不变，改变限压排水管端头漏出高度，通过孔压传感器以及多个流量计的流量数据，从而分析不同限压值情况下对限压排水管的排水量和孔压传感器的影响，进而得到采用主动抗浮措施在不同限压值条件下的地下水渗流规律。
33、可选的或优选的，s21中降雨条件包括降雨量和降雨时间，其中降雨时间的模拟方法为：
34、在均质各向同性介质中，剖面一维承压水流方程组为：
35、
36、
37、其中， k为渗透系数， h为水头， ss为贮水率， v为流速， t为时间， x为水平方向的坐标；
38、引入一组无量纲比值 αh、 αs、 αk、 αx、 αt、 αv：
39、
40、
41、
42、
43、
44、
45、其中 km、 hm、 ss,m、 vm、 xm、 tm为模型量， k、 h、 ss、 v、x、t为原型量；
46、整理后得到：
47、
48、
49、令各项比值的组合满足下式：
50、
51、
52、通过选择不同的比值，从而模拟不同降雨时长下的地下水渗流规律。
53、基于上述技术方案，本发明至少可以产生如下技术效果：
54、本发明提供的主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置及试验，能够演示在不同条件下，采用主动抗浮措施的排水情况和土体地下水渗流规律；试验方法可以通过分别改变降雨条件、模拟土层结构、第一管道的布设方式以及限压排水管端头的漏出高度，结合孔压传感器以及多个流量计的流量数据，从而分析降雨和土层结构因素对主动抗浮措施下的地下水渗流规律。
技术特征：
1.一种主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置,其特征在于，包括：边界模型箱（2）以及与所述边界模型箱（2）连接的建筑物模型箱（1）；
2.根据权利要求1所述的主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置,其特征在于，所述边界模型箱（2）上分别设置有降雨模拟组件和水循环组件；
3.根据权利要求2所述的主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置,其特征在于，所述水循环组件包括水头控制结构（3）和一号集水箱（16）；
4.根据权利要求3所述的主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置,其特征在于，所述建筑物模型箱（1）底部设置有多个第一管道（7），所述第一管道（7）用于模拟实际建筑物中的泄压井结构；
5.根据权利要求2所述的主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置,其特征在于，所述支架（19）为可伸缩支架；
6.一种主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验方法，其特征在于，基于权利要求4所述的试验装置进行地下水渗流试验的方法，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验方法，其特征在于，s1中安装试验装置的方法，包括以下步骤：
8.根据权利要求6所述的主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验方法，其特征在于，s1中填充模拟土层结构的方法为：分层铺设土层，并在铺设完每层土层后，采用环刀切割取样，对取样得到的图样进行渗透试验，确保所堆土体性质与预设土层性质相同。
9.根据权利要求6所述的主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验方法，其特征在于，s2中通过控制变量，从而得到建筑物采用主动抗浮措施在不同条件下的地下水渗流规律的方法，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验方法，其特征在于，s21中降雨条件包括降雨量和降雨时间，其中降雨时间的模拟方法为：
技术总结
本发明公开了一种主动抗浮措施条件下渗流排水模型试验装置及试验方法，属于建筑物主动抗浮技术领域，以解决现有技术中建筑物采用主动抗浮措施下，在不同条件下地下水渗流场与排水量的变化规律不清楚的技术问题。它包括：边界模型箱以及与边界模型箱连接的建筑物模型箱；边界模型箱内形成有腔体，腔体用于填充和铺设模拟土层结构；建筑物模型箱设置于模拟土层结构的上方；模拟土层结构内埋设有多个孔压传感器；建筑物模型箱上设置有多个限压排水管，限压排水管的端部与建筑物模型箱之间的高度为可调节形式；多个限压排水管用于模拟实际建筑物中的主动抗浮结构。本发明适用于主动抗浮措施在基坑工程中应用的研究，为主动抗浮措施在实际工程中的应用提供了指导。
技术研发人员：周永刚,汤明高,江宜顺,熊柱红,张鑫祥,王子沁
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23