一种沉管隧道基础层沉降模型试验系统及其操作方法

摘要

本发明公开了一种沉管隧道基础层沉降模型试验系统及其操作方法，其中该试验系统包括：模型水箱、管节模型、龙门吊、测量架、百分表、注砂机、止水阀、注砂管、垫块和千斤顶，其中垫块分布在模型水箱底部，千斤顶设置在垫块上，管节模型放置在千斤顶上，龙门吊和测量架设置在模型水箱的上方，百分表固定在测量架上，百分表的测量头顶在管节模型上，管节模型上开设有注砂孔，注砂孔连接止水阀，注砂管上设置有阀门，注砂机通过注砂管连接止水阀。本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：结构简单，可完成沉管隧道的基础层沉降的模型试验；通过注入不同砂水，可以试验砂水对沉降影响；通过洒上不同浓度回淤溶液，可以试验回淤层对沉降的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构模型试验系统，特别涉及一种沉管隧道基础层沉降模型试验系统及其操作方法。 

背景技术

在水下铺设隧道的过程中，通常采用的方法为首先让主体沉管段箱体准确沉放于预先开挖的基槽内,再利用灌砂法对沉管段的基础加固，这种方法适用于底宽不大的船台型管段。由于技术的发展，关于灌砂法的模型试验研究也取得了很大的进步，其中关于砂盘扩展规律及灌砂相关参数的研究以及关于砂料配比对灌砂的影响研究都非常成熟，相关模型试验中也考虑了不同的工况的影响，并且得出了相关的结论，诸多的研究基本肯定了灌砂法的有效可行，这些给实际工程的设计以及施工应用都提供了有价值的参考和依据。但是，现有的有关灌砂法的模型试验中，并没有对涉及对沉管隧道沉降的研究。由于沉管隧道的沉降因素缺乏科学的实验参考和支持，造成目前对沉管隧道的设计中不能很准确的确定其沉降大小，施工中常常需要通过一个预估的范围对管节进行一定的预抬高，无法满足日益进步的沉管隧道的应用要求。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，可以试验环境参数和施工参数对沉降影响的沉管隧道基础层沉降模型试验系统及其操作方法。 

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该沉管隧道基础层沉降模型试验系统，其特征在于，包括：模型水箱、管节模型、龙门吊、测量架、百分表、注砂机、止水阀、注砂管、垫块和千斤顶，其中垫块分布在模型水箱底部，千斤顶设置在垫块上，管节模型放置在千斤顶上，龙门吊和测量架设置在模型水箱的上方，百分表固定在测量架上，百分表的测量头顶在管节模型上，管节模型上开设有注砂孔，注砂孔连接止水阀，注砂管上设置有阀门，注砂机通过注砂管连接止水阀。

本发明所述模型水箱连接有循环水箱，循环水箱连接有水泵，水泵和注砂机连接。模型水箱的水会流向循环水箱，利用水泵从循环水箱内抽出多余的水放回注砂机； 

本发明沉管隧道基础层沉降模型试验系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)        在模型水箱底部铺上碎石层，清理模型水箱底部上四个角落的碎石，并放置垫块；

2)        在碎石层表面均匀洒上回淤溶液，使碎石层表面上形成一个回淤层；

3)        在垫块上面放置千斤顶；

4)        用龙门吊将管节模型吊放在至千斤顶上；

5)        用千斤顶顶起管节模型，关闭全部止水阀；

6)        在管节模型周围用碎石覆盖，使管节模型底部形成一个近似封闭的空间；

7)        向模型水箱内灌水，至水位超过管节模型底部时停止灌水；

8)        注砂管连接其中一个止水阀，打开注砂管的阀门以及止水阀； 

9)        打开注砂机自循环的阀门，先进行自循环，并在这期间向注砂机内倒入一定比例的水和砂；

10)    关闭注砂机自循环的阀门，进行注砂；

11)    待注砂一段时间后，在管节模型周围且靠近止水阀的位置挖开碎石形成观察孔； 

12)    待砂溢出观察孔，先打开注砂机自循环的阀门，然后关闭注砂管的阀门和止水阀，注砂机开始自循环；

13)    将注砂管从止水阀上卸下，与下一个注砂孔的止水阀连接；

14)    重复以上所述的步骤9-13直至全部注砂孔注砂完毕；

15)    注砂完毕后，清洗注砂管，关闭注砂机的电源；

16)    调整百分表至垂直，检查各个百分表是否正常，记录下此时百分表的初读数；

17)    利用龙门吊将管节模型吊起，取出千斤顶；

18)    龙门吊将管节模型放在灌注砂垫层上并卸力；

19)    根据应加的荷载和放入水量的关系，放水到管节模型，使得灌注砂垫层加载至一定荷载；

20)    采集百分表读数；

21)    重复以上步骤19、20直至加载至最终的荷载。

作为优选，步骤19所述的采集百分表读数数据采用以下步骤：前15分钟，每隔5分钟读数，15分钟后隔15分钟读数，直到百分表读数不变。 

作为优选，所述最终的荷载为2.5kPa-4kPa。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果： 

1)        结构简单，可完成沉管隧道的基础层沉降的模型试验；

2)        通过注入不同砂水，可以试验砂水对沉降影响；

3)        通过洒上不同浓度回淤溶液，可以试验回淤层对沉降的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图； 

图2为本发明实施例的局部结构示意图；

图3为本发明实施例的百分表测量点位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。 

参见图1-图2，本实施例该沉管隧道基础层沉降模型试验系统，包括：模型水箱1、管节模型2、龙门吊、测量架4、百分表5、注砂机6、止水阀7、注砂管8、垫块9和千斤顶3，其中垫块9分布在模型水箱1底部，千斤顶3设置在垫块9上，管节模型2放置在千斤顶3上，龙门吊和测量架4设置在模型水箱1的上方，百分表5固定在测量架4上，百分表5的测量头顶在管节模型2上，管节模型2上开设有注砂孔，注砂孔连接止水阀7，注砂管8上设置有阀门，注砂机6通过注砂管8连接止水阀7。模型水箱1连接有循环水箱10，循环水箱10连接有水泵11，水泵11和注砂机6连接。 

本实施例沉管隧道基础层沉降模型试验系统的操作方法，包括以下步骤 

1）  在模型水箱1底部铺上碎石层12，清理模型水箱1底部上四个角落的碎石，并放置垫块9；

2）  在碎石层12表面均匀洒上回淤溶液，使碎石层12表面上形成一个回淤层；

3）       在垫块9上面放置千斤顶3；

4）       用龙门吊将管节模型2吊放在至千斤顶3上；

5）       用千斤顶3顶起管节模型2，关闭全部止水阀7；

6）       在管节模型2周围用碎石覆盖，使管节模型2底部形成一个近似封闭的空间；

7）       向模型水箱1内灌水，至水位超过管节模型2底部时停止灌水；

8）       注砂管8连接其中一个止水阀7，打开注砂管8的阀门以及止水阀7； 

9）       打开注砂机6自循环的阀门，先进行自循环，并在这期间向注砂机6内倒入一定比例的水和砂；

10）   关闭注砂机6自循环的阀门，进行注砂；

11）   待注砂一段时间后，在管节模型2周围且靠近止水阀7的位置挖开碎石形成观察孔； 

12）   待砂溢出观察孔，先打开注砂机6自循环的阀门，然后关闭注砂管8的阀门和止水阀7，注砂机6开始自循环；

13）   将注砂管8从止水阀7上卸下，与下一个注砂孔的止水阀7连接；

14）   重复以上所述的步骤9-13直至全部注砂孔注砂完毕；

15）   注砂完毕后，清洗注砂管8，关闭注砂机6的电源；

16）   调整百分表5至垂直，检查各个百分表5是否正常，记录下此时百分表5的初读数；

17）   利用龙门吊将管节模型2吊起，取出千斤顶3；

18）   龙门吊将管节模型2放在灌注砂垫层13上并卸力；

19）   根据应加的荷载和放入水量的关系，放水到管节模型2，使得灌注砂垫层13加载至一定荷载，记录此时的百分表5读数；

20）   前15分钟，每隔5分钟读数，15分钟后隔15分钟读数，直到百分表5读数不变；百分表5的位置如图3中圆圈位置所示，本实施例中共设置有11个百分表5测量点。

21）   重复以上步骤19、20直至加载至最终的荷载。最终的荷载设置在2.5kPa-4kPa之间。 

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。