相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验装置及方法

摘要

本发明公开一种相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验装置，包括：贮土箱、总供水系统、内部供水系统、围护装置、试验土体、井点系统、抽水设备。本发明还涉及一种相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验方法。所述装置和方法能够模拟承压含水层中基坑降水过程，并获得基坑内外不同深度处的地下水水位变化情况，同时可以研究围护结构插入承压含水层深度对降水过程中地下水位的影响，为设计施工提供合理可行的参数，保证基坑开挖降水过程的安全和效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑施工技术领域的方法，具体地，涉及一种相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验装置及方法。

背景技术

随着城市化进程的不断推进，沿海地区的地上空间已经不足以满足人们日益增长的需求，开发地下空间成为发展的必然趋势。近年来，基坑工程规模不断扩大，开挖深度也越来越深。沿海地区大多为软土地层，地下水位较高，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，基坑降水造成承压水位的大幅度降低会引起基坑周边地面沉降及既有建筑物变形，因此基坑降水时需要对降水引起的环境效应进行分析。室内试验因其具有操作便利、时间短的特性常被用于模拟基坑降水。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，需要在含水层上覆隔水层，实际工程中作为隔水层的粘性土因其固结时间较长，不适合用于室内试验中。因此，需要采用具有良好的隔水性能且兼具粘性土性质的相似材料模拟隔水层并进行基坑降水试验。

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，但试验土层为单层土，故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；

唐益群、栾长青2008年在《地下空间与工程学报》(第4卷，第3期)上发表的“上海地铁宜山路站室内降水大型模型试验分析”一文中直接采用粘土作为隔水层，因为每个试验工况都应在粘土固结完成后进行，故试验时间过长；

中国专利201610130987.8，公开了一种模拟基坑降水承压含水层地下水渗流的透明土试验方法，该方法只能模拟单向渗流情况，通过在透明土上覆盖承压板以模拟承压含水层，故不能模拟含水层的越流效应。其试验装置在模型箱侧板开设测压孔，通过将模型箱外的玻璃管与测压孔连接进行水位测量，由于测压孔是预先开设的，因此水位观测深度受限。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种采用相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验装置和方法，采用该装置和方法能够模拟承压含水层中基坑降水过程，并获得基坑内外不同深度处的地下水水位变化情况，同时可以研究围护结构插入承压含水层深度对降水过程中地下水位的影响，为设计施工提供合理可行的参数，保证基坑开挖降水过程的安全和效率。

根据本发明的第一方面，提供一种采用相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验装置，包括：贮土箱、总供水系统、内部供水系统、围护装置、试验土体、井点系统、抽水设备，其中：

所述贮土箱，其四周侧壁的底部水平等距设置排水孔，所述排水孔外侧安装止水阀，用于试验完成后将水及时排出，所述排水孔内侧贴有钢丝滤网防止流土；

所述总供水系统，用于向所述贮土箱中供水并控制用水量；所述总供水系统由总供水管、供水分管、压力表及供水球阀组成，所述总供水管为一根含三个三通接头及一个弯头的空心管，一侧与供水源相连；所述供水分管为四根空心管，其中三根与所述总供水管的三通接口相连，一根与所述总供水管的弯头相连；所述压力表安装于每根所述供水分管上，用于监测各供水分管的水压；所述供水球阀安装于每根所述供水分管上，用于调节各所述供水分管的流量；

所述内部供水系统共多组，紧贴所述贮土箱内侧壁布置，每组由环形总管及开孔分管组成，所述环形总管为空心管，其上端与所述贮土箱的侧壁顶部平齐，所述环形总管的中心处通过三通接口与所述总供水系统的所述供水分管相连；所述开孔分管由一组等间距布置的空心管组成，其底端封死，上端通过三通接头与所述环形总管相连，每根所述开孔分管在相同高度设有多个出水孔，表面粘贴钢丝滤网；

所述围护装置埋置于所述试验土体中，所述试验土体自下而上包括承压含水层、隔水层和潜水层，分层铺设于所述贮土箱中；

所述井点系统包括抽水井和观测井，所述观测井用于观测降水过程中所述贮土箱内部水位变化情况，所述抽水井用于模拟抽水；

所述抽水设备放于所述抽水井中，用于抽水。

优选地，所述贮土箱为钢制无盖长方体箱体，箱体外侧壁四周各设两道槽钢围檩，分别位于距箱体底部1/3及2/3高度处，用于限制箱体侧向变形。

优选地，所述内部供水系统共4组，紧贴所述贮土箱四个内侧壁布置，沿所述开孔分管的管壁竖向等距离设置出水孔，每根开孔分管在相同高度设有4个出水孔。

优选地，所述围护装置为截面为矩形的长方体无盖板和底板的钢制箱。

优选地，所述承压含水层为经过筛分处理直径小于5mm的粗砂颗粒；所述隔水层为细砂、膨润土、硅油、凡士林制成的相似材料；所述潜水层为经过筛分处理直径小于2mm的细砂颗粒。

所述观测井由观测井管、观测浮标及观测段组成，用于观测降水过程中贮土箱内部水位变化情况定，所述观测浮标位于所述观测井管中心，所述观测段通过变直径接头与所述观测井管相连。

更优选地，所述观测浮标由浮管和指针组成，所述浮管包括空心管、上盖板、下盖板；所述下盖板与所述空心管底端密封连接；所述上盖板设有中心孔，所述上盖板与所述空心管顶端密封连接，所述指针下端穿过所述上盖板中心孔后与所述下盖板中心处粘结，所述上盖板中心孔四周用密封胶进行密封。

更优选地，所述观测段由观测管和底板组成，所述观测管的管壁设有刻度尺，所述底板的中心设有中心孔，所述中心孔直径比所述观测浮标的指针直径大，所述底板与所述观测管底端密封连接，所述观测浮标的指针上端穿过所述观测管底板的中心孔。

根据本发明的第二方面，提供一种采用上述装置的相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验方法，包括如下步骤：

第一步，相似材料制备

①称量相似材料的组分原料，用于制作试块，所述相似材料的组分原料包括细砂、膨润土、硅油、凡士林，根据试验要求确定材料比例；

②制作相似材料，按照试验要求制作成相似材料试块；

③对相似材料试块进行土工测试，获得相似材料的土工参数，比较相似材料的土工参数与试验要求的土工参数，若误差超出设定阈值，则调整相似材料比例，重新进行相似材料制备；

④制备基坑降水模拟试验用相似材料：根据调整后的材料比例及试验土体用量要求称量各组分原料用量，按上述相似材料的制备步骤制作相似材料；

第二步，组装相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验装置，分层铺设试验土体，布置井点系统；

第三步，土体饱和固结，测量初始水位：

打开供水球阀向贮土箱内供水，并监测观测井水位；当观测井水位基本稳定且所述潜水层土体表面有水渗出时，关闭供水球阀，记录各个观测井初始水位，随后土体自重固结；

第四步，进行降水试验：

打开抽水设备从抽水井抽水，同时开启供水球阀，控制供水量使所述贮土箱四周侧壁处的观测井水位保持初始水位不变，观测并记录所有观测井水位变化；绘制观测井水位经时曲线图，其横轴为时间变化，纵轴为各观测井水位；

第五步，改变围护装置插入承压含水层的深度进行降水试验：

①挖出所述贮土箱内部试验土体，改变相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验装置中围护装置插入承压含水层的深度；

②重复第三步及第四步，进行围护装置插入承压含水层不同深度时的降水试验；

③绘制观测井水位与围护装置插入承压含水层的深度之间的关系曲线图，其横轴为同一剖面上的观测井坐标，纵轴为观测井的水位降深。

优选地，所述相似材料制备，具体为：

将称量好的细砂及膨润土混合并用搅拌器搅拌，至混合材料颜色均匀；

将称量好的硅油分批次倒入上述混合后的材料中，每次倒入后采用搅拌器搅拌均匀，至混合材料颜色均匀；

将称量好的凡士林用电磁炉融化，至全部为液态，然后将融化完成的液态凡士林分批次倒入上述倒油后的混合材料中，每次倒入后采用搅拌器搅拌均匀，至混合材料颜色均匀，最终制作成相似材料。

优选地，所述相似材料的土工参数包括密度ρ、含水率w、比重G_s、渗透系数k、压缩模量E_s、粘聚力c，内摩擦角比较相似材料的土工参数与试验要求的土工参数，若两者之间的误差在10％以上，则调整材料比例，重新进行相似材料制备。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明克服现有的模拟基坑降水方法中较难模拟承压含水层存在的缺点，通过采用相似材料模拟隔水层的方法模拟承压含水层中的基坑降水过程，可观测不同深度地下水位的变化情况，同时可以研究围护结构插入承压含水层深度对降水过程中地下水位的影响。本发明适用于模拟承压含水层中的基坑降水过程，为设计施工提供经验，也适用于岩土工程及水利工程专业的教学与科研。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所做的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1a为本发明一实施例中试验装置结构俯视图；

图1b为图1a中I-I所示剖面图；

图2为本发明一实施例中井点系统平面布置图；

图3a为本发明一实施例中观测井总结构示意图；

图3b为本发明一实施例中观测井管结构示意图；

图3c为本发明一实施例中观测浮标结构示意图；

图3d为本发明一实施例中观测段结构示意图；

图4a为本发明一实施例中G0-G17观测井水位经时曲线图；

图4b为本发明一实施例中G0-G27观测井水位经时曲线图；

图5a为本发明一实施例中G11-G17观测井水位与围护装置插入承压含水层的深度之间的关系曲线图；

图5b为本发明一实施例中G21-G27观测井水位与围护装置插入承压含水层的深度之间的关系曲线图；

图中：

1为贮土箱、2为总供水系统、3为内部供水系统、4为围护装置、5为试验土体、6为槽钢围檩、7为排水孔、8为总供水管、9为供水分管、10为压力表、11为供水球阀、12为环形总管、13为开孔分管、14为承压含水层、15为隔水层、16为潜水层、17为抽水井、18为观测井、19为观测井管、20为观测浮标、21为观测段、22为变直径接头、23为浮管、24为指针、25为空心管、26为上盖板、27为下盖板、28为观测管、29为底板、30为刻度尺。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验装置，包括：贮土箱1、总供水系统2、内部供水系统3、围护装置4、试验土体5、井点系统及抽水设备，其中：

所述贮土箱1，其四周侧壁的底部水平等距设置排水孔，所述排水孔外侧安装止水阀，用于试验后将水及时排出，所述排水孔内侧贴有防止流土的钢丝滤网；

所述总供水系统2，用于向所述贮土箱1中供水并控制用水量；所述总供水系统2由总供水管、供水分管、压力表及供水球阀组成，所述总供水管为含三个三通接头及一个弯头的空心管，一侧与供水源相连；所述供水分管为多根空心管，其中三根与所述总供水管的三通接口相连，一根与所述总供水管的弯头相连；所述压力表安装于每根所述供水分管上，用于监测各供水分管的水压；所述供水球阀安装于每根所述供水分管上，用于调节各所述供水分管的流量；

所述内部供水系统3共多组，紧贴所述贮土箱1内侧壁布置，每组由环形总管及开孔分管组成，所述环形总管为空心管，其上端与所述贮土箱1的侧壁顶部平齐，所述环形总管的中心处通过三通接口与所述总供水系统2的所述供水分管相连；所述开孔分管由一组等间距布置的空心管组成，其底端封死，上端通过三通接头与所述环形总管相连，每根所述开孔分管在相同高度设有多个出水孔，所述出水孔表面粘贴钢丝滤网；

所述围护装置4埋置于所述试验土体5中，所述试验土体5自下而上包括承压含水层、隔水层和潜水层，分层铺设于所述贮土箱1中；

所述井点系统包括抽水井和观测井，所述观测井用于观测降水过程中所述贮土箱1内部水位变化情况，所述抽水井用于模拟抽水；

所述抽水设备放于所述抽水井中，用于抽水。

所述抽水井、所述观测井、所述抽水设备，其布置位置和数量根据试验要求确定；上述各个管件(总供水管、供水分管、环形总管、开孔分管等)的尺寸、直径、数量等可以根据试验要求确定；所述试验土体中各层土体厚度也根据试验要求确定。

关于各个部件详细的技术特征，在以下相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验方法的操作步骤中详细描述。

基于上述装置，本发明涉及的相似材料模拟承压含水层中基坑降水的试验方法，按照以下步骤进行：

第一步，相似材料制备。

①称量相似材料的组分原料，用于制作试块。

本实施例中，组分原料比例为细砂：膨润土：硅油：凡士林＝1:0.24:0.04:0.14，采用电子天平称量细砂2kg、膨润土0.48kg、硅油0.08kg、凡士林0.28kg。

②按相似材料制备步骤制作相似材料，按照试验标准制作成相似材料试块。

本实施例中：

将称量好的细砂及膨润土均匀混合并用搅拌器搅拌5min，至混合材料颜色均匀，无明显颜色区分；

再将称量好的硅油分两次倒入上述混合后的材料中，每次倒入后采用搅拌器搅拌3min，至混合材料颜色均匀，无明显块状结构；

然后将称量好的凡士林放入电磁炉融化，至全部为液态，并分两次倒入上述倒油后的混合材料中，每次倒入后迅速采用搅拌器搅拌10min，至混合材料颜色均匀，无明显块状结构，最终制作成相似材料。

③对相似材料试块进行土工测试，获得相似材料的土工参数，判断相似材料的可行性。

本实施例中：相似材料的土工参数包括密度ρ、含水率w、比重G_s、渗透系数k、压缩模量E_s、粘聚力c，内摩擦角

密度ρ按照试验标准所述环刀法测量，测得相似材料ρ平均值为1.78g/cm³，试验要求ρ为1.81g/cm³，误差为1.66％；

含水率w按照试验标准所述含水率试验测量，测得相似材料w平均值为22.5％，试验要求w为24.5％，误差为8.16％；

比重G_s按照试验标准所述比重瓶法测量，测得相似材料G_s平均值为2.75，试验要求G_s为2.73，误差为0.73％；

渗透系数k按照试验标准所述变水头渗透试验测量，测得相似材料k平均值为3.14×10^-7cm/s，试验要求k为2.87×10^-7cm/s，误差为9.41％；

压缩模量E_s按照试验标准所述固结试验测量，测得相似材料E_s平均值为4.62MPa，试验要求E_s为4.49MPa，误差为2.90％；

粘聚力c及内摩擦角按照试验标准所述不固结不排水剪切试验测量，测得相似材料c平均值为19.57kPa，平均值为17.85°，试验要求c为18.11kPa，为18.06°，误差分别为8.06％和1.16％；

上述相似材料土工参数与试验要求土工参数的误差均小于10％，满足要求。

④制备基坑降水模拟试验用相似材料

根据试验土体用量要求称量各组分原料用量，其中细砂4000kg，膨润土960kg，硅油160kg，凡士林560kg，按上述相似材料制备步骤制作相似材料，用于基坑降水模拟试验。

第二步，组装基坑降水模拟试验装置即图1-3所示装置，分层铺设试验土体，布置井点系统。

如图1-3所示，基坑降水模拟装置包括：贮土箱1、总供水系统2、内部供水系统3、围护装置4、试验土体5、井点系统及抽水设备，总体连接关系以上已经描述，此处对于本实施例中涉及的各个部分的技术细节详细描述如下，应当理解的是，在其他实施例中，各个部分可以根据实验需要进行选择，并不局限于以下结构和尺寸参数。

本实施例中，所述贮土箱1为钢制无盖长方体箱体，尺寸为3500mm×3500mm×1500mm，厚度5mm，在外侧壁距离底部高度为0.5m、1m处设两道槽钢围檩6；每个侧壁距底部150mm高度，按间距500mm水平设置7个直径10mm的排水孔7；排水孔内侧贴有250目钢丝滤网。

本实施例中，所述总供水系统2，由总供水管8、供水分管9、压力表10及供水球阀11组成；其中，总供水管8为一根含三个三通接头及一个弯头的空心PVC管，直径25mm、壁厚2mm，一侧与供水源相连；供水分管9为四根直径25mm、壁厚2mm的空心PVC管，其中三根通过三通接口与总供水管相连，一根通过弯头与总供水管相连；压力表10、供水球阀11安装于每根供水分管上。

本实施例中，所述内部供水系统共4组，紧贴贮土箱内四个侧壁布置，每组由环形总管12及开孔分管13组成；环形总管为长3300mm，高300mm，直径为25mm的空心PVC管，上端与侧壁顶部平齐，中心处通过三通接口与总供水系统供水分管9相连，下端与开孔分管13连接；开孔分管13由一组等间距布置的直径25mm、长度1200mm的空心PVC管组成，上端通过三通接头与所述环形总管12相连，每侧壁设置11根，间距为300mm；开孔分管沿管壁从底端开始按竖向间距100mm打直径为5mm的出水孔，每根分管在相同高度有4个，开孔高度为1.2m；出水孔表面粘贴250目钢丝滤网。

本实施例中，所述围护装置4为截面为矩形的长方体无盖板和底板的钢制箱，长800mm，宽400mm，高1200mm，钢板厚度5mm；围护装置4插入承压含水层深度为500mm。

本实施例中，所述试验土体5自下而上包括承压含水层14、隔水层15和潜水层16，分层铺设于贮土箱1中；承压含水层14厚度为60cm，为经过筛分处理直径小于5mm的粗砂颗粒；隔水层15为第一步制备的相似材料，厚度为30cm；潜水层16为经过筛分处理直径小于2mm的细砂颗粒，厚度为30cm。

本实施例中，所述分层铺设，是每铺设5cm土体后用振动仪振动密实，直至铺设完成。

本实施例中，所述井点系统包括抽水井17和观测井18。所述抽水井17为空心PVC管，用于模拟抽水，共4口，设置于围护装置4四角距离侧壁30mm处，编号为Y1-Y4；具体布置位置如图2所示；抽水井17按照井的制作过程进行制作。

本实施例中，所述观测井18由观测井管19、观测浮标20和观测段21组成，如图3中(a)所示；观测井18共设置19口，具体布置位置如图2所示。其中在围护装置4内部中心处设置一根，编号为G0；沿围护装置4的X方向中心线布置7根，编号为G11-G17，与中心点距离分别为350mm、450mm、550mm、750mm、1050mm、1350mm、1650mm；沿围护装置4的Y方向中心线布置7根，编号为G21-G27，与中心点距离分别为150mm、250mm、350mm、550mm、850mm、1150mm、1550mm。在贮土箱1四角距离侧壁30mm处设置4根，编号为G1-G4。

本实施例中，所述观测井管19为空心PVC管，如图3中(b)所示，其直径为25mm、长度为1200mm，并按照井的制作过程进行制作。

本实施例中，所述观测浮标20放置于观测井管19内，由浮管23及指针24组成，如图3中(c)所示。所述浮管23由空心管25、上盖板26、下盖板27组成。空心管25为外径16mm，高200mm，壁厚1mm的空心PC管；上盖板26为直径16mm，厚度1mm的圆形PC板，与空心管顶端密封连接，中心处开直径6mm圆孔；下盖板27为直径16mm，厚度1mm的圆形PC板，与空心管底端密封连接；所述指针24为直径6mm，长度1000mm的圆柱形有机玻璃棒体，该棒体下端穿过浮管上盖板26中心孔后与浮管下盖板27中心处粘结，然后在上盖板26中心孔四周用密封胶进行密封。

本实施例中，所述观测段21由观测管28和底板29组成，通过大头25mm，小头20mm的变直径接头22与所述观测井管19相连，如图3(d)所示；所述观测管28为直径20mm，长度800mm的有机玻璃管，管壁设有量程为60cm，精度为1mm的刻度尺30；所述底板29为直径20mm，厚度1mm的圆形有机玻璃板，中心处开直径为10mm圆孔，与观测管28底端密封连接；所述观测浮标的指针24上端穿过该孔。

本实施例中，所述井的制作过程包括以下步骤：将空心PVC管底端进行封堵，用记号笔从底端标出200mm范围作为过滤段，按照竖向间距7.5mm，环向间距5mm，钻直径3mm的进水孔，共设置25排；将打好孔的PVC管表面打磨光滑，粘贴250目钢丝滤网。

本实施例中，所述抽水设备为4台功率为25W的抽水泵，分别放于抽水井Y1-Y4中。

第三步，土体饱和固结，测量初始水位：打开供水球阀向贮土箱内供水；当所述潜水层土体表面有水渗出，且观测井水位稳定在+15mm时，关闭供水球阀及供水源，记为本实施例初始水位，随后土体自重固结24h。

第四步，进行降水试验，具体的：

从所述抽水井Y1-Y4抽水，同时开启供水球阀，使所述贮土箱1四角处观测井G1～G4水位保持不变为+15mm，观测并记录所有观测井水位变化，时间持续120min。绘制观测井水位经时曲线图，其横轴为时间变化，纵轴为各观测井水位，具体如图4所示；

第五步，改变围护装置插入承压含水层的深度进行将降水试验，具体的：

①挖出所述贮土箱内部试验土体，重复第二步，改变围护装置插入承压含水层的深度分别为450mm、360mm、300mm；

②重复第三步及第四步的步骤，进行围护装置插入承压含水层不同深度时的降水试验。

③绘制观测井水位与围护装置插入承压含水层的深度之间的关系曲线图，其横轴为同一剖面上的观测井坐标，纵轴为观测井的水位降深，具体如图5所示。

通过上述实施例，能够模拟承压含水层中基坑降水过程，获得降水过程中不同深度地下水水位的变化情况，同时可以研究围护结构插入承压含水层深度对降水过程中地下水位的影响，克服了现有的土体渗流试验装置难以模拟承压含水层中基坑降水的缺陷。

以上对于本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种形式的修改，这并不影响本发明的实质内容。