便于揭示流固耦合效应的地面沉降试验模拟装置及方法

摘要

本发明涉及一种便于揭示流固耦合效应的地面沉降试验模拟装置，以解决地面沉降试验难以体现不同地下水补给及抽水强度下的土体变形耦合效应的技术问题。该装置主要包括土体观测箱、补水系统、抽水机构、数据采集系统、模拟载荷。本发明装置基于压力监测单元可精确测量土体应变和空隙水压力，以确定地面沉降的主控因素；基于补水系统可揭示在不同水力边界条件及不同抽水条件下对土体变形及地面沉降演化规律的影响；基于mps数值摄影测量单元可得到土体中各个颗粒的移动方向以及位移；本发明装置便于揭示在集群荷载下地下水开采导致地面沉降发生发展的流固耦合效应，可以再现抽水过程中流体流动导致土体颗粒流失引发地面沉降的全过程。

说明书

技术领域

本发明涉及地质沉降技术领域，具体涉及一种便于揭示流固耦合效应的地面沉降试验模拟装置。

背景技术

长期以来，随着社会经济的发展，地面沉降这一地质灾害问题成为困扰全球的严重性问题，与此同时也受到许多学者的关注，并开展了大量关于开采地下水导致地面沉降机理的研究，得出许多研究成果，这些成果的应用也使某些地区沉降得到有效控制。

但是，现有大多数研究的是理论性数值模型，或者是采用监测地下水位的初始水位及终止水位直接求得沉降值或直接量测地面沉降值，并没有进行研究土体内部与抽取地下水之间发生流固耦合的动态变化过程，而实际上抽水井作为地面沉降发生的主要诱发因素，其布置方式、采水强度、采水层位等众多因素决定着沉降的发生及演化；不同的地下水补给条件也是影响地面沉降的一个重要因素。因此，研究在不同地下水补给条件及不同抽水强度下土体变形耦合效应具有十分重要的现实意义。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种便于揭示流固耦合效应的地面沉降试验模拟装置，以解决当前的地面沉降模拟试验难以体现不同地下水补给条件及不同抽水强度下土体变形耦合效应的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种便于揭示流固耦合效应的地面沉降试验模拟装置，包括：

土体观测箱，包括至少一侧设置观测窗的箱体，设置于该箱体中的模拟土体；

补水系统，包括储水容器、水位控制机构、设置于所述模拟土体一端或两端的布水管路；所述水位控制机构包括水位水箱及控制该水位水箱升降的升降结构，所述储水容器通过对应的供水泵及管道向所述水位水箱供水；所述水位水箱通过对应的供水管向所述布水管路供水，以实现向所述模拟土体对应的土层中定水头或变水头补水；

抽水机构，包括抽水泵、设置于所述模拟土体中的水井结构以及连通两者的抽水管，所述抽水泵的出水口连通至所述储水容器；

数据采集系统，包括mps数据摄影测量单元、压力监测单元；所述压力监测单元包括埋设于所述模拟土体土层中的土压力计、孔隙水压力计，以及由对应的数据采集线连接的数据采集仪；所述mps数据摄影测量单元包括摄像机、埋设于所述模拟土体中的工装，所述摄像机对应于所述观测窗设置，用以记录所述工装随土层的变形沉降情况；

模拟载荷，包括重物及其支撑基础，所述支撑基础设置于所述模拟土体表面或/和其上部土层中。

优选的，所述水位水箱设有带出水口的溢流板，且所述出水口经由对应的管道连通至所述储水容器，以使水位水箱中多余的水回流至所述储水容器。

优选的，所述土压力计或/和孔隙水压力计采用扩散硅压力传感器，分辨率均为≤0.002%F.S。

优选的，所述工装为直径11mm的镀镍圆形钉帽，钉长为13mm，且在钉帽上设有反光层。

优选的，所述水井结构包括由不锈钢过滤筛网弯曲而成的半圆柱体及缠绕其外部的纱网，该水井结构的矩形面贴合于所述观察窗；在对应于水井结构的井壁部位的抽水层位内填入6-8d

优选的，所述升降结构为绗架式升降结构。

基于上述便于模拟装置的揭示流固耦合效应的地面沉降试验模拟方法，包括如下步骤：

（1）自重固结法设置模拟土体

在所述箱体中铺设监测土层时，由下向上均匀摊铺，每隔5cm摊铺一次，没摊铺完一次进行一次注水，在固结沉降至稳定后按照上述的方法进行铺设至设计厚度；在铺设的过程中将土压力计和水压力计同时铺设在土层里，铺设中先将传感器放在土层上面，然后在传感器表面轻铺一层细土，然后在逐渐向上铺设；并且将对应于mps工业数字摄影测量系统所用到的工装铺设在土层中；

（2）施加承压水及土体固结至稳定

通过升降结构将水位水箱调节固定到设计方案中相应的承压水位设计高度，以缓慢较低的流速向所述模拟土体中注水，当定水位水箱中的水位不再下降时，则模拟土体中水位达到设计承压水位高度；同时打开数据采集仪监测模拟土体孔隙水压，用相机拍摄记录所述工装变形沉降情况，当土体各土层沉降量变化率≤0.01mm/d，且空隙水压变化率≤0.05kp/d时，则土体整体固结达到稳定状态，满足抽水试验前的初始条件；

（3）模拟试验

基于试验内容和试验目的，开展实施不同工况下的各组试验，调节抽水机构的抽水泵参数和水位控制机构，以实现不同抽水条件和水源补给条件下的抽水试验。

在所述步骤（3）中，对于定水头补水条件下的试验，所述储水容器在试验过程中通过供水泵持续向水位水箱供水，并提前通过升降结构调节水位水箱至设计水位高度，保持顶水头水位不变；对于变水头条件下的试验，将供水泵关闭停止水源循环，保持水位水箱向模拟土体中注水，水位水箱中的水位持续下降，满足变水头条件下的抽水试验。

与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：

1. 本发明可用于研究揭示在集群荷载下地下水开采导致地面沉降发生发展的流固耦合效应：基于压力监测单元可以精确测量到土体应变和空隙水压力，研究并确定地面沉降的主控因素；基于独立的水位控制机构机抽水机构可以揭示在不同水力边界条件及不同抽水条件下对土体变形及地面沉降演化规律的影响；基于补水机构的布水管路可以满足不同位置土层两侧同水位的均匀注水；基于mps数值摄影测量单元可以通过软件处理得到土体中各个颗粒的移动方向以及位移。

2. 本发明装置可以再现抽水过程中流体流动导致土体颗粒流失引发地面沉降的全过程。

3. 本发明装置可以循环使用，提高实验器材的利用率，同时可以研究不同土层厚度及组成结构对地面沉降的影响规律；

4. 本发明装置可以实现水的循环利用，以解决因供水不足导致缺水以及水源浪费问题。

附图说明

图1为本发明地面沉降试验模拟装置的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明箱体的剖面图。

图4为本发明的布水管路结构示意图。

以上图中，1为箱体，2为水源池水箱，3为沙箱右侧进水口，4为沙箱左侧进水口，5为水井结构，6为抽水软管，7为抽水滤头，8为蠕动泵，9为排水软管，10为泵机，11为出水软管，12为绗架结构，13为手摇把手，14为螺旋杆件，15为水位水箱，16为水位水箱进水口，17-1、17-2为水位水箱出水口，18为连接三通，19为箱体左侧进水软管，20为箱体右侧进水软管，21为待监测变形的土层，22为工装，23为土压力计，24为孔隙水压力计，25为数据采集线，26为数据采集仪，27为摄像机，28为三角支架，29为预留出水口，4-1为供水管，4-2为布水管上预留孔，4-3为上布水管，4-4为下布水管，4-5为堵头，4-6为四通管件，4-7为导水管，4-8为三通管件，30-1为荷载支撑基础，30-2为砝码。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在本发明技术方案的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本申请如涉及“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而非是限定特定的顺序或先后次序。

实施例1：一种便于揭示流固耦合效应的地面沉降试验装置，参见图1-4，该装置包括土体观测箱、补水系统、抽水机构、数据采集系统、模拟载荷，各机构、系统可在功能上相对独立工作也可配合工作，并在结构连接与目标实现上有机组合。

所述土体观测箱的箱体外围为三角钢进行固定，以满足其稳定性，箱体（由厚度为3cm的亚克力板材制成）长2000mm、宽500mm，高1200mm，箱体左侧进水口4与软管19相连接，右侧进水口3与软管20相连接，进水口4与供水管（∅16pvc管材）4-1连接，供水管4-1通过四通管件4-6与上布水管4-2、导水管4-7、三通管件4-8、下布水管4-4相连接，上布水管4-3与下布水管4-4上分别长为480mm，管上有20个冲孔，每个孔距为20mm，孔径为4mm，上下布水管中心线间距为50mm，布水管两端分别有堵水堵头4-5，在上、下布水管外用200目的纱网进行缠绕。箱体左右进水口处均为上述布置，以实现土层从两侧均匀注水，以更符合实际情况，并减小水流对土体结构的破坏。预留出水孔29在试验中不需要时则用堵头4-5进行封堵，避免水体由预留孔排出，预留孔的作用可以通过连接一个个独立的进水装置满足不同土层的注水要求。

随着监测土层中的水抽取工装22会随着土体下降，下降幅度则由照相机27拍照记录下来，可将照片导入计算机由mps系统进行分析，则可得出各个工装的xyz的位移量，则直接的反映出土层中的土粒xyz的位移，间接的反映出土层的下降情况。

土压力计23和空隙水压力计24在进行试验前先进行校准，其数据的变化量会通过数据线25导入数据采集仪26中，并由计算机进行统计和分析。

水源池2设置于箱体下方，水源池2下方离地间距为5cm，与箱体间距为15cm，以保证泵机10可以方便替换，监测土层中的水由水井结构5中的抽水软管6通过抽水滤头7由蠕动泵（WT600L型）8通过排水软管9排入水源池2中；水源池2中的泵机10通过出水软管11，将水泵到水位水箱进水口16，再由水位水箱出水口17-1通过三通18分别流入箱体左侧进水软管19以及箱体右侧进水软管20，当水位水箱中的水多余时，则会通过水箱中设置的溢流板中的17-2出水口重新流回水源池2中，流入软管后分别通过箱体左侧进水口4、箱体右侧进水口3进入箱体被检测土层中，由布水结构导入，同时也就完成了整个的水循环。

水位控制机构包括水位水箱15、绗架结构12、螺旋杆手摇把手13、螺旋杆件14，水位水箱进水口16，水位水箱出水口17-1、17-2等组成，水位水箱与螺旋杆件通过螺丝连接在一起，按照试验设计要求通过螺旋杆手摇把手13顺时针转动，将螺旋杆14上的水位水箱15抬升，逆时针转动则下降；绗架结构为4根角钢焊接在钢板上组成，以保证其稳定性。

水井结构包括直径8cm的半圆柱体（由孔径为3mm的不锈钢过滤筛网弯曲而成），其外部由200目的纱网包裹缠绕，将水井结构的矩形面一侧利用高强防水胶水贴合固定在观察窗中间位置，并在井壁中对应于抽水层位置处按照工程地质手册规范填入6-8d

模拟载荷，由砝码、荷载支撑基础组成。可模拟研究在集群荷载作用下抽取地下水导致地面沉降耦合的相应机理，用砝码来模拟建筑物荷载，单栋建筑荷重可采用以下公式进行计算：

本例中，经过计算可以得出25层楼对应的砝码为18kg，30层对应21kg。

利用上述试验模拟装置进行模拟试验的操作方法：

土体采用自重固结的方法在箱体中设置模拟土体，在铺设监测土层时，由下向上均匀摊铺，每隔5cm摊铺一次，每摊铺完一次进行一次注水，在固结沉降至稳定后，按照上述方法逐渐铺设至设计厚度；在铺设的过程中将土压力计和水压力计同时埋设于在对应的土层中，埋设时先将传感器放在土层上面，然后在传感器表面轻铺一层细土，然后再逐渐向上铺设土体；并且将mps工业数字摄影测量系统所用到的工装铺设在土层中。

施加承压水及土体固结至稳定：通过调节螺旋杆把手13将水箱15分别平稳固定到设计方案中相应的承压水位设计高度，以缓慢较低的流速注水，当定水位水箱中的水位不再下降时，则模拟土体水位达到设计承压水位高度；同时打开数据采集仪26，并通过计算机实时监测主体箱内土体孔隙水压；并用相机拍摄工装变形沉降情况，将照片信息导入mps软件，进行数据处理，当土体各土层沉降量变化率≤0.01mm/d，且空隙水压变化率≤0.05 kp/d时，则认为土体整体固结达到稳定状态，满足抽水试验前的初始条件。

上述准备工作完成后，开始进行抽水试验，所有装置系统全部为完全打开状态，并运行调试至正常运行状态，试验室环境、尤其是观察窗和相机位置处保持良好光线，以保证能够记录试验过程中详细图片信息及数据等。打开蠕动泵进行抽水，基于试验内容和试验目的，开展实施不同工况下的各组试验，调节蠕动泵参数和水位控制系统，以实现不同抽水条件和水源补给条件下的抽水试验。其中，定水头补水条件下的试验，水源池2在试验过程中通过泵机10持续向水位控制水箱15进行供水，并提前通过螺旋杆把手13调节至设计水位高度，保持顶水头水位不变；变水头（无水源补给）条件下的试验，将泵机10关闭停止水源循环，保持进水孔3、4处的进水装置一直为完全打开状态，定水头水箱中水位持续下降，满足变水头条件下的抽水试验。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关部件、结构及材料进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。