專(zhuān)利名稱(chēng)：高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土工室內(nèi)試驗(yàn)裝置，具體涉及一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
合理確定地下結(jié)構(gòu)所受到的浮力，對(duì)于地下工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性至關(guān) 重要。由于學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)此在理論上缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，目前普遍以試驗(yàn)作為最重要和可 靠的研究手段。以下對(duì)于目前通常采用的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行分析及介紹
圖1所示裝置現(xiàn)有浮力模型試驗(yàn)中最為常見(jiàn)的一種，其基本過(guò)程為首先將內(nèi)箱2放入 外箱1中合適的高度，內(nèi)箱2中注滿水，再將飽和介質(zhì)3放入外箱1、內(nèi)箱2之間。而后逐漸 抽取內(nèi)箱2中的水，一旦內(nèi)箱2開(kāi)始移動(dòng)，則可知內(nèi)箱2受浮力影響開(kāi)始上浮，此時(shí)即為其 平衡狀態(tài)，而后稱(chēng)取內(nèi)箱2中的水的重量即可依照式(1. 1)進(jìn)行計(jì)算浮力。Ww + W + Fm = Ar(1. 1)
式中N—總浮力；
W—內(nèi)箱2自重、Ww—內(nèi)箱2中水重； Fm —內(nèi)箱側(cè)壁13與介質(zhì)3的摩擦力。內(nèi)箱側(cè)壁13與介質(zhì)3的摩擦力通常按式(1. 2)計(jì)算
Fm =1^σβζ(1. 2)
式中1一內(nèi)箱2的周長(zhǎng)； B —內(nèi)箱2與外箱1介質(zhì)3接觸的外壁高度； σ 一內(nèi)箱側(cè)壁13正應(yīng)力；
f 一摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)通常采用測(cè)定斜坡下滑角度的方法，如圖2所示。其基本操作為將裝有 飽和介質(zhì)3的容器倒扣在光滑玻璃板4上，并使飽和介質(zhì)3稍凸出容器，而后將下玻璃板4 逐漸傾斜，當(dāng)飽和介質(zhì)3開(kāi)始下滑時(shí)，記錄傾角α，摩擦系數(shù)f=tan α。上述方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接測(cè)定出模型結(jié)構(gòu)(內(nèi)箱2)在不同介質(zhì)3中，不同埋深 下實(shí)際受到的浮力大小。但稍加分析即可發(fā)現(xiàn)，采用該方法測(cè)定的模型所受浮力的精度是 非常有限的，其原因主要有三個(gè)方面?zhèn)缺谀Σ亮Α⒏∑馉顟B(tài)的判定和內(nèi)箱2姿態(tài)控制，下 面就這三個(gè)方面進(jìn)行分析。(1)側(cè)壁摩擦力
由式(1. 1)可知，浮力計(jì)算時(shí)側(cè)壁摩擦力是其組成部分，因此側(cè)壁摩擦力準(zhǔn)確與否直接 影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。這里式(1. 2)所采用的計(jì)算摩擦力的方法實(shí)際上是按照庫(kù)倫摩擦 定律來(lái)計(jì)算的，即單位面積上的摩擦力等于摩擦系數(shù)乘以正應(yīng)力，如圖3所示。因此，側(cè)壁 摩擦力的計(jì)算需要解決作用在側(cè)壁上的土壓力的大小和分布，以及側(cè)壁與介質(zhì)3的摩擦系 數(shù)兩個(gè)方面的問(wèn)題。側(cè)壁上的土壓力的按式(1.3)計(jì)算，即σ=ΚσΣ(1.3)
式中σ —水平土壓力； K一水平土壓力系數(shù)； σζ—豎向土壓力。 試驗(yàn)中側(cè)壁周?chē)耐翆訉挾仁呛苄〉?，與理想的半無(wú)限空間存在顯著差異，因此 此時(shí)的豎向土壓力與理想條件下的值可能存在較大的差別。對(duì)于不同的介質(zhì)3而言，計(jì)算 豎向土壓力時(shí)土的重度的取值目前也存在較大爭(zhēng)議。再有計(jì)算填筑形成的介質(zhì)3在壁后形 成的水平推力時(shí)，水平土壓力系數(shù)的如何取值也是一個(gè)問(wèn)題。而就側(cè)壁與土的摩擦系數(shù)而 言，考慮到土體的固結(jié)變形性狀，在不同的應(yīng)力水平和固結(jié)狀態(tài)下，二者之間的摩擦特性可 能會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而使得摩擦系數(shù)也發(fā)生變化。而采用圖2所示方法無(wú)法反映出這種變化。 因此，可以說(shuō)計(jì)算所得的側(cè)壁摩擦力值是存在明顯系統(tǒng)誤差的，而且由于可能引起誤差的 因素太多，對(duì)于誤差的大小和規(guī)律很難作出判定。在這種情況下，一種解決思路是采用了在側(cè)壁表面涂抹硅油的辦法，并認(rèn)為這樣 處理之后摩阻力基本完全消除。顯然，涂抹硅油是可以在一定程度上減小側(cè)壁與土體之間 的摩阻力，但由于硅油的潤(rùn)滑效果是有限的，要達(dá)到光滑接觸是不太可能的。因此砂土中測(cè) 得的地下室模型所受浮力與模型理論上所受的浮力存在偏差的原因，除了人為的操作誤差 夕卜，主要原因是地下室模型所受摩擦力并沒(méi)有通過(guò)涂抹硅油而完全消除。隨著基礎(chǔ)埋深的 不斷加大，相應(yīng)的側(cè)壁摩擦力也逐漸增大，試驗(yàn)所測(cè)的浮力也越來(lái)越偏離理論計(jì)算值。那 么，如果能夠通過(guò)一定的技術(shù)手段消除側(cè)壁摩擦力，該試驗(yàn)方法的精度便可以大大提高。(2)浮起狀態(tài)的判定
該試驗(yàn)方法的另一個(gè)關(guān)鍵是找到減小內(nèi)箱2重量的過(guò)程中，內(nèi)箱2開(kāi)始移動(dòng)的那一瞬 間所對(duì)應(yīng)的內(nèi)箱2重量進(jìn)行浮力的計(jì)算。如何捕捉這一極限浮力平衡狀態(tài)呢？
一種方法是在外箱1四角安設(shè)測(cè)定水位的標(biāo)尺，從內(nèi)箱2中分次少量抽水，當(dāng)外箱1水 位標(biāo)尺讀數(shù)發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為此時(shí)即為極限浮力平衡狀態(tài)。這種方法對(duì)于浮起狀態(tài)的判定 精度顯然是有限的。首先，由于內(nèi)、外箱1底面積相差數(shù)倍，當(dāng)外箱1水位高度發(fā)生降低時(shí)， 內(nèi)箱2必然已經(jīng)發(fā)生了很大的上浮量。假定水位標(biāo)尺的讀數(shù)精度為mm，而外箱1底面積為 內(nèi)箱2底面積的4倍，介質(zhì)3體積不變，那么當(dāng)外箱1飽和介質(zhì)3水位發(fā)生Imm的下降時(shí)， 就意味著內(nèi)箱2已經(jīng)上浮多達(dá)4mm。此上浮量下，對(duì)于砂土和經(jīng)過(guò)固結(jié)的黏性土而言，上浮 前后內(nèi)箱2底部的受力狀態(tài)可能已經(jīng)發(fā)生了改變，甚至可能出現(xiàn)內(nèi)箱2底部與下部土體脫 開(kāi)的情況，從而使得浮力實(shí)測(cè)值偏離實(shí)際。另一種方法是在內(nèi)箱2設(shè)置量力環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)浮起狀態(tài)的判定，即在內(nèi)箱2上部設(shè) 置一量力環(huán)，量力環(huán)通過(guò)傳力桿與內(nèi)箱2底部中心相接觸。在內(nèi)箱2抽水前通過(guò)調(diào)整升降 臺(tái)使量力環(huán)的指針歸零，當(dāng)抽水至某一重量，指針剛好擺動(dòng)時(shí)，這說(shuō)明內(nèi)箱2正處于臨界平 衡狀態(tài)，即量力桿自重、內(nèi)箱2自重與箱內(nèi)水重之和與浮力相平衡。這種方法的精度受量力環(huán)精度的影響，同時(shí)為防止傳力桿左右擺動(dòng)，在模型槽的 頂端需采用支架進(jìn)行固定，并做消除摩擦的處理，這將進(jìn)一步影響到試驗(yàn)的精度。另外，對(duì)于滲透性較小的介質(zhì)3，即便內(nèi)箱2重量已經(jīng)減小到小于其受到的浮力， 內(nèi)箱2也不會(huì)馬上浮起，而是會(huì)經(jīng)歷一定時(shí)間之后才緩慢浮起達(dá)到新的平衡位置。那么，這 就要求對(duì)于上浮狀態(tài)的觀測(cè)是需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)進(jìn)行的。因此，如果能夠有一個(gè)明確的、而不是以“讀數(shù)發(fā)生變化時(shí)”或“指針剛好擺動(dòng)時(shí)”這種模糊的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)內(nèi)箱2極限浮力平衡狀 態(tài)進(jìn)行判定的話，將有助于提高試驗(yàn)的精度、可靠性和可比性。 (3)模型姿態(tài)控制
如圖4所示，當(dāng)模型室存在一定角度的偏轉(zhuǎn)時(shí)，模型室側(cè)壁上的水(土)壓力將存在豎向 分量，從而影響到摩擦力與浮力的測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)中由于內(nèi)箱2是僅受周?chē)橘|(zhì)3約束，在 填筑介質(zhì)3的過(guò)程中很難確保其不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由此可能使得試驗(yàn)結(jié)果明顯失真，或者降 低不同組別試驗(yàn)結(jié)果的可比性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮 力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)斷開(kāi)模型室(內(nèi)箱)側(cè)壁與底板、選用柔性止水帶密封止 水和采用水準(zhǔn)儀觀測(cè)三方面措施，較好地克服了以往模型試驗(yàn)中的缺點(diǎn)與不足之處，大幅 度提高了地下結(jié)構(gòu)浮力試驗(yàn)的精度。本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成
一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括外箱、內(nèi)箱及一用于測(cè)量所述內(nèi)箱 位移的監(jiān)測(cè)裝置，所述試驗(yàn)系統(tǒng)使用時(shí)外箱和內(nèi)箱之間設(shè)置飽和介質(zhì)，及將所述監(jiān)測(cè)裝置 放置于或部分放置于所述內(nèi)箱中，其特征在于所述內(nèi)箱由內(nèi)箱側(cè)壁和內(nèi)箱底板組成，所述 內(nèi)箱底板設(shè)于內(nèi)箱側(cè)壁一端內(nèi)形成間隙配合，內(nèi)箱底板通過(guò)柔性止水帶與所述內(nèi)箱側(cè)壁密 封連接；所述內(nèi)箱側(cè)壁與所述外箱可活動(dòng)式連接固定。所述內(nèi)箱側(cè)壁和內(nèi)箱底板之間的相對(duì)面中的至少一個(gè)設(shè)置有滾珠，以限定所述內(nèi) 箱底板和內(nèi)箱側(cè)壁之間相對(duì)移動(dòng)方向。所述內(nèi)箱側(cè)壁和內(nèi)箱底板之間相對(duì)面上分別對(duì)應(yīng)設(shè)置有垂直的凹槽以配合構(gòu)成 定位滑槽，所述定位滑槽內(nèi)放置有至少一個(gè)滾珠。所述外箱側(cè)壁及內(nèi)箱側(cè)壁上對(duì)應(yīng)開(kāi)設(shè)有定位孔，并穿設(shè)螺桿相對(duì)固定。所述試驗(yàn)系統(tǒng)包括有若干測(cè)壓裝置，所述測(cè)壓裝置包括測(cè)壓管和玻璃管，所述測(cè) 壓管為水平設(shè)置的中空?qǐng)A管，其一端開(kāi)設(shè)有若干小孔并設(shè)置于外箱內(nèi)部，相對(duì)的另一端連 通有所述玻璃管，所述玻璃管豎直設(shè)置。所述測(cè)壓管具有小孔的一端距外箱內(nèi)壁至少50mm，任意兩個(gè)相鄰測(cè)壓管的間距為 IOOmm0所述柔性止水帶選用厚度為0. 15mm的無(wú)色透明PVC，且寬度大于所述內(nèi)箱側(cè)壁和 內(nèi)箱底板間縫隙的寬度。所述內(nèi)箱底板下表面不光滑。所述監(jiān)測(cè)裝置包括頂部懸掛有鋼尺的三腳觀測(cè)架和水準(zhǔn)儀，所述三腳觀測(cè)架設(shè)于 所述內(nèi)箱底板上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是消除了摩擦力對(duì)浮力測(cè)試結(jié)果的影響，能準(zhǔn)確判定結(jié)構(gòu)浮起狀 態(tài)，純水中內(nèi)箱底板所受浮力實(shí)測(cè)值基本等于按照阿基米德定律計(jì)算的浮力理論值，二者 最大相差+0. 93%，平均相差僅+0. 07%，系統(tǒng)參數(shù)準(zhǔn)確，試驗(yàn)誤差小、數(shù)據(jù)可靠。


圖1為典型浮力模型試驗(yàn)裝置圖； 圖2為測(cè)定摩擦系數(shù)方法示意圖3為內(nèi)箱側(cè)壁摩擦力計(jì)算示意圖4為內(nèi)箱發(fā)生偏轉(zhuǎn)示意圖5為本發(fā)明實(shí)施例主視圖6為本發(fā)明實(shí)施例俯視圖7為外箱結(jié)構(gòu)示意圖8為內(nèi)箱側(cè)壁與底板的連接結(jié)構(gòu)示意圖1 ；
圖9為內(nèi)箱側(cè)壁與底板的連接結(jié)構(gòu)示意圖II ；
圖10為測(cè)壓管結(jié)構(gòu)示意圖11為水準(zhǔn)儀技術(shù)指標(biāo)表(表1)；
圖12為各級(jí)壓重下底板懸浮時(shí)外箱水位表(表2)；
圖13為底板面積試驗(yàn)數(shù)據(jù)表(表3)；
圖14為不同壓重及浮起量下的柔性止水帶阻力表(表4)；
圖15為系統(tǒng)參數(shù)匯總表(表5)；
圖16為平衡不同壓重所需水頭增量表(表6)；
圖17為純水中不同水深時(shí)內(nèi)箱底板浮力試驗(yàn)結(jié)果(表7)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便 于同行業(yè)技術(shù)人員的理解
如圖1 一 17所示，標(biāo)號(hào)1-18分別表示外箱1、內(nèi)箱2、介質(zhì)3、玻璃板4、測(cè)壓裝置5、排 水管6、底座7、壓重8、定位螺桿9、三角觀測(cè)架10、定位孔11、測(cè)壓孔12、內(nèi)箱側(cè)壁13、內(nèi)箱 底板14、柔性止水帶15、滾珠16、測(cè)壓管17、小孔18。參見(jiàn)圖1-17，以下將詳細(xì)描述本實(shí)施例構(gòu)思及具體實(shí)施方式
。前面已經(jīng)分析了要提高模型試驗(yàn)的精度，需要從以下三個(gè)方面入手①盡可能地 消除側(cè)壁摩擦力對(duì)試驗(yàn)的影響；②提高觀測(cè)系統(tǒng)的精度，準(zhǔn)確的捕捉到內(nèi)箱2微量上浮，并 適應(yīng)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的需要；③控制內(nèi)箱2姿態(tài)或增強(qiáng)對(duì)其的約束，減小或消除由于內(nèi)箱側(cè) 壁13不完全豎直對(duì)試驗(yàn)的影響。分析上述三個(gè)方面的問(wèn)題，可以發(fā)現(xiàn)其中①和③都與內(nèi)箱側(cè)壁13有關(guān)，因此可以 將側(cè)壁和底板分體設(shè)置，即是將內(nèi)箱2分成內(nèi)箱側(cè)壁13和內(nèi)箱底板14兩個(gè)部分，使兩者 之間的受力相互不發(fā)生影響。這樣內(nèi)箱側(cè)壁13摩擦力和姿態(tài)便不會(huì)對(duì)底板上受到的浮力 產(chǎn)生影響。內(nèi)箱側(cè)壁13和內(nèi)箱底板14之間可采用柔性的密封連接構(gòu)造，這樣既能方便底 板的自由上浮，又可以避免水侵入到內(nèi)箱2里面。為準(zhǔn)確的觀測(cè)到內(nèi)箱底板14的上浮或下 沉情況，可以考慮用適當(dāng)?shù)姆椒▽?nèi)箱底板14的位移傳遞到某一標(biāo)尺上，然后借助水準(zhǔn)儀 對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行觀測(cè)，這樣可以獲得很高的位移觀測(cè)精度。基于上述設(shè)想，本發(fā)明模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。模型系統(tǒng)主要由外箱1、內(nèi)箱2和量測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。外箱1、內(nèi)箱2均為有機(jī)玻璃制成。外箱1用來(lái)盛放介質(zhì)3 (水、砂土、黏土等)，內(nèi)箱2用于模擬地下結(jié)構(gòu)。外箱1側(cè)壁設(shè)置測(cè)壓管17，用來(lái)測(cè)定不同深度處的孔隙 水壓力。內(nèi)箱2由內(nèi)箱側(cè)壁13和內(nèi)箱底板14兩部分構(gòu)成，兩者之間用可動(dòng)密封連接。內(nèi) 箱2和外箱1側(cè)壁上相應(yīng)位置處設(shè)有定位孔11，定位螺桿9從中穿過(guò)，再由螺栓緊固，如此 將內(nèi)箱側(cè)壁13與外箱1連成一體。通過(guò)內(nèi)箱側(cè)壁13上不同高度位置處的定位孔11，可調(diào) 整內(nèi)箱2與外箱1之間的相對(duì)高度。結(jié)合上述發(fā)明構(gòu)想，以下詳細(xì)描述本實(shí)施例中各組成的結(jié)構(gòu)及連接使用方式 外箱1構(gòu)造
外箱1外徑800mm，高800mm，側(cè)壁厚10mm，底板厚20mm。側(cè)壁設(shè)有6個(gè)Φ 8mm測(cè)壓孔 12，間距為IOOmm ；側(cè)壁上布設(shè)有4個(gè)定位孔11，用于固定內(nèi)箱2。外箱1底板中央設(shè)一個(gè) Φ 12mm出水孔，孔內(nèi)壁貼透水石并安放閥門(mén)。內(nèi)箱2構(gòu)造
(1)內(nèi)箱側(cè)壁13和內(nèi)箱底板14
內(nèi)箱側(cè)壁13外直徑352mm、高600mm、厚6mm，側(cè)壁上設(shè)置Φ 12mm定位孔12個(gè)。內(nèi)箱 底板14直徑300mm，厚6mm，質(zhì)量約1kg，要求底板粗糙，以消除與黏性土接觸時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓 力。側(cè)壁下端呈“L”型，底板呈掛籃型，底板掛在側(cè)壁上。側(cè)壁和底板之間隙寬度5mm，采用 柔性止水帶15密封，詳見(jiàn)圖8。自重作用下，底板通過(guò)邊緣懸掛與側(cè)壁上。間隙可保證底板 在浮力作用下可以自由的上浮而不受到阻礙。柔性止水帶15對(duì)間隙進(jìn)行密封，保證水和土 顆粒不會(huì)進(jìn)入間隙之中。柔性止水帶15的材料性能直接影響底板浮起時(shí)的阻力，同時(shí)柔性止水帶15必須 具有較好的與有機(jī)玻璃粘結(jié)的能力和一定的耐久性能。通過(guò)對(duì)多種材料的比選和嘗試，最 終選用厚度為0. 15mm的無(wú)色透明PVC作為柔性止水帶15材料，粘結(jié)劑采用502膠水。通 過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，所選材料性能良好。柔性止水帶15的粘結(jié)操作難度是比較大的，其關(guān)鍵在于形成“ Ω ”型表面的同時(shí) 還要確保間隙兩側(cè)均完全粘牢、不發(fā)生漏水，并且要盡量保證膠水不流到間隙當(dāng)中。(2)底板的防傾設(shè)計(jì)
考慮到內(nèi)箱底板14浮起時(shí)可能發(fā)生傾斜而與側(cè)壁發(fā)生接觸的情況，如圖9所示，內(nèi)箱 側(cè)壁13和內(nèi)箱底板14之間還可采用滾珠16來(lái)限定內(nèi)箱底板14的位移方向。如圖9所示， 在內(nèi)箱底板14和側(cè)壁對(duì)應(yīng)位置開(kāi)設(shè)了四個(gè)定位滑槽?；壑睆綖?3mm，每個(gè)滑槽內(nèi)放置2 粒Φ 12mm滾珠16，通過(guò)滑槽內(nèi)的滾珠16來(lái)控制底板的上浮姿態(tài)。觀測(cè)系統(tǒng)
底板上放置一輕質(zhì)三腳三角觀測(cè)架10，頂部懸掛有鋼尺。底板上浮將帶動(dòng)三角觀測(cè)架 10和鋼尺向上移動(dòng)，通過(guò)在約3 4m外架設(shè)水準(zhǔn)儀對(duì)三角觀測(cè)架10頂部懸掛的鋼尺進(jìn) 行測(cè)讀，即可精確地測(cè)定底板的豎向移動(dòng)量。水準(zhǔn)儀選用了蘇州一光儀器有限公司生產(chǎn)的 DSZ2自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)圖11 (表1)。由于模型室側(cè)壁固定，故在飽和介質(zhì)3浮力作用下發(fā)生上浮的僅是內(nèi)箱底板14， 因此模型室姿態(tài)和側(cè)壁摩擦力對(duì)試驗(yàn)的影響已經(jīng)完全消除。內(nèi)箱底板14在發(fā)生上浮之前 懸掛于側(cè)壁上，加之柔性止水帶15對(duì)底板與側(cè)壁相對(duì)位置的固定作用，試驗(yàn)中底板上浮前 的初始位置和高度將始終不變，由此確保了不同介質(zhì)3中試驗(yàn)結(jié)果有較好的可比性。觀測(cè) 系統(tǒng)方面，三角觀測(cè)架10的三個(gè)支點(diǎn)可以較好地反映出整個(gè)底板盤(pán)面的浮動(dòng)狀況，而通過(guò)水準(zhǔn)儀可以清晰的觀測(cè)到支架頂端懸掛的鋼尺的微小移動(dòng)，而且可以方便的進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、 不間斷的觀測(cè)。測(cè)壓管17及其連接
在外箱1筒壁沿豎直方向每隔IOcm預(yù)留Φ IOmm孔一個(gè)，用來(lái)連接測(cè)壓管17。測(cè)壓管17采用玻璃管，管徑10mm，長(zhǎng)1. 5m，共6根。6根測(cè)壓管17固定在一木板上，木板表面粘貼 刻度為Imm的坐標(biāo)紙。測(cè)壓管17以乳膠軟管與外箱1側(cè)壁上的測(cè)壓管17接頭相連接。外箱1側(cè)壁上的測(cè)壓管17接頭構(gòu)造設(shè)計(jì)如圖10所示。接頭由一空心螺紋鋼管制 成。螺桿外徑10mm，內(nèi)徑4-6mm。螺桿左端鉆有若干小孔，安裝在外箱1內(nèi)部，伸入外箱1 內(nèi)部不少于50mm，優(yōu)選為100mm，以獲得較為準(zhǔn)確的介質(zhì)3內(nèi)部的水壓力值。為防止介質(zhì)3 顆粒堵塞接頭，可在其表面包裹若干層紗布。測(cè)壓管17接頭連接構(gòu)造如圖10所示，螺桿通 過(guò)兩枚Φ8πιπι螺栓夾緊在筒壁上，螺栓下設(shè)置墊片，以增大接觸面積。螺栓與筒壁之間放一 枚2mm厚橡膠墊圈，增強(qiáng)接頭的水密性。系統(tǒng)裝配步驟
①將系統(tǒng)底座放置平穩(wěn)，將外箱1放置于底座之上。②在外箱1側(cè)壁上安裝測(cè)壓管17接頭，將測(cè)壓管17安裝到木板上并放置到適當(dāng) 位置，用乳膠軟管將兩者連接。③在外箱1中加水，驗(yàn)證接頭是否漏水、水力連接是否通暢。④測(cè)定外箱1中水位高度與測(cè)壓管17水頭的相對(duì)關(guān)系，測(cè)定完成后排水。⑤用螺桿和螺栓將內(nèi)箱2固定在外箱1上。⑥測(cè)定內(nèi)箱底板14下表面到外箱1底板上表面之間的距離。⑦將三角觀測(cè)架10放置于內(nèi)箱底板14之上，并在三角觀測(cè)架10頂部吊點(diǎn)懸掛鋼 尺。⑧將1#砝碼放置在內(nèi)箱底板14中心位置。⑨在系統(tǒng)旁邊適當(dāng)位置將水準(zhǔn)儀架設(shè)至適當(dāng)高度(可觀測(cè)到鋼尺并且讀數(shù)在刻度 線上)并調(diào)平。測(cè)定系統(tǒng)參數(shù)
參數(shù)的確定及測(cè)試方法對(duì)飽和介質(zhì)3中處于懸浮狀態(tài)的內(nèi)箱底板14進(jìn)行受力分析。 假定容器中水深H時(shí)，隨著壓重8的減小，內(nèi)箱底板14從初始埋深h緩慢上浮△后穩(wěn)定在 埋深h’處，此時(shí)壓重8為F。根據(jù)豎向的受力平衡，有
σ A=F + G + f(2.1)
由式(2. 1)中可知，底板受力面積A和柔性止水帶15阻力f是計(jì)算浮力和揚(yáng)壓力的主 要系統(tǒng)參數(shù)。由于底板加工精度和止水柔性止水帶15的影響，直接采用底板的設(shè)計(jì)直徑 300mm來(lái)計(jì)算底板面積是不合適的，有必要對(duì)底板的實(shí)際受力面積進(jìn)行測(cè)定。而柔性止水帶 15阻力f的大小隨底板上浮量Δ的變化而變化，因此需要測(cè)定f與Δ間的關(guān)系。純水中，底板上的揚(yáng)壓力等于靜水壓力，即 σ = Ywh'(2. 2) 將式(2. 2)帶入式(2. 1)，得
ywh' A=F + G + f(2.3)假設(shè)在微小上浮的情況下，如果上浮量相等則底板受到的柔性止水帶15阻力相等。于 是在不同壓重8下進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整容器水位高度使的底板達(dá)到相同上浮量，則有
<formula>formula see original document page 9</formula>(2.4)
式中f,為相同底板上浮量所對(duì)應(yīng)的柔性止水帶15阻力。兩式相減，有
<formula>formula see original document page 9</formula>(2. 5)
根據(jù)式(2. 5)，通過(guò)兩次不同壓重8下的試驗(yàn)即可求得底板的實(shí)際受力面積Α。使用注意事項(xiàng) 1.壓重8的選擇
由于底板面積較大、底板受到的浮力比較大，底板上的壓重8采用了砝碼與量筒相結(jié) 合的方式。通過(guò)增減大小不同的砝碼，可以方便的調(diào)整壓重8。在即將浮起的臨近狀態(tài)附 近，可以通過(guò)補(bǔ)充和抽取量筒內(nèi)的水來(lái)微調(diào)壓重8，從而讓系統(tǒng)達(dá)到預(yù)先設(shè)想的臨界狀態(tài)。2.初始狀態(tài)和懸浮狀態(tài)的確定
這里初始狀態(tài)指底板尚未浮起時(shí)狀態(tài)，此狀態(tài)下可由水準(zhǔn)儀觀測(cè)得到底板初始高度。 通過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于底板本身的質(zhì)量較小(約1kg)，由于受外界條件的影響下，所測(cè)得 的底板高度讀數(shù)存在一定波動(dòng)。為穩(wěn)定底板高度位置，我們以底板上放置1#砝碼(約2kg) 的情況下測(cè)得的讀數(shù)作為底板高度的初讀數(shù)。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，在1#砝碼的重量作用下，初始 狀態(tài)下底板的高度位置十分穩(wěn)定。當(dāng)?shù)装迨艿降母×Υ笥谄涫艿降南蛳碌淖饔昧r(shí)，底板即會(huì)浮起。隨著浮起高度 的增加，其受到的浮力將減小，同時(shí)柔性柔性止水帶15作用于底板的阻力可能會(huì)增大，因 此當(dāng)?shù)装迳仙揭欢ǜ叨戎髸?huì)重新穩(wěn)定在一個(gè)平衡位置，即所謂的懸浮狀態(tài)。因此，對(duì)于 底板而言，其任何一個(gè)平衡位置皆為懸浮狀態(tài)，只是對(duì)應(yīng)不同的浮力大小。那么要確定底板 受到的浮力，只需知道此時(shí)底板埋深，或是壓重8和止水柔性止水帶15阻力f。顯然，不同的浮起量下止水柔性止水帶15阻力f的值應(yīng)是不相同的。因此，需要 測(cè)定浮起量Δ與f之間的關(guān)系。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)和便于比較，在不同水深的情況下，可 以統(tǒng)一規(guī)定一個(gè)浮起量△作為達(dá)到懸浮狀態(tài)的標(biāo)志，這樣在計(jì)算浮力時(shí)可將f視為一個(gè)定 值直接帶入計(jì)算即可。試驗(yàn)用鋼尺的最小刻度為0. 5mm,在水準(zhǔn)儀視野中0. 5mm的位移相當(dāng)明顯和清晰， 也就是說(shuō)，通過(guò)水準(zhǔn)儀可以將底板的上浮量非常準(zhǔn)確地控制在0. 5mm。因此，我們選擇了浮 起0.5mm作為懸浮狀態(tài)的控制標(biāo)準(zhǔn)。即在測(cè)定某種狀態(tài)的浮力時(shí)，底板的浮起量至少要達(dá) 至Ij 0. 5mm。3.外箱1水位的測(cè)定方法
外箱1水位的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)于浮力計(jì)算十分重要。通過(guò)在外箱1側(cè)壁處架立鋼板尺來(lái)測(cè) 量水位高度。鋼板尺緊貼外箱1側(cè)壁放置，插入時(shí)用吊線錘確保鋼尺垂直度。為保證量測(cè) 的準(zhǔn)確，沿外箱1側(cè)壁均勻布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。所有的水位測(cè)量均在測(cè)點(diǎn)處架立鋼板尺進(jìn)行測(cè) 試，便于數(shù)據(jù)比較。外箱1水位取4個(gè)測(cè)點(diǎn)處讀數(shù)的平均值。視線高度對(duì)于讀數(shù)的準(zhǔn)確性影響很大。由于有機(jī)玻璃具有很好的透明性，讀數(shù)時(shí)可以利用水在外箱1側(cè)壁處和內(nèi)箱側(cè)壁13處形成的前后端兩個(gè)液面，通過(guò)調(diào)整視線高度， 使眼睛、前端液面和后端液面位于同一條直線上，然后在讀出前端液面處的水位高度。4.其他注意事項(xiàng)
顯然，在這樣一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)中，如果讓底板上下形成了較大的壓差，對(duì)于系統(tǒng)而言是 不利的。因此，在外箱1加(排)水和壓重8增(減)的過(guò)程中，都要盡量注意保持內(nèi)外壓力 的平衡。可以通過(guò)阿基米德定律計(jì)算不同水位時(shí)內(nèi)箱2受到的浮力以及平衡此浮力所需要 的壓重8，從而通過(guò)分級(jí)加載的方式，讓內(nèi)外壓力差始終保持在一個(gè)較小的范圍。同時(shí)，在外 箱1加(排)水和壓重8增(減)的過(guò)程 中注意觀測(cè)底板的上浮(下沉)量，確保不因?yàn)檫^(guò)大的 壓差或位移量導(dǎo)致系統(tǒng)(特別是止水柔性止水帶15)受損。系統(tǒng)參數(shù)測(cè)定結(jié)果
1.底板計(jì)算直徑D (面積A)
試驗(yàn)中，底板上浮量統(tǒng)一取為0. 5mm。采用砝碼為壓重8，6枚質(zhì)量相同的砝碼分6次進(jìn) 行加載，每枚砝碼的質(zhì)量約為1418g。測(cè)定各級(jí)壓重8下底板上浮0. 5mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的容器水 位高度H。試驗(yàn)共進(jìn)行了 6組，取各級(jí)壓重8下測(cè)得的容器水位高度平均值進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn) 結(jié)果見(jiàn)表2、3。注圖13中(表3”為底板與三角觀測(cè)架10自重之和，H為6組試驗(yàn)的平均值。將AF=18. 78N、Ah，=2. 52cm 帶入式(2· 5)，可得 Α=760· 45cm2，底板直徑 D=31. 12cm。這表明粘貼止水柔性止水帶15之后，根據(jù)底板實(shí)際受力面積換算而得的底板 直徑大于原底板直徑，其大小約等于原直徑加上兩邊間隙寬度之和，這與底板的實(shí)際受力 形態(tài)是符合的。將A值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式(2. 3)，可得不同壓重8下、Δ =0. 5mm時(shí)的柔性止水帶15 阻力fQ.5見(jiàn)表3?？梢钥吹?，在相同底板上浮量下，柔性止水帶15阻力基本不受壓重8和水 深影響而保持不變，這與前面f僅由Δ決定的假設(shè)是一致的。2.止水柔性止水帶15阻力f與浮起量Δ關(guān)系曲線
利用同樣的方法測(cè)定f與Δ的關(guān)系，分別對(duì)6級(jí)砝碼壓重8之下Δ從0. 5 1. 5mm 之間的f值進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如表5. 4所示。可以看到，柔性止水帶15阻力f隨上浮 量增大而增大，二者之間呈線性關(guān)系。由表4可以看到，較小浮起量下，止水柔性止水帶15阻力f與浮起量Δ之間表現(xiàn) 出較好的線性關(guān)系。同時(shí)這再次證明壓重8或浮力的大小對(duì)柔性止水帶15浮力沒(méi)有影響， 止水柔性止水帶15阻力f僅由浮起量Δ決定。根據(jù)f 一 Δ關(guān)系曲線，可以確定不同浮起 量下的柔性止水帶15阻力，從而可以方便地對(duì)底板在任意懸浮狀態(tài)(不同浮起量)下所受到 的浮力進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然，為了盡可能消除試驗(yàn)中的不確定因素、確保數(shù)據(jù)的可比性，懸浮狀態(tài)的判定 上原則上盡量采用前述0. 5mm的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在某些介質(zhì)3中如果難以將浮起量準(zhǔn)確控制在 0.5mm時(shí)，可根據(jù)f 一 Δ曲線以其實(shí)際浮起量來(lái)計(jì)算柔性止水帶15阻力和底板受到的浮 力。這里將系統(tǒng)參數(shù)匯總于表5 (參見(jiàn)附圖15)，以便于計(jì)算時(shí)使用。根據(jù)已獲得的系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)純水中的模型受到的浮力進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)參數(shù)的 正確性和試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步優(yōu)化和完善試驗(yàn)步驟與操作。
1、將試驗(yàn)系統(tǒng)置于穩(wěn)定位置，把1#砝碼放入內(nèi)箱2。2、在適當(dāng)位置架設(shè)水準(zhǔn)儀，測(cè)定初始讀數(shù)A。3、將2#砝碼放入內(nèi)箱2。4、往外箱1內(nèi)注水，至內(nèi)箱底板14所受浮力基本與1#砝碼和底板自重相平衡，停 止注水。平衡不同大小壓重8所需外箱1水頭增量見(jiàn)表4. 3。5、將3#砝碼放入內(nèi)箱2。6、繼續(xù)往外箱1內(nèi)注水，至內(nèi)箱底板14所受浮力基本與2#、1#砝碼和底板自重相
平衡，停止注水。7、如此反復(fù)，至外箱1水位離設(shè)計(jì)水位約2. 5cm。8、將量杯(容量500ml)裝水(約250ml)后放入內(nèi)箱2。9、外箱1注水至設(shè)計(jì)水位。10、觀察水準(zhǔn)儀讀數(shù)。如果讀數(shù)未發(fā)生變化，表示此時(shí)浮力小于壓重8，底板尚未浮 起，此時(shí)可適當(dāng)減輕壓重8或提高外箱1水位；如果讀數(shù)在A (A — 0. 5)之間，表示底板 已經(jīng)浮起。為使其達(dá)到0. 5mm的浮起量，可適當(dāng)減輕壓重8 ；如果讀數(shù)小于(A-0. 5)，則說(shuō)明 壓重8偏小，底板浮起量已經(jīng)超過(guò)0. 5mm。為使其達(dá)到0. 5mm的浮起量，可適當(dāng)增加壓重8。 直至水準(zhǔn)儀讀數(shù)穩(wěn)定在(A-0. 5)。11、用鋼板尺測(cè)定外箱1水位。12、按照阿基米德定律計(jì)算底板受到的浮力。13、取出量杯稱(chēng)重，計(jì)算浮力實(shí)測(cè)值。14、對(duì)浮力理論值和計(jì)算值進(jìn)行比較分析。當(dāng)水位漫過(guò)底板時(shí)會(huì)在底板下部產(chǎn)生氣泡，注水時(shí)應(yīng)將其去除。根據(jù)底板計(jì)算面積A，可算得平衡不同大小壓重8所需要的外箱1水頭增量，計(jì)算 結(jié)果見(jiàn)表6 (參見(jiàn)附圖16)。注附圖16 (表6)中在注水過(guò)程中，內(nèi)箱底板14并未浮起，故不計(jì)柔性止水帶15 阻力影響。純水中的浮力測(cè)試結(jié)果
考慮到系統(tǒng)的承載能力，對(duì)水深約5 20cm時(shí)底板受到的浮力進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果 見(jiàn)附圖17 (表7)。注理論值為按阿基米德定律計(jì)算所得浮力值； ΔΤ = T，-T ； η = ΔΤ/ΤΧ100%下同。從表7可知，純水中內(nèi)箱底板14所受浮力實(shí)測(cè)值基本等于按照阿基米德定律計(jì)算 的浮力理論值，二者最大相差+0. 93%，平均相差僅+0. 07%。這說(shuō)明試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作是 成功的，系統(tǒng)參數(shù)準(zhǔn)確，試驗(yàn)誤差小、數(shù)據(jù)可靠。
權(quán)利要求
一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括外箱、內(nèi)箱及一用于測(cè)量所述內(nèi)箱位移的監(jiān)測(cè)裝置，所述試驗(yàn)系統(tǒng)使用時(shí)外箱和內(nèi)箱之間設(shè)置飽和介質(zhì)，及將所述監(jiān)測(cè)裝置放置于或部分放置于所述內(nèi)箱中，其特征在于所述內(nèi)箱由內(nèi)箱側(cè)壁和內(nèi)箱底板組成，所述內(nèi)箱底板設(shè)于內(nèi)箱側(cè)壁一端內(nèi)形成間隙配合，內(nèi)箱底板通過(guò)柔性止水帶與所述內(nèi)箱側(cè)壁密封連接；所述內(nèi)箱側(cè)壁與所述外箱可活動(dòng)式連接固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于 所述內(nèi)箱側(cè)壁和內(nèi)箱底板之間的相對(duì)面中的至少一個(gè)設(shè)置有滾珠，以限定所述內(nèi)箱底板和 內(nèi)箱側(cè)壁之間相對(duì)移動(dòng)方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于 所述內(nèi)箱側(cè)壁和內(nèi)箱底板之間相對(duì)面上分別對(duì)應(yīng)設(shè)置有垂直的凹槽以配合構(gòu)成定位滑槽， 所述定位滑槽內(nèi)放置有至少一個(gè)滾珠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于 所述外箱側(cè)壁及內(nèi)箱側(cè)壁上對(duì)應(yīng)開(kāi)設(shè)有定位孔，并穿設(shè)螺桿相對(duì)固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于 所述試驗(yàn)系統(tǒng)包括有若干測(cè)壓裝置，所述測(cè)壓裝置包括測(cè)壓管和玻璃管，所述測(cè)壓管為水 平設(shè)置的中空?qǐng)A管，其一端開(kāi)設(shè)有若干小孔并設(shè)置于外箱內(nèi)部，相對(duì)的另一端連通有所述 玻璃管，所述玻璃管豎直設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于 所述測(cè)壓管具有小孔的一端距外箱內(nèi)壁至少50mm，任意兩個(gè)相鄰測(cè)壓管的間距為100mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于 所述柔性止水帶選用厚度為0. 15mm的無(wú)色透明PVC，且寬度大于所述內(nèi)箱側(cè)壁和內(nèi)箱底板 間縫隙的寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所 述內(nèi)箱底板下表面不光滑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于 所述監(jiān)測(cè)裝置包括頂部懸掛有鋼尺的三腳觀測(cè)架和水準(zhǔn)儀，所述三腳觀測(cè)架設(shè)于所述內(nèi)箱 底板上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土工室內(nèi)試驗(yàn)裝置，具體涉及一種高精度地下結(jié)構(gòu)靜水浮力模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括外箱、內(nèi)箱及一用于測(cè)量所述內(nèi)箱位移的監(jiān)測(cè)裝置，所述試驗(yàn)系統(tǒng)使用時(shí)外箱和內(nèi)箱之間設(shè)置飽和介質(zhì)，及將所述監(jiān)測(cè)裝置放置于或部分放置于所述內(nèi)箱中，其特征在于所述內(nèi)箱由內(nèi)箱側(cè)壁和內(nèi)箱底板組成，所述內(nèi)箱底板設(shè)于內(nèi)箱側(cè)壁一端內(nèi)形成間隙配合，內(nèi)箱底板通過(guò)柔性止水帶與所述內(nèi)箱側(cè)壁密封連接；所述內(nèi)箱側(cè)壁與所述外箱可活動(dòng)式連接固定。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是消除了摩擦力對(duì)浮力測(cè)試結(jié)果的影響，能準(zhǔn)確判定結(jié)構(gòu)浮起狀態(tài)，純水中內(nèi)箱底板所受浮力實(shí)測(cè)值基本等于浮力理論值，二者最大相差+0.93%，平均相差僅+0.07%，系統(tǒng)參數(shù)準(zhǔn)確，試驗(yàn)誤差小、數(shù)據(jù)可靠。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101806669SQ201010145790
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月14日
發(fā)明者向科, 周順華, 詹超 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)