一種基坑突涌演示儀及其基坑突涌實驗研究方法
【技術領域】
[0001]本發明是關于基坑突涌研宄領域，特別涉及一種基坑突涌演示儀及其基坑突涌實驗研宄方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著我國城市地下鐵道、高層建筑、人防工程等基礎設施的迅速發展，深基坑工程日益增多，深基坑工程開挖施工的地質條件和環境也日益復雜，其工程事故率和損失也越來越大。而在深基坑工程中，地下水防是治一項事關全局的工作，特別是在沿海地區，地下水是導致基坑工程事故最直接的原因之一。根據統計，約有一半以上的基坑事故與地下水有關。
[0003]地下水按其埋藏條件一般包括上層滯水、潛水和承壓水這三類。其中，承壓水是地表以下充滿于兩個穩定隔水層之間承受靜水壓力的含水層中的重力水，承壓水常分布于松散地層，埋藏于場地下部，具有承壓性，承壓力大小與該含水層補給區與排泄區的地勢有關；水量由含水層或含水構造的性質、滲透性等決定。軟土地區承壓水基坑突涌模式主要有3種:接觸面涌水涌砂破壞、整體頂升破壞和隔水層表面砂沸破壞。
[0004]然而，回顧承壓水基坑抗突涌穩定分析方法的研宄現狀，我們可以發現:①傳統的壓力平衡法在評判承壓水基坑突涌穩定性時，只考慮了承壓含水層頂隔水層土體自重力引起的抗力，沒有考慮隔水層土體內聚力、摩擦力，其計算結果不合理。②均質連續構件分析法，將坑底隔水層土體假定為均質線彈性梁、板單元來分析。實際工程中，軟土地區坑底承壓含水層以上的隔水層為非均質、成層分布的非彈性土體，而且當隔水層厚度與基坑跨度之比較大時，簡化成梁、板單元分析顯然不合理。③均質連續體法，假設突涌破壞體為均質方柱體或圓柱體，這一假定與軟土地區承壓水基坑突涌破壞形式相差較大。實際工程中，基坑突涌破壞形式，要么為坑底被承壓水水頭壓力頂破，出現網狀或樹枝狀裂縫；要么為坑底發生流砂、流土或類似于“沸騰”的噴水冒砂現象。
[0005]因此，對于某一特定基坑在承壓水作用下發生何種形式的突涌，突涌的內在機制研宄，無論是學術界還是工程界都是亟待解決的關鍵問題。
【發明內容】
[0006]本發明的主要目的在于克服現有技術中的不足，提供一種能填補目前關于基坑突涌研宄領域空白的基坑突涌演示儀及基坑突涌實驗研宄方法。為解決上述技術問題，本發明的解決方案是:
[0007]提供一種基坑突涌演示儀，包括演示儀箱體、蓄水箱和監測系統；
[0008]所述演示儀箱體為頂部開口的長方體結構箱體，演示儀箱體的底部為(厚度大于1mm的)鋼板，演示儀箱體的四面側壁為有機玻璃，且四面側壁的外部箍緊有鐵條，用于增加演示儀箱體的承壓能力；
[0009]所述演示儀箱體上開有兩個箱體進水口、一個箱體排水口和一個測壓口，箱體進水口、測壓口分別設在演示儀箱體的側壁上，箱體排水口設在演示儀箱體的底部，且箱體進水口、箱體排水口分別裝有用于控制開啟關閉的閥門；演示儀箱體的內部用于裝設基坑模型，演示儀箱體的頂部裝有可拆卸的網格支架，網格支架通過卡扣實現可拆卸地定位固定在演示儀箱體的頂部；
[0010]所述蓄水箱安裝在導軌上，并連接有電機，蓄水箱能利用電機提供的動力，沿導軌進行升降，且能通過電機控制升降速度；蓄水箱內設有隔板，用于將蓄水箱內部分隔為蓄水區和排水區，且隔板高度為蓄水箱箱體高度的2/3 ;蓄水箱上開有一個蓄水箱進水口與四個蓄水箱排水口，蓄水箱進水口、蓄水箱排水口分別裝有用于控制開啟關閉的閥門；所述蓄水箱進水口設置在蓄水區的上方，一個蓄水箱排水口設置在排水區的底部，三個蓄水箱排水口設置在蓄水區的底部，且蓄水區底部的其中兩個蓄水箱排水口分別通過塑料軟管與演示儀箱體的兩個箱體進水口連接；
[0011]所述監測系統包括測壓管、位移百分表、應變片、應變監測儀；所述測壓管為標有刻度的透明玻璃管，利用測壓管支架垂直固定在演示儀箱體外部，測壓管通過塑料軟管與演示儀箱體的測壓口連接，用于監測演示儀箱體內承壓水層的實際水頭高度(水頭高度是指隔板高度與蓄水箱底部至演示儀箱體底部垂直距離之和，而根據達西定律，水在礫石層中滲流會損失水頭高度，因此需要測出實際的水頭高度)；所述位移百分表的表盤固定在演示儀箱體頂部的網格支架上，并將位移百分表的測量頭布置于基坑模型的工程粧模型頂部與粧間土表面，用于監測基坑底部土體與粧頂豎直位移；所述應變片埋設在工程粧模型的粧內，并通過導線采用半橋接法與應變監測儀連接(應變片與應變監測儀間的導線不應觸碰基坑模型其余部分)，用于監測工程粧模型的形變。
[0012]在本發明中，所述演示儀箱體上測壓口的高度高于箱體進水口的高度；測壓管的高度大于蓄水箱的水頭最大高度。
[0013]在本發明中，所述演示儀箱體上的箱體進水口、測壓口、箱體排水口處都設置有濾網，用于防止土體堵塞管道。
[0014]在本發明中，所述蓄水箱中的隔板與蓄水箱的底部垂直設置。
[0015]在本發明中，所述蓄水箱的升降范圍滿足:
[0016]蓄水箱降至高度最低時，蓄水箱內部的水位高度能低于演示儀箱體上箱體進水口的高度；
[0017]蓄水箱升至高度最高時，蓄水箱內部的水位高度能高于演示儀箱體的高度。
[0018]在本發明中，所述基坑突涌演示儀還包括基坑模型，基坑模型包括礫石層、軟土層、圍護粧模型、工程粧模型；
[0019]所述礫石層鋪設在演示儀箱體內部的下層，且礫石層頂部在靠近演示儀箱體四周處，涂有用于減少接觸面滲透的防水硅膠；
[0020]所述軟土層采用經(較小固結壓力)固結后的軟土(具體土的種類根據試驗所模擬的工程情況進行選擇)，軟土層鋪設在礫石層的上部；
[0021]所述圍護粧模型是指經過等比例縮小的所模擬工程的圍護粧模型(其材料應保證基坑模型不發生較大形變)，圍護粧模型的布置位置按照所模擬工程進行布置；
[0022]所述工程粧模型是指經過等比例縮小的所模擬工程的混凝土工程粧模型，工程粧模型的布置位置按照所模擬工程進行布置。
[0023]在本發明中，所述礫石層的層頂高度高于箱體進水口的高度，并與測壓口的高度相同(需要要求礫石層滲透性較好)。
[0024]在本發明中，所述測壓管的零刻度位置與礫石層的頂部處于同一水平位置。
[0025]在本發明中，所述工程粧模型每一個水平截面均勻布置4片應變片，每一根工程粧布置3個截面。
[0026]提供基于所述的一種基坑突涌演示儀的基坑突涌實驗研宄方法，具體包括如下步驟:
[0027]步驟A:制作圍護粧模型與工程粧模型，并在制作工程粧模型時預先將應變片編號完畢后埋入工程粧模型內；
[0028]步驟B:向演示儀箱體內部鋪設下層的礫石層，保證層頂平整，礫石層的高度高于箱體進水口的高度；
[0029]步驟C:向演示儀箱體內部鋪設上層的軟土層，且分層夯實以模擬實際土質情況；布置圍護粧模型、工程粧模型與位移百分表(布置工程粧模型時，若實驗對象為擠土粧，則在軟土層鋪設完畢后插入土體；若實驗對象為非擠土粧，則在鋪設軟土層時預先埋入；布置布置位移百分表與埋有應變片的工程粧模型時，可按照中心密集，四周稀疏的原則進行布置)；
[0030]步驟D:將蓄水箱、測壓管連接到演示儀箱體，將應變片連接至應變監測儀(應變片與應變監測儀的接線不宜張拉過緊以影響實驗效果)；
[0031]步驟E:將蓄水箱降至最低高度后開始注水，當水位達到平穩后，即測壓管中的實際水頭高度保持穩定，不再變化時，(緩慢)提升蓄水箱，通過測壓管讀出實際水頭高度(期間需嚴密監測位移百分表與應變檢測儀的讀數并做記錄)；在實驗持續階段，箱體排水口應處于開啟狀態以保持礫石層中有流動的承壓水；
[0032]步驟F:當達到實驗結束條件中的任意一種情況時，實驗研宄結束；
[0033]所述實驗結束條件包括:條件I)水頭高度穩定在預先設定的目標高度，即測壓管中的實際水頭高度穩定在預先設定的目標高度，并持續I小時，位移百分表及應變片讀數基本保持不變；條件2)水頭高度在達到預先設定