專利名稱：一種由工程環境效應引起地面沉降的模型及其試驗方法
技術領域：
本發明涉及巖土工程技術領域，具體設計一種地面沉降測量的模型試驗方法及其
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背景技術：
地面沉降是在自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導致區域性地面 標高降低的一種環境地質現象，是一種不可補償的永久性環境和資源損失，是地質環境系 統破壞所導致的惡果。地面沉降具有成生緩慢、持續時間長、影響范圍廣、成因機制復雜和 防治難度大等特點，是一種對資源利用、環境保護、經濟發展、城市建設和人民生活構成威 脅的地質災害。地面沉降是我國乃至世界范圍內較為普遍的地址災害，對社會經濟的可持 續發展影響巨大。上海是我國地面沉降發生最早、最嚴重的城市之一。20世紀60年代以前的地面沉 降主要是由于過度開采地下水造成的；60年代以后采取地下水人工回灌與調整開采層等 措施，使地面沉降基本得到控制，呈現微沉的狀態；進入90年代，上海地面又明顯出現加速 沉降現象，工程環境效應成為導致地面沉降新的制約因素。因此，研究工程環境效應引起的 地面沉降是非常必要和有意義的。目前，在地面沉降研究領域，尚無相關模型試驗裝置和方法。與本發明相似的產品 主要是各種測量和監測地面沉降的裝置及方法，如中國科學院力學研究所孟祥躍等人的發 明專利“地面沉降量的測量方法及其裝置”(專利號CN1731109A)、上海交通大學許燁霜等 人的專利“地面沉降控制施工方法”(申請專利號CN101713185A)、上海交通大學丁勇春等 人的專利“地下空間開挖引起的地面沉降測試方法”(專利號CN101319894A)及上海市地 質調查研究院顧為棟等人的專利“一種監測地面沉降的引測標體”(專利號CNM75994Y)。 此外，地面沉降的測量和監測儀器還有全站測量儀、GPS定位測量儀及水準測量儀等。此類 裝置與方法，都是對外在沉降量的測量或觀測，并未涉及到沉降機理方面的研究，特別是涉 及工程環境效應引起的地面沉降機理。
發明內容
本發明的目的在于提供一種由工程環境效應引起地面沉降的模型及其試驗方 法，可以研究高層建筑群誘發的地面沉降的影響因素及不同土層的變形特點、相鄰建筑物 (群)之間的相互影響、土層中應力(包括土壓力、超孔隙水壓力)的變化規律以及水位升 降對地面沉降的影響。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案—種由工程環境效應引起地面沉降的模型，其包括模型箱、模擬材料、量測設備、 數據采集設備和水壓控制設備，模型箱內放置模擬研究區域的模擬材料，并在模型箱內設 置量測設備進行參數測量，數據采集設備與測量設備相連，采集并處理測量設備測量得到 的參數，水壓控制設備與模型箱相連，為模型箱提供水壓，模擬實際土層中的潛水層和承壓水層。所述模型箱由鋼板焊接而成，密封不漏水。所述模擬材料包括試驗用土、模型樁、樁基平臺和建筑物，試驗用土為所研究區域 的真實土體，模型樁、樁基平臺和建筑物是一體的，具體放置位置應該根據所模擬區域內實 際建筑物的布局，或者根據研究需要進行布置。所述試驗用土逐層鋪設；所述模型樁采用有機玻璃、人造樹脂、鋁管、鋼管或鋼筋 材料，其截面形狀為空心圓形、矩形和方形或者實心的圓形、矩形、方形和H形；所述樁基平 臺采用有機玻璃、人造樹脂或鋼板；建筑物采用鋼筋混凝土塊或砝碼模擬。所述測量設備包括土壓計、孔壓計、分層沉降標和位移傳感器，分別測量不同土層 的土壓力和孔隙水壓力以及表層沉降量和各土層沉降變形，土壓計和孔壓計布置于一層或 多層土體內，分層沉降標布置在每層土體的中部，位移傳感器布置在土體表層。所述數據采集設備采用YE2539高速靜態應變測試系統，且分別連接土壓計、孔壓 計、分層沉降標和位移傳感器采集數據，并對采集的數據進行分析處理。所述水壓控制設備包括水箱、水箱架、測壓管和注、排水管，水箱置于水箱架上，水 箱與注、排水管相連，注、排水管鋪設于模型箱內，測壓管與模型箱連通。所述水箱架包括底座、支架和橫梁，支架設置于底座的兩側，其上刻有刻度；橫梁 架設于支架上可沿支架上下移動。所述注、排水管采用PVC管，管壁上每隔Icm打一 2mm小孔，孔外纏兩層細紗布； 注、排水管繞模型箱內壁四周布置一圈，且每個側壁中央處伸出的注、排水管延伸到模型箱 的中部，形成十字形分布。一種由工程環境效應引起地面沉降的模型的試驗方法，其包括以下步驟第一步，確定所需研究的影響因素，根據固結理論，考慮模擬建筑物的尺寸與間距 及模型箱平面尺寸，采用量綱分析法來確定各相似常數；第二步，確定模型材料，包括試驗用土和建筑模擬材料；第三步，模型試驗前期準備，包括制作模型箱、準備試驗儀器、量測設備、數據采集 設備；第四步，進行模型試驗，包括以下幾個步驟(1)將模型箱四壁用電動磨光機打磨光滑，先刷一層防銹漆，再刷一層油漆；(2)將試驗土每5cm—層均勻攤鋪在模型箱中，用鐵抹子輕輕的壓平，然后用長 木板把土層刮平，確保土層在同一水平面上，并灑水養護；砂土與粘土的交界面鋪一層皺 紋紙，以防止淤泥質粘土與粉砂相互混合；表層的褐黃色粉質粘土在鋪設前應用篩孔小于 2mm的篩子過篩，然后均勻鋪在模型箱中，并灑少量水濕潤；(3)壓力盒按預設位置埋放。在粘土中埋放壓力盒時，在其位置上挖一個直徑約 5cm小坑，填少量的砂子，水平放入土壓計和孔壓計，再用砂子蓋住，并輕輕壓實，使土壓計 和孔壓計表面與土接觸緊密，同時在孔壓計表面形成過濾層；(4)鋪土完成后用水箱為砂層加水壓；(5)自重固結，固結時間根據土層性質而定；(6)加載及量測。本發明一種研究由工程環境效應引起的地面沉降的模型試驗方法及其裝置，不僅可以研究由于地下水位升降引起的地面變形，也可研究由工程環境效應引起的地面沉降， 特別適用于地面沉降機理研究。
圖1是本發明一種研究工程環境效應引起地面沉降的模型的結構示意圖。其中， 1-水箱架支架；2-水箱架固定螺栓；3-水箱架橫梁；4-水箱；5-塑料軟管；6-三通管；7-模 型箱；8-打孔PVC管；9-塑料軟管；10-測壓管固定支座；11-測壓管。圖2是圖1所示實施例中水箱架的三維立體結構圖。其中，12-注、排水孔；13-測 壓孔。圖3是圖1所示實施例中模型箱的平面圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。請參閱圖1-3，本發明的工程環境效應引起地面沉降的模型裝置，其包括模型箱 7、模擬材料、量測設備、數據采集設備和水壓控制設備，模型箱7為模型試驗的主體裝置， 由鋼板焊接而成，密封不漏水，尺寸大小可視試驗需求而定，其用于放置模擬研究區域的模 擬材料；量測設備放置于模型箱7的土體內部和表層，與數據采集設備相連；水壓控制設備 與模型箱7相連接，為模型箱7內土體提供水壓，用于模擬實際土層中的潛水層和承壓水 層；數據采集設備用于采集各量測設備的試驗數據。模擬材料包括試驗用土、模型樁、樁基平臺和建筑物，試驗用土為所研究區域的真 實土體，模型樁采用直徑2cm的有機玻璃棒，厚1. 5cm的有機玻璃板作樁基平臺，兩者用膠 結材料粘合，建筑物采用砝碼模擬。由于本發明研究的是靜態作用下的土體變形，所以建筑 物直接搭建在樁基平臺上即可，模型樁、樁基平臺和建筑物是一體的，具體放置位置應該根 據所模擬區域內實際建筑物的布局，或者根據自己的研究需要進行布置。測量設備包括土壓計、孔壓計、分層沉降標和位移傳感器，分別可以精確測量不同 土層的土壓力和孔隙水壓力以及表層沉降量和各土層沉降變形，土壓計、孔壓計可每層土 體都布置，也可只在所需要研究的土層中布置；分層沉降標布置在每層土體的中部為宜，位 移傳感器布置在表層。數據采集設備采用YE2539高速靜態應變測試系統，且分別連接土壓計、孔壓計、 分層沉降標和位移傳感器采集數據，并對采集的數據進行適當的分析處理。水壓控制設備包括水箱4、水箱架1、注、排水管8和測壓管11，水箱4置于水箱架 1可垂直活動的橫梁3之上；水箱架1用于保證水箱4自由升降，以達到調節水位的目的； 水箱4與模型箱7由第一塑料軟管5連接，并與模型箱7內側的注、排水管8由三通管6連 通；測壓管11由支座10支撐，并通過第二塑料軟管9連接模型箱7，以觀測土層不同位置 的水位；根據土層厚度及潛水層、承壓水層深度不同(潛水層和承壓水層的深度位置是由 研究區域的其實際深度及模型相似常數共同確定的，水層是由水壓控制設備提供的)，在潛 水層和承壓水層深度處模型箱7的外壁上對稱布置注、排水孔12和測壓孔13，通過三通管 6連接注、排水管8和測壓管11 ；水箱4可由有機玻璃、塑料或鋼板制成，為上部開口的密封 盛水容器；水箱架1由底座、支架、橫梁3及螺栓2，支架設置于底座的兩側，支架外壁上刻有刻度，以方便水箱4在任意高度上固定，橫梁3架設于支架上可沿支架自由升降和固定； 模型箱7內的注、排水管8采用PVC管，管壁上每隔Icm打_2mm小孔，孔外纏兩層細紗布。 注、排水管8應在模型箱7內均勻布置，可分別在潛水層和承壓水層深度處繞模型箱7內壁 四周布置一圈，并與每個側壁中央的注、排水孔12相連的注、排水管8應延伸到模型箱7的 中部，形成十字形分布(如圖2所示)，以確保注、排水通暢、均勻、迅速，便于維持水位。在鋪土之前將模型箱7的四壁用電動磨光機打磨光滑，先刷一層防銹漆，接著再 刷一層油漆，最大限度的降低邊界效應。對注、排水管8每隔Icm打-2mm小孔(外纏兩層 細紗布，可盡量避免水流滲透帶走土層中的細顆粒)，連接固定在模型箱7的內側。然后， 將現場取回的試驗土每5cm —層均勻攤鋪在模型箱7中，用鐵抹子輕輕的壓平并用長木板 把土層刮平，確保土層在同一水平面上，并灑水養護，在砂土與粘土的交界面鋪一層皺紋 紙，以防止淤泥質粘土與粉砂相互混合。在鋪土的同時根據試驗方案，埋設測量儀器，包括 土壓計、孔壓計和分層沉降表等，在粘性土中埋放壓力計(壓力計為孔壓計和土壓計的統 稱)時，在其位置上挖一個直徑約5cm小坑，填少量的砂子，水平放入壓力計，再用砂子蓋 住，并輕輕壓實，使壓力計表面與土接觸緊密，同時可在壓力計表面形成過濾層，便于量測； 根據工程地質勘察資料或其他相關資料，鋪土完成后用水箱4為承壓含水層和潛水層加 水。水箱4由第一塑料軟管5與模型箱7中的注、排水管8通過三通管6連接，測壓管11 用于觀測含水層中水壓變化，通過第二塑料軟管9與測壓孔13相連。然后，在自重作用下 進行固結。在自重固結完成之后，進行模擬建筑物加載，每個建筑物的荷重逐級施加，以模 擬施工情況，荷重放置在承臺中心，施加一級記錄一次百分表數據，建筑物的荷重施加完畢 隔30min、lh、IhJh紀錄一次百分表數據，24h后再紀錄一次，土壓力計和超孔隙水壓力計 采用YE2539高速靜態應變測試系統由計算機讀取，設定為每5分鐘采取一次，數值變化穩 定后，可以認為進入次固結。一種研究工程環境效應引起地面沉降的模型試驗方法，包括以下步驟第一步，根據研究目的，確定所需研究的影響因素，根據固結理論，考慮模擬建筑 物的尺寸與間距及模型箱平面尺寸，采用量綱分析法來確定各相似常數。量綱分析法只能 給出各因素之間的相互關系，而不能直接給出具體的相似常數，而要確定相似常數先要確 定模型的尺寸大小，但確定模型尺寸的大小是非常復雜的，需要綜合考慮很多因素1)模型的尺寸大小與模型箱尺寸相適應；2)模型的尺寸大小要滿足量測技術的要求；3)模型的尺寸大小要滿足邊界條件的要求；4)模型的尺寸大小要滿足土層深度范圍的要求。5)確定模型尺寸時，還要考慮裝卸土的便利和試驗工作量的大小等問題。根據上述幾點要求，考慮模擬建筑物的幾何尺寸和間距，以及計算建筑物荷重的 附加應力范圍，可以確定出本次試驗所研究的平面范圍，再根據模型箱平面尺寸的大小，確 定本次試驗所采用的幾何相似常數4= 100。一般認為容重相似常數Sy = 1，滲透系數k 也與原型土相差不大，即滲透系數相似常數&= 1。相似的，研究沉降δ (L)所考慮的影響 因素容重Y (FL_3)、土層厚度H(L)、壓縮模fi&(FL_2)、附加應力p(FL_3)、基礎寬度B(L_2)、 滲透系數k (Lr1)、時間t (T)經量綱分析法計算，確定各相似常數如下
權利要求
1.一種由工程環境效應引起地面沉降的模型，其特征在于其包括模型箱、模擬材料、 量測設備、數據采集設備和水壓控制設備，模型箱內放置模擬研究區域的模擬材料，并在模 型箱內設置量測設備進行參數測量，數據采集設備與測量設備相連，采集并處理測量設備 測量得到的參數，水壓控制設備與模型箱相連，為模型箱提供水壓，模擬實際土層中的潛水 層和承壓水層。
2.如權利要求1所述的模型，其特征在于所述模型箱由鋼板焊接而成，密封不漏水。
3.如權利要求1所述的模型，其特征在于所述模擬材料包括試驗用土、模型樁、樁基 平臺和建筑物，試驗用土為所研究區域的真實土體，模型樁、樁基平臺和建筑物是一體的， 具體放置位置根據所模擬區域內實際建筑物的布局，或者根據研究需要進行布置。
4.如權利要求3所述的模型，其特征在于所述試驗用土逐層鋪設；所述模型樁采用有 機玻璃、人造樹脂、鋁管、鋼管或鋼筋材料，其截面形狀為空心圓形、矩形和方形或者實心的 圓形、矩形、方形和H形；所述樁基平臺采用有機玻璃、人造樹脂或鋼板；建筑物采用鋼筋混 凝土塊或砝碼模擬。
5.如權利要求1所述的模型，其特征在于所述測量設備包括土壓計、孔壓計、分層沉 降標和位移傳感器，分別測量不同土層的土壓力和孔隙水壓力以及表層沉降量和各土層沉 降變形，土壓計和孔壓計布置于一層或多層土體內，分層沉降標布置在每層土體的中部，位 移傳感器布置在土體表層。
6.如權利要求1所述的模型，其特征在于所述數據采集設備采用YE2539高速靜態應 變測試系統。
7.如權利要求1所述的模型，其特征在于所述水壓控制設備包括水箱、水箱架、測壓 管和注、排水管，水箱置于水箱架上，水箱與注、排水管相連，注、排水管鋪設于模型箱內，測 壓管與模型箱連通。
8.如權利要求7所述的模型，其特征在于所述水箱架包括底座、支架和橫梁，支架設 置于底座的兩側，其上刻有刻度；橫梁架設于支架上可沿支架上下移動。
9.如權利要求7所述的模型，其特征在于所述注、排水管采用PVC管，管壁上每隔Icm 打一 2mm小孔，孔外纏兩層細紗布；注、排水管繞模型箱內壁四周布置一圈，且每個側壁中 央處伸出的注、排水管延伸到模型箱的中部，形成十字形分布。
10.一種由工程環境效應引起地面沉降的模型的試驗方法，其特征在于其包括以下 步驟第一步，確定所需研究的影響因素，根據固結理論，考慮模擬建筑物的尺寸與間距及模 型箱平面尺寸，采用量綱分析法來確定各相似常數；第二步，確定模型材料，包括試驗用土和建筑模擬材料；第三步，模型試驗前期準備，包括制作模型箱、準備試驗儀器、量測設備、數據采集設備；第四步，進行模型試驗，包括以下幾個步驟(1)將模型箱四壁用電動磨光機打磨光滑，先刷一層防銹漆，再刷一層油漆；(2)將試驗土每5cm—層均勻攤鋪在模型箱中，用鐵抹子輕輕的壓平，然后用長木板把 土層刮平，確保土層在同一水平面上，并灑水養護；砂土與粘土的交界面鋪一層皺紋紙，以 防止淤泥質粘土與粉砂相互混合；表層的褐黃色粉質粘土在鋪設前應用篩孔小于2mm的篩子過篩，然后均勻鋪在模型箱中，并灑少量水濕潤；(3)壓力盒按預設位置埋放。在粘土中埋放壓力盒時，在其位置上挖一個直徑約5cm小 坑，填少量的砂子，水平放入土壓計和孔壓計，再用砂子蓋住，并輕輕壓實，使土壓計和孔壓 計表面與土接觸緊密，同時在孔壓計表面形成過濾層；(4)鋪土完成后用水箱為砂層加水壓；(5)自重固結，固結時間根據土層性質而定；(6)加載及量測。
全文摘要
本發明公開了一種由工程環境效應引起地面沉降的模型及其試驗方法，該模型包括模型箱、模擬材料、量測設備、數據采集設備和水壓控制設備，模型箱內放置模擬研究區域的模擬材料，并在模型箱內設置量測設備進行參數測量，數據采集設備與測量設備相連，采集并處理測量設備測量得到的參數，水壓控制設備與模型箱相連，為模型箱提供水壓，模擬實際土層中的潛水層和承壓水層。該試驗方法包括確定所需研究的影響因素，根據固結理論，考慮模擬建筑物的尺寸與間距及模型箱平面尺寸，采用量綱分析法來確定各相似常數；確定模型材料；模型試驗前期準備；進行模型試驗。本發明可以研究由于地下水位升降引起的地面變形和工程環境效應引起的地面沉降。
文檔編號E02D33/00GK102094432SQ20111005405
公開日2011年6月15日 申請日期2011年3月7日 優先權日2011年3月7日
發明者任興偉, 周潔, 唐益群, 李珺, 楊坪, 王建秀 申請人:同濟大學