一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發明涉及一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置及試驗方法。該裝置包括盛放試驗用土的模型柱(23)、供水單元、排水單元、數據測量單元和數據采集單元，模型柱底部設有模型柱進水口(18)和模型柱出水口(19)，供水單元連接模型柱進水口(18)，排水單元連接模型柱出水口(19)，數據測量單元設置于模型柱(23)內的試驗用土中，數據采集單元連接數據測量單元；調節供水單元和排水單元的開啟或關閉狀態進行水位循環升降調節，數據測量單元測量模型柱(23)內試驗用土的數據信息，數據采集單元采集該數據信息并進行分析處理。與現有技術相比，本發明能有效研究水位循環升降導致的不同土層的沉降量、土壓力及孔隙水壓力的變化規律。
【專利說明】
一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置及試驗方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種地面沉降試驗裝置及試驗方法，尤其是涉及一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置及試驗方法。【背景技術】
[0002]地面沉降作為一種普遍存在且由來已久的地質災害，受到各國學者的廣泛關注， 由此開展了大量有關地面沉降監控理論及技術的科學研究工作，使得部分區域的地面沉降發展得到有效控制。但是，國內外許多學者研究由地下水位下降引起的地面沉降時，通常的做法是采用監測地下水位的初始水位及終止水位直接求沉降值或直接量測地面沉降值，沒有考慮水位在總體下降過程中受季節性降水或河流水位反復漲落對土體沉降的影響，而這實際上將水位循環升降時帶來的荷載循環加卸、土層反復壓縮回彈問題簡化成了求恒定滲透下固結力作用的問題。然而水位循環升降也是地面自然沉降過程中一個重要的制約因素，尤其是沿江近海地區更是如此。因此，研究水位循環升降引起的地面沉降機理具有非常重要的現實意義。
[0003]目前，在地面沉降研究領域，尚無相關模型試驗裝置和試驗方法來測試水位循環升降引起土體沉降的相關參數，主要是各種測量和監測地面沉降的裝置及方法的研究，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)、同濟大學唐益群等人的專利“一種由工程環境效應引起的地面沉降模型及其試驗方法”(專利號:CN102094432A)及中國地質調查局水文地質環境地質調查中心張青等人的專利“地面沉降分層原位監測裝置及監測方法”(專利號: CN104132640A)。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，都是現場地面沉降量的測量或觀測，并未涉及到水位循環升降引起的地面沉降機理方面的研究。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置及試驗方法。
[0005]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0006]—種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，該裝置包括盛放試驗用土的模型柱、供水單元、排水單元、數據測量單元和數據采集單元，所述的模型柱底部設有模型柱進水口和模型柱出水口，所述的供水單元連接模型柱進水口，排水單元連接模型柱出水口，所述的數據測量單元設置于模型柱內的試驗用土中，所述的數據采集單元連接數據測量單元；
[0007]調節供水單元和排水單元的開啟或關閉狀態進行水位循環升降調節，數據測量單元測量模型柱內試驗用土的數據信息，數據采集單元采集該數據信息并進行分析處理。
[0008]該裝置還包括反濾單元，所述的反濾單元包括第一 PVC管、第二PVC管和第三PVC 管，所述的第一 PVC管和第二PVC管上設有滲透孔，第一 PVC管和第二PVC管垂直設置在模型柱底部，所述的第一PVC管設置在模型柱進水口上方并連通模型柱進水口，所述的第二PVC 管設置在模型柱出水口上方并連通模型柱出水口，所述的第一PVC管和第二PVC管中部通過水平設置的第三PVC管連通。
[0009]所述的模型柱為有機玻璃澆筑而成的上端開口的容器。
[0010]所述的供水單元包括水箱、水箱托架、進水管和升降機構，所述的水箱放置于水箱托架內，所述的水箱托架連接升降機構，所述的水箱上設有水箱源水進水口和水箱出水口， 所述的水箱源水進水口連接外部自來水，所述的水箱出水口通過進水管連接模型柱進水口，所述的進水管和模型柱進水口間設有第一閥門，所述的進水管上還設有第一流量計。
[0011]所述的升降機構包括升降架、第一滑輪、第二滑輪、鋼繩索和變速手搖絞盤，所述的升降架為門式升降架，該門式升降架固定于地面，所述的第一滑輪設置在門式升降架的橫梁中部，第二滑輪設置在門式升降架的橫梁端部，所述的第一滑輪和第二滑輪位于同一水平位置，所述的變速手搖絞盤設置在門式升降架的側框上，所述的變速手搖絞盤與所述的第二滑輪位于同一垂直位置，所述的鋼繩索一端連接水箱托架頂部，另一端通過第一滑輪和第二滑連接至變速手搖絞盤形成滑輪升降結構，所述的門式升降架的兩個側框的內側面對稱設有滑動槽，所述的水箱托架側面對應設有滑動輪，所述的滑動輪滑動連接滑動槽。
[0012]所述的排水單元包括排水管、第二閥門和第二流量計，所述的排水管通過第二閥門連接所述的模型柱出水口，所述的第二流量計設置在排水管上。
[0013]該裝置還包括測壓單元，所述的測壓單元包括第四PVC管、測壓管和測壓管固定支架，所述的測壓管設置多個，所述的測壓管均垂直于地面設置并安裝在測壓管固定支架上， 測壓管底部通過第四PVC管連通至模型柱中的試驗用土中。
[0014]所述的數據測量單元包括埋設于試驗用土的不同土層中的沉降標尺、位移傳感器和壓力傳感器，所述的位移傳感器連接沉降標尺，所述的壓力傳感器包括土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，所述的位移傳感器、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器均連接至數據采集單元，所述的位移傳感器測量試驗用土的不同土層的沉降量，土壓力傳感器測量試驗用土的不同土層的土壓力，孔隙水壓力傳感器測量試驗用土的不同土層的孔隙水壓力。
[0015]所述的數據采集單元包括位移采集儀、壓力采集儀和PC機，所述的位移傳感器連接至位移采集儀，所述的土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器均連接壓力采集儀，所述的位移采集儀和壓力采集儀均連接PC機，所述的PC機內安裝有相應的數據處理軟件，所述的數據處理軟件對采集的試驗用土的不同土層的沉降量、土壓力和孔隙水壓力進行處理分析。
[0016]—種水位循環升降引起的地面沉降試驗方法，該方法包括如下步驟:
[0017](1)搭建地面沉降試驗裝置，在模型柱內壁利用玻璃膠粘上一層砂礫層；
[0018](2)在模型柱底部鋪設一層設定厚度的砂卵石；
[0019](3)制備試驗用土并將試驗用土按照不同土層的設定厚度逐層鋪設于模型柱(23) 內的砂卵石上方；
[0020](4)在不同土層內埋設沉降標尺、位移傳感器、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，將沉降標尺連接位移傳感器，同時將位移傳感器、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器連接至數據采集單元；
[0021](5)調節供水單元和排水單元的開啟或關閉狀態進行水位循環升降測試，水位循環升降具體為水位上升階段、水位保持階段和水位下降階段三個階段的循環運行，每個階段保持設定時間，同時在每個階段數據采集單元實時獲取不同土層中位移傳感器、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器測量得到的對應的沉降量、土壓力和孔隙水壓力，數據采集單元對數據進行分析處理；[〇〇22]其中，水位上升階段通過下述方式實現:開啟供水單元，關閉排水單元；
[0023]水位保持階段通過下述方式實現:關閉供水單元和排水單元；
[0024]水位下降階段通過下述方式實現:關閉供水單元，開啟排水單元。
[0025]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0026](1)通過供水單元和排水單元開啟和關閉狀態模擬水位循環升降調節，同時通過傳感器單元測量試驗用土中不同土層的沉降量、土壓力及孔隙水壓力三個參數，從而研究水位循環升降引起的不同土層的沉降量、土壓力及孔隙水壓力的變化規律，以及水位循環升降引起的地面沉降機理；
[0027](2)本發明模型柱裝置底部設置的反濾單元可以加快向模型柱內注水的速度以及從模型柱向外排水的速度，從而減弱黏性試驗用土滲透系數小和滲徑長導致的土壓力測量值偏大的問題，進而提高試驗結果準確性，同時反濾單元還能防止黏性試驗用土的細小顆粒堵塞模型柱注水口和模型柱出水口，提高試驗的成功率；
[0028](3)本發明試驗裝置中設置的測壓單元能夠實時觀測模型柱中水壓大小，從而可以反饋至供水單元，調節供水單元的高度，保證注入模型柱中壓力大小在土體承受范圍類， 不至于因壓力過大導致模型柱與試驗土體的邊壁效應加強，從而影響試驗；
[0029](4)本發明通過調節供水單元和排水單元供水和排水單元開啟還關閉狀態進行水位循環升降測試，能夠有效模擬實際水位循環升降，方法簡單，便于實現，操作方便。【附圖說明】
[0030]圖1為本發明水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置的結構示意圖；
[0031]圖2為本發明模型柱的剖視圖。
[0032]1為水箱源水進水口，2為水箱進水口閥門，3為第一滑輪，4為第二滑輪，5為鋼繩索，6為變速手搖絞盤，7為升降架，8為底座，9為滑動槽，10為水箱托架，11為水箱，12為曝氣溢出孔，13為高水位溢出口，14為滑動輪，15為水箱出水口，16為進水管，17為第一流量計， 18為模型柱進水口，19為模型柱出水口，20為模型柱支架，21為排水管，22為反濾單元，23為模型柱，24為測壓管，25為測壓管固定支架，26為位移傳感器，27為壓力傳感器，28為位移采集儀，29為壓力采集儀，30為PC機，31為第一閥門，32為第二閥門，33為第二流量計，a為砂卵石層，b為第一黏土層，c為第一粉質黏土層，d為第二黏土層，e為第二粉質黏土層，f為粉細砂層；1-1為砂卵石層埋設的沉降標尺，1-2、1_3、1-4和1-5為每層土層中埋設的沉降標尺， 2-1、2-2、2-3和2-4為每層土層中埋設的土壓力計，3-1、3-2、3-3和3-4為每層土層中埋設的孔隙水壓力傳感器。【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。[〇〇34] 實施例
[0035]如圖1所示，一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，該裝置包括盛放試驗用土的模型柱23、供水單元、排水單元、反濾單元22、數據測量單元和數據采集單元，模型柱23 底部設有模型柱進水口 18和模型柱出水口 19,供水單元連接模型柱進水口 18,排水單元連接模型柱出水口 19，反濾單元22包括第一 PVC管、第二PVC管和第三PVC管，第一 PVC管和第二 PVC管上設有滲透孔，第一 PVC管和第二PVC管垂直設置在模型柱23底部，第一 PVC管設置在模型柱進水口 18上方并連通模型柱進水口 18，第二PVC管設置在模型柱出水口 19上方并連通模型柱出水口 19，第一 PVC管和第二PVC管中部通過水平設置的第三PVC管連通，數據測量單元設置于模型柱23內的試驗用土中，數據采集單元連接數據測量單元;調節供水單元和排水單元的開啟或關閉狀態進行水位循環升降調節，數據測量單元測量模型柱23內試驗用土的數據信息，數據采集單元采集該數據信息并進行分析處理。本實施例中第一 PVC管和第二PVC管高30cm，直徑16cm，管壁從上到下每隔2cm打一個直徑2cm小孔，第三PVC管長30cm， 直徑10cm。由于黏性試驗用土滲透系數很小，注水和排水時間較長，另外黏性土層滲徑較大，水在土中停留時間過長，會造成土壓力偏大，影響試驗效果，因此設置反濾單元可以加快注水和排水速度，同時反濾單元也可以防止黏性試驗用土的細小顆粒堵塞模型柱進水口 18和模型柱出水口 19，從而提高試驗的成功率。[〇〇36]其中，模型柱23為有機玻璃澆筑而成的上端開口的容器，具體的該模型柱23高為 2m，壁厚為2cm，直徑為lm，密封不漏水，內壁粘有一層厚度2?3mm的砂爍層，目的為了最大限度的減弱模型柱23與試驗土體的邊壁效應。模型柱23內盛放的試驗用土為研究區域的擾動土體，根據相應的模型比設計厚度并分層鋪設各土層。
[0037]供水單元包括水箱11、水箱托架10、進水管16和升降機構，水箱11放置于水箱托架 10內，水箱托架10連接升降機構，水箱11上設有水箱源水進水口 1和水箱出水口 15,水箱源水進水口 1連接外部自來水，水箱出水口 15通過進水管16連接模型柱進水口 18，進水管16和模型柱進水口 18處設有第一閥門31，進水管16上還設有第一流量計17。升降機構包括升降架7、第一滑輪3、第二滑輪4、鋼繩索5和變速手搖絞盤6,升降架7為門式升降架，該門式升降架側框高為2.5m，橫梁寬為1.2m，側框和橫梁的材質為槽型鋼，門式升降架的底座8由膨脹螺絲直接打入地面實現與地面的固定。為了裝卸水箱11方便，水箱托架10由上下兩部分組成，上半部為三角架，下半部為柵格圓柱體，上下兩部分由螺母連接。門式升降架的兩個側框的內側面對稱設有滑動槽9，水箱托架10側面對應設有滑動輪14，該實施例中水箱托架10 兩側分別設有2個滑動輪14,滑動輪14滑動連接滑動槽9。另外第一滑輪3設置在門式升降架的橫梁中部，第二滑輪4設置在門式升降架的橫梁端部，本實施例設置在橫梁左側端部，第一滑輪3和第二滑輪4位于同一水平位置，變速手搖絞盤6設置在門式升降架的側框上，變速手搖絞盤6與第二滑輪4位于同一垂直位置，鋼繩索5—端連接水箱托架10頂部，另一端通過第一滑輪3和第二滑輪14連接至變速手搖絞盤6形成滑輪升降結構，鋼繩索5型號為? 56mm X 10m，通過變速手搖絞盤6控制鋼繩索5的長短來控制水箱11的高低，進而控制水壓的大小。水箱11采用直徑為〇.8m、高為lm水桶加工制作而成，桶蓋上設有曝氣溢出孔12，桶壁上設計了三個水路出口:水箱源水進水口 1、高水位溢出口 13和水箱出水口 15,以上三個水路出口均設有控制通斷的球型閥門。水箱源水進水口 1通過水箱進水口閥門2連接自來水水源，試驗開始前先向水箱11中注入自來水到高水位溢出口 13所限定的最高水位，試驗開始后將水箱進水口閥門2微開，確保試驗過程中所消耗的水體獲得補充。水箱出水口 15通過進水管16連接模型柱23底部的模型柱進水口 18,模型柱23底部的模型柱出水口 19連接排水管 21〇[〇〇38]排水單元包括排水管21、第二閥門32和第二流量計33,排水管21通過第二閥門32 連接模型柱出水口 19，第二流量計33設置在排水管21上。
[0039]另外，該裝置還包括測壓單元，所述的測壓單元包括第四PVC管、測壓管24和測壓管固定支架25,所述的測壓管24設置多個，所述的測壓管24均垂直于地面設置并安裝在測壓管固定支架25上，本實施例中測壓管24設置4根，測壓管24底部通過第四PVC管連通至模型柱23中的試驗用土中，通過觀察測壓管24中的水位高度能夠計算出模型柱23中水壓大小，進而根據測壓管24中的水位高低來調節水箱11高度。
[0040]數據測量單元包括埋設于試驗用土不同土層中的沉降標尺、位移傳感器26和壓力傳感器27,所述的位移傳感器26連接沉降標尺，所述的壓力傳感器27包括土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，所述的位移傳感器26、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器均連接至數據采集單元，沉降標尺埋設于不同土層頂面，位移傳感器26接觸沉降標尺上表面從而測量出每層土層的沉降量，土壓力傳感器測量試驗用土的不同土層的土壓力，孔隙水壓力傳感器測量試驗用土的不同土層的孔隙水壓力，因此土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器布設于每層土層的中部。所述的數據采集單元采用DH-3816N靜態應變測試分析系統，包括位移采集儀28、壓力采集儀29、PC機30以及安裝在PC機30中相應的數據處理軟件，所述的位移傳感器26連接至位移采集儀28,所述的土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器均連接至壓力采集儀 29,所述的位移采集儀28和壓力采集儀29均連接至PC機30,所述的數據處理軟件對采集的試驗用土的不同土層的沉降量、土壓力和孔隙水壓力進行處理分析。
[0041] —種由水位循環升降引起的地面沉降模型試驗方法，包括以下具體步驟:
[0042] (1)搭建地面沉降試驗裝置，具體是模型柱23設計:為了模型柱23從底部注排水方便，模型柱23下方布設一個模型柱支架20,該模型柱支架20為一個高為40cm的梯形支撐鐵架，為了最大限度的減弱模型柱23與試驗土體的邊壁效應，利用玻璃膠將模型柱23內壁粘上一層厚2?3mm的砂爍層。
[0043] (2)在模型柱23底部鋪設一層設定厚度的砂卵石形成砂卵石層a。具體地在模型柱 23底部放置反濾單元22后將第一 PVC管和第一 PVC管里面從下到上填滿直徑為5?6cm的鵝卵石，再在第一PVC管和第一PVC管外部包裹一層網眼為200目的玻璃紗，防止細粒土進入管內堵塞造成水流不暢，最后在模型柱23底部鋪一層厚度為40cm的砂卵石層a，從下到上依次為:直徑為5?6cm的卵石，直徑為2?3cm的石子，然后依次為礫砂、粗砂、中砂、粉細砂，卵石與礫砂中間用網眼為160目的玻璃紗隔離，防止細小顆粒被水流帶走。[〇〇44] (3)制備試驗用土并將試驗用土按照不同土層的設定厚度逐層鋪設于模型柱23內的砂卵石上方;試驗用土為研究區域的擾動土體，為了保持待測量試驗土體含水率保持不變，利用有塑料內襯的編織袋從野外運回的新鮮擾動土以備試驗。根據模型設計的土層厚度逐層鋪設。本實施例土層鋪設如圖2所示，由下而上分別是60cm高度的第一黏土層b，30cm 高度的第一粉質黏土層c，30cm高度的第二黏土層d和30cm高度的第二粉質黏土層e。在鋪設每一層土層時，將試驗用土碾碎過篩制成小于2mm的顆粒，稱取所需土的質量，每5cm—層均勻攤鋪在模型柱23中，用木板刮平，然后再用抹子輕輕壓平，擊實至試驗要求高度，將表面刨毛，確保土層在同一水平面上，再灑少量的水濕潤，然后再逐層加土料，擊實直至完成最后一層土。為了減弱外界溫度和濕度對模型土體影響，再在最上面鋪設一層5cm厚的粉細砂層f進行隔離。[〇〇45](4)在不同土層內埋設沉降標尺、位移傳感器26、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，將沉降標尺連接位移傳感器26，同時將位移傳感器26、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器連接至數據采集單元。為了提高土壓力傳感器在試驗用土中的存活率，在土壓力計表面涂上一層厚度小于0.5mm的防水膠；為了防止細小顆粒堵塞孔隙水壓力傳感器，埋放前用 200目的玻璃紗把孔隙水壓力計包裹一下，在每一層土體的中間位置埋放土壓力計和孔隙水壓力計，埋放時在預埋位置挖一個直徑3cm小坑，填入少量的砂子抹平，水平放入土壓力計和孔隙水壓力計，再用砂子蓋住輕輕壓實，這樣可使壓力計表面與土接觸緊密，同時可在孔隙水壓力計表面形成過濾層，有助于量測;將沉降標尺放置在每層土體表面上，同時將位移傳感器26接觸沉降標尺上表面，隨著土體的沉降，沉降標尺下移，從而位移傳感器26測得沉降量的大小，另外在砂卵石層a表面也埋設有一個沉降標尺以及相應的位移傳感器26。具體的沉降標尺、位移傳感器26、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器的埋設位置如圖2所示， 1-1為砂卵石層a埋設的沉降標尺，1-2、1-3、1-4和1-5分別為由下至上每層土層中埋設的沉降標尺，2_1、2_2、2_3和2_4為由下至上每層土層中埋設的土壓力計，3_1、3_2、3_3和3_4為由下至上每層土層中埋設的孔隙水壓力傳感器。
[0046](5)進行水位循環升降模擬及測量:開啟PC機30調試運行數據采集系統，進行水位循環升降模擬試驗。通過調節供水單元和排水單元的開啟或關閉狀態進行水位循環升降測試，水位循環升降具體為水位上升階段、水位保持階段和水位下降階段三個階段的循環運行，每個階段保持設定時間，同時在每個階段數據采集單元實時獲取不同土層中位移傳感器26、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器測量得到的對應的沉降量、土壓力和孔隙水壓力， 數據采集單元對數據進行分析處理;其中，水位上升階段通過下述方式實現:開啟供水單元向模型柱注水口 18注水，關閉排水單元，即開啟第一閥門31，關閉第二閥門32;水位保持階段通過下述方式實現:關閉供水單元和排水單元，即關閉第一閥門31和第二閥門32;水位下降階段通過下述方式實現:關閉供水單元，開啟排水單元，即關閉第一閥門31，開啟第二閥門32。三個階段的時間根據土層性質而定，水位循環次數及水位升降幅值根據試驗要求進行;通過PC機30控制采集數據單元工作，并對試驗用土進行實時監測。另外進水管16中的第一流量計17對進水流量進行計量，出水管中的第二流量計33對進水流量進行計量，從而能計算出進入模型柱23中水量大小。
【主權項】
1.一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，其特征在于，該裝置包括盛放試驗用 土的模型柱(23)、供水單元、排水單元、數據測量單元和數據采集單元，所述的模型柱(23) 底部設有模型柱進水口(18)和模型柱出水口(19)，所述的供水單元連接模型柱進水口 (18)，排水單元連接模型柱出水口(19)，所述的數據測量單元設置于模型柱(23)內的試驗 用土中，所述的數據采集單元連接數據測量單元；調節供水單元和排水單元的開啟或關閉狀態進行水位循環升降調節，數據測量單元測 量模型柱(23)內試驗用土的數據信息，數據采集單元采集該數據信息并進行分析處理。2.根據權利要求1所述的一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，其特征在于，該 裝置還包括反濾單元(22)，所述的反濾單元(22)包括第一 PVC管、第二PVC管和第三PVC管， 所述的第一 PVC管和第二PVC管上設有滲透孔，第一 PVC管和第二PVC管垂直設置在模型柱 (23)底部，所述的第一PVC管設置在模型柱進水口(18)上方并連通模型柱進水口(18)，所述 的第二PVC管設置在模型柱出水口(19)上方并連通模型柱出水口(19)，所述的第一PVC管和 第二PVC管中部通過水平設置的第三PVC管連通。3.根據權利要求1所述的一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，其特征在于，所 述的模型柱(23)為有機玻璃澆筑而成的上端開口的容器。4.根據權利要求1所述的一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，其特征在于，所 述的供水單元包括水箱(11)、水箱托架(10)、進水管(16)和升降機構，所述的水箱(11)放置 于水箱托架(10)內，所述的水箱托架(10)連接升降機構，所述的水箱(11)上設有水箱源水 進水口(1)和水箱出水口(15 )，所述的水箱源水進水口( 1)連接外部自來水，所述的水箱出 水口(15)通過進水管(16)連接模型柱進水口(18)，所述的進水管(16)和模型柱進水口(18) 間設有第一閥門(31)，所述的進水管(16)上還設有第一流量計(17)。5.根據權利要求4所述的一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，其特征在于，所 述的升降機構包括升降架(7)、第一滑輪(3)、第二滑輪(4)、鋼繩索(5)和變速手搖絞盤(6)， 所述的升降架(7)為門式升降架，該門式升降架固定于地面，所述的第一滑輪(3)設置在門 式升降架的橫梁中部，第二滑輪(4)設置在門式升降架的橫梁端部，所述的第一滑輪(3)和 第二滑輪(4)位于同一水平位置，所述的變速手搖絞盤(6)設置在門式升降架的側框上，所 述的變速手搖絞盤(6)與所述的第二滑輪(4)位于同一垂直位置，所述的鋼繩索(5)—端連 接水箱托架(10)頂部，另一端通過第一滑輪(3)和第二滑連接至變速手搖絞盤(6)形成滑輪 升降結構，所述的門式升降架的兩個側框的內側面對稱設有滑動槽(9)，所述的水箱托架 (10)側面對應設有滑動輪(14)，所述的滑動輪(14)滑動連接滑動槽(9)。6.根據權利要求1所述的一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，其特征在于，所 述的排水單元包括排水管(21)、第二閥門(32)和第二流量計(33)，所述的排水管(21)通過 第二閥門(32)連接所述的模型柱出水口(19)，所述的第二流量計(33)設置在排水管(21) 上。7.根據權利要求1所述的一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，其特征在于，該 裝置還包括測壓單元，所述的測壓單元包括第四PVC管、測壓管(24)和測壓管固定支架 (25)，所述的測壓管(24)設置多個，所述的測壓管(24)均垂直于地面設置并安裝在測壓管 固定支架(25)上，測壓管(24)底部通過第四PVC管連通至模型柱(23)中的試驗用土中。8.根據權利要求1所述的一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，其特征在于，所述的數據測量單元包括埋設于試驗用土的不同土層中的沉降標尺、位移傳感器(26)和壓力 傳感器(27)，所述的位移傳感器(26)連接沉降標尺，所述的壓力傳感器(27)包括土壓力傳 感器和孔隙水壓力傳感器，所述的位移傳感器(26)、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器均 連接至數據采集單元，所述的位移傳感器(26)測量試驗用土的不同土層的沉降量，土壓力 傳感器測量試驗用土的不同土層的土壓力，孔隙水壓力傳感器測量試驗用土的不同土層的 孔隙水壓力。9.根據權利要求8所述的一種水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置，其特征在于，所 述的數據采集單元包括位移采集儀(28)、壓力采集儀(29)和PC機(30)，所述的位移傳感器 (26)連接至位移采集儀(28)，所述的土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器均連接壓力采集儀 (29 )，所述的位移采集儀(28)和壓力采集儀均(29)連接PC機(30)，所述的PC機(30)內安裝 有相應的數據處理軟件，所述的數據處理軟件對采集的試驗用土的不同土層的沉降量、土 壓力和孔隙水壓力進行處理分析。10.—種采用權利要求1所述的水位循環升降引起的地面沉降試驗裝置進行試驗的試 驗方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:(1)搭建地面沉降試驗裝置，在模型柱(23)內壁利用玻璃膠粘上一層砂礫層；(2)在模型柱(23)底部鋪設一層設定厚度的砂卵石；(3)制備試驗用土并將試驗用土按照不同土層的設定厚度逐層鋪設于模型柱(23)內的 砂卵石上方；(4)在不同土層內埋設沉降標尺、位移傳感器(26)、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感 器，將沉降標尺連接位移傳感器(26)，同時將位移傳感器(26)、土壓力傳感器和孔隙水壓力 傳感器連接至數據采集單元；(5)調節供水單元和排水單元的開啟或關閉狀態進行水位循環升降測試，水位循環升 降具體為水位上升階段、水位保持階段和水位下降階段三個階段的循環運行，每個階段保 持設定時間，同時在每個階段數據采集單元實時獲取不同土層中位移傳感器(26)、土壓力 傳感器和孔隙水壓力傳感器測量得到的對應的沉降量、土壓力和孔隙水壓力，數據采集單 元對數據進行分析處理；其中，水位上升階段通過下述方式實現:開啟供水單元，關閉排水單元；水位保持階段通過下述方式實現:關閉供水單元和排水單元；水位下降階段通過下述方式實現:關閉供水單元，開啟排水單元。
【文檔編號】G01N33/24GK105974088SQ201610290138
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】張英平, 唐益群, 嚴婧婧, 趙文強, 尹葉鵬
【申請人】同濟大學