本實用新型屬于建筑領域的試驗方法，特別涉及一種采動區(qū)地表沉陷試驗方法。

背景技術(shù)：

由于建筑下采煤的迅速發(fā)展，導致采動區(qū)地表土體沉陷，地基承載力產(chǎn)生不同程度的變化，對于采動影響范圍內(nèi)的建筑物造成了巨大的損害，如采動區(qū)鐵路、橋梁等基礎都會受到不同程度的影響。地下煤層開采后，土體內(nèi)部原有的力學平衡狀態(tài)被改變，上覆巖層將產(chǎn)生不同程度的變形和破壞；當?shù)叵旅簩娱_采面積達到一定范圍之后，巖層移動和變形將擴展到地表，使得地表土體產(chǎn)生水平和豎向移動變形。地表土體沉陷對于開采影響范圍內(nèi)的建筑物樁基產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，建筑物樁基和樁周土產(chǎn)生向下的位移，可能會產(chǎn)生樁側(cè)負摩阻力，造成樁基承載性能降低，建筑物隨樁基產(chǎn)生不均勻沉降，乃至開裂，危及人身財產(chǎn)安全。

模型試驗作為樁基承載特性分析的常用的研究手段，對于采動區(qū)樁基承載特性的研究具有非常重要的工程意義。然而，在本實用新型之前，對采動區(qū)地表沉陷過程中樁基承載特性的研究方法一般都是通過千斤頂升降的方式來模擬采動區(qū)地表沉陷規(guī)律，這種方法無法精確地模擬采動區(qū)地表沉陷過程中樁基的沉降特性，不具有連續(xù)性，而且通過杠桿或者液壓千斤頂對樁頂?shù)募虞d方式有著一定的局限性，不能一直保證樁基在移動過程中垂直受荷。

申請人曾經(jīng)申請了一種采動區(qū)樁基承載力透明土模型試驗裝置及試驗方法，申請?zhí)?016100679543，該申請主要是通過漏砂法模擬因煤礦開采引起采動塌陷，從而模擬采動區(qū)地表土體沉陷過程，但是它只能定性反映采動引起的地表土體移動對樁基的影響，無法定量精確地模擬多種采動區(qū)地表土體移動變形規(guī)律；而且，該裝置只能模擬地表負曲率沉降，無法進行正曲率沉降規(guī)律的模擬；另外，由于透明土只能模擬砂土，該裝置也無法進行多種地質(zhì)條件下的樁基沉降特性模型試驗。

因此，在本實用新型以前并沒有可以很精確地模擬采動區(qū)地表沉陷過程中樁基的沉降特性的模型試驗裝置及其試驗方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有地表沉陷模擬試驗無法精確模擬采動區(qū)地表沉陷過程中樁基的沉降特性，本實用新型提出一種采動區(qū)地表沉陷單樁靜載荷模型試驗裝置，該裝置能實現(xiàn)不同情況下的多種地表沉降規(guī)律的模擬，包括地表正負曲率沉陷規(guī)律模擬，正曲率到負曲率過程中的模擬；而且可以隨時停止沉陷，以便觀察試驗現(xiàn)象。

本實用新型采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種采動區(qū)地表沉陷單樁靜載荷模型試驗裝置，該試驗裝置包括一個帶支撐腿的模型槽，模型槽的周面至少前面是透明的，模型槽的槽底作為承壓板，在槽底上設有若干規(guī)則排列的漏砂孔，槽底下面放置有擋孔板用于擋住漏砂孔，擋孔板用若干支撐柱進行支撐；模型槽中從底向上依次鋪有砂土層和黏土層，砂土層和黏土層之間用聚乙烯薄膜隔開；黏土層中預埋有周面為粗糙面的模型樁，模型樁的底部和周圍預埋有土壓力盒，模型樁的樁體上設有應變片，模型樁的頂部設有加載裝置，土壓力盒和應變片連接在模型槽以外的數(shù)據(jù)采集儀上；在模型樁和黏土層的頂部分別設有百分表，用于分別測量模型樁和黏土層的位移量；

為了方便操作，上述的擋孔板設置有多塊，多塊組合在一起放置在槽底，擋孔板的布置量根據(jù)預試驗的地表沉降曲線而定，保證漏砂時使砂土層和黏土層之間的聚乙烯薄膜符合曲線的形狀。擋孔板的材料應保證既有硬度又可以卷曲，比如家用的涼席材料。

為了便于拆卸，上述的模型槽是分體式，即在一個無底槽體底部設有承壓板，承壓板上設有規(guī)則排列的漏砂孔。

上述模型槽的無底槽體優(yōu)選由鋼化玻璃材料制成。

上述的加載裝置優(yōu)選是在模型樁頂部設有橫擔，通過插梢把橫擔和模型樁連接在一起，橫擔上設有托盤，砝碼放置在托盤里。

上述的粗糙面模型樁可在PVC管周面粘結(jié)上砂粒制成。

上述的模型槽內(nèi)壁面為滑動面，滑動面是在模型槽內(nèi)壁面涂抹潤滑油形成。

上述采動區(qū)地表沉陷單樁靜載荷模型試驗裝置的試驗方法如下:

第一步，在模型槽正面上描繪預試驗的地表沉降曲線；

第二步，制作模型樁，要求樁體直徑為模型槽寬度的十分之一；樁頂高度超過模型槽高度，模型樁周面為粗糙面；

第三步，在模型樁的樁體上粘貼應變片，對模型槽內(nèi)壁面涂抹潤滑油使之成為滑動面；

第四步，根據(jù)地表沉降曲線確定擋孔板數(shù)量，將地表沉降曲線按照谷峰和谷底進行劃段，要求相鄰的谷峰和谷底對應一塊擋孔板，然后在裝置底座上排列布置擋孔板，支撐柱對擋孔板進行支撐，使之緊貼承壓板，多塊擋孔板組合在一起形成一個整體；當模型槽是分體式時，首先將承壓板放置支撐柱上，再將無底槽體放置在承壓板上，使承壓板成為模型槽的槽底，隨后放置擋孔板和支撐柱；

第五步，向模型槽依次鋪設砂土層和黏土層，砂土層和黏土層之間用聚乙烯薄膜隔開；要求砂土層鋪設高度大于描繪預試驗的地表沉降曲線高度；在鋪設黏土層時預埋上模型樁，模型樁的底部和周圍預埋上土壓力盒；

第六步，填埋土之后，靜置3-5天使土體固結(jié)；

第七步，土層固結(jié)穩(wěn)定之后，在模型樁的頂部安裝加載裝置；將土壓力盒和應變片連接在模型槽以外的數(shù)據(jù)采集儀上；在模型樁頂部和黏土層表面安裝百分表，用于測量模型樁和黏土層的位移量；

第八步，對模型樁進行分級加載，每級加載4-6kg，共分四次加載，中間間隔半個小時；加載過程中數(shù)據(jù)采集儀記錄樁身應變和樁周土壓力，百分表顯示模型樁及黏土表層的位移量；

第九步，加載完成之后，待樁土相對穩(wěn)定(即數(shù)據(jù)采集儀上樁身應變和樁周土壓力波動較小，百分表讀數(shù)不變)后，進行地表采動模擬，按照沉降曲線圖進行漏砂沉降：首先撤離第一段沉降曲線對應的擋孔板下面的支撐柱，抽出擋孔板露出漏砂孔進行漏砂，在漏砂過程中，注意不同點的漏砂速度，使砂土層和黏土層之間的聚乙烯薄膜達到描繪預試驗的地表沉降曲線位置；沉降過程中數(shù)據(jù)采集儀記錄樁身應變和樁周土壓力，百分表顯示模型樁及黏土層的位移量；

第十步，按照第九步進行步驟繼續(xù)進行地表沉降模擬下一道沉降曲線圖，直至所有每曲線模擬完成；每次沉降間隔為一小時；

第十一步，使用origin軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。

進一步，在第二步制作粗糙面的模型樁時，可在PVC管周面粘結(jié)上砂粒制成。

進一步，在第八步對模型樁進行分級加載中，使用砝碼加載。

進一步，在第五步向模型槽內(nèi)鋪設砂土層時，采用常規(guī)的“砂雨法”進行平鋪。

進一步，在第五步向模型槽內(nèi)鋪設黏土層時，采用干密度法控制土體均質(zhì)性。

本實用新型的優(yōu)點是：

本實用新型提出的采動區(qū)地表沉陷單樁靜載荷模型試驗裝置及試驗方法可以比較精確地模擬多種采動區(qū)地表土體移動變形規(guī)律，可以模擬多種地質(zhì)條件下的采動區(qū)地表變形過程，以及不同曲率變化過程，包括地表正、負曲率變化的模擬，正曲率到負曲率變化的模擬；可以觀測采動地表沉陷過程中土體的移動變形情況，可以監(jiān)測模型樁和樁周土體的位移變化情況；該模型裝置的加載方式采用砝碼加載，可以保證土體沉陷過程中對模型樁的豎向恒壓加載；裝置尺寸小，試驗準備時間短，提高了科研效率。而以上優(yōu)點中，普通的單樁靜載荷模型試驗難以進行采動地表移動變形規(guī)律的模擬，采動模擬試裝置的土層中無法埋設模型樁。

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進行詳細描述。

附圖說明

圖1為本實用新型試驗裝置示意圖；

圖2為模型樁結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為加載裝置示意圖；

圖4為“砂雨法”填砂示意圖。

圖中，1-模型槽，2-支撐柱，3-承壓板，4-砂土層，5-聚乙烯薄膜，6-加載裝置，7-土壓力盒，8-應變片，9-百分表，10-模型樁，11-擋孔板，12-漏砂孔，13-漏斗，14-地表沉降曲線，15-導線，16-砂粒，17-黏土層，18-無底槽體，19-砝碼，20-PVC管，21-插梢，22-支撐腿。

具體實施方式

如圖1所示，一種采動區(qū)地表沉陷單樁靜載荷模型試驗裝置，該試驗裝置包括一個模型槽1，模型槽1的周面至少前面是透明的，模型槽1的槽底上設有若干規(guī)則排列的漏砂孔12，漏砂孔12下面放置若干擋孔板11用于擋住漏砂孔12，每塊擋孔板11用若干支撐柱2進行支撐；模型槽1中從底向上依次鋪有砂土層4和黏土層17，砂土層4和黏土層17之間用聚乙烯薄膜5隔開；黏土層17中預埋有模型樁10，模型樁10的底部和周圍預埋有土壓力盒7，模型樁10的樁體上設有應變片8，模型樁10的頂部設有加載裝置6，土壓力盒7和應變片8通過導線15連接在模型槽1以外的數(shù)據(jù)采集儀上；在模型樁10和黏土層17的頂部分別設有百分表9，用于分別測量模型樁10和黏土層17的位移量；

上述的模型槽1是分體式，即在一個無底槽體18底部設有承壓板3，承壓板3上設有規(guī)則排列的漏砂孔12。

上述的模型槽的無底槽體18由鋼化玻璃材料制成。

上述的加載裝置6如圖3所示，是在模型樁10頂部設有橫擔，橫擔上設有砝碼19，加載裝置6和模型樁10通過插捎21連接在一起。

上述的模型樁10周面為粗糙面；模型樁10如圖2所示，可在PVC管20表面粘貼應變片8，然后在其周面粘結(jié)上砂粒16制成。

上述的模型槽1內(nèi)壁面為滑動面，滑動面是在模型槽1內(nèi)壁面涂有潤滑油形成。

上述的擋孔板11為可卷曲材料，擋孔板11的布置量根據(jù)預試驗的地表沉降曲線而定，保證漏砂時使砂土層和黏土層之間的聚乙烯薄膜層符合曲線的形狀。

上述采動區(qū)地表沉陷單樁靜載荷模型試驗裝置的試驗方法如下:

第一步，在模型槽1正面上描繪預試驗的地表沉降曲線14；

第二步，制作模型樁10；要求樁體直徑為模型槽1寬度的十分之一，樁頂高度應當超過模型槽1高度，樁體表面為粗糙面；

第三步，在模型樁10的樁體上粘貼應變片8；對模型槽1內(nèi)壁面涂抹潤滑油使之為滑動面；

第四步，根據(jù)地表沉降曲線14確定擋孔板11數(shù)量，將地表沉降曲線14按照谷峰和谷底進行劃段，要求相鄰的谷峰和谷底對應一塊擋孔板11，然后在模型槽1底座上排列擋孔板11，通過支撐柱2對擋孔板11進行支撐，使之緊貼承壓板3，多塊擋孔板11組合在一起形成一個整體；

要求模型槽1底部的每排漏砂孔12都要有擋孔板11擋住，每塊擋孔板11都要有兩排支撐柱2支撐；

當模型槽1是分體式時，首先將承壓板3放置在底座預先設置的支撐腿22上，再將無底槽18體放置在承壓板3上，使承壓板3成為模型槽1的槽底，然后在承壓板3下方放置擋孔板11和支撐柱2；

第五步，向模型槽1中依次鋪設砂土層4和黏土層17，砂土層4和黏土層17之間用聚乙烯薄膜5隔開；要求砂土層4鋪設高度大于描繪預試驗的地表沉降曲線14高度；在鋪設黏土層17時預埋上模型樁10，模型樁10的底部和周圍預埋上土壓力盒7；

第六步，填埋土之后，靜置3-5天使土體固結(jié)；

第七步，黏土層17固結(jié)穩(wěn)定之后，在模型樁10的頂部安裝加載裝置6；將土壓力盒7和應變片8用導線15連接在模型槽1以外的數(shù)據(jù)采集儀上；在模型樁10頂部和黏土層17表面安裝百分表9，用于測量模型樁10和黏土層17的位移量；

第八步，對模型樁10進行分級加載，每級加載4-6kg，共分四次加載，中間間隔半個小時；加載過程中數(shù)據(jù)采集儀記錄加載數(shù)據(jù)和模型樁10及黏土層17的位移量：

第九步，加載完成之后，待樁土相對穩(wěn)定后，進行地表采動模擬，按照地表沉降曲線14進行漏砂沉降：首先撤離第一段地表沉降曲線對應的擋孔板下面的支撐柱2，抽出該段曲線對應的擋孔板11，露出漏砂孔12進行漏砂，在漏砂過程中，注意不同點的漏砂速度，使砂土層4和黏土層5之間用聚乙烯薄膜5達到描繪預試驗的地表沉降曲線位置。在實際操作過程中，曲線的谷峰漏沙時間短，谷底漏沙時間長，所以，為了便于操作，當漏到谷峰位置時，將擋孔板3卷曲伸入擋在谷峰對應的漏沙孔上，然后從谷峰到谷底逐步展開阻隔砂土繼續(xù)漏出，第一段地表沉降曲線模擬完成；沉降過程中數(shù)據(jù)采集儀記錄樁身應變和樁周土壓力，百分表9顯示模型樁10和黏土層17的位移量；

第十步，按照第九步繼續(xù)進行地表沉降模擬下一段沉降曲線圖，直至所有地表沉降曲線14模擬完成；每次沉降間隔為一小時；

第十一步，把采集的數(shù)據(jù)使用origin軟件進行處理。

進一步，在第二步制作粗糙面的模型樁10時，可在PVC管20周面粘結(jié)上砂礫16制成。

進一步，在第八步對模型樁10進行分級加載中，使用砝碼19加載。

進一步，在第五步向模型槽1鋪設砂土層4時，采用常規(guī)的“砂雨法”，如圖4所示，用漏斗13進行平鋪。

進一步，在第五步向模型槽1鋪設黏土層17時采用干密度法填埋黏土。