專利名稱：高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種土工室內(nèi)試驗裝置，具體涉及一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)。
背景技術：
合理確定地下結構所受到的浮力，對于地下工程的安全性、經(jīng)濟性和可靠性至關 重要。由于學術界和工程界對此在理論上缺乏統(tǒng)一認識，目前普遍以試驗作為最重要和可 靠的研究手段。以下對于目前通常采用的實驗裝置進行分析及介紹
圖1所示裝置現(xiàn)有浮力模型試驗中最為常見的一種，其基本過程為首先將內(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開始移動，則可知內(nèi)箱2受浮力影響開始上浮，此時即為其 平衡狀態(tài)，而后稱取內(nèi)箱2中的水的重量即可依照式(1. 1)進行計算浮力。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)箱側壁13與介質(zhì)3的摩擦力。內(nèi)箱側壁13與介質(zhì)3的摩擦力通常按式(1. 2)計算
Fm =1^σβζ(1. 2)
式中1一內(nèi)箱2的周長； B —內(nèi)箱2與外箱1介質(zhì)3接觸的外壁高度； σ 一內(nèi)箱側壁13正應力；
f 一摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)通常采用測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，當飽和介質(zhì)3開始下滑時，記錄傾角α，摩擦系數(shù)f=tan α。上述方法的優(yōu)點是可以直接測定出模型結構(內(nèi)箱2)在不同介質(zhì)3中，不同埋深 下實際受到的浮力大小。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 面就這三個方面進行分析。(1)側壁摩擦力
由式(1. 1)可知，浮力計算時側壁摩擦力是其組成部分，因此側壁摩擦力準確與否直接 影響試驗結果的準確性。這里式(1. 2)所采用的計算摩擦力的方法實際上是按照庫倫摩擦 定律來計算的，即單位面積上的摩擦力等于摩擦系數(shù)乘以正應力，如圖3所示。因此，側壁 摩擦力的計算需要解決作用在側壁上的土壓力的大小和分布，以及側壁與介質(zhì)3的摩擦系 數(shù)兩個方面的問題。側壁上的土壓力的按式(1.3)計算，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。 試驗中側壁周圍的土層寬度是很小的，與理想的半無限空間存在顯著差異，因此 此時的豎向土壓力與理想條件下的值可能存在較大的差別。對于不同的介質(zhì)3而言，計算 豎向土壓力時土的重度的取值目前也存在較大爭議。再有計算填筑形成的介質(zhì)3在壁后形 成的水平推力時，水平土壓力系數(shù)的如何取值也是一個問題。而就側壁與土的摩擦系數(shù)而 言，考慮到土體的固結變形性狀，在不同的應力水平和固結狀態(tài)下，二者之間的摩擦特性可 能會發(fā)生改變，進而使得摩擦系數(shù)也發(fā)生變化。而采用圖2所示方法無法反映出這種變化。 因此，可以說計算所得的側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壁表面涂抹硅油的辦法，并認為這樣 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壁與土體之間 的摩阻力，但由于硅油的潤滑效果是有限的，要達到光滑接觸是不太可能的。因此砂土中測 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有通過涂抹硅油而完全消除。隨著基礎埋深的 不斷加大，相應的側壁摩擦力也逐漸增大，試驗所測的浮力也越來越偏離理論計算值。那 么，如果能夠通過一定的技術手段消除側壁摩擦力，該試驗方法的精度便可以大大提高。(2)浮起狀態(tài)的判定
該試驗方法的另一個關鍵是找到減小內(nèi)箱2重量的過程中，內(nèi)箱2開始移動的那一瞬 間所對應的內(nèi)箱2重量進行浮力的計算。如何捕捉這一極限浮力平衡狀態(tài)呢？
一種方法是在外箱1四角安設測定水位的標尺，從內(nèi)箱2中分次少量抽水，當外箱1水 位標尺讀數(shù)發(fā)生變化時，認為此時即為極限浮力平衡狀態(tài)。這種方法對于浮起狀態(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，當外箱1水位高度發(fā)生降低時， 內(nèi)箱2必然已經(jīng)發(fā)生了很大的上浮量。假定水位標尺的讀數(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，那么當外箱1飽和介質(zhì)3水位發(fā)生Imm的下降時， 就意味著內(nèi)箱2已經(jīng)上浮多達4mm。此上浮量下，對于砂土和經(jīng)過固結的黏性土而言，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 開的情況，從而使得浮力實測值偏離實際。另一種方法是在內(nèi)箱2設置量力環(huán)來實現(xiàn)對浮起狀態(tài)的判定，即在內(nèi)箱2上部設 置一量力環(huán)，量力環(huán)通過傳力桿與內(nèi)箱2底部中心相接觸。在內(nèi)箱2抽水前通過調(diào)整升降 臺使量力環(huán)的指針歸零，當抽水至某一重量，指針剛好擺動時，這說明內(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，同時為防止傳力桿左右擺動，在模型槽的 頂端需采用支架進行固定，并做消除摩擦的處理，這將進一步影響到試驗的精度。另外，對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也不會馬上浮起，而是會經(jīng)歷一定時間之后才緩慢浮起達到新的平衡位置。那么，這 就要求對于上浮狀態(tài)的觀測是需要長時間連續(xù)進行的。因此，如果能夠有一個明確的、而不是以“讀數(shù)發(fā)生變化時”或“指針剛好擺動時”這種模糊的標準來對內(nèi)箱2極限浮力平衡狀 態(tài)進行判定的話，將有助于提高試驗的精度、可靠性和可比性。 (3)模型姿態(tài)控制
如圖4所示，當模型室存在一定角度的偏轉時，模型室側壁上的水(土)壓力將存在豎向 分量，從而影響到摩擦力與浮力的測試結果。試驗中由于內(nèi)箱2是僅受周圍介質(zhì)3約束，在 填筑介質(zhì)3的過程中很難確保其不會發(fā)生偏轉，由此可能使得試驗結果明顯失真，或者降 低不同組別試驗結果的可比性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種高精度地下結構靜水浮 力模型試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)通過斷開模型室(內(nèi)箱)側壁與底板、選用柔性止水帶密封止 水和采用水準儀觀測三方面措施，較好地克服了以往模型試驗中的缺點與不足之處，大幅 度提高了地下結構浮力試驗的精度。本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術方案完成
一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，包括外箱、內(nèi)箱及一用于測量所述內(nèi)箱 位移的監(jiān)測裝置，所述試驗系統(tǒng)使用時外箱和內(nèi)箱之間設置飽和介質(zhì)，及將所述監(jiān)測裝置 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)箱側壁和內(nèi)箱底板組成，所述 內(nèi)箱底板設于內(nèi)箱側壁一端內(nèi)形成間隙配合，內(nèi)箱底板通過柔性止水帶與所述內(nèi)箱側壁密 封連接；所述內(nèi)箱側壁與所述外箱可活動式連接固定。所述內(nèi)箱側壁和內(nèi)箱底板之間的相對面中的至少一個設置有滾珠，以限定所述內(nèi) 箱底板和內(nèi)箱側壁之間相對移動方向。所述內(nèi)箱側壁和內(nèi)箱底板之間相對面上分別對應設置有垂直的凹槽以配合構成 定位滑槽，所述定位滑槽內(nèi)放置有至少一個滾珠。所述外箱側壁及內(nèi)箱側壁上對應開設有定位孔，并穿設螺桿相對固定。所述試驗系統(tǒng)包括有若干測壓裝置，所述測壓裝置包括測壓管和玻璃管，所述測 壓管為水平設置的中空圓管，其一端開設有若干小孔并設置于外箱內(nèi)部，相對的另一端連 通有所述玻璃管，所述玻璃管豎直設置。所述測壓管具有小孔的一端距外箱內(nèi)壁至少50mm，任意兩個相鄰測壓管的間距為 IOOmm0所述柔性止水帶選用厚度為0. 15mm的無色透明PVC，且寬度大于所述內(nèi)箱側壁和 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)測裝置包括頂部懸掛有鋼尺的三腳觀測架和水準儀，所述三腳觀測架設于 所述內(nèi)箱底板上。本發(fā)明的優(yōu)點是消除了摩擦力對浮力測試結果的影響，能準確判定結構浮起狀 態(tài)，純水中內(nèi)箱底板所受浮力實測值基本等于按照阿基米德定律計算的浮力理論值，二者 最大相差+0. 93%，平均相差僅+0. 07%，系統(tǒng)參數(shù)準確，試驗誤差小、數(shù)據(jù)可靠。


圖1為典型浮力模型試驗裝置圖； 圖2為測定摩擦系數(shù)方法示意圖3為內(nèi)箱側壁摩擦力計算示意圖4為內(nèi)箱發(fā)生偏轉示意圖5為本發(fā)明實施例主視圖6為本發(fā)明實施例俯視圖7為外箱結構示意圖8為內(nèi)箱側壁與底板的連接結構示意圖1 ；
圖9為內(nèi)箱側壁與底板的連接結構示意圖II ；
圖10為測壓管結構示意圖11為水準儀技術指標表(表1)；
圖12為各級壓重下底板懸浮時外箱水位表(表2)；
圖13為底板面積試驗數(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內(nèi)箱底板浮力試驗結果(表7)。
具體實施例方式以下結合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便 于同行業(yè)技術人員的理解
如圖1 一 17所示，標號1-18分別表示外箱1、內(nèi)箱2、介質(zhì)3、玻璃板4、測壓裝置5、排 水管6、底座7、壓重8、定位螺桿9、三角觀測架10、定位孔11、測壓孔12、內(nèi)箱側壁13、內(nèi)箱 底板14、柔性止水帶15、滾珠16、測壓管17、小孔18。參見圖1-17，以下將詳細描述本實施例構思及具體實施方式
。前面已經(jīng)分析了要提高模型試驗的精度，需要從以下三個方面入手①盡可能地 消除側壁摩擦力對試驗的影響；②提高觀測系統(tǒng)的精度，準確的捕捉到內(nèi)箱2微量上浮，并 適應長期連續(xù)觀測的需要；③控制內(nèi)箱2姿態(tài)或增強對其的約束，減小或消除由于內(nèi)箱側 壁13不完全豎直對試驗的影響。分析上述三個方面的問題，可以發(fā)現(xiàn)其中①和③都與內(nèi)箱側壁13有關，因此可以 將側壁和底板分體設置，即是將內(nèi)箱2分成內(nèi)箱側壁13和內(nèi)箱底板14兩個部分，使兩者 之間的受力相互不發(fā)生影響。這樣內(nèi)箱側壁13摩擦力和姿態(tài)便不會對底板上受到的浮力 產(chǎn)生影響。內(nèi)箱側壁13和內(nèi)箱底板14之間可采用柔性的密封連接構造，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。為準確的觀測到內(nèi)箱底板14的上浮或下 沉情況，可以考慮用適當?shù)姆椒▽?nèi)箱底板14的位移傳遞到某一標尺上，然后借助水準儀 對標尺進行觀測，這樣可以獲得很高的位移觀測精度?；谏鲜鲈O想，本發(fā)明模型試驗系統(tǒng)如圖5所示。模型系統(tǒng)主要由外箱1、內(nèi)箱2和量測系統(tǒng)構成。外箱1、內(nèi)箱2均為有機玻璃制成。外箱1用來盛放介質(zhì)3 (水、砂土、黏土等)，內(nèi)箱2用于模擬地下結構。外箱1側壁設置測壓管17，用來測定不同深度處的孔隙 水壓力。內(nèi)箱2由內(nèi)箱側壁13和內(nèi)箱底板14兩部分構成，兩者之間用可動密封連接。內(nèi) 箱2和外箱1側壁上相應位置處設有定位孔11，定位螺桿9從中穿過，再由螺栓緊固，如此 將內(nèi)箱側壁13與外箱1連成一體。通過內(nèi)箱側壁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之間的相對高度。結合上述發(fā)明構想，以下詳細描述本實施例中各組成的結構及連接使用方式 外箱1構造
外箱1外徑800mm，高800mm，側壁厚10mm，底板厚20mm。側壁設有6個Φ 8mm測壓孔 12，間距為IOOmm ；側壁上布設有4個定位孔11，用于固定內(nèi)箱2。外箱1底板中央設一個 Φ 12mm出水孔，孔內(nèi)壁貼透水石并安放閥門。內(nèi)箱2構造
(1)內(nèi)箱側壁13和內(nèi)箱底板14
內(nèi)箱側壁13外直徑352mm、高600mm、厚6mm，側壁上設置Φ 12mm定位孔12個。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產(chǎn)生的負壓 力。側壁下端呈“L”型，底板呈掛籃型，底板掛在側壁上。側壁和底板之間隙寬度5mm，采用 柔性止水帶15密封，詳見圖8。自重作用下，底板通過邊緣懸掛與側壁上。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對間隙進行密封，保證水和土 顆粒不會進入間隙之中。柔性止水帶15的材料性能直接影響底板浮起時的阻力，同時柔性止水帶15必須 具有較好的與有機玻璃粘結的能力和一定的耐久性能。通過對多種材料的比選和嘗試，最 終選用厚度為0. 15mm的無色透明PVC作為柔性止水帶15材料，粘結劑采用502膠水。通 過測試發(fā)現(xiàn)，所選材料性能良好。柔性止水帶15的粘結操作難度是比較大的，其關鍵在于形成“ Ω ”型表面的同時 還要確保間隙兩側均完全粘牢、不發(fā)生漏水，并且要盡量保證膠水不流到間隙當中。(2)底板的防傾設計
考慮到內(nèi)箱底板14浮起時可能發(fā)生傾斜而與側壁發(fā)生接觸的情況，如圖9所示，內(nèi)箱 側壁13和內(nèi)箱底板14之間還可采用滾珠16來限定內(nèi)箱底板14的位移方向。如圖9所示， 在內(nèi)箱底板14和側壁對應位置開設了四個定位滑槽。滑槽直徑為13mm，每個滑槽內(nèi)放置2 粒Φ 12mm滾珠16，通過滑槽內(nèi)的滾珠16來控制底板的上浮姿態(tài)。觀測系統(tǒng)
底板上放置一輕質(zhì)三腳三角觀測架10，頂部懸掛有鋼尺。底板上浮將帶動三角觀測架 10和鋼尺向上移動，通過在約3 4m外架設水準儀對三角觀測架10頂部懸掛的鋼尺進 行測讀，即可精確地測定底板的豎向移動量。水準儀選用了蘇州一光儀器有限公司生產(chǎn)的 DSZ2自動安平水準儀，其技術指標見圖11 (表1)。由于模型室側壁固定，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)和側壁摩擦力對試驗的影響已經(jīng)完全消除。內(nèi)箱底板14在發(fā)生上浮之前 懸掛于側壁上，加之柔性止水帶15對底板與側壁相對位置的固定作用，試驗中底板上浮前 的初始位置和高度將始終不變，由此確保了不同介質(zhì)3中試驗結果有較好的可比性。觀測 系統(tǒng)方面，三角觀測架10的三個支點可以較好地反映出整個底板盤面的浮動狀況，而通過水準儀可以清晰的觀測到支架頂端懸掛的鋼尺的微小移動，而且可以方便的進行長時間、 不間斷的觀測。測壓管17及其連接
在外箱1筒壁沿豎直方向每隔IOcm預留Φ IOmm孔一個，用來連接測壓管17。測壓管17采用玻璃管，管徑10mm，長1. 5m，共6根。6根測壓管17固定在一木板上，木板表面粘貼 刻度為Imm的坐標紙。測壓管17以乳膠軟管與外箱1側壁上的測壓管17接頭相連接。外箱1側壁上的測壓管17接頭構造設計如圖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。測壓管17接頭連接構造如圖10所示，螺桿通 過兩枚Φ8πιπι螺栓夾緊在筒壁上，螺栓下設置墊片，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側壁上安裝測壓管17接頭，將測壓管17安裝到木板上并放置到適當 位置，用乳膠軟管將兩者連接。③在外箱1中加水，驗證接頭是否漏水、水力連接是否通暢。④測定外箱1中水位高度與測壓管17水頭的相對關系，測定完成后排水。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將三角觀測架10放置于內(nèi)箱底板14之上，并在三角觀測架10頂部吊點懸掛鋼 尺。⑧將1#砝碼放置在內(nèi)箱底板14中心位置。⑨在系統(tǒng)旁邊適當位置將水準儀架設至適當高度(可觀測到鋼尺并且讀數(shù)在刻度 線上)并調(diào)平。測定系統(tǒng)參數(shù)
參數(shù)的確定及測試方法對飽和介質(zhì)3中處于懸浮狀態(tài)的內(nèi)箱底板14進行受力分析。 假定容器中水深H時，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是計算浮力和揚壓力的主 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，直接采用底板的設計直徑 300mm來計算底板面積是不合適的，有必要對底板的實際受力面積進行測定。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，因此需要測定f與Δ間的關系。純水中，底板上的揚壓力等于靜水壓力，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下進行試驗，通過調(diào)整容器水位高度使的底板達到相同上浮量，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應的柔性止水帶15阻力。兩式相減，有
<formula>formula see original document page 9</formula>(2. 5)
根據(jù)式(2. 5)，通過兩次不同壓重8下的試驗即可求得底板的實際受力面積Α。使用注意事項 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 合的方式。通過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，可以通過補充和抽取量筒內(nèi)的水來微調(diào)壓重8，從而讓系統(tǒng)達到預先設想的臨界狀態(tài)。2.初始狀態(tài)和懸浮狀態(tài)的確定
這里初始狀態(tài)指底板尚未浮起時狀態(tài)，此狀態(tài)下可由水準儀觀測得到底板初始高度。 通過多次測試發(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，所測得 的底板高度讀數(shù)存在一定波動。為穩(wěn)定底板高度位置，我們以底板上放置1#砝碼(約2kg) 的情況下測得的讀數(shù)作為底板高度的初讀數(shù)。經(jīng)反復驗證，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?shù)装迨艿降母×Υ笥谄涫艿降南蛳碌淖饔昧r，底板即會浮起。隨著浮起高度 的增加，其受到的浮力將減小，同時柔性柔性止水帶15作用于底板的阻力可能會增大，因 此當?shù)装迳仙揭欢ǜ叨戎髸匦路€(wěn)定在一個平衡位置，即所謂的懸浮狀態(tài)。因此，對于 底板而言，其任何一個平衡位置皆為懸浮狀態(tài)，只是對應不同的浮力大小。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的值應是不相同的。因此，需要 測定浮起量Δ與f之間的關系。同時，為了簡化試驗和便于比較，在不同水深的情況下，可 以統(tǒng)一規(guī)定一個浮起量△作為達到懸浮狀態(tài)的標志，這樣在計算浮力時可將f視為一個定 值直接帶入計算即可。試驗用鋼尺的最小刻度為0. 5mm,在水準儀視野中0. 5mm的位移相當明顯和清晰， 也就是說，通過水準儀可以將底板的上浮量非常準確地控制在0. 5mm。因此，我們選擇了浮 起0.5mm作為懸浮狀態(tài)的控制標準。即在測定某種狀態(tài)的浮力時，底板的浮起量至少要達 至Ij 0. 5mm。3.外箱1水位的測定方法
外箱1水位的準確測定對于浮力計算十分重要。通過在外箱1側壁處架立鋼板尺來測 量水位高度。鋼板尺緊貼外箱1側壁放置，插入時用吊線錘確保鋼尺垂直度。為保證量測 的準確，沿外箱1側壁均勻布置4個測點。所有的水位測量均在測點處架立鋼板尺進行測 試，便于數(shù)據(jù)比較。外箱1水位取4個測點處讀數(shù)的平均值。視線高度對于讀數(shù)的準確性影響很大。由于有機玻璃具有很好的透明性，讀數(shù)時可以利用水在外箱1側壁處和內(nèi)箱側壁13處形成的前后端兩個液面，通過調(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
顯然，在這樣一個試驗系統(tǒng)當中，如果讓底板上下形成了較大的壓差，對于系統(tǒng)而言是 不利的。因此，在外箱1加(排)水和壓重8增(減)的過程中，都要盡量注意保持內(nèi)外壓力 的平衡。可以通過阿基米德定律計算不同水位時內(nèi)箱2受到的浮力以及平衡此浮力所需要 的壓重8，從而通過分級加載的方式，讓內(nèi)外壓力差始終保持在一個較小的范圍。同時，在外 箱1加(排)水和壓重8增(減)的過程 中注意觀測底板的上浮(下沉)量，確保不因為過大的 壓差或位移量導致系統(tǒng)(特別是止水柔性止水帶15)受損。系統(tǒng)參數(shù)測定結果
1.底板計算直徑D (面積A)
試驗中，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 行加載，每枚砝碼的質(zhì)量約為1418g。測定各級壓重8下底板上浮0. 5mm時所對應的容器水 位高度H。試驗共進行了 6組，取各級壓重8下測得的容器水位高度平均值進行計算，試驗 結果見表2、3。注圖13中(表3”為底板與三角觀測架10自重之和，H為6組試驗的平均值。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，這與底板的實際受力 形態(tài)是符合的。將A值和試驗數(shù)據(jù)帶入式(2. 3)，可得不同壓重8下、Δ =0. 5mm時的柔性止水帶15 阻力fQ.5見表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決定的假設是一致的。2.止水柔性止水帶15阻力f與浮起量Δ關系曲線
利用同樣的方法測定f與Δ的關系，分別對6級砝碼壓重8之下Δ從0. 5 1. 5mm 之間的f值進行了測定，測試結果如表5. 4所示?？梢钥吹剑嵝灾顾畮?5阻力f隨上浮 量增大而增大，二者之間呈線性關系。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) 出較好的線性關系。同時這再次證明壓重8或浮力的大小對柔性止水帶15浮力沒有影響， 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，從而可以方便地對底板在任意懸浮狀態(tài)(不同浮起量)下所受到 的浮力進行計算。當然，為了盡可能消除試驗中的不確定因素、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)一標準。在某些介質(zhì)3中如果難以將浮起量準確控制在 0.5mm時，可根據(jù)f 一 Δ曲線以其實際浮起量來計算柔性止水帶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 (參見附圖15)，以便于計算時使用。根據(jù)已獲得的系統(tǒng)參數(shù)，對純水中的模型受到的浮力進行測試，驗證系統(tǒng)參數(shù)的 正確性和試驗系統(tǒng)的可靠性，進一步優(yōu)化和完善試驗步驟與操作。
1、將試驗系統(tǒng)置于穩(wěn)定位置，把1#砝碼放入內(nèi)箱2。2、在適當位置架設水準儀，測定初始讀數(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，至外箱1水位離設計水位約2. 5cm。8、將量杯(容量500ml)裝水(約250ml)后放入內(nèi)箱2。9、外箱1注水至設計水位。10、觀察水準儀讀數(shù)。如果讀數(shù)未發(fā)生變化，表示此時浮力小于壓重8，底板尚未浮 起，此時可適當減輕壓重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。為使其達到0. 5mm的浮起量，可適當減輕壓重8 ；如果讀數(shù)小于(A-0. 5)，則說明 壓重8偏小，底板浮起量已經(jīng)超過0. 5mm。為使其達到0. 5mm的浮起量，可適當增加壓重8。 直至水準儀讀數(shù)穩(wěn)定在(A-0. 5)。11、用鋼板尺測定外箱1水位。12、按照阿基米德定律計算底板受到的浮力。13、取出量杯稱重，計算浮力實測值。14、對浮力理論值和計算值進行比較分析。當水位漫過底板時會在底板下部產(chǎn)生氣泡，注水時應將其去除。根據(jù)底板計算面積A，可算得平衡不同大小壓重8所需要的外箱1水頭增量，計算 結果見表6 (參見附圖16)。注附圖16 (表6)中在注水過程中，內(nèi)箱底板14并未浮起，故不計柔性止水帶15 阻力影響。純水中的浮力測試結果
考慮到系統(tǒng)的承載能力，對水深約5 20cm時底板受到的浮力進行了測試，測試結果 見附圖17 (表7)。注理論值為按阿基米德定律計算所得浮力值； ΔΤ = T，-T ； η = ΔΤ/ΤΧ100%下同。從表7可知，純水中內(nèi)箱底板14所受浮力實測值基本等于按照阿基米德定律計算 的浮力理論值，二者最大相差+0. 93%，平均相差僅+0. 07%。這說明試驗系統(tǒng)設計和制作是 成功的，系統(tǒng)參數(shù)準確，試驗誤差小、數(shù)據(jù)可靠。
權利要求
一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，包括外箱、內(nèi)箱及一用于測量所述內(nèi)箱位移的監(jiān)測裝置，所述試驗系統(tǒng)使用時外箱和內(nèi)箱之間設置飽和介質(zhì)，及將所述監(jiān)測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)箱側壁和內(nèi)箱底板組成，所述內(nèi)箱底板設于內(nèi)箱側壁一端內(nèi)形成間隙配合，內(nèi)箱底板通過柔性止水帶與所述內(nèi)箱側壁密封連接；所述內(nèi)箱側壁與所述外箱可活動式連接固定。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，其特征在于 所述內(nèi)箱側壁和內(nèi)箱底板之間的相對面中的至少一個設置有滾珠，以限定所述內(nèi)箱底板和 內(nèi)箱側壁之間相對移動方向。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，其特征在于 所述內(nèi)箱側壁和內(nèi)箱底板之間相對面上分別對應設置有垂直的凹槽以配合構成定位滑槽， 所述定位滑槽內(nèi)放置有至少一個滾珠。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，其特征在于 所述外箱側壁及內(nèi)箱側壁上對應開設有定位孔，并穿設螺桿相對固定。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，其特征在于 所述試驗系統(tǒng)包括有若干測壓裝置，所述測壓裝置包括測壓管和玻璃管，所述測壓管為水 平設置的中空圓管，其一端開設有若干小孔并設置于外箱內(nèi)部，相對的另一端連通有所述 玻璃管，所述玻璃管豎直設置。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，其特征在于 所述測壓管具有小孔的一端距外箱內(nèi)壁至少50mm，任意兩個相鄰測壓管的間距為100mm。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，其特征在于 所述柔性止水帶選用厚度為0. 15mm的無色透明PVC，且寬度大于所述內(nèi)箱側壁和內(nèi)箱底板 間縫隙的寬度。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，其特征在于所 述內(nèi)箱底板下表面不光滑。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，其特征在于 所述監(jiān)測裝置包括頂部懸掛有鋼尺的三腳觀測架和水準儀，所述三腳觀測架設于所述內(nèi)箱 底板上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種土工室內(nèi)試驗裝置，具體涉及一種高精度地下結構靜水浮力模型試驗系統(tǒng)，包括外箱、內(nèi)箱及一用于測量所述內(nèi)箱位移的監(jiān)測裝置，所述試驗系統(tǒng)使用時外箱和內(nèi)箱之間設置飽和介質(zhì)，及將所述監(jiān)測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)箱側壁和內(nèi)箱底板組成，所述內(nèi)箱底板設于內(nèi)箱側壁一端內(nèi)形成間隙配合，內(nèi)箱底板通過柔性止水帶與所述內(nèi)箱側壁密封連接；所述內(nèi)箱側壁與所述外箱可活動式連接固定。本發(fā)明的優(yōu)點是消除了摩擦力對浮力測試結果的影響，能準確判定結構浮起狀態(tài)，純水中內(nèi)箱底板所受浮力實測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)準確，試驗誤差小、數(shù)據(jù)可靠。
文檔編號G01M99/00GK101806669SQ201010145790
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權日2010年4月14日
發(fā)明者向科, 周順華, 詹超 申請人:同濟大學