[发明专利]一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统及试验方法

权利要求书

1.一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，其特征在于，包括主体箱、环绕分层进水箱、定水头水箱、抽水装置和数据采集系统，所述主体箱内铺设有砂粘土试样，所述环绕分层进水箱三面环绕密封于主体箱外侧，所述主体箱侧壁上分布有数个与环绕分层进水箱联通的进水孔一；所述定水头水箱底部设置升降机，并分别通过管路连接水源池和环绕分层进水箱；所述抽水装置包括抽水井、蠕动泵和硅胶管，所述抽水井包括井壁和位于井壁内的抽水井实体，所述井壁由两层相互嵌套的滤网构成，所述抽水井实体可从井壁中抽出，所述井壁的两层滤网之间在抽水层位填充6-8d₅₀粒径的碎砂石，在非抽水层位填充黏土球并压实；所述抽水井通过硅胶管和蠕动泵与沉淀池相连，所述抽水井埋设到主体箱底部，所述沉淀池通过管路连接水源池；所述数据采集系统包括位移监测装置、应变监测装置、土压力监测装置、孔隙水压力监测装置、数码成像记录装置、计算机以及PIV粒子图像测速分析系统；所述孔隙水压力监测装置包括设置于主体箱内部的扩散硅孔隙水压力传感器和与其连接的电阻应变采集仪；

井壁由两个相互嵌套的半圆筒状滤网结构组成，其中内部滤网结构为亚克力材质打孔而成，外部滤网结构为钢板冲压打孔而成；抽水井实体利用隔水轻质、外弹内硬性的塑胶材质制成，与井壁相互嵌套安装，安装时在上部留出一定空间；在开始进行抽水试验时，抽水井实体能够相对井壁抽出，以模拟抽水井的开挖，抽水井实体抽出后，将硅胶管送到抽水井的底部；

所述主体箱为无盖箱体结构，前侧面设置观察窗和刻度标记，所述观察窗位于抽水井的位置处；所述主体箱内壁位于进水孔一的位置处设置过滤筛网；所述主体箱外围间隔设置纵横组合的有机玻璃肋板进行固定，所述主体箱为全透明结构。

2.根据权利要求1所述的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，其特征在于，所述环绕分层进水箱内部分为相互独立的上下两层箱体，所述定水头水箱包括两个，分别与环绕分层进水箱的上下两层箱体通过管路连接。

3.根据权利要求2所述的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，其特征在于，所述环绕分层进水箱为密闭箱体结构，上下两层箱体上分别开设排气孔与进水孔二。

4.根据权利要求1所述的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，其特征在于，所述定水头水箱上部设置溢流孔，所述溢流孔通过管路连接水源池。

5.根据权利要求1所述的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，其特征在于，所述位移监测装置包括设置于主体箱内部的分层沉降标和与其连接的沉降数据采集仪，所述应变监测装置包括设置于主体箱内部的应变传感器和与其连接的光纤应变监测仪，所述土压力监测装置包括设置于主体箱内部的土压力传感器和与其连接的电阻应变采集仪，所述孔隙水压力监测装置包括设置于主体箱内部的孔隙水压力传感器和与其连接的电阻应变采集仪。

6.根据权利要求5所述的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，其特征在于，所述沉降数据采集仪、光纤应变监测仪、电阻应变采集仪均与计算机相连，所述数码成像记录装置通过PIV粒子图像测速分析系统与计算机相连。

7.一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种抽取承压水引发地面沉降的模拟试验系统，包括如下过程：

(1)将抽水井安装固定于主体箱内，在井壁的抽水层位填充6-8d₅₀粒径的碎砂石，在非抽水层位填充黏土球并压实；

(2)向主体箱内铺设砂粘土试样，并在铺设过程中布设位移监测装置、应变监测装置、土压力监测装置和孔隙水压力监测装置；同时通过定水头水箱向环绕分层进水箱中缓慢注水，水通过进水孔一进入主体箱内，使土体缓慢逐层饱和；

(3)利用升降机调节定水头水箱至设计承压水位高度，当土体变形及孔隙水压达到稳定状态以及定水头水箱水位不再下降后，达到试验前稳定状态；

(4)将井壁中的抽水井实体抽出，将硅胶管伸入到抽水井底部，启动蠕动泵，模拟抽取承压水的过程，在定水头试验条件下，水源池持续向定水头水箱供水，保持定水头水箱的水位不变；在变水头试验条件下，水源池停止向定水头水箱供水；

(5)在抽水过程中，数据采集系统通过位移监测装置、应变监测装置、土压力监测装置、孔隙水压力监测装置实时采集记录试验过程数据，并通过计算机相应软件对试验数据进行实时分析；

传感器布设过程包括：在主体箱内设计位置，按照不同试验设计方案，依次有序安装布置数据采集系统的土压力传感器、孔隙水压力传感器和应变传感器，土压力传感器埋设时需注意传感器方向，上部朝上，然后在上部均匀轻洒少量土样，全部覆盖后，再依次向上填埋土样；连接电阻应变采集仪与计算机，并对各传感器数据接收装置进行调试，确保传感器的数据采集实时有效； 将位移监测装置的分层沉降标分别放置在需要测试土体变形和沉降的位置，连接沉降数据采集仪与计算机；

模型制样过程包括：模型采用自重固结方法在主体箱中进行制样；铺设砂土含水层时，由下向上均匀摊铺，每隔5cm摊铺一次，每摊铺完一次，开通水源池、抽水泵和环绕分层进水箱，打开底部进水孔二，控制进水孔阀门为较小打开状态，确保水以较低流速从定水头水箱经由环绕分层进水箱缓慢注入到主体箱中的土层至饱和状态，排气孔完全打开，防止气体排不出破坏土体结构，在固结沉降至稳定后再继续铺设上一次，采用相同方法由下往上依次铺设至土层设计厚度，在自重作用下固结至稳定状态；然后进行后续传感器的布设，进而进行上部粘土层制样，采用边搅拌边制样、分层砌筑的方法，每隔5cm砌筑一层，砌筑过程中确保土样完整，中间无大的贯通孔隙。