基坑管涌模拟试验装置及试验的研究

基坑管涌模拟试验装置及试验的研究

章柱勇钱志宇

浙江中林勘察研究股份有限公司浙江嵊州312400

摘要：近年来，管涌等渗透破坏在工程中非常普遍。据统计，由渗透破坏造成的险情约占总险情的70%，除漫顶险情外，海堤溃口险情几乎全部是管涌等渗透破坏所致。故管涌等渗透破坏问题已经受到了学术及工程界的普遍关注。本文笔者对基坑涌模拟试验装置及试验进行了相关研究，仅供参考。

关键词：基坑管涌；渗透；装置；试验

引言

在水流渗透作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。可见，管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。土是否发生管涌，首先取决于土的性质，管涌多发生在砂性土中，其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相互连通。

无黏性土产生管涌必具备的两个条件：1、几何条件：土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，这是必要条件，一般不均匀系数>10的土才会发生管涌；2、水力条件：渗流能力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件，可用管涌的水力梯度来表示，但管涌临界水力梯度的计算至今尚未成熟。对于重大工程，应尽量由试验确定。

研究内容

有鉴于此，目的在于研发一种基坑管涌模拟试验装置及试验方法，能够满足基坑的管涌现象模拟要求。

为达到上述目的，提供如下技术方案：

首先提出了一种基坑管涌模拟试验装置，包括水箱和用于放置砂土的土体箱，所述土体箱一端与所述水箱相连通，且所述土体箱的另一端顶面上设有模拟基坑，且所述模拟基坑与所述土体箱之间设有多孔板。

进一步，所述水箱上还设有液位控制系统，所述液位控制系统包括控制器、设置在所述水箱顶部的进水管、设置在所述水箱底部的出水管和设置在所述水箱内用于检测所述水箱内液位高度的液位传感器，所述进水管上设有电控阀门Ⅰ，所述出水管上设有电控阀门Ⅱ，所述控制器接收来自所述液位传感器的液位信号并向所述电控阀门Ⅰ和电控阀门Ⅱ发出控制指令。

一种基坑管涌模拟试验方法包括如下步骤：

1）以基坑施工现场的土样制作所述模拟基坑，并在所述土体箱内填装基坑施工现场取回的砂土；

2）排气注水，排气注水时的水位高度保持与土体箱的高度平齐，直至水流渗进所述土体箱内的砂土并排除土体箱内的砂土中含有的空气；

3）管涌模拟注水，根据基坑工程施工现场中的基坑底部水头变化规律，来控制所述水箱内的液位高度及其变化规律，观察土体箱和模拟基坑的管涌现象：

当水箱内的水位高度小于砂土管涌临界高度h0时，砂土不会被冲走，不会形成管涌现象；

当水箱内的水位高度等于砂土管涌临界高度h0时，砂土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；

当水箱内的水位高度大于砂土管涌临界高度h0且小于基坑管涌临界高度h1时，砂土中孔隙不断增大，渗流速度不断增加，逐渐在所述土体箱与水箱的连接端至所述多孔板之间形成砂土渗流通道；

当水箱内的水位高度等于基坑管涌临界高度h1时，基坑底部的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；

当水箱内的水位高度大于基坑管涌临界高度h1时，基坑底部的孔隙不断增大，渗流速度不断增加，逐渐在基坑底部形成与所述砂土渗流通道相通的基坑渗流通道，并穿透模拟基坑底部，水流进入模拟基坑内。：

有益效果在于，基坑管涌模拟试验装置及试验方法，通过设置模拟基坑，能够有效的模拟基坑工程中的管涌过程，使模型试验更加符合实际工程中的变化，从而使模型试验更加符合科学性和具有可操作性。（为了使本目的技术方案和有益效果更加清楚，提供如下附图进行说明，如下图1所示）

图1基坑管涌模拟试验装置及试验方法实施例的结构示意图

下面结合上述基坑管涌模拟试验装置对本实施例的基坑管涌模拟试验方法作进一步详细说明。本实施例的基坑管涌模拟试验方法，包括如下步骤：

1）以基坑施工现场的土样制作模拟基坑4，并在土体箱3内填装基坑施工现场取回的砂土2；

2）排气注水，排气注水时的水位高度保持与土体箱3的高度平齐，直至水流渗进土体箱内的砂土2并排除土体箱3内的砂土2中含有的空气；

3）管涌模拟注水，根据基坑工程施工现场中的基坑底部水头变化规律，来控制所述水箱内的液位高度及其变化规律，观察土体箱和模拟基坑4的管涌现象：

当水箱1内的水位高度小于砂土管涌临界高度h0时，砂土2不会被冲走，不会形成管涌现象；

当水箱1内的水位高度等于砂土管涌临界高度h0时，砂土2中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；

当水箱1内的水位高度大于砂土管涌临界高度h0且小于基坑管涌临界高度h1时，砂土2中孔隙不断增大，渗流速度不断增加，逐渐在土体箱3与水箱1的连接端至多孔板5之间形成砂土渗流通道；

当水箱1内的水位高度等于基坑管涌临界高度h1时，基坑底部的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；

当水箱1内的水位高度大于基坑管涌临界高度h1时，基坑底部的孔隙不断增大，渗流速度不断增加，逐渐在基坑底部形成与砂土渗流通道相通的基坑渗流通道，并穿透模拟基坑底部，水流进入模拟基坑内。

结束语

综上所述，本实施例的基坑管涌模拟试验装置及试验方法的研究，通过设置模拟基坑4，能够有效的模拟基坑工程中的管涌过程，使模型试验更加符合实际工程中的变化，从而使模型试验更加符合科学性和具有可操作性。

参考文献

[1]李守德，张晓海，刘志祥.基坑开挖工程管涌发生过程的模拟[J].工程勘察，2003，（02）.

[2]张超，陈建生，张华，袁克龙，张家甫.悬挂式防渗墙控制管涌发展的模型试验研究[J].河北工程大学学报（自然科学版），2015，（04）.

[3]孙文静，刘珂，陈超，张孟喜.土体渗流问题模拟装置的研发及实验教学应用[J].实验室研究与探索，2017，（12）.

作者简介

章柱勇（1960-）男，岩土工程师，主要研究方向为岩土工程勘察、检测、监测与围护设计.