專(zhuān)利名稱(chēng):模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置。包括模型箱、承壓架空層、對(duì)稱(chēng)面擋土單元、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)；模型箱由模型箱框架、鋼化玻璃、模型箱底板、反力板、頂框和模型箱底座組成；模型箱底部設(shè)置承壓架空層，承壓架空層與承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)連接；對(duì)稱(chēng)面擋土單元通過(guò)螺栓固定在模型箱框架上；承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計(jì)、馬里奧特瓶和支架組成。本實(shí)用新型可模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中承壓水頭升降；量測(cè)不同承壓水頭下基坑的水土壓力和變形，整理相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并確定基坑受力和變形發(fā)展規(guī)律等問(wèn)題，為承壓水頭升降引起的基坑問(wèn)題研究提供有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，并對(duì)于之后理論分析模型提供依據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基坑模型試驗(yàn)裝置，特別是涉及承壓水頭升降條件下的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，可用于模擬承壓水頭升降時(shí)承壓層和上覆弱透水性基坑土體之間的相互作用，研究不同承壓水頭下基坑的水土壓力響應(yīng)和變形問(wèn)題。
【背景技術(shù)】
[0002]在濱海、沿江地區(qū)地下水豐富，工程中常面臨深基坑坑底弱透水層以下尚存在承壓層的情況，由于季節(jié)性干旱、河流或湖泊水位線的季節(jié)性變化等將導(dǎo)致承壓層的承壓水頭發(fā)生升降，從而進(jìn)一步影響基坑水土壓力、變形和穩(wěn)定性，承壓水作用引起的基坑變形和失穩(wěn)問(wèn)題是該類(lèi)地區(qū)深基坑工程的重大風(fēng)險(xiǎn)源之一。
[0003]相比于理論解析方法和有限元數(shù)值方法的研究采用既定的土體本構(gòu)模型，計(jì)算得到的承壓水頭變化引起的土體水土壓力和變形大小對(duì)計(jì)算參數(shù)的選取具有很大的依賴(lài)性；實(shí)際工程中較難進(jìn)行對(duì)基坑坑底(位于基坑開(kāi)挖區(qū)域內(nèi))的水土壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行大量相似的工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以獲得承壓水頭變化引起的坑底弱透水層的變形規(guī)律的方法也很難實(shí)現(xiàn);鑒于常重力下土工模型試驗(yàn)，不影響土體微觀結(jié)構(gòu)，土顆粒尺寸及土顆粒間相互作用關(guān)系與實(shí)際情況相符，能客觀反映承壓水和坑底弱透水層土顆粒之間的相互作用，廣泛應(yīng)用于考慮土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的微觀研究。
[0004]目前，傳統(tǒng)的承壓水作用的相關(guān)土工模型試驗(yàn)研究，不考慮水中氣體進(jìn)入試驗(yàn)土體可能引起的非飽和土問(wèn)題;考慮恒定潛水位作用的基坑模型試驗(yàn)，有研究(彭述權(quán).砂土擋墻破壞機(jī)理宏細(xì)觀研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2007.)采用薄膜通過(guò)電暈后涂抹環(huán)氧樹(shù)脂的方法連接擋土墻和模型箱，該方法可獲取試驗(yàn)土體中超靜孔隙水壓力、土壓力和基坑變形數(shù)據(jù)，但薄膜電暈工藝較為復(fù)雜，擋墻位移較大時(shí)薄膜可能在移動(dòng)過(guò)程中發(fā)生撕裂或由于土顆粒摩擦導(dǎo)致破損，無(wú)法順利完成試驗(yàn)或進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)?？紤]地下水位變化影響的基坑模型試驗(yàn)，有研究(孫威.濱海地區(qū)深基坑性狀的試驗(yàn)及理論研究[D].浙江大學(xué)，2015.)采用固定擋土墻的方法，該方法只能獲得土體中超靜孔隙水壓力的變化情況，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的土壓力變化和基坑變形數(shù)據(jù)，與實(shí)際基坑工程在承壓水頭升降作用下的響應(yīng)情況仍存在較大差升。
[0005]在基坑模型試驗(yàn)中，大多數(shù)研究針對(duì)每一級(jí)開(kāi)挖和加撐完成工況下的基坑受力和變形情況展開(kāi)，未考慮基坑在開(kāi)挖或加撐過(guò)程中基坑的受力和變形情況。在考慮基坑開(kāi)挖過(guò)程的模型試驗(yàn)中，有研究采用卸載等體積等重量的土袋(Azevedo RF.Centrifuge andAnalytical Modelling of Excavat1n in Sand.PhD thesis,University of Colorado,Boulder，C0，USA，1983.)或排放代土液體(Bolton MD and Powrie ff.The collapse ofdiaphragm walls retaining clay.Geotechnique，1987,37(3):335-353.)等方法模擬土體開(kāi)挖卸載，此類(lèi)方法不能準(zhǔn)確模擬基坑開(kāi)挖引起的土體中應(yīng)力場(chǎng)的改變，與實(shí)際基坑開(kāi)挖引起的基坑受力和變形情況仍存在一定的差異。大量模擬基坑開(kāi)挖的模型試驗(yàn)采用預(yù)先埋設(shè)安裝好支撐的擋土墻的方法，直接開(kāi)挖基坑土體，不需要再進(jìn)行加撐操作，該方法較為簡(jiǎn)單，但預(yù)置的所有內(nèi)支撐都將在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中受力，顯然與實(shí)際工程的基坑受力情況不相符合，也無(wú)法準(zhǔn)確模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中未加撐情況下基坑的受力和變形情況。目前有研究采用液壓千斤頂向擋土墻支架施加力的方法模擬支撐的安裝，該方法采用液壓裝置較復(fù)雜，當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度較大時(shí)該方法并不適用。另外絕大多數(shù)基坑開(kāi)挖模型的開(kāi)挖對(duì)稱(chēng)面是垂直固定的擋板，通過(guò)向下抓土或掏土實(shí)現(xiàn)基坑開(kāi)挖，該方法不能清晰界定開(kāi)挖土層，會(huì)擾動(dòng)未開(kāi)挖的土體;該方法繁瑣，不易操作，特別是基坑開(kāi)挖模型的尺寸較大或需要開(kāi)挖的土體較多時(shí)，試驗(yàn)操作的工作量相當(dāng)大。因此，如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地土體開(kāi)挖和支撐安裝是基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)中需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，解決了試驗(yàn)中承壓水頭升降的模擬問(wèn)題，可模擬承壓水頭升降時(shí)承壓層和上覆弱透水性基坑土體之間的相互作用，量測(cè)不同承壓水頭下基坑的水土壓力和變形，整理相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并確定承壓水頭升降下基坑的受力和變形發(fā)展規(guī)律等問(wèn)題，為承壓水頭升降引起的基坑問(wèn)題研究提供有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，并為之后理論分析模型提供依據(jù)。
[0007]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，包括模型箱、承壓架空層、若干對(duì)稱(chēng)面擋土單元、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)六個(gè)部分;所述模型箱由模型箱框架、鋼化玻璃、模型箱底板、頂框、反力板和模型箱底座組成;所述模型箱框架的底部固定模型箱底板，前后兩個(gè)側(cè)面固定鋼化玻璃;所述模型箱框架和反力板均固定在模型箱底座上，頂部通過(guò)頂框連接;所述模型箱的右側(cè)底部安裝連通承壓架空層的閥門(mén)，用于連接模型箱和承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)；
[0008]所述承壓架空層由帶通水孔的不銹鋼板、不銹鋼短柱和反濾土工織物組成;所述帶通水孔的不銹鋼板底部固定不銹鋼短柱，放置于模型箱內(nèi)的模型箱底板上，并與模型箱框架、鋼化玻璃密封連接;所述帶通水孔的不銹鋼板表面粘貼反濾土工織物，防止承壓水頭變化過(guò)程中試驗(yàn)土體的流失；
[0009]所述對(duì)稱(chēng)面擋土單元為U型不銹鋼條，通過(guò)螺栓固定在模型箱框架上;所述U型不銹鋼條之間通過(guò)H型止水橡膠條連接，U型不銹鋼條與模型箱框架通過(guò)S型止水橡膠條連接；
[0010]所述基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)包括擋土墻、擋土墻支架和若干支撐單元;所述擋土墻上部通過(guò)支架固定螺栓固定擋土墻支架，中部開(kāi)有螺紋孔，通過(guò)螺紋孔螺紋連接安裝支撐單元所需的支撐固定螺栓，兩側(cè)開(kāi)槽固定止水橡膠條;所述止水橡膠條保證擋土墻移動(dòng)過(guò)程中與模型箱接觸面不發(fā)生漏水;所述支撐單元的一端具有內(nèi)螺紋口，內(nèi)螺紋口與支撐固定螺栓螺紋連接，實(shí)現(xiàn)支撐單元的安裝；
[0011]所述承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計(jì)、馬里奧特瓶和支架組成;所述水壓計(jì)通過(guò)三通管連接模型箱和馬里奧特瓶;所述支架的頂端安裝定滑輪，鋼絲繩一端連接手搖器，另一端繞過(guò)定滑輪連接馬里奧特瓶，通過(guò)手搖器控制馬里奧特瓶的升降調(diào)節(jié)承壓水頭的大小;所述馬里奧特瓶由有機(jī)玻璃圓筒、進(jìn)氣閥門(mén)、通水閥門(mén)、出氣閥門(mén)和氣囊組成;所述有機(jī)玻璃圓筒底部設(shè)置進(jìn)氣閥門(mén)和通水閥門(mén)，頂部設(shè)置出氣閥門(mén)；所述進(jìn)氣閥門(mén)與氣囊連接；
[0012]所述量測(cè)系統(tǒng)包括微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)碼照相機(jī);所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器通過(guò)信號(hào)傳輸線連接多通道數(shù)據(jù)采集儀;所述數(shù)碼照相機(jī)放置于模型箱正前方。
[0013]進(jìn)一步地，所述支撐單元包括實(shí)心鋁桿、伸縮桿和支撐連接螺栓;所述實(shí)心鋁桿上開(kāi)有若干凹槽，一端具有內(nèi)螺紋口 ；所述伸縮桿為空心鋁管，伸縮桿上開(kāi)有若干螺紋孔;所述支撐連接螺栓穿過(guò)伸縮桿上的螺紋孔抵住實(shí)心鋁桿的凹槽。
[0014]進(jìn)一步地，所述支撐單元包括第一支撐桿、第二支撐桿和套筒;所述第一支撐桿的一端具有外螺紋;所述第二支撐桿的一端具有內(nèi)螺紋口，另一端具有外螺紋;所述套筒具有內(nèi)螺紋通道，一端螺紋連接第一支撐桿，另一端螺紋連接第二支撐桿。
[0015]進(jìn)一步地，所述數(shù)碼照相機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)排除干擾，其位置不可發(fā)生挪動(dòng);可根據(jù)拍攝需要增設(shè)光源。
[0016]進(jìn)一步地，所述模型箱框架由1mm厚的不銹鋼鋼條和不銹鋼鋼板焊接而成;所述鋼化玻璃通過(guò)建筑膠水安裝在模型箱框架內(nèi)側(cè);所述模型箱底板和反力板為1mm厚的不銹鋼鋼板;所述頂框由20mm厚的不銹鋼鋼條焊接而成;所述模型箱主體和反力板通過(guò)四周點(diǎn)焊固定于模型箱底座;所述擋土墻為鋁板，其厚度由試驗(yàn)?zāi)M的擋土墻剛度計(jì)算得到;所述擋土墻支架為20mm厚的條狀鋁板;所述擋土墻在移動(dòng)過(guò)程中始終與鋼化玻璃保持垂直;所述閥門(mén)、進(jìn)氣閥門(mén)、通水閥門(mén)、出氣閥門(mén)為銅芯閥門(mén)。
[0017]進(jìn)一步地，所述實(shí)心鋁桿的直徑、伸縮桿的壁厚、第一支撐桿的直徑、第二支撐桿的直徑和套筒的壁厚均由試驗(yàn)?zāi)M的內(nèi)支撐的剛度計(jì)算得到。
[0018]進(jìn)一步地，所述氣囊內(nèi)裝有Iatm的氮?dú)狻?br>[0019]進(jìn)一步地，模型箱內(nèi)的底部試驗(yàn)土體為礫砂，以模擬承壓土層;上覆試驗(yàn)土體為弱透水性土體，采用無(wú)氣水飽和。
[°02°]進(jìn)一步地，所述的弱透水性土體為粘質(zhì)粉土。
[0021]進(jìn)一步地，所述有機(jī)玻璃圓筒內(nèi)裝有無(wú)氣水。
[0022]進(jìn)一步地，所述手搖器具有自鎖功能。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0024]1、本實(shí)用新型在試驗(yàn)前采用無(wú)氣水飽和試驗(yàn)土體，試驗(yàn)過(guò)程中提供無(wú)氣承壓水環(huán)境，使得試驗(yàn)土體的孔隙充滿無(wú)氣水，如上操作有兩點(diǎn)益處:一是避免水中氣泡進(jìn)入弱透水性土層引起土體的非飽和問(wèn)題(與飽和土相比，非飽和土的力學(xué)特性存在較大差異和不確定性)；二是避免水中氣泡干擾微型孔隙水壓力傳感器影響其測(cè)量精度。
[0025]2、本實(shí)用新型中的承壓架空層一方面可實(shí)現(xiàn)從下向上充分飽和模型箱內(nèi)的試驗(yàn)土體，有利于試驗(yàn)土體中氣體的排除；另一方面連通承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)以提供承壓礫砂層不同的承壓水頭，與天然承壓水的埋藏條件相近;承壓礫砂層與上覆弱透水性土層直接接觸將客觀模擬承壓水頭升降過(guò)程中承壓層與上覆弱透水性土層之間的相互作用，有利于進(jìn)一步揭示承壓水頭升降引起的基坑土體水土壓力響應(yīng)和基坑土體變形規(guī)律;常重力條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究，不影響基坑土體的微觀結(jié)構(gòu)，使得土顆粒尺寸及土顆粒間相互作用關(guān)系與實(shí)際情況相符，有利于開(kāi)展涉及土顆粒間相互作用的微觀研究。
[0026]3、本實(shí)用新型采用可拆卸的對(duì)稱(chēng)面擋土單元，臨時(shí)支擋基坑被動(dòng)區(qū)未開(kāi)挖的土體，可在開(kāi)挖每層土體前預(yù)先拆除對(duì)稱(chēng)面擋土單元，通過(guò)向基坑開(kāi)挖對(duì)稱(chēng)面卸土的方法進(jìn)行基坑開(kāi)挖，相比與傳統(tǒng)向下掏土取土的方法，本實(shí)用新型可明確每一層開(kāi)挖土層不影響未開(kāi)挖的，操作方便，大大減少了基坑開(kāi)挖卸土的工作量。
[0027]4、本實(shí)用新型可以同時(shí)模擬基坑開(kāi)挖和加撐工序，得到基坑開(kāi)挖和支撐安裝過(guò)程中所引起的基坑應(yīng)力場(chǎng)的變化，相比與傳統(tǒng)基坑模型試驗(yàn)只考慮基坑開(kāi)挖至某一深度或加撐完成的特定狀態(tài)開(kāi)展研究，更全面、準(zhǔn)確地反映基坑開(kāi)挖和支撐安裝過(guò)程中基坑受力和基坑變形的響應(yīng)情況;本實(shí)用新型在內(nèi)支撐安裝過(guò)程中不會(huì)對(duì)基坑未開(kāi)挖的土體有擾動(dòng)影響；內(nèi)支撐與擋土墻之間通過(guò)螺紋固定連接，較之傳統(tǒng)的基坑模型試驗(yàn)將內(nèi)支撐架設(shè)在擋土墻上或者直接抵住擋土墻實(shí)現(xiàn)加撐的方法，更能客觀地反映實(shí)際基坑工程開(kāi)挖時(shí)的加撐情況;通過(guò)控制實(shí)心鋁桿直徑、伸縮桿壁厚、第一支撐桿直徑、第二支撐桿直徑和套筒的壁厚實(shí)現(xiàn)基坑內(nèi)支撐剛度的模擬，更加客觀地反映了內(nèi)支撐對(duì)基坑開(kāi)挖的工程影響；可根據(jù)土工模型試驗(yàn)的需求，調(diào)整內(nèi)支撐元件的數(shù)量，以及擋土墻上的內(nèi)支撐固定螺栓的位置和數(shù)量，模擬不同基坑的開(kāi)挖情況。
[0028]5、本實(shí)用新型采用可伸縮支撐元件，可以模擬不同寬度的基坑開(kāi)挖試驗(yàn)，相比與傳統(tǒng)的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)采用固定長(zhǎng)度的支撐或者可伸縮支撐僅用于實(shí)現(xiàn)支撐安裝的實(shí)驗(yàn)思路，可采用同一套試驗(yàn)裝置開(kāi)展多組不同寬度的基坑開(kāi)挖試驗(yàn)，減少了對(duì)試驗(yàn)裝置的改裝，節(jié)約了試驗(yàn)成本和模型制作時(shí)間，工作原理簡(jiǎn)單，操作方便，具有很大的實(shí)用性。
[0029]6、本實(shí)用新型采用改進(jìn)的馬里奧特瓶，通過(guò)氣囊內(nèi)的氮?dú)馄胶怦R里奧特瓶?jī)?nèi)外的氣壓，利用氮?dú)怆y溶于水的特性，為試驗(yàn)土體營(yíng)造無(wú)氣承壓水環(huán)境，有效避免常規(guī)的馬里奧特瓶供水時(shí)溶于水中的氣泡引起的土體非飽和土問(wèn)題;利用手搖器的自鎖功能固定馬里奧特瓶的高度保證提供穩(wěn)定的承壓水頭壓力；水壓計(jì)連接模型箱與承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可精確讀取施加的承壓水頭壓力的大小。
【附圖說(shuō)明】

[0030]圖1為采用第一類(lèi)支撐的模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置側(cè)視圖。
[0031 ]圖2為采用第二類(lèi)支撐的模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置側(cè)視圖。
[0032]圖3為采用第一類(lèi)支撐的模型箱俯視圖。
[0033]圖4為采用第二類(lèi)支撐的模型箱俯視圖。
[0034]圖5為基坑開(kāi)挖對(duì)稱(chēng)面示意圖。
[0035]圖6為承壓架空層結(jié)構(gòu)的平面圖。
[0036]圖7為承壓架空層結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
[0037]圖8為擋土墻示意圖。
[0038]圖9為第一類(lèi)支撐的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖10為第二類(lèi)支撐的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖中:模型箱I;模型箱框架1-1;鋼化玻璃1-2;模型箱底板1-3;頂框1-4;反力板1-5;模型箱底座1-6;承壓架空層2;帶通水孔的不銹鋼板2-1;不銹鋼短柱2-2;反濾土工織物2-3 ；對(duì)稱(chēng)面擋土單元3 ；固定對(duì)稱(chēng)面擋土單元的螺栓4 ；擋土墻5 ；止水橡膠條5-1 ；擋土墻支架6 ；支架固定螺栓7 ；支撐單元8 ；實(shí)心鋁桿8-1 ；空心鋁桿8-2 ；支撐連接螺栓8-3 ；第一支撐桿8-4;第二支撐桿8-5;套筒8-6;支撐固定螺栓8-7;閥門(mén)9;礫砂10_1;粘質(zhì)粉土 10_2;水壓計(jì)11;馬里奧特瓶12;有機(jī)玻璃圓筒12-1;進(jìn)氣閥門(mén)12-2;通水閥門(mén)12_3;出氣閥門(mén)12_4;氣囊12-5;支架13 ；定滑輪13-1 ；鋼絲繩13-2 ；手搖器13_3 ；無(wú)氣水14。
【具體實(shí)施方式】
[0041 ]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
[0042]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本實(shí)用新型模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，包括模型箱1、承壓架空層2、若干對(duì)稱(chēng)面擋土單元3、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)六個(gè)部分。
[0043]所述模型箱I由模型箱框架1-1、鋼化玻璃1-2、模型箱底板1-3、頂框1-4、反力板1-5和模型箱底座1-6組成;所述模型箱框架1-1的底部固定模型箱底板1-3，前后兩個(gè)側(cè)面固定鋼化玻璃1-2;所述模型箱框架1-1和反力板1-5通過(guò)四周點(diǎn)焊固定于工字鋼焊接而成的模型箱底座1-6上，頂部由不銹鋼頂框1-4通過(guò)四周點(diǎn)焊連接;所述模型箱框架1-1由1mm厚的不銹鋼鋼條和不銹鋼鋼板焊接而成;所述鋼化玻璃1-2通過(guò)建筑膠水安裝在模型箱框架
1-1內(nèi)側(cè);所述模型箱底板1-3和反力板1-5為I Omm厚的不銹鋼鋼板;所述頂框I _4由20mm厚的不銹鋼鋼條焊接而成；
[0044]所述承壓架空層2由帶通水孔的不銹鋼板2-1、不銹鋼短柱2-2和反濾土工織物2-3組成;所述帶通水孔的不銹鋼板2-1底部固定不銹鋼短柱2-2，放置于模型箱I內(nèi)的模型箱底板1-3上，并與模型箱框架1-1、鋼化玻璃1-2密封連接;所述帶通水孔的不銹鋼板2-1表面粘貼反濾土工織物2-3，防止承壓水頭變化過(guò)程中試驗(yàn)土體的流失；
[0045]所述對(duì)稱(chēng)面擋土單元3為U型不銹鋼條，通過(guò)螺栓4固定在模型箱框架1-1上;所述U型不銹鋼條之間通過(guò)H型止水橡膠條連接，U型不銹鋼條與模型箱框架1-1通過(guò)S型止水橡膠條連接；
[0046]所述基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)包括擋土墻5、擋土墻支架6和若干支撐單元8;所述擋土墻3在移動(dòng)過(guò)程中始終與鋼化玻璃1-2保持垂直;所述支撐單元8的一端具有內(nèi)螺紋口，內(nèi)螺紋口與支撐固定螺栓8-7螺紋連接，實(shí)現(xiàn)支撐單元8的安裝；
[0047]所述模型箱I的右側(cè)底部安裝連通承壓架空層2的閥門(mén)9，用于連接模型箱I和承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng);模型箱I內(nèi)的底部試驗(yàn)土體為礫砂10-1，以模擬承壓土層;上覆試驗(yàn)土體為弱透水性土體，可采用粘質(zhì)粉土 10-2，采用無(wú)氣水飽和；
[0048]所述承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計(jì)11、馬里奧特瓶12和支架13組成;所述水壓計(jì)11通過(guò)三通管連接模型箱I和馬里奧特瓶12;所述支架13的頂端安裝定滑輪13-1，鋼絲繩13-2一端連接手搖器13-3，另一端繞過(guò)定滑輪13-1連接馬里奧特瓶12，通過(guò)手搖器13-3控制馬里奧特瓶12的升降調(diào)節(jié)承壓水頭的大小;所述馬里奧特瓶12由有機(jī)玻璃圓筒12-1、進(jìn)氣閥門(mén)12-2、通水閥門(mén)12-3、出氣閥門(mén)12-4和氣囊12-5組成;所述有機(jī)玻璃圓筒12-1底部設(shè)置進(jìn)氣閥門(mén)12-2和通水閥門(mén)12-3，頂部設(shè)置出氣閥門(mén)12-4;所述進(jìn)氣閥門(mén)12_2與氣囊12_5連接；所述氣囊12-5內(nèi)裝有Iatm的氮?dú)?所述閥門(mén)9、進(jìn)氣閥門(mén)12-2、通水閥門(mén)12_3、出氣閥門(mén)12_4為銅芯閥門(mén)；
[0049]所述量測(cè)系統(tǒng)包括微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)碼照相機(jī);所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器通過(guò)信號(hào)傳輸線連接多通道數(shù)據(jù)采集儀;所述數(shù)碼照相機(jī)放置于模型箱正前方，可根據(jù)拍攝需要增設(shè)光源;所述數(shù)碼照相機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)排除干擾，其位置不可發(fā)生挪動(dòng)；
[0050]如圖5所示，所述對(duì)稱(chēng)面擋土單元3的厚度為10mm，其寬度可根據(jù)需要模擬的開(kāi)挖土層厚度進(jìn)行調(diào)整;所述固定對(duì)稱(chēng)面擋土單元3的螺栓4的尺寸為M8，焊接固定于模型箱框架1-1上。
[0051]如圖6、圖7所示，所述帶通水孔的不銹鋼板2-1使得承壓架空層2中的無(wú)氣水與礫砂10-1承壓層水力連通，提供礫砂10-1承壓層的承壓水頭壓力;所述帶通水孔的不銹鋼板2-1的厚度、通水孔的排布和不銹鋼短柱2-2的排布應(yīng)滿足受力計(jì)算要求，使得承壓架空層2足以承受試驗(yàn)土體的重量。
[0052]如圖8所示，所述擋土墻5為鋁板，其厚度由試驗(yàn)?zāi)M的擋土墻剛度計(jì)算得到;所述擋土墻支架6為20mm厚的條狀鋁板;所述擋土墻5上部通過(guò)支架固定螺栓7固定擋土墻支架6，中部開(kāi)有螺紋孔，通過(guò)螺紋孔螺紋連接安裝支撐單元8所需的支撐固定螺栓8-7，兩側(cè)開(kāi)槽固定止水橡膠條5-1;所述止水橡膠條5-1保證擋土墻5移動(dòng)過(guò)程中與模型箱I接觸面不發(fā)生漏水;所述支架固定螺栓7和支撐固定螺栓8-7的尺寸為M8。
[0053]如圖9、圖10所示，所述支撐固定螺栓8-7通過(guò)擋土墻5上的螺紋孔，擰緊固定于擋土墻5上。所述支撐單元8可采用以下兩種形式:
[0054]一、所述支撐單元8包括實(shí)心鋁桿8-1、伸縮桿8-2和支撐連接螺栓8-3;所述實(shí)心鋁桿8-1上開(kāi)有若干凹槽，一端具有內(nèi)螺紋口；所述伸縮桿8-2為空心鋁管，伸縮桿8-2上開(kāi)有若干螺紋孔;所述支撐連接螺栓8-3穿過(guò)伸縮桿8-2上的螺紋孔抵住實(shí)心鋁桿8-1的凹槽，使得實(shí)心鋁桿8-1和伸縮桿8-2緊密連接，在試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生滑動(dòng)。所述實(shí)心鋁桿8-1的直徑和空心鋁桿8-2的厚度由試驗(yàn)?zāi)M的支撐剛度計(jì)算得到;所述支撐連接螺栓8-3的尺寸可選擇M6。
[0055]二、所述支撐單元8包括第一支撐桿8-4、第二支撐桿8-5和套筒8-6;所述第一支撐桿8-4的一端具有外螺紋;所述第二支撐桿8-5的一端具有內(nèi)螺紋口，另一端具有外螺紋;所述套筒8-6具有內(nèi)螺紋通道，一端螺紋連接第一支撐桿8-4，另一端螺紋連接第二支撐桿8-
5。所述第一支撐桿8-4的直徑、第二支撐桿8-5的直徑和套筒8-6的壁厚由試驗(yàn)?zāi)M的內(nèi)支撐的剛度計(jì)算得到。
[0056]本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下:首先將擋土墻5和擋土墻支架6通過(guò)支架固定螺栓7連接組裝好;而后在擋土墻5上安裝好土壓力盒，兩側(cè)槽口嵌入止水橡膠條5-1，并在槽口和止水橡膠條5-1的縫隙涂抹環(huán)氧樹(shù)脂;將組裝好的擋土墻5通過(guò)擋土墻支架6架設(shè)在模型箱I內(nèi)，保證擋土墻5與模型箱I兩側(cè)的鋼化玻璃1-2垂直;在基坑開(kāi)挖模型的對(duì)稱(chēng)面處安裝對(duì)稱(chēng)面擋土單元3，通過(guò)固定對(duì)稱(chēng)面擋土單元的螺栓4固定于模型箱框架1-1上；向模型箱I內(nèi)分層裝填爍砂10-1窮實(shí)，填筑至指定高度;分層裝填粘質(zhì)粉土 10-2窮實(shí)，直至填土完成，由通水閥門(mén)9以50L/天的速度向模型箱I通無(wú)氣水飽和試驗(yàn)土體爍砂10-1和粘質(zhì)粉土 10-2，待土體完全飽和之后關(guān)閉通水閥門(mén)9;鉆孔埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，回填鉆孔土體;在擋土墻5和基坑內(nèi)外土體表面安裝位移傳感器，分別監(jiān)測(cè)擋土墻5的位移和基坑土體變形情況；
[0057]打開(kāi)通水閥門(mén)12-3和出氣閥門(mén)12-4，通過(guò)通水閥門(mén)12_3向馬里奧特瓶12的有機(jī)玻璃圓筒12-1內(nèi)注入無(wú)氣水14，由出氣閥門(mén)12-4排出有機(jī)玻璃圓筒12-1內(nèi)的氣體;待有機(jī)玻璃圓筒12-1內(nèi)注滿無(wú)氣水，關(guān)閉通水閥門(mén)12-3和出氣閥門(mén)12-4 ；通過(guò)進(jìn)氣閥門(mén)12_2連接裝有Iatm氮?dú)獾臍饽?2-5;而后通過(guò)通水閥門(mén)9連接模型箱I和承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[0058]將數(shù)碼照相機(jī)置于模型箱正前方(在試驗(yàn)過(guò)程中不可以挪動(dòng))，調(diào)節(jié)相機(jī)參數(shù)，設(shè)置數(shù)碼照相機(jī)的自動(dòng)拍攝時(shí)間間隔為20s;若實(shí)驗(yàn)室光線不足，可在數(shù)碼照相機(jī)兩側(cè)增設(shè)Led光源;利用數(shù)據(jù)采集儀采集記錄試驗(yàn)初始狀態(tài)下微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和位移傳感器的讀數(shù)，利用數(shù)碼照相機(jī)拍攝試驗(yàn)初始狀態(tài)下的試驗(yàn)土體照片；打開(kāi)通水閥門(mén)9、通水閥門(mén)12-3和進(jìn)氣閥門(mén)12-2，并在整個(gè)基坑土體開(kāi)挖和支撐安裝過(guò)程中保持開(kāi)啟狀態(tài);通過(guò)手搖器13-3調(diào)節(jié)馬里奧特瓶12的高度，利用手搖器13-3的自鎖功能固定馬里奧特瓶12的高度，由水壓計(jì)11讀取承壓水頭大小。
[0059]待上述試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成之后，拆除第一節(jié)對(duì)稱(chēng)面擋土單元，通過(guò)向基坑開(kāi)挖對(duì)稱(chēng)面卸土的方法緩慢開(kāi)挖擋土墻5左側(cè)的土體;開(kāi)挖至第一道支撐設(shè)計(jì)位置下方時(shí)，安裝第一道支撐，通過(guò)支撐8—端的內(nèi)螺紋與擋土墻5上的支撐固定螺栓8-7連接，通過(guò)調(diào)整支撐8的長(zhǎng)度使之頂緊反力架1-5，完成支撐8的安裝。完成第一道支撐安裝之后繼續(xù)開(kāi)挖土體，采用相同的方法安裝支撐，直至基坑開(kāi)挖完成。在整個(gè)基坑開(kāi)挖試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)施加基坑開(kāi)挖各個(gè)工況相對(duì)應(yīng)的承壓水頭;通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀連續(xù)采集記錄試驗(yàn)過(guò)程中微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和位移傳感器的讀數(shù)，通過(guò)觸發(fā)數(shù)碼照相機(jī)拍攝整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)土體變形的照片。
[0060]通過(guò)分析數(shù)據(jù)采集儀采集記錄的微型孔隙水壓力傳感器和微型土壓力盒的讀數(shù)，得出基坑整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中承壓水頭升降引起的水土壓力響應(yīng)規(guī)律;通過(guò)分析數(shù)據(jù)采集儀記錄的位移傳感器的讀數(shù)，以及對(duì)數(shù)碼照相機(jī)所拍攝的照片進(jìn)行PIV圖像分析，得出土體的位移場(chǎng)，從而得知基坑土體隨承壓水頭升降的變形規(guī)律。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括模型箱(I)、承壓架空層(2)、若干對(duì)稱(chēng)面擋土單元(3)、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)六個(gè)部分;所述模型箱(I)由模型箱框架(1-1)、鋼化玻璃(1-2)、模型箱底板(1-3)、頂框(1-4)、反力板(1-5)和模型箱底座(1-6)組成;所述模型箱框架(1-1)的底部固定模型箱底板(1-3)，前后兩個(gè)側(cè)面固定鋼化玻璃(1-2);所述模型箱框架(1-1)和反力板(1-5)均固定在模型箱底座(1-6)上，頂部通過(guò)頂框(1-4)連接;所述模型箱(I)的右側(cè)底部安裝連通承壓架空層(2)和承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閥門(mén)(9); 所述承壓架空層(2)由帶通水孔的不銹鋼板(2-1)、不銹鋼短柱(2-2)和反濾土工織物(2-3)組成;所述帶通水孔的不銹鋼板(2-1)底部固定不銹鋼短柱(2-2)，放置于模型箱(I)內(nèi)的模型箱底板(1-3)上，并與模型箱框架(1-1 )、鋼化玻璃(1-2)密封連接;所述帶通水孔的不銹鋼板(2-1)表面粘貼反濾土工織物(2-3); 所述對(duì)稱(chēng)面擋土單元(3)為U型不銹鋼條，通過(guò)螺栓(4)固定在模型箱框架(1-1)上;所述U型不銹鋼條之間通過(guò)H型止水橡膠條連接，U型不銹鋼條與模型箱框架(1-1)通過(guò)S型止水橡膠條連接； 所述基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)包括擋土墻(5)、擋土墻支架(6)和若干支撐單元(8);所述擋土墻(5)上部通過(guò)支架固定螺栓(7)固定擋土墻支架(6)，中部開(kāi)有螺紋孔，通過(guò)螺紋孔螺紋連接安裝支撐單元(8)所需的支撐固定螺栓(8-7)，兩側(cè)開(kāi)槽固定止水橡膠條(5-1);所述支撐單元(8)的一端具有內(nèi)螺紋口，內(nèi)螺紋口與支撐固定螺栓(8-7)螺紋連接； 所述承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計(jì)(U)、馬里奧特瓶(12)和支架(13)組成；所述水壓計(jì)(11)通過(guò)三通管連接模型箱(I)和馬里奧特瓶(12);所述支架(13)的頂端安裝定滑輪(13-1)，鋼絲繩(13-2)—端連接手搖器(13-3)，另一端繞過(guò)定滑輪(13-1)連接馬里奧特瓶(12);所述馬里奧特瓶(12)由有機(jī)玻璃圓筒(12-1)、進(jìn)氣閥門(mén)(12-2)、通水閥門(mén)(12-3)、出氣閥門(mén)(12-4)和氣囊(12-5)組成;所述有機(jī)玻璃圓筒(12-1)底部設(shè)置進(jìn)氣閥門(mén)(12-2)和通水閥門(mén)(12-3)，頂部設(shè)置出氣閥門(mén)(12-4);所述進(jìn)氣閥門(mén)(12-2)與氣囊(12-5)連接； 所述量測(cè)系統(tǒng)包括微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)碼照相機(jī);所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器通過(guò)信號(hào)傳輸線連接多通道數(shù)據(jù)采集儀;所述數(shù)碼照相機(jī)放置于模型箱正前方。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述支撐單元(8)包括實(shí)心鋁桿(8-1)、伸縮桿(8-2)和支撐連接螺栓(8-3);所述實(shí)心鋁桿(8-1)上開(kāi)有若干凹槽，一端具有內(nèi)螺紋口；所述伸縮桿(8-2)為空心鋁管，伸縮桿(8-2)上開(kāi)有若干螺紋孔;所述支撐連接螺栓(8-3)穿過(guò)伸縮桿(8-2)上的螺紋孔抵住實(shí)心鋁桿(8-1)的凹槽。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述支撐單元(8)包括第一支撐桿(8-4)、第二支撐桿(8-5)和套筒(8-6);所述第一支撐桿(8-4)的一端具有外螺紋;所述第二支撐桿(8-5)的一端具有內(nèi)螺紋口，另一端具有外螺紋;所述套筒(8-6)具有內(nèi)螺紋通道，一端螺紋連接第一支撐桿(8-4)，另一端螺紋連接第二支撐桿(8-5)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述模型箱框架(1-1)由1mm厚的不銹鋼鋼條和不銹鋼鋼板焊接而成;所述鋼化玻璃(1-2)通過(guò)建筑膠水安裝在模型箱框架(1-1)內(nèi)側(cè);所述模型箱底板(1-3)和反力板(1-5)為1mm厚的不銹鋼鋼板;所述頂框(1-4)由20_厚的不銹鋼鋼條焊接而成;所述模型箱主體和反力板(1-5)通過(guò)四周點(diǎn)焊固定于模型箱底座(1-6);所述擋土墻(5)為鋁板;所述擋土墻支架(6)為20mm厚的條狀鋁板;所述擋土墻(5)在移動(dòng)過(guò)程中始終與鋼化玻璃(1-2)保持垂直；所述閥門(mén)(9)、進(jìn)氣閥門(mén)(12-2)、通水閥門(mén)(12-3)、出氣閥門(mén)(12-4)為銅芯閥門(mén)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述氣囊(12-5)內(nèi)裝有Iatm的氮?dú)狻?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，模型箱(I)內(nèi)的底部試驗(yàn)土體為爍砂(10-1)；上覆試驗(yàn)土體為粘質(zhì)粉土(10-2)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬承壓水頭升降的基坑開(kāi)挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述有機(jī)玻璃圓筒(12-1)內(nèi)裝有無(wú)氣水(14)。
【文檔編號(hào)】E02D33/00GK205712215SQ201620271691
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年4月1日
【發(fā)明人】應(yīng)宏偉, 章麗莎, 魏驍, 王小剛, 朱成偉, 沈華偉, 張金紅
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)