專利名稱:潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置。包括模型箱、水箱、對稱面擋土單元、基坑支護結(jié)構(gòu)、承壓架空層、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測系統(tǒng)；模型箱包括模型箱框架、反力板等；水箱設(shè)置在模型箱內(nèi)的右上方；對稱面擋土單元通過螺栓固定在模型箱框架上；承壓架空層設(shè)置在模型箱底部，與承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)連接；承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計、馬里奧特瓶和支架組成；本實用新型可模擬基坑開挖過程中潛水位和承壓水頭的升降；量測不同潛水位和承壓水頭下基坑的水土壓力和變形，為潛水位和承壓水頭升降引起的基坑問題研究提供有效的試驗數(shù)據(jù)支持，并對于之后理論分析模型提供依據(jù)。
【專利說明】
潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種基坑模型試驗裝置，特別是涉及潛水位和承壓水頭升降條件下的基坑開挖模型試驗裝置，可用于模擬潛水位和承壓水頭升降時承壓層和上覆弱透水性基坑土體之間的相互作用，研究不同潛水位和承壓水頭下基坑的水土壓力響應(yīng)和變形問題。
【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，由于大型降水、季節(jié)性干旱、河流或湖泊水位線的季節(jié)性變化等將導致潛水位和承壓水頭發(fā)生升降，從而進一步影響基坑水土壓力、變形和穩(wěn)定性，潛水位和承壓水頭升降引起的基坑變形和失穩(wěn)問題是該類地區(qū)深基坑工程的重大風險源之一。
[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，計算得到的潛水位和承壓水頭升降引起的土體水土壓力和變形大小對計算參數(shù)的選取具有很大的依賴性;實際工程中較難進行對基坑坑底(位于基坑開挖區(qū)域內(nèi))的水土壓力實時監(jiān)測，進行大量相似的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以獲得潛水位和承壓水頭升降引起的坑底弱透水層的變形規(guī)律的方法也很難實現(xiàn);鑒于常重力下土工模型試驗，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)系與實際情況相符，能客觀反映地下水和基坑土體的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)的地下水作用的相關(guān)土工模型試驗研究，不考慮水中氣體進入試驗土體可能引起的非飽和土問題;考慮恒定潛水位作用的基坑模型試驗，有研究(彭述權(quán).砂土擋墻破壞機理宏細觀研究[D].同濟大學，2007.)采用薄膜通過電暈后涂抹環(huán)氧樹脂的方法連接擋土墻和模型箱，該方法可獲取試驗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雜，擋墻位移較大時薄膜可能在移動過程中發(fā)生撕裂或由于土顆粒摩擦導致破損，無法順利完成試驗或進行重復試驗?？紤]地下潛水位變化影響的基坑模型試驗，有研究(孫威.濱海地區(qū)深基坑性狀的試驗及理論研究[D].浙江大學，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，無法獲得準確的土壓力變化和基坑變形數(shù)據(jù)，與實際基坑工程在潛水位和承壓水頭升降作用下的響應(yīng)情況仍存在較大差異。
[0005]在基坑模型試驗中，大多數(shù)研究針對每一級開挖和加撐完成工況下的基坑受力和變形情況展開，未考慮基坑在開挖或加撐過程中基坑的受力和變形情況。在考慮基坑開挖過程的模型試驗中，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.Ge otechnique，1987，37(3): 335-353.)等方法模擬土體開挖卸載，此類方法不能準確模擬基坑開挖引起的土體中應(yīng)力場的改變，與實際基坑開挖引起的基坑受力和變形情況仍存在一定的差異。大量模擬基坑開挖的模型試驗采用預先埋設(shè)安裝好支撐的擋土墻的方法，直接開挖基坑土體，不需要再進行加撐操作，該方法較為簡單，但預置的所有內(nèi)支撐都將在整個開挖過程中受力，顯然與實際工程的基坑受力情況不相符合，也無法準確模擬基坑開挖過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雜，當基坑開挖寬度較大時該方法并不適用。另外絕大多數(shù)基坑開挖模型的開挖對稱面是垂直固定的擋板，通過向下抓土或掏土實現(xiàn)基坑開挖，該方法不能清晰界定開挖土層，會擾動未開挖的土體;該方法繁瑣，不易操作，特別是基坑開挖模型的尺寸較大或需要開挖的土體較多時，試驗操作的工作量相當大。因此，如何實現(xiàn)準確地土體開挖和支撐安裝是基坑開挖模型試驗中需要解決的重點問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，解決了試驗中潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的模擬問題，可模擬潛水位和承壓水頭協(xié)同升降時地下水和基坑土體之間的相互作用，量測不同潛水位和承壓水頭下基坑的水土壓力和變形，整理相關(guān)試驗數(shù)據(jù)并確定潛水位和承壓水頭協(xié)同升降時基坑的受力和變形發(fā)展規(guī)律等問題，為潛水位和承壓水頭升降引起的基坑問題研究提供有效的試驗數(shù)據(jù)支持，并為之后理論分析模型提供依據(jù)。
[0007]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，包括模型箱、水箱、若干對稱面擋土單元、基坑支護結(jié)構(gòu)、承壓架空層、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測系統(tǒng)七個部分;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第二通水閥門，用于連接模型箱和承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)；
[0008]所述水箱由帶通水孔的鋁板、條形鋁板、水箱支架、水箱支架固定螺絲、刻度尺和第一通水閥門組成，通過水箱支架架設(shè)在模型箱內(nèi)的右上方，用于控制和觀測土體中的水位升降；所述帶通水孔的鋁板表面粘貼反濾土工織物，防止地下水變化過程中試驗土體的流失;所述刻度尺粘貼在鋼化玻璃上，可用于直接觀測和記錄潛水位變化情況;所述第一通水閥門設(shè)置在模型箱的右側(cè)用以連通水箱；
[0009]所述對稱面擋土單元為U型不銹鋼條，通過螺栓固定在模型箱框架上;所述U型不銹鋼條之間通過H型止水橡膠條連接，U型不銹鋼條與模型箱框架通過S型止水橡膠條連接；
[0010]所述基坑支護結(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支架固定螺栓固定擋土墻支架，中部開有螺紋孔，通過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)開槽固定止水橡膠條;所述止水橡膠條保證擋土墻移動過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，實現(xiàn)支撐單元的安裝；
[0011 ]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，并與模型箱的四個側(cè)面密封連接;所述帶通水孔的不銹鋼板表面粘貼反濾土工織物；
[0012]所述承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計、馬里奧特瓶和支架組成;所述水壓計通過三通管連接模型箱和馬里奧特瓶;所述支架上安裝有定滑輪，鋼絲繩繞過定滑輪連接馬里奧特瓶和手搖器，通過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玻璃圓筒、進氣閥門、第三通水閥門、出氣閥門和氣囊組成;所述有機玻璃圓筒底部設(shè)置進氣閥門和第三通水閥門，頂部設(shè)置出氣閥門；所述進氣閥門與氣囊連接；
[0013]所述量測系統(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;所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器通過信號傳輸線連接多通道數(shù)據(jù)采集儀;所述數(shù)碼照相機放置于模型箱正前方。
[0014]進一步地，所述支撐單元包括實心鋁桿、伸縮桿和支撐連接螺栓;所述實心鋁桿上開有若干凹槽，一端具有內(nèi)螺紋口 ；所述伸縮桿為空心鋁管，伸縮桿上開有若干螺紋孔;所述支撐連接螺栓穿過伸縮桿上的螺紋孔抵住實心鋁桿的凹槽。
[0015]進一步地，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。
[0016]進一步地，所述數(shù)碼照相機在試驗過程中應(yīng)排除干擾，其位置不可發(fā)生挪動;可根據(jù)拍攝需要增設(shè)光源。
[0017]進一步地，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四周點焊固定于模型箱底座;所述擋土墻為鋁板，其厚度由試驗模擬的擋土墻剛度計算得到;所述擋土墻支架為20mm厚的條狀鋁板;所述擋土墻在移動過程中始終與鋼化玻璃保持垂直;所述第一通水閥門、第二通水閥門、進氣閥門、第三通水閥門、出氣閥門為銅芯閥門。
[0018]進一步地，所述實心鋁桿的直徑、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模擬的內(nèi)支撐的剛度計算得到。
[0019]進一步地，所述氣囊內(nèi)裝有Iatm的氮氣。
[0020]進一步地，所述水箱和有機玻璃圓筒內(nèi)裝有無氣水。
[0021 ]進一步地，模型箱內(nèi)的底部試驗土體為爍砂;上覆試驗土體為弱透水性土體。
[0022]進一步地，所述的弱透水性土體為粘質(zhì)粉土;所述礫砂和弱透水性土體采用無氣水飽和。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是:
[0024]1、本實用新型在試驗前采用無氣水飽和試驗土體，試驗過程中提供無氣承壓水環(huán)境，使得試驗土體的孔隙充滿無氣水，如上操作有兩點益處:一是避免水中氣泡進入弱透水性土層引起土體的非飽和問題(與飽和土相比，非飽和土的力學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量精度。
[0025]2、本實用新型水箱架設(shè)在模型箱內(nèi)，采用玻璃膠密封水箱與模型箱之間的縫隙，帶通水孔的鋁板使得水箱內(nèi)的水位與試驗土體水位連通，可以通過調(diào)節(jié)水箱內(nèi)的水位以模擬試驗土體潛水位的升降；水箱上的刻度尺粘貼在鋼化玻璃上，便于直接觀測和記錄潛水位變化情況。采用改進的馬里奧特瓶，通過氣囊內(nèi)的氮氣平衡馬里奧特瓶內(nèi)外的氣壓，利用氮氣難溶于水的特性，為試驗土體營造無氣承壓水環(huán)境，有效避免常規(guī)的馬里奧特瓶供水時溶于水中的氣泡引起的土體非飽和土問題;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。
[0026]3、本實用新型中的承壓架空層一方面可實現(xiàn)從下向上充分飽和模型箱內(nèi)的試驗土體，有利于試驗土體中氣體的排出；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。在水箱帶通水孔的鋁板和承壓架空層帶通水孔的不銹鋼板的表面粘貼反濾土工織物，防止地下水變化過程中試驗土體的流失。常重力條件下進行試驗研究，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)系與實際情況相符，有利于開展涉及土顆粒間相互作用的微觀研究。
[0027]4、本實用新型采用水箱和承壓架空層來控制潛水位和承壓水頭的協(xié)同升降，可以實現(xiàn)如下三種類型的實驗操作:
[0028](— )關(guān)閉水箱的第一通水閥門(潛水位不變)，調(diào)節(jié)馬里奧特瓶高度改變承壓水頭的大小，研究承壓水頭升降對基坑土體水土壓力響應(yīng)、變形的影響，通過水箱刻度線顯示的水位線情況，獲知承壓水升降對基坑潛潛水位變化的影響；
[0029](二)將馬里奧特瓶固定在指定高度(承壓水頭不變)，打開第一通水閥門調(diào)節(jié)水箱的水位線以控制試驗土體的潛水位，研究潛水位升降對基坑土體水土壓力響應(yīng)、變形的影響，通過水壓計顯示的承壓水頭壓力大小，獲知基坑潛水位升降對承壓水頭壓力變化的影響；
[0030](三)調(diào)節(jié)潛水位和承壓水頭的共同升降，研究潛水位和承壓水位協(xié)同升降對基坑土體水土壓力響應(yīng)、變形的影響。
[0031]5、本實用新型采用可拆卸的對稱面擋土單元，臨時支擋基坑被動區(qū)未開挖的土體，可在開挖每層土體前預先拆除對稱面擋土單元，通過向基坑開挖對稱面卸土的方法進行基坑開挖，相比與傳統(tǒng)向下掏土取土的方法，本實用新型可明確每一層開挖土層不影響未開挖的，操作方便，大大減少了基坑開挖卸土的工作量。
[0032]6、本實用新型可以同時模擬基坑開挖和加撐工序，得到基坑開挖和支撐安裝過程中所引起的基坑應(yīng)力場的變化，相比與傳統(tǒng)基坑模型試驗只考慮基坑開挖至某一深度或加撐完成的特定狀態(tài)開展研究，更全面、準確地反映基坑開挖和支撐安裝過程中基坑受力和基坑變形的響應(yīng)情況;本實用新型在內(nèi)支撐安裝過程中不會對基坑未開挖的土體有擾動影響；內(nèi)支撐與擋土墻之間通過螺紋固定連接，較之傳統(tǒng)的基坑模型試驗將內(nèi)支撐架設(shè)在擋土墻上或者直接抵住擋土墻實現(xiàn)加撐的方法，更能客觀地反映實際基坑工程開挖時的加撐情況;通過控制實心鋁桿直徑、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)支撐對基坑開挖的工程影響；可根據(jù)土工模型試驗的需求，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，模擬不同基坑的開挖情況。
[0033]7、本實用新型采用可伸縮支撐元件，可以模擬不同寬度的基坑開挖試驗，相比與傳統(tǒng)的基坑開挖模型試驗采用固定長度的支撐或者可伸縮支撐僅用于實現(xiàn)支撐安裝的實驗思路，可采用同一套試驗裝置開展多組不同寬度的基坑開挖試驗，減少了對試驗裝置的改裝，節(jié)約了試驗成本和模型制作時間，工作原理簡單，操作方便，具有很大的實用性。
【附圖說明】

[0034]圖1(a)為采用第一類支撐的潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置側(cè)視圖。
[0035]圖1(b)為采用第二類支撐的潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置側(cè)視圖。
[0036]圖2(a)為采用第一類支撐的模型箱俯視圖。
[0037]圖2(b)為采用第二類支撐的模型箱俯視圖。
[0038]圖3為基坑開挖對稱面示意圖；
[0039]圖4為水箱側(cè)視圖；
[0040]圖5(a)為承壓架空層結(jié)構(gòu)的平面圖。
[0041]圖5(b)為承壓架空層結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
[0042]圖6為擋土墻示意圖。
[0043]圖7(a)為第一類支撐的基坑支護結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]圖7(b)為第二類支撐的基坑支護結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]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;水箱2;帶通水孔的鋁板2-1;條形鋁板2-2;水箱支架2_3;水箱支架固定螺絲2-4;刻度尺2-5;第一通水閥門2-6;對稱面擋土單元3;固定對稱面擋土單元的螺栓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;實心招桿8-1 ；空心招桿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;承壓架空層9;帶通水孔的不銹鋼板9-1;不銹鋼短柱9-2;反濾土工織物9-3;第二通水閥門10;水壓計11;馬里奧特瓶12;有機玻璃圓筒12-1;進氣閥門12-2;第三通水閥門12-3;出氣閥門
12-4;氣囊12-5;支架13;定滑輪13-1;鋼絲繩13-2;手搖器13-3;礫砂14-1;粘質(zhì)粉土 14-2;無氣水15。
【具體實施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0047]如圖1、圖2所示，本實用新型潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，包括模型箱1、水箱2、若干對稱面擋土單元3、基坑支護結(jié)構(gòu)、承壓架空層9、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測系統(tǒng)七個部分。
[0048]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通過四周點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通過四周點焊連接;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；
[0049]所述水箱2由豎向放置的帶通水孔的鋁板2-1、橫向放置的條形鋁板2-2、前后兩側(cè)的鋼化玻璃1-2和模型箱框架1-1的內(nèi)壁通過玻璃膠連接形成，通過水箱支架2-3架設(shè)在模型箱I內(nèi)的右上方，用于控制和觀測土體中的水位升降；所述帶通水孔的鋁板2-1和水箱支架2-3由水箱支架固定螺絲2-4擰緊連接;所述帶通水孔的鋁板2-1表面粘貼反濾土工織物，防止地下水變化過程中試驗土體的流失;所述刻度尺2-5設(shè)置在鋼化玻璃1-2上可用于直接觀測和記錄潛水位變化情況;所述模型箱I的右側(cè)安裝連通水箱2的第一通水閥門2-6，用于控制水箱2內(nèi)水位的升降。
[0050]所述對稱面擋土單元3為U型不銹鋼條，通過螺栓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S型止水橡膠條連接；
[0051]所述基坑支護結(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在移動過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，實現(xiàn)支撐單元8的安裝；
[0052]所述承壓架空層9由帶通水孔的不銹鋼板9-1、不銹鋼短柱9-2和反濾土工織物9-3組成;所述帶通水孔的不銹鋼板9-1底部固定不銹鋼短柱9-2，放置于模型箱I內(nèi)的模型箱底板1-3上，并與模型箱I的四個側(cè)面通過玻璃膠密封連接;所述帶通水孔的不銹鋼板9-1表面粘貼反濾土工織物9-3，防止承壓水頭變化過程中試驗土體的流失；
[0053]所述模型箱I的右側(cè)底部安裝連通承壓架空層9的第二通水閥門10，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)的底部試驗土體為礫砂14-1，以模擬承壓土層;上覆試驗土體為弱透水性土體，可采用粘質(zhì)粉土 14-2，采用無氣水飽和；
[0054]所述承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計11、馬里奧特瓶12和支架13組成;所述水壓計11通過三通管連接模型箱I和馬里奧特瓶12;所述馬里奧特瓶12由有機玻璃圓筒12-1、進氣閥門12-2、第三通水閥門12-3、出氣閥門12-4和氣囊12-5組成;所述有機玻璃圓筒12-1內(nèi)的液體為無氣水15;所述氣囊12-5內(nèi)裝有Iatm的氮氣;所述支架13上安裝有定滑輪13-1，鋼絲繩
13-2繞過定滑輪13-1連接馬里奧特瓶12和手搖器13-3，通過手搖器13-3控制馬里奧特瓶12的升降調(diào)節(jié)承壓水頭的大小;所述第一通水閥門2-6、第二通水閥門10、進氣閥門12-2、第三通水閥門12-3、出氣閥門12-4為銅芯閥門；
[0055]所述量測系統(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;所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器通過信號傳輸線連接多通道數(shù)據(jù)采集儀;所述數(shù)碼照相機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)碼照相機在試驗過程中應(yīng)排除干擾，其位置不可發(fā)生挪動；
[0056]如圖3所示，所述對稱面擋土單元3的厚度為10mm，其寬度可根據(jù)需要模擬的開挖土層厚度進行調(diào)整;所述固定對稱面擋土單元3的螺栓4的尺寸為M8，焊接固定于模型箱框架1-1上。
[0057]如圖4所示，所述水箱2由帶通水孔的鋁板2-1、條形鋁板2-2、水箱支架2-3、水箱支架固定螺絲2-4、刻度尺2-5和第一通水閥門2-6組成;所述帶通水孔的鋁板2-1表面排布有大量的通水圓孔，保證試驗過程中水箱內(nèi)的水位與試驗土體水位連通且一致，以實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)水箱內(nèi)的水位來控制試驗土體的潛水位升降。
[0058]如圖5(a)、圖5(b)所示，所述帶通水孔的不銹鋼板9-1使得承壓架空層9中的無氣水與礫砂14-1承壓層水力連通，提供礫砂14-1承壓層的承壓水頭壓力;所述帶通水孔的不銹鋼板9-1的厚度、通水孔的排布和不銹鋼短柱9-2的排布應(yīng)滿足受力計算要求，使得承壓架空層9足以承受試驗土體的重量。
[0059]如圖6所示，所述擋土墻5為鋁板，其厚度由試驗模擬的擋土墻剛度計算得到;所述擋土墻支架6為20mm厚的條狀鋁板;所述擋土墻5上部通過支架固定螺栓7固定擋土墻支架6，中部開有螺紋孔，通過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移動過程中與模型箱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。
[0060]如圖7(a)、圖7(b)所示，所述支撐固定螺栓8-7通過擋土墻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:
[0061]—、所述支撐單元8包括實心鋁桿8-1、伸縮桿8-2和支撐連接螺栓8-3;所述實心鋁桿8-1上開有若干凹槽，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上開有若干螺紋孔;所述支撐連接螺栓8-3穿過伸縮桿8-2上的螺紋孔抵住實心鋁桿8-1的凹槽，使得實心鋁桿8-1和伸縮桿8-2緊密連接，在試驗過程中不發(fā)生滑動。所述實心鋁桿8-1的直徑和空心鋁桿8-2的厚度由試驗模擬的支撐剛度計算得到;所述支撐連接螺栓8-3的尺寸可選擇M6。
[0062 ] 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的壁厚由試驗模擬的內(nèi)支撐的剛度計算得到。
[0063]本實用新型的工作過程如下:首先將擋土墻5和擋土墻支架6通過支架固定螺栓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)氧樹脂;將組裝好的擋土墻5通過擋土墻支架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;在基坑開挖模型的對稱面處安裝對稱面擋土單元3，通過固定對稱面擋土單元的螺栓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14-1窮實，填筑至指定高度;分層裝填粘質(zhì)粉土 14-2窮實，直至填土完成，由通水第二通水閥門10以50L/天的速度向模型箱I通無氣水飽和試驗土體礫砂14-1和粘質(zhì)粉土
14-2，待土體完全飽和之后關(guān)閉通水第二通水閥門10;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)測擋土墻5的位移和基坑土體變形情況；
[0064]打開第三通水閥門12-3和出氣閥門12-4，通過第三通水閥門12_3向馬里奧特瓶12的有機玻璃圓筒12-1內(nèi)注入無氣水15，由出氣閥門12-4排出有機玻璃圓筒12-1內(nèi)的氣體；待有機玻璃圓筒12-1內(nèi)注滿無氣水，關(guān)閉第三通水閥門12-3和出氣閥門12-4;通過進氣閥門12-2連接裝有Iatm氮氣的氣囊12-5;而后通過通水第二通水閥門10連接模型箱I和承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[0065]將數(shù)碼照相機置于模型箱正前方(在試驗過程中不可以挪動)，調(diào)節(jié)相機參數(shù)，設(shè)置數(shù)碼照相機的自動拍攝時間間隔為20s;若實驗室光線不足，可在數(shù)碼照相機兩側(cè)增設(shè)Led光源;利用數(shù)據(jù)采集儀采集記錄試驗初始狀態(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)碼照相機拍攝試驗初始狀態(tài)下的試驗土體照片；
[0066]待上述試驗準備工作完成之后，打開第一通水閥門2-6調(diào)節(jié)水箱2內(nèi)的水位來模擬模型箱I內(nèi)試驗土體的潛水位升降；打開通水第二通水閥門10、第三通水閥門12-3和進氣閥門12-2，并在整個基坑土體開挖和支撐安裝過程中保持開啟狀態(tài)，實現(xiàn)承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)向承壓架空層9持續(xù)供給試驗所需的承壓水頭;通過手搖器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，以控制承壓水頭的大小，由水壓計11讀取承壓水頭大小;拆除第一節(jié)對稱面擋土單元，通過向基坑開挖對稱面卸土的方法緩慢開挖擋土墻5左側(cè)的土體;開挖至第一道支撐設(shè)計位置下方時，安裝第一道支撐，通過支撐8—端的內(nèi)螺紋與擋土墻5上的支撐固定螺栓8-7連接，通過調(diào)整支撐8的長度使之頂緊反力架1-5，完成支撐8的安裝。完成第一道支撐安裝之后繼續(xù)開挖土體，采用相同的方法安裝支撐，直至基坑開挖完成。
[0067]在整個基坑開挖試驗過程中，通過水箱2施加基坑開挖各個工況相對應(yīng)的潛水位，通過承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)施加基坑開挖各個工況相對應(yīng)的承壓水頭;通過數(shù)據(jù)采集儀連續(xù)采集記錄試驗過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)，通過觸發(fā)數(shù)碼照相機拍攝整個試驗過程中試驗土體變形的照片。
[0068]通過分析數(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)，得出基坑整個開挖過程中潛水位和承壓水頭協(xié)同升降引起的水土壓力響應(yīng)規(guī)律;通過分析數(shù)據(jù)采集儀記錄的位移傳感器的讀數(shù)，以及對數(shù)碼照相機所拍攝的照片進行PIV圖像分析，得出土體的位移場，從而得知基坑土體隨潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的變形規(guī)律。
[0069]上述實施例為本實用新型的一個優(yōu)選實施方式，是對本【實用新型內(nèi)容】及其應(yīng)用的進一步說明，不應(yīng)理解為本實用新型僅適用于上述實施例。凡基于本實用新型原理和【實用新型內(nèi)容】所實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本實用新型的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，其特征在于，包括模型箱(I)、水箱(2)、若干對稱面擋土單元(3)、基坑支護結(jié)構(gòu)、承壓架空層(9)、承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測系統(tǒng)七個部分;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(9)和承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)的第二通水閥門(10); 所述水箱(2)由帶通水孔的鋁板(2-1)、條形鋁板(2-2)、水箱支架(2-3)、水箱支架固定螺絲(2-4)、刻度尺(2-5)和第一通水閥門(2-6)組成，通過水箱支架(2-3)架設(shè)在模型箱(I)內(nèi)的右上方;所述帶通水孔的鋁板(2-1)表面粘貼反濾土工織物;所述刻度尺(2-5)粘貼在鋼化玻璃(1-2)上;所述第一通水閥門(2-6)設(shè)置在模型箱(I)的右側(cè)用以連通水箱(2); 所述對稱面擋土單元(3)為U型不銹鋼條，通過螺栓(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S型止水橡膠條連接； 所述基坑支護結(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)上部通過支架固定螺栓(7)固定擋土墻支架(6)，中部開有螺紋孔，通過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； 所述承壓架空層(9)由帶通水孔的不銹鋼板(9-1)、不銹鋼短柱(9-2)和反濾土工織物(9-3)組成;所述帶通水孔的不銹鋼板(9-1)底部固定不銹鋼短柱(9-2)，放置于模型箱(I)內(nèi)的模型箱底板(1-3)上，并與模型箱(I)的四個側(cè)面密封連接;所述帶通水孔的不銹鋼板(9-1)表面粘貼反濾土工織物(9-3); 所述承壓水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)由水壓計(U)、馬里奧特瓶(12)和支架(13)組成；所述水壓計(11)通過三通管連接模型箱(I)和馬里奧特瓶(12);所述支架(13)上安裝有定滑輪(13-1)，鋼絲繩(13-2)繞過定滑輪(13-1)連接馬里奧特瓶(12)和手搖器(13-3);所述馬里奧特瓶(12)由有機玻璃圓筒(12-1)、進氣閥門(I2-2)、第三通水閥門(I2-3)、出氣閥門(12-4)和氣囊(I2-5)組成;所述有機玻璃圓筒(I2-1)底部設(shè)置進氣閥門(12-2)和第三通水閥門(12-3)，頂部設(shè)置出氣閥門(12-4);所述進氣閥門(12-2)與氣囊(12-5)連接； 所述量測系統(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;所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器通過信號傳輸線連接多通道數(shù)據(jù)采集儀;所述數(shù)碼照相機放置于模型箱正前方。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，其特征在于，所述支撐單元(8)包括實心鋁桿(8-1)、伸縮桿(8-2)和支撐連接螺栓(8-3);所述實心鋁桿(8-1)上開有若干凹槽，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)上開有若干螺紋孔;所述支撐連接螺栓(8-3)穿過伸縮桿(8-2)上的螺紋孔抵住實心鋁桿(8-1)的凹槽。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，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所述的一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，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20mm厚的不銹鋼鋼條焊接而成;所述模型箱主體和反力板(1-5)通過四周點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)在移動過程中始終與鋼化玻璃(1-2)保持垂直;所述第一通水閥門(2-6)、第二通水閥門(10)、進氣閥門(12-2)、第三通水閥門(12-3)、出氣閥門(12-4)為銅芯閥門。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，其特征在于，所述氣囊(12-5)內(nèi)裝有Iatm的氮氣。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，其特征在于，所述水箱(2)和有機玻璃圓筒(12-1)內(nèi)裝有無氣水(15)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，其特征在于，模型箱(I)內(nèi)的底部試驗土體為礫砂(14-1);上覆試驗土體為弱透水性土體。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種潛水位和承壓水頭協(xié)同升降的基坑開挖模型試驗裝置，其特征在于，所述的弱透水性土體為粘質(zhì)粉土 (14-2)。
【文檔編號】G01N33/24GK205720219SQ201620274192
【公開日】2016年11月23日
【申請日】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
【申請人】浙江大學