專利名稱:動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置。包括模型箱、承壓架空層、對(duì)稱面擋土單元、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)；模型箱包括模型箱框架、反力板等；模型箱底部設(shè)置承壓架空層，承壓架空層與承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)連接；對(duì)稱面擋土單元通過螺栓固定在模型箱框架上；承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)由微型水壓力變送器、有機(jī)玻璃圓筒裝置和流量計(jì)組成；本實(shí)用新型可模擬基坑開挖過程中承壓水動(dòng)態(tài)變化；量測(cè)動(dòng)態(tài)承壓水作用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)律等問題，為動(dòng)態(tài)變化的承壓水引起的基坑問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)。
【專利說(shuō)明】
動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(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，特別是涉及承壓水動(dòng)態(tài)變化條件下的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置，可用于模擬承壓水動(dòng)態(tài)變化時(shí)承壓層和上覆弱透水性基坑土體之間的相互作用，研究動(dòng)態(tài)承壓水作用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，由于降壓井降承壓水、大型降雨、河流洪峰過境、海潮變化等將導(dǎo)致承壓層的承壓水壓力動(dòng)態(tài)變化，從而進(jìn)一步影響基坑水土壓力、變形和穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)承壓水作用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(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)算得到的承壓水動(dòng)態(tài)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性;實(shí)際工程中較難進(jìn)行對(duì)基坑坑底(位于基坑開挖區(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)分析以獲得承壓水動(dòng)態(tài)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)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(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)際基坑工程在動(dòng)態(tài)變化承壓水作用下的響應(yīng)情況仍存在較大差異;大量模擬承壓水變化的土工試驗(yàn)?？紤]承壓水頭的分級(jí)施加或減小，通常在每一級(jí)承壓水頭切換時(shí)暫停試驗(yàn)，因此不能實(shí)現(xiàn)承壓水壓力連續(xù)動(dòng)態(tài)地變化，無(wú)法探討承壓水動(dòng)態(tài)變化速率對(duì)開挖過程中基坑的水土壓力響應(yīng)、土體變形以及穩(wěn)定性影響等問題。
[0005]在基坑模型試驗(yàn)中，大多數(shù)研究針對(duì)每一級(jí)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(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.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(zhǔn)確模擬基坑開挖引起的土體中應(yīng)力場(chǎng)的改變，與實(shí)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(yàn)采用預(yù)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(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)開挖過程中受力，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(fù)雜，當(dāng)基坑開挖寬度較大時(shí)該方法并不適用。另外絕大多數(shù)基坑開挖模型的開挖對(duì)稱面是垂直固定的擋板，通過向下抓土或掏土實(shí)現(xiàn)基坑開挖，該方法不能清晰界定開挖土層，會(huì)擾動(dòng)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(shí)，試驗(yàn)操作的工作量相當(dāng)大。因此，如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地土體開挖和支撐安裝是基坑開挖模型試驗(yàn)中需要解決的重點(diǎn)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(shí)用新型提供了動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置，解決了試驗(yàn)中承壓水動(dòng)態(tài)變化的模擬問題，量測(cè)動(dòng)態(tài)承壓水作用下基坑的水土壓力和變形，整理相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并確定動(dòng)態(tài)承壓水作用下基坑的受力和變形發(fā)展規(guī)律等問題，為承壓水動(dòng)態(tài)變化引起的基坑問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)問題所采用的技術(shù)方案是:一種動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置，包括模型箱、承壓架空層、若干對(duì)稱面擋土單元、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、承壓水壓力調(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，用于連接模型箱和承壓水壓力調(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，防止承壓水動(dòng)態(tài)變化過程中試驗(yàn)土體的流失；
[0009]所述對(duì)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(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(dòng)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(shí)現(xiàn)支撐單元的安裝；
[0011]所述承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)由微型水壓力變送器、有機(jī)玻璃圓筒裝置和流量計(jì)組成;所述有機(jī)玻璃圓筒裝置由有機(jī)玻璃圓筒、有機(jī)玻璃底座、刻度線和通水閥門組成;所述有機(jī)玻璃圓筒固定在有機(jī)玻璃底座上，側(cè)壁豎直設(shè)置刻度線，底部設(shè)置通水閥門；所述微型水壓力變送器通過三通管連接模型箱和有機(jī)玻璃圓筒裝置，微型水壓力變送器可連續(xù)記錄承壓水的動(dòng)態(tài)變化情況;所述有機(jī)玻璃圓筒通過通水閥門與流量計(jì)連通，通過流量計(jì)精確地調(diào)節(jié)有機(jī)玻璃圓筒內(nèi)水柱高度的變化從而實(shí)現(xiàn)模型箱內(nèi)承壓水的動(dòng)態(tài)變化；
[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、位移傳感器和微型水壓力變送器通過信號(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(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(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)過程中始終與鋼化玻璃保持垂直;所述閥門、通水閥門為銅芯閥門。
[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，所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器和微型水壓力變送器的信號(hào)傳輸線均連接至同一信號(hào)采集儀，在試驗(yàn)過程中保證所有信號(hào)的同步采集。[00?9]進(jìn)一步地，模型箱內(nèi)的底部試驗(yàn)土體為爍砂，以模擬承壓土層;上覆試驗(yàn)土體為粘質(zhì)粉土，采用無(wú)氣水飽和。
[0020]進(jìn)一步地，有機(jī)玻璃圓筒內(nèi)裝有無(wú)氣水。
[0021 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0022]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。
[0023]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壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)以提供承壓礫砂層動(dòng)態(tài)變化的承壓水壓力，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動(dòng)態(tài)承壓水作用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(jìn)一步揭示承壓水動(dòng)態(tài)變化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，有利于開展涉及土顆粒間相互作用的微觀研究。
[0024]3、本實(shí)用新型采用可拆卸的對(duì)稱面擋土單元，臨時(shí)支擋基坑被動(dòng)區(qū)未開挖的土體，可在開挖每層土體前預(yù)先拆除對(duì)稱面擋土單元，通過向基坑開挖對(duì)稱面卸土的方法進(jìn)行基坑開挖，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。
[0025]4、本實(shí)用新型可以同時(shí)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(chǎng)的變化，相比與傳統(tǒng)基坑模型試驗(yàn)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(zhǔn)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(shí)用新型在內(nèi)支撐安裝過程中不會(huì)對(duì)基坑未開挖的土體有擾動(dòng)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(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)際基坑工程開挖時(shí)的加撐情況;通過控制實(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，模擬不同基坑的開挖情況。
[0026]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挖試驗(yàn)，相比與傳統(tǒng)的基坑開挖模型試驗(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)裝置開展多組不同寬度的基坑開挖試驗(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。
[0027]6、本實(shí)用新型采用流量計(jì)來(lái)精確地調(diào)節(jié)有機(jī)玻璃圓筒裝置內(nèi)水柱高度的變化幅值和變化速率，從而實(shí)現(xiàn)模型箱內(nèi)承壓水連續(xù)動(dòng)態(tài)變化的模擬;微型水壓力變送器的信號(hào)傳輸線與(連接有微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒和位移傳感器的同一)多通道數(shù)據(jù)采集儀連接后可連續(xù)記錄承壓水的動(dòng)態(tài)變化情況，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化承壓水壓力和地基水土壓力、土體變形的同步監(jiān)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】

[0028]圖1為采用第一類支撐的動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置側(cè)視圖。
[0029]圖2為采用第二類支撐的動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置側(cè)視圖。
[0030]圖3為采用第一類支撐的模型箱俯視圖。
[0031 ]圖4為采用第二類支撐的模型箱俯視圖。
[0032]圖5為基坑開挖對(duì)稱面示意圖。
[0033]圖6為承壓架空層結(jié)構(gòu)的平面圖。
[0034]圖7為承壓架空層結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
[0035]圖8為擋土墻示意圖。
[0036]圖9為第一類支撐的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖10為第二類支撐的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]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)稱面擋土單元3 ；固定對(duì)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(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9;礫砂10_1;粘質(zhì)粉土 10_2;微型水壓力變送器11;有機(jī)玻璃圓筒裝置12;有機(jī)玻璃圓筒12-1;有機(jī)玻璃底座12-2;刻度線12-3;通水閥門12-4;流量計(jì)13;無(wú)氣水14。
【具體實(shí)施方式】
[0039]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。
[0040]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置，包括模型箱1、承壓架空層2、若干對(duì)稱面擋土單元3、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測(cè)系統(tǒng)六個(gè)部分。
[0041]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；
[0042]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通過玻璃膠密封連接;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，防止承壓水動(dòng)態(tài)變化過程中試驗(yàn)土體的流失；
[0043]所述對(duì)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；
[0044]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在移動(dòng)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(shí)現(xiàn)支撐單元8的安裝；
[0045]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9，用于連接模型箱I和承壓水壓力調(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；
[0046]所述承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)由微型水壓力變送器11、有機(jī)玻璃圓筒裝置12和流量計(jì)13組成;所述有機(jī)玻璃圓筒裝置12由有機(jī)玻璃圓筒12-1、有機(jī)玻璃底座12-2、刻度線12_3和通水閥門12-4組成;所述有機(jī)玻璃圓筒12-1固定在有機(jī)玻璃底座12-2上，側(cè)壁豎直設(shè)置刻度線12-3，底部設(shè)置通水閥門12-4;所述微型水壓力變送器11通過三通管連接模型箱I和有機(jī)玻璃圓筒裝置12，微型水壓力變送器11可連續(xù)記錄承壓水的動(dòng)態(tài)變化情況;所述有機(jī)玻璃圓筒12-1通過通水閥門12-4與流量計(jì)13連通，通過流量計(jì)13精確地調(diào)節(jié)有機(jī)玻璃圓筒12-1內(nèi)水柱高度的變化從而實(shí)現(xiàn)模型箱I內(nèi)承壓水的動(dòng)態(tài)變化；
[0047]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、位移傳感器和微型水壓力變送器11通過信號(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)過程中應(yīng)排除干擾，其位置不可發(fā)生挪動(dòng);所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器和微型水壓力變送器11的信號(hào)傳輸線均連接至同一信號(hào)采集儀，保證所有信號(hào)的同步采集。
[0048]如圖5所示，所述對(duì)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(jìn)行調(diào)整;所述固定對(duì)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。
[0049]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。
[0050]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(dòng)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。
[0051]如圖9、圖10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:
[0052]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(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。
[0053 ] 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。
[0054]本實(shí)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(duì)稱面處安裝對(duì)稱面擋土單元3，通過固定對(duì)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；
[0055]由通水閥門9連接模型箱I和承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(通水閥門9保持關(guān)閉)，將微型水壓力變送器11的信號(hào)傳輸線連接至多通道數(shù)據(jù)采集儀，打開通水閥門12-4向有機(jī)玻璃圓筒12-1注入無(wú)氣水，至液面與試驗(yàn)土體頂面齊平，關(guān)閉通水閥門12-4;根據(jù)設(shè)計(jì)的承壓水壓力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律來(lái)設(shè)定流量計(jì)13的流量參數(shù)，從而通過流量計(jì)13精確地調(diào)節(jié)有機(jī)玻璃圓筒裝置12內(nèi)水柱高度的變化以實(shí)現(xiàn)模型箱I內(nèi)承壓水的動(dòng)態(tài)變化模擬;將數(shù)碼照相機(jī)置于模型箱正前方(在試驗(yàn)過程中不可以挪動(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、微型水壓力變送器11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。
[0056]待上述試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成之后，拆除第一節(jié)對(duì)稱面擋土單元，通過向基坑開挖對(duì)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(jì)位置下方時(shí)，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(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)開挖土體，采用相同的方法安裝支撐，直至基坑開挖完成。在整個(gè)基坑開挖試驗(yàn)過程中，打開通水閥門9和通水閥門12-4，并保持開啟狀態(tài);通過承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)施加基坑開挖各個(gè)工況相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化的承壓水壓力;通過數(shù)據(jù)采集儀連續(xù)采集記錄試驗(yàn)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(jī)拍攝整個(gè)試驗(yàn)過程中試驗(yàn)土體變形的照片。
[0057]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(gè)開挖過程中動(dòng)態(tài)承壓水作用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(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動(dòng)態(tài)變化的變形規(guī)律。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括模型箱(I)、承壓架空層(2)、若干對(duì)稱面擋土單元(3)、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、承壓水壓力調(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)和承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閥門(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(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； 所述承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)由微型水壓力變送器(11)、有機(jī)玻璃圓筒裝置(12)和流量計(jì)(13)組成;所述有機(jī)玻璃圓筒裝置(12)由有機(jī)玻璃圓筒(12-1)、有機(jī)玻璃底座(12-2)、刻度線(I2-3)和通水閥門(I2-4)組成;所述有機(jī)玻璃圓筒(I2-1)固定在有機(jī)玻璃底座(I2_2)上，側(cè)壁豎直設(shè)置刻度線(12-3)，底部設(shè)置通水閥門(12-4);所述微型水壓力變送器(11)通過三通管連接模型箱(I)和有機(jī)玻璃圓筒裝置(12);所述有機(jī)玻璃圓筒(12-1)通過通水閥門(12-4)與流量計(jì)(13)連通； 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、位移傳感器和微型水壓力變送器(11)通過信號(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所述的一種動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(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(shí)心鋁桿Μ-?) 的凹槽。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(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所述的一種動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(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)過程中始終與鋼化玻璃(1-2)保持垂直;所述閥門(9)、通水閥門(12-4)為銅芯閥門。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器和微型水壓力變送器(11)的信號(hào)傳輸線均連接至同一信號(hào)采集儀。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(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所述的一種動(dòng)態(tài)承壓水作用的基坑開挖模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，有機(jī)玻璃圓筒(12-1)內(nèi)裝有無(wú)氣水(14)。
【文檔編號(hào)】E02D33/00GK205712213SQ201620271649
【公開日】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)