CN105672379B - 动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置 - Google Patents
动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105672379B CN105672379B CN201610207317.1A CN201610207317A CN105672379B CN 105672379 B CN105672379 B CN 105672379B CN 201610207317 A CN201610207317 A CN 201610207317A CN 105672379 B CN105672379 B CN 105672379B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- model box
- foundation pit
- model
- support
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 169
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 230000009471 action Effects 0.000 title claims description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 229920005372 Plexiglas® Polymers 0.000 claims abstract description 31
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 28
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract 5
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims description 97
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 42
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 42
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 18
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 17
- 239000005341 toughened glass Substances 0.000 claims description 17
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 15
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 14
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 12
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 9
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 8
- 239000004746 geotextile Substances 0.000 claims description 7
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 4
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 3
- 241000272165 Charadriidae Species 0.000 abstract 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 6
- 238000011160 research Methods 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009933 burial Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011900 installation process Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000000366 soil substitute Substances 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D33/00—Testing foundations or foundation structures
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Paleontology (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置。包括模型箱、承压架空层、对称面挡土单元、基坑支护结构、承压水压力调节系统和量测系统；模型箱包括模型箱框架、反力板等；模型箱底部设置承压架空层，承压架空层与承压水压力调节系统连接；对称面挡土单元通过螺栓固定在模型箱框架上；承压水压力调节系统由微型水压力变送器、有机玻璃圆筒装置和流量计组成；本发明可模拟基坑开挖过程中承压水动态变化；量测动态承压水作用下基坑的水土压力和变形，整理相关试验数据并确定基坑受力和变形发展规律等问题，为动态变化的承压水引起的基坑问题研究提供有效的试验数据支持，并对于之后理论分析模型提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种基坑模型试验装置，特别是涉及承压水动态变化条件下的基坑开挖模型试验装置，可用于模拟承压水动态变化时承压层和上覆弱透水性基坑土体之间的相互作用，研究动态承压水作用下基坑的水土压力响应和变形问题。
背景技术
在滨海、沿江地区地下水丰富，工程中常面临深基坑坑底弱透水层以下尚存在承压层的情况，由于降压井降承压水、大型降雨、河流洪峰过境、海潮变化等将导致承压层的承压水压力动态变化，从而进一步影响基坑水土压力、变形和稳定性，动态承压水作用引起的基坑变形和失稳问题是该类地区深基坑工程的重大风险源之一。
相比于理论解析方法和有限元数值方法的研究采用既定的土体本构模型，计算得到的承压水动态变化引起的土体水土压力和变形大小对计算参数的选取具有很大的依赖性；实际工程中较难进行对基坑坑底(位于基坑开挖区域内)的水土压力实时监测，进行大量相似的工程监测数据统计分析以获得承压水动态变化引起的坑底弱透水层的变形规律的方法也很难实现；鉴于常重力下土工模型试验，不影响土体微观结构，土颗粒尺寸及土颗粒间相互作用关系与实际情况相符，能客观反映承压水和坑底弱透水层土颗粒之间的相互作用，广泛应用于考虑土体应力应变关系的微观研究。
目前，传统承压水作用的相关土工模型试验研究，不考虑水中气体进入试验土体可能引起的非饱和土问题；考虑恒定潜水位作用的基坑模型试验，有研究(彭述权.砂土挡墙破坏机理宏细观研究[D].同济大学,2007.)采用薄膜通过电晕后涂抹环氧树脂的方法连接挡土墙和模型箱，该方法可获取试验土体中超静孔隙水压力、土压力和基坑变形数据，但薄膜电晕工艺较为复杂，挡墙位移较大时薄膜可能在移动过程中发生撕裂或由于土颗粒摩擦导致破损，无法顺利完成试验或进行重复试验。考虑地下水位变化影响的基坑模型试验，有研究(孙威.滨海地区深基坑性状的试验及理论研究[D].浙江大学,2015.)采用固定挡土墙的方法，该方法只能获得土体中超静孔隙水压力的变化情况，无法获得准确的土压力变化和基坑变形数据，与实际基坑工程在动态变化承压水作用下的响应情况仍存在较大差异；大量模拟承压水变化的土工试验常考虑承压水头的分级施加或减小，通常在每一级承压水头切换时暂停试验，因此不能实现承压水压力连续动态地变化，无法探讨承压水动态变化速率对开挖过程中基坑的水土压力响应、土体变形以及稳定性影响等问题。
在基坑模型试验中，大多数研究针对每一级开挖和加撑完成工况下的基坑受力和变形情况展开，未考虑基坑在开挖或加撑过程中基坑的受力和变形情况。在考虑基坑开挖过程的模型试验中，有研究采用卸载等体积等重量的土袋(Azevedo RF.Centrifuge andAnalytical Modelling of Excavation in Sand.PhD thesis,University of Colorado,Boulder,CO,USA,1983.)或排放代土液体(Bolton MD and Powrie W.The collapse ofdiaphragm walls retaining clay.Gé otechnique,1987,37(3):335-353.)等方法模拟土体开挖卸载，此类方法不能准确模拟基坑开挖引起的土体中应力场的改变，与实际基坑开挖引起的基坑受力和变形情况仍存在一定的差异。大量模拟基坑开挖的模型试验采用预先埋设安装好支撑的挡土墙的方法，直接开挖基坑土体，不需要再进行加撑操作，该方法较为简单，但预置的所有内支撑都将在整个开挖过程中受力，显然与实际工程的基坑受力情况不相符合，也无法准确模拟基坑开挖过程中未加撑情况下基坑的受力和变形情况。目前有研究采用液压千斤顶向挡土墙支架施加力的方法模拟支撑的安装，该方法采用液压装置较复杂，当基坑开挖宽度较大时该方法并不适用。另外绝大多数基坑开挖模型的开挖对称面是垂直固定的挡板，通过向下抓土或掏土实现基坑开挖，该方法不能清晰界定开挖土层，会扰动未开挖的土体；该方法繁琐，不易操作，特别是基坑开挖模型的尺寸较大或需要开挖的土体较多时，试验操作的工作量相当大。因此，如何实现准确地土体开挖和支撑安装是基坑开挖模型试验中需要解决的重点问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，解决了试验中承压水动态变化的模拟问题，量测动态承压水作用下基坑的水土压力和变形，整理相关试验数据并确定动态承压水作用下基坑的受力和变形发展规律等问题，为承压水动态变化引起的基坑问题研究提供有效的试验数据支持，并为之后理论分析模型提供依据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，包括模型箱、承压架空层、若干对称面挡土单元、基坑支护结构、承压水压力调节系统和量测系统六个部分；所述模型箱由模型箱框架、钢化玻璃、模型箱底板、顶框、反力板和模型箱底座组成；所述模型箱框架的底部固定模型箱底板，前后两个侧面固定钢化玻璃；所述模型箱框架和反力板均固定在模型箱底座上，顶部通过顶框连接；所述模型箱的右侧底部安装连通承压架空层的阀门，用于连接模型箱和承压水压力调节系统；
所述承压架空层由带通水孔的不锈钢板、不锈钢短柱和反滤土工织物组成；所述带通水孔的不锈钢板底部固定不锈钢短柱，放置于模型箱内的模型箱底板上，并与模型箱框架、钢化玻璃密封连接；所述带通水孔的不锈钢板表面粘贴反滤土工织物，防止承压水动态变化过程中试验土体的流失；
所述对称面挡土单元为U型不锈钢条，通过螺栓固定在模型箱框架上；所述U型不锈钢条之间通过H型止水橡胶条连接，U型不锈钢条与模型箱框架通过S型止水橡胶条连接；
所述基坑支护结构包括挡土墙、挡土墙支架和若干支撑单元；所述挡土墙上部通过支架固定螺栓固定挡土墙支架，中部开有螺纹孔，通过螺纹孔螺纹连接安装支撑单元所需的支撑固定螺栓，两侧开槽固定止水橡胶条；所述止水橡胶条保证挡土墙移动过程中与模型箱接触面不发生漏水；所述支撑单元的一端具有内螺纹口，内螺纹口与支撑固定螺栓螺纹连接，实现支撑单元的安装；
所述承压水压力调节系统由微型水压力变送器、有机玻璃圆筒装置和流量计组成；所述有机玻璃圆筒装置由有机玻璃圆筒、有机玻璃底座、刻度线和通水阀门组成；所述有机玻璃圆筒固定在有机玻璃底座上，侧壁竖直设置刻度线，底部设置通水阀门；所述微型水压力变送器通过三通管连接模型箱和有机玻璃圆筒装置，微型水压力变送器可连续记录承压水的动 态变化情况；所述有机玻璃圆筒通过通水阀门与流量计连通，通过流量计精确地调节有机玻璃圆筒内水柱高度的变化从而实现模型箱内承压水的动态变化；
所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器、多通道数据采集仪和数码照相机；所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器和微型水压力变送器通过信号传输线连接多通道数据采集仪；所述数码照相机放置于模型箱正前方。
进一步地，所述支撑单元包括实心铝杆、伸缩杆和支撑连接螺栓；所述实心铝杆上开有若干凹槽，一端具有内螺纹口；所述伸缩杆为空心铝管，伸缩杆上开有若干螺纹孔；所述支撑连接螺栓穿过伸缩杆上的螺纹孔抵住实心铝杆的凹槽。
进一步地，所述支撑单元包括第一支撑杆、第二支撑杆和套筒；所述第一支撑杆的一端具有外螺纹；所述第二支撑杆的一端具有内螺纹口，另一端具有外螺纹；所述套筒具有内螺纹通道，一端螺纹连接第一支撑杆，另一端螺纹连接第二支撑杆。
进一步地，所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动；可根据拍摄需要增设光源。
进一步地，所述模型箱框架由10mm厚的不锈钢钢条和不锈钢钢板焊接而成；所述钢化玻璃通过建筑胶水安装在模型箱框架内侧；所述模型箱底板和反力板为10mm厚的不锈钢钢板；所述顶框由20mm厚的不锈钢钢条焊接而成；所述模型箱主体和反力板通过四周点焊固定于模型箱底座；所述挡土墙为铝板，其厚度由试验模拟的挡土墙刚度计算得到；所述挡土墙支架为20mm厚的条状铝板；所述挡土墙在移动过程中始终与钢化玻璃保持垂直；所述阀门、通水阀门为铜芯阀门。
进一步地，所述实心铝杆的直径、伸缩杆的壁厚、第一支撑杆的直径、第二支撑杆的直径和套筒的壁厚均由试验模拟的内支撑的刚度计算得到。
进一步地，所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器和微型水压力变送器的信号传输线均连接至同一信号采集仪，在试验过程中保证所有信号的同步采集。
进一步地，模型箱内的底部试验土体为砾砂，以模拟承压土层；上覆试验土体为弱透水性土体，采用无气水饱和。
进一步地，所述弱透水性土体为粘质粉土。
进一步地，有机玻璃圆筒内的液体为无气水。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在试验前采用无气水饱和试验土体，试验过程中提供无气承压水环境，使得试验土体的孔隙充满无气水，如上操作有两点益处：一是避免水中气泡进入弱透水性土层引起土体的非饱和问题(与饱和土相比，非饱和土的力学特性存在较大差异和不确定性)；二是避免水中气泡干扰微型孔隙水压力传感器影响其测量精度。
2、本发明中的承压架空层一方面可实现从下向上充分饱和模型箱内的试验土体，有利于试验土体中气体的排除；另一方面连通承压水压力调节系统以提供承压砾砂层动态变化的承压水压力，与天然承压水的埋藏条件相近；承压砾砂层与上覆弱透水性土层直接接触将客观模拟动态承压水作用过程中承压层与上覆弱透水性土层之间的相互作用，有利于进一步揭示承压水动态变化引起的基坑土体水土压力响应和基坑土体变形规律；常重力条件下进行试验 研究，不影响基坑土体的微观结构，使得土颗粒尺寸及土颗粒间相互作用关系与实际情况相符，有利于开展涉及土颗粒间相互作用的微观研究。
3、本发明采用可拆卸的对称面挡土单元，临时支挡基坑被动区未开挖的土体，可在开挖每层土体前预先拆除对称面挡土单元，通过向基坑开挖对称面卸土的方法进行基坑开挖，相比与传统向下掏土取土的方法，本发明可明确每一层开挖土层不影响未开挖的，操作方便，大大减少了基坑开挖卸土的工作量。
4、本发明可以同时模拟基坑开挖和加撑工序，得到基坑开挖和支撑安装过程中所引起的基坑应力场的变化，相比与传统基坑模型试验只考虑基坑开挖至某一深度或加撑完成的特定状态开展研究，更全面、准确地反映基坑开挖和支撑安装过程中基坑受力和基坑变形的响应情况；本发明在内支撑安装过程中不会对基坑未开挖的土体有扰动影响；内支撑与挡土墙之间通过螺纹固定连接，较之传统的基坑模型试验将内支撑架设在挡土墙上或者直接抵住挡土墙实现加撑的方法，更能客观地反映实际基坑工程开挖时的加撑情况；通过控制实心铝杆直径、伸缩杆壁厚、第一支撑杆直径、第二支撑杆直径和套筒的壁厚实现基坑内支撑刚度的模拟，更加客观地反映了内支撑对基坑开挖的工程影响；可根据土工模型试验的需求，调整内支撑元件的数量，以及挡土墙上的内支撑固定螺栓的位置和数量，模拟不同基坑的开挖情况。
5、本发明采用可伸缩支撑元件，可以模拟不同宽度的基坑开挖试验，相比与传统的基坑开挖模型试验采用固定长度的支撑或者可伸缩支撑仅用于实现支撑安装的实验思路，可采用同一套试验装置开展多组不同宽度的基坑开挖试验，减少了对试验装置的改装，节约了试验成本和模型制作时间，工作原理简单，操作方便，具有很大的实用性。
6、本发明采用流量计来精确地调节有机玻璃圆筒装置内水柱高度的变化幅值和变化速率，从而实现模型箱内承压水连续动态变化的模拟；微型水压力变送器的信号传输线与(连接有微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和位移传感器的同一)多通道数据采集仪连接后可连续记录承压水的动态变化情况，实现动态变化承压水压力和地基水土压力、土体变形的同步监测。
附图说明
图1(a)为采用第一类支撑的动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置侧视图。
图1(b)为采用第二类支撑的动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置侧视图。
图2(a)为采用第一类支撑的模型箱俯视图。
图2(b)为采用第二类支撑的模型箱俯视图。
图3为基坑开挖对称面示意图。
图4(a)为承压架空层结构的平面图。
图4(b)为承压架空层结构的侧视图。
图5为挡土墙示意图。
图6(a)为第一类支撑的基坑支护结构示意图。
图6(b)为第二类支撑的基坑支护结构示意图。
图中：模型箱1；模型箱框架1-1；钢化玻璃1-2；模型箱底板1-3；顶框1-4；反力板1-5；模型箱底座1-6；承压架空层2；带通水孔的不锈钢板2-1；不锈钢短柱2-2；反滤土工织物2-3；对称面挡土单元3；固定对称面挡土单元的螺栓4；挡土墙5；止水橡胶条5-1；挡土墙支架6；支架固定螺栓7；支撑单元8；实心铝杆8-1；空心铝杆8-2；支撑连接螺栓8-3；第一支撑杆8-4；第二支撑杆8-5；套筒8-6；支撑固定螺栓8-7；阀门9；砾砂10-1；粘质粉土10-2；微型水压力变送器11；有机玻璃圆筒装置12；有机玻璃圆筒12-1；有机玻璃底座12-2；刻度线12-3；通水阀门12-4；流量计13；无气水14。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2所示，本发明动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，包括模型箱1、承压架空层2、若干对称面挡土单元3、基坑支护结构、承压水压力调节系统和量测系统六个部分。
所述模型箱1由模型箱框架1-1、钢化玻璃1-2、模型箱底板1-3、顶框1-4、反力板1-5和模型箱底座1-6组成；所述模型箱框架1-1的底部固定模型箱底板1-3，前后两个侧面固定钢化玻璃1-2；所述模型箱框架1-1和反力板1-5通过四周点焊固定于工字钢焊接而成的模型箱底座1-6上，顶部由不锈钢顶框1-4通过四周点焊连接；所述模型箱框架1-1由10mm厚的不锈钢钢条和不锈钢钢板焊接而成；所述钢化玻璃1-2通过建筑胶水安装在模型箱框架1-1内侧；所述模型箱底板1-3和反力板1-5为10mm厚的不锈钢钢板；所述顶框1-4由20mm厚的不锈钢钢条焊接而成；
所述承压架空层2由带通水孔的不锈钢板2-1、不锈钢短柱2-2和反滤土工织物2-3组成；所述带通水孔的不锈钢板2-1底部固定不锈钢短柱2-2，放置于模型箱1内的模型箱底板1-3上，并与模型箱框架1-1、钢化玻璃1-2通过玻璃胶密封连接；所述带通水孔的不锈钢板2-1表面粘贴反滤土工织物2-3，防止承压水动态变化过程中试验土体的流失；
所述对称面挡土单元3为U型不锈钢条，通过螺栓4固定在模型箱框架1-1上；所述U型不锈钢条之间通过H型止水橡胶条连接，U型不锈钢条与模型箱框架1-1通过S型止水橡胶条连接；
所述基坑支护结构包括挡土墙5、挡土墙支架6和若干支撑单元8；所述挡土墙3在移动过程中始终与钢化玻璃1-2保持垂直；所述支撑单元8的一端具有内螺纹口，内螺纹口与支撑固定螺栓8-7螺纹连接，实现支撑单元8的安装；
所述模型箱1的右侧底部安装连通承压架空层2的阀门9，用于连接模型箱1和承压水压力调节系统；模型箱1内的底部试验土体为砾砂10-1，以模拟承压土层；上覆试验土体为弱透水性土体，可采用粘质粉土10-2，采用无气水饱和；
所述承压水压力调节系统由微型水压力变送器11、有机玻璃圆筒装置12和流量计13组成；所述有机玻璃圆筒装置12由有机玻璃圆筒12-1、有机玻璃底座12-2、刻度线12-3和通水阀门12-4组成；所述有机玻璃圆筒12-1固定在有机玻璃底座12-2上，侧壁竖直设置刻度线12-3，底部设置通水阀门12-4；所述微型水压力变送器11通过三通管连接模型箱1和有机玻璃圆筒装置12，微型水压力变送器11可连续记录承压水的动态变化情况；所述有机玻璃圆筒12-1通过通水阀门12-4与流量计13连通，通过流量计13精确地调节有机玻璃圆筒12-1内水柱高度的变化从而实现模型箱1内承压水的动态变化；
所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器、多通道数据采集仪和数码照相机；所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器和微型水压力变送器11通过信号传输线连接多通道数据采集仪；所述数码照相机放置于模型箱正前方，可根据拍摄需要增设光源；所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动；所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器和微型水压力变送器11的信号传输线均连接至同一信号采集仪，保证所有信号的同步采集。
如图3所示，所述对称面挡土单元3的厚度为10mm，其宽度可根据需要模拟的开挖土层厚度进行调整；所述固定对称面挡土单元3的螺栓4的尺寸为M8，焊接固定于模型箱框架1-1上。
如图4(a)、图4(b)所示，所述带通水孔的不锈钢板2-1使得承压架空层2中的无气水与砾砂10-1承压层水力连通，提供砾砂10-1承压层的承压水压力；所述带通水孔的不锈钢板2-1的厚度、通水孔的排布和不锈钢短柱2-2的排布应满足受力计算要求，使得承压架空层2足以承受试验土体的重量。
如图5所示，所述挡土墙5为铝板，其厚度由试验模拟的挡土墙刚度计算得到；所述挡土墙支架6为20mm厚的条状铝板；所述挡土墙5上部通过支架固定螺栓7固定挡土墙支架6，中部开有螺纹孔，通过螺纹孔螺纹连接安装支撑单元8所需的支撑固定螺栓8-7，两侧开槽固定止水橡胶条5-1；所述止水橡胶条5-1保证挡土墙5移动过程中与模型箱1接触面不发生漏水；所述支架固定螺栓7和支撑固定螺栓8-7的尺寸为M8。
如图6(a)、图6(b)所示，所述支撑固定螺栓8-7通过挡土墙5上的螺纹孔，拧紧固定于挡土墙5上。所述支撑单元8可采用以下两种形式：
一、所述支撑单元8包括实心铝杆8-1、伸缩杆8-2和支撑连接螺栓8-3；所述实心铝杆8-1上开有若干凹槽，一端具有内螺纹口；所述伸缩杆8-2为空心铝管，伸缩杆8-2上开有若干螺纹孔；所述支撑连接螺栓8-3穿过伸缩杆8-2上的螺纹孔抵住实心铝杆8-1的凹槽，使得实心铝杆8-1和伸缩杆8-2紧密连接，在试验过程中不发生滑动。所述实心铝杆8-1的直径和空心铝杆8-2的厚度由试验模拟的支撑刚度计算得到；所述支撑连接螺栓8-3的尺寸可选择M6。
二、所述支撑单元8包括第一支撑杆8-4、第二支撑杆8-5和套筒8-6；所述第一支撑杆8-4的一端具有外螺纹；所述第二支撑杆8-5的一端具有内螺纹口，另一端具有外螺纹；所述套筒8-6具有内螺纹通道，一端螺纹连接第一支撑杆8-4，另一端螺纹连接第二支撑杆8-5。所述第一支撑杆8-4的直径、第二支撑杆8-5的直径和套筒8-6的壁厚由试验模拟的内支撑的刚度计算得到。
本发明的工作过程如下：首先将挡土墙5和挡土墙支架6通过支架固定螺栓7连接组装好；而后在挡土墙5上安装好土压力盒，两侧槽口嵌入止水橡胶条5-1，并在槽口和止水橡胶条5-1的缝隙涂抹环氧树脂；将组装好的挡土墙5通过挡土墙支架6架设在模型箱1内，保证挡土墙5与模型箱1两侧的钢化玻璃1-2垂直；在基坑开挖模型的对称面处安装对称面挡土单元3，通过固定对称面挡土单元的螺栓4固定于模型箱框架1-1上；向模型箱1内分层装填砾砂10-1夯实，填筑至指定高度；分层装填粘质粉土10-2夯实，直至填土完成，由通水阀门9以50L/天的速度向模型箱1通无气水饱和试验土体砾砂10-1和粘质粉土10-2，待土体完全饱和之后关闭通水阀门9；钻孔埋设孔隙水压力传感器，回填钻孔土体；在挡土墙5和基坑内外土体表面安装位移传感器，分别监测挡土墙5的位移和基坑土体变形情况；
由通水阀门9连接模型箱1和承压水压力调节系统(通水阀门9保持关闭)，将微型水压力变送器11的信号传输线连接至多通道数据采集仪，打开通水阀门12-4向有机玻璃圆筒12-1注入无气水，至液面与试验土体顶面齐平，关闭通水阀门12-4；根据设计的承压水压力动态变化规律来设定流量计13的流量参数，从而通过流量计13精确地调节有机玻璃圆筒装置12内水柱高度的变化以实现模型箱1内承压水的动态变化模拟；将数码照相机置于模型箱正前方(在试验过程中不可以挪动)，调节相机参数，设置数码照相机的自动拍摄时间间隔为20s；若实验室光线不足，可在数码照相机两侧增设Led光源；利用数据采集仪采集记录试验初始状态下微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、微型水压力变送器11和位移传感器的读数，利用数码照相机拍摄试验初始状态下的试验土体照片。
待上述试验准备工作完成之后，拆除第一节对称面挡土单元，通过向基坑开挖对称面卸土的方法缓慢开挖挡土墙5左侧的土体；开挖至第一道支撑设计位置下方时，安装第一道支撑，通过支撑8一端的内螺纹与挡土墙5上的支撑固定螺栓8-7连接，通过调整支撑8的长度使之顶紧反力架1-5，完成支撑8的安装。完成第一道支撑安装之后继续开挖土体，采用相同的方法安装支撑，直至基坑开挖完成。在整个基坑开挖试验过程中，打开通水阀门9和通水阀门12-4，并保持开启状态；通过承压水压力调节系统施加基坑开挖各个工况相对应的动态变化的承压水压力；通过数据采集仪连续采集记录试验过程中微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒和位移传感器的读数，通过触发数码照相机拍摄整个试验过程中试验土体变形的照片。
通过分析数据采集仪采集记录的微型孔隙水压力传感器和微型土压力盒的读数，得出基坑整个开挖过程中动态承压水作用引起的水土压力响应规律；通过分析数据采集仪记录的位移传感器的读数，以及对数码照相机所拍摄的照片进行PIV图像分析，得出土体的位移场，从而得知基坑土体随承压水动态变化的变形规律。
Claims (9)
1.一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)、承压架空层(2)、若干对称面挡土单元(3)、基坑支护结构、承压水压力调节系统和量测系统六个部分；所述模型箱(1)由模型箱框架(1-1)、钢化玻璃(1-2)、模型箱底板(1-3)、顶框(1-4)、反力板(1-5)和模型箱底座(1-6)组成；所述模型箱框架(1-1)的底部固定模型箱底板(1-3)，前后两个侧面固定钢化玻璃(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，顶部通过顶框(1-4)连接；所述模型箱(1)的右侧底部安装连通承压架空层(2)的阀门(9)，用于连接模型箱(1)和承压水压力调节系统；
所述承压架空层(2)由带通水孔的不锈钢板(2-1)、不锈钢短柱(2-2)和反滤土工织物(2-3)组成；所述带通水孔的不锈钢板(2-1)底部固定不锈钢短柱(2-2)，放置于模型箱(1)内的模型箱底板(1-3)上，并与模型箱框架(1-1)、钢化玻璃(1-2)密封连接；所述带通水孔的不锈钢板(2-1)表面粘贴反滤土工织物(2-3)，防止承压水动态变化过程中试验土体的流失；
所述对称面挡土单元(3)为U型不锈钢条，通过螺栓(4)固定在模型箱框架(1-1)上；所述U型不锈钢条之间通过H型止水橡胶条连接，U型不锈钢条与模型箱框架(1-1)通过S型止水橡胶条连接；
所述基坑支护结构包括挡土墙(5)、挡土墙支架(6)和若干支撑单元(8)；所述挡土墙(5)上部通过支架固定螺栓(7)固定挡土墙支架(6)，中部开有螺纹孔，通过螺纹孔螺纹连接安装支撑单元(8)所需的支撑固定螺栓(8-7)，两侧开槽固定止水橡胶条(5-1)；所述止水橡胶条(5-1)保证挡土墙(5)移动过程中与模型箱(1)接触面不发生漏水；所述支撑单元(8)的一端具有内螺纹口，内螺纹口与支撑固定螺栓(8-7)螺纹连接，实现支撑单元(8)的安装；
所述承压水压力调节系统由微型水压力变送器(11)、有机玻璃圆筒装置(12)和流量计(13)组成；所述有机玻璃圆筒装置(12)由有机玻璃圆筒(12-1)、有机玻璃底座(12-2)、刻度线(12-3)和通水阀门(12-4)组成；所述有机玻璃圆筒(12-1)固定在有机玻璃底座(12-2)上，侧壁竖直设置刻度线(12-3)，底部设置通水阀门(12-4)；所述微型水压力变送器(11)通过三通管连接模型箱(1)和有机玻璃圆筒装置(12)，微型水压力变送器(11)可连续记录承压水的动态变化情况；所述有机玻璃圆筒(12-1)通过通水阀门(12-4)与流量计(13)连通，通过流量计(13)精确地调节有机玻璃圆筒(12-1)内水柱高度的变化从而实现模型箱(1)内承压水的动态变化；
所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器、多通道数据采集仪和数码照相机；所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器和微型水压力变送器(11)通过信号传输线连接多通道数据采集仪；所述数码照相机放置于模型箱正前方。
2.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，其特征在于，所述支撑单元(8)包括实心铝杆(8-1)、伸缩杆(8-2)和支撑连接螺栓(8-3)；所述实心铝杆(8-1)上开有若干凹槽，一端具有内螺纹口；所述伸缩杆(8-2)为空心铝管，伸缩杆(8-2)上开有若干螺纹孔；所述支撑连接螺栓(8-3)穿过伸缩杆(8-2)上的螺纹孔抵住实心铝杆(8-1)的凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，其特征在于，所述支撑单元(8)包括第一支撑杆(8-4)、第二支撑杆(8-5)和套筒(8-6)；所述第一支撑杆(8-4)的一端具有外螺纹；所述第二支撑杆(8-5)的一端具有内螺纹口，另一端具有外螺纹；所述套筒(8-6)具有内螺纹通道，一端螺纹连接第一支撑杆(8-4)，另一端螺纹连接第二支撑杆(8-5)。
4.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，其特征在于，所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动；可根据拍摄需要增设光源。
5.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，其特征在于，所述模型箱框架(1-1)由10mm厚的不锈钢钢条和不锈钢钢板焊接而成；所述钢化玻璃(1-2)通过建筑胶水安装在模型箱框架(1-1)内侧；所述模型箱底板(1-3)和反力板(1-5)为10mm厚的不锈钢钢板；所述顶框(1-4)由20mm厚的不锈钢钢条焊接而成；所述模型箱主体和反力板(1-5)通过四周点焊固定于模型箱底座(1-6)；所述挡土墙(5)为铝板，其厚度由试验模拟的挡土墙刚度计算得到；所述挡土墙支架(6)为20mm厚的条状铝板；所述挡土墙(5)在移动过程中始终与钢化玻璃(1-2)保持垂直；所述阀门(9)、通水阀门(12-4)为铜芯阀门。
6.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，其特征在于，所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器和微型水压力变送器(11)的信号传输线均连接至同一信号采集仪，在试验过程中保证所有信号的同步采集。
7.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，其特征在于，模型箱(1)内的底部试验土体为砾砂(10-1)，以模拟承压土层；上覆试验土体(10-2)为弱透水性土体，采用无气水饱和。
8.根据权利要求7所述的一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，其特征在于，所述弱透水性土体为粘质粉土(10-2)。
9.根据权利要求1所述的一种动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置，其特征在于，有机玻璃圆筒(12-1)内的液体为无气水(14)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610207317.1A CN105672379B (zh) | 2016-04-01 | 2016-04-01 | 动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610207317.1A CN105672379B (zh) | 2016-04-01 | 2016-04-01 | 动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105672379A CN105672379A (zh) | 2016-06-15 |
| CN105672379B true CN105672379B (zh) | 2017-09-01 |
Family
ID=56308503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610207317.1A Active CN105672379B (zh) | 2016-04-01 | 2016-04-01 | 动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105672379B (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106013274A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-10-12 | 东南大学 | 一种深基坑开挖卸荷场桩基水平承载综合模拟试验装置 |
| CN107240346B (zh) * | 2017-07-20 | 2022-10-21 | 长江水利委员会长江科学院 | 一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法 |
| CN108593513A (zh) * | 2018-01-31 | 2018-09-28 | 浙江大学 | 一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置及方法 |
| CN109752238B (zh) * | 2019-01-03 | 2022-02-01 | 同济大学 | 考虑承压水地下连续墙成槽局部失稳模型试验装置 |
| CN110424475B (zh) * | 2019-07-09 | 2024-03-26 | 浙江工业大学 | 一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置 |
| CN110501233B (zh) * | 2019-07-12 | 2021-03-26 | 同济大学 | 一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置 |
| CN111238932B (zh) * | 2020-01-15 | 2020-11-27 | 中国地质大学（武汉） | 碎石土成微型桩钻孔变形特征研究试验装置及测试方法 |
| CN114199186B (zh) * | 2021-11-29 | 2023-12-15 | 宁波市轨道交通集团有限公司 | 一种开挖可控的基坑模型试验装置及方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201265164Y (zh) * | 2008-09-28 | 2009-07-01 | 浙江大学 | 基坑工程渗透破坏模型试验装置 |
| CN201843152U (zh) * | 2010-10-19 | 2011-05-25 | 同济大学 | 深基坑工程施工和监测模拟试验装置 |
| CN102914632A (zh) * | 2012-10-16 | 2013-02-06 | 武汉理工大学 | 一种多功能土工模型试验箱 |
| CN104099953A (zh) * | 2013-04-08 | 2014-10-15 | 同济大学 | 模拟基坑承压水位变化及稳定性的离心模型试验装置 |
| CN204703203U (zh) * | 2015-05-28 | 2015-10-14 | 浙江中林勘察研究股份有限公司 | 基坑隆起模型实验装置 |
| CN205712213U (zh) * | 2016-04-01 | 2016-11-23 | 浙江大学 | 动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置 |
-
2016
- 2016-04-01 CN CN201610207317.1A patent/CN105672379B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105672379A (zh) | 2016-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105716960B (zh) | 复杂地下水环境下的基坑开挖模型试验装置 | |
| CN105672379B (zh) | 动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置 | |
| CN105675846B (zh) | 潜水位和承压水头协同升降的基坑开挖模型试验装置 | |
| CN105696636B (zh) | 可模拟基坑开挖过程中地下水位变化的基坑模型试验装置 | |
| CN105021418B (zh) | 适用于土工离心模型试验的盾构开挖面模型及模拟方法 | |
| CN106324226B (zh) | 监测地下水渗流、沉降的灌注一体室内试验装置与方法 | |
| CN105842421A (zh) | 一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置 | |
| CN111337650B (zh) | 一种研究地下工程土体渗流破坏机制的多功能试验装置 | |
| CN107240346B (zh) | 一种定量研究岩溶塌陷的试验模拟装置及方法 | |
| CN105862933B (zh) | 动态承压水作用的地基模型试验装置 | |
| CN105716959B (zh) | 一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置 | |
| CN205712213U (zh) | 动态承压水作用的基坑开挖模型试验装置 | |
| CN103278376A (zh) | 土压平衡盾构开挖面稳定性控制模型试验装置 | |
| CN105672378B (zh) | 模拟承压水头升降的基坑开挖模型试验装置 | |
| CN205712215U (zh) | 模拟承压水头升降的基坑开挖模型试验装置 | |
| CN105716958B (zh) | 模拟承压水头升降的地基模型试验装置 | |
| CN111044704A (zh) | 一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备及试验方法 | |
| CN111622277A (zh) | 一种模拟桩端存在空洞时对桩基承载性能影响的试验装置和试验方法 | |
| CN108593513A (zh) | 一种可模拟动态承压水作用土体的试验装置及方法 | |
| CN205719795U (zh) | 复杂地下水环境下的基坑开挖模型试验装置 | |
| CN205720219U (zh) | 潜水位和承压水头协同升降的基坑开挖模型试验装置 | |
| CN211553982U (zh) | 一种基于土体内部侵蚀的管道溶解试验设备 | |
| CN105866349B (zh) | 三维可视化注浆效果试验箱 | |
| CN205581100U (zh) | 一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置 | |
| CN205712214U (zh) | 可模拟基坑开挖过程中地下水位变化的基坑模型试验装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |