CN105716959B - 一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置 - Google Patents

一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置。该装置包括模型箱、水箱、挡土墙和内支撑。模型箱由模型箱框架、钢化玻璃、模型箱底板、反力板、顶框和模型箱底座组成;水箱设置在模型箱内的右上方,用于控制和观测土体中的水位变化;挡土墙通过挡土墙支架架设在模型箱内,其上可安装内支撑;内支撑顶紧反力板,由反力板提供支反力;模拟开挖完成后的基坑受地下水变化的响应情况,监测土压力、孔隙水压力的变化,探求开挖完成后的基坑受力和变形的变化规律。本发明结构合理,操作简便,可用于模拟地下水位动态变化对最危险开挖工况下的基坑受力和变形的影响,为相关基坑开挖模型试验和研究提供了一种有效手段。

Description

一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置
技术领域
本发明涉及一种基坑模型试验装置,特别是涉及地下水位动态变化的最危险工况的基坑模型试验装置,可用于量测受地下水位动态变化引起的基坑土压力和孔隙水压力等的响应情况。
背景技术
近年来,城市建设快速发展,深基坑工程日趋增多,基坑工程面临深度深、平面规模大、周围环境复杂的新趋势。特别是在滨海、沿江地区的深基坑工程更是面临地下水丰富,施工环境复杂以及施工难度大等挑战,其中地下水作用引起的基坑变形和失稳问题在深基坑设计和施工中不断地被高度关注和重视。采用室内土工模型试验的方法模拟基坑开挖,在岩土工程领域得到了广泛的应用,但就如何通过基坑模型试验客观准确地模拟地下水动态变化下的基坑水土压力响应仍是迫切需要解决的问题。
目前基坑模型试验的土体多选用干砂,暂不考虑地下水的影响,主要研究基坑开挖土体的土压力和基坑的变形,但此类研究不适用于地下水作用的基坑开挖情况。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地下水位作用下的响应情况仍存在较大差异。因此,更为简便、准确地模拟地下水动态变化和可移动的挡土墙是滨海、沿江基坑开挖模型试验中需要解决的主要问题。
大量试验研究表明基坑开挖完成(基坑开挖到坑底)工况一般是基坑开挖的最危险工况。在实际工程中,众多的基坑变形过大或失稳破坏的情况也常常发生在基坑开挖完成这一工况。因此基坑开挖完成工况下的水土压力以及变形响应问题将成为模型试验研究中的重中之重。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,解决了有效精确控制地下水位动态变化,及量测基坑最危险工况下的土压力、孔隙水压力,并确定基坑受力和变形的发展规律等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,包括模型箱、水箱、挡土墙和内支撑四个部分;所述模型箱由模型箱框架、钢化玻璃、模型箱底板、反力板、顶框和模型箱底座组成;所述模型箱框架的前后两侧安装钢化玻璃,方便观测试验中挡土墙的位移和基坑土体的变形,底部固定模型箱底板;所述反力板设置在模型箱的左侧,反力板与模型箱框架均固定在模型箱底座上,顶部通过顶框连接;所述水箱由带通水孔的铝板、条形铝板、水箱支架、水箱支架固定螺丝和刻度尺组成,通过水箱支架架设在模型箱内的右上方,用于控制和观测土体中的水位变化;所述带通水孔的铝板表面粘贴反滤土工织物,防止水位变化过程中试验土体的流失;所述刻度尺粘贴在钢化玻璃上,可用于直接观测和记录水位变化情况;所述挡土墙的上部由挡土墙固定螺栓连接挡土墙支架,两侧安装止水橡胶条,挡土墙通过挡土墙支架架设在模型箱内;所述内支撑由实心铝杆和内支撑固定螺栓组成;所述实心铝杆可通过一端的内螺栓孔与内支撑固定螺栓连接安装于挡土墙上,另一端顶紧反力板,由反力板提供支反力;所述模型箱的右侧安装连通水箱的阀门,用于控制水箱内水位的升降。将试验土体浇制成基坑开挖完成状态并使其完全饱和,利用预埋的土压力传感器和孔隙水压力传感器监测地下水位动态变化下基坑土压力和孔隙水压力的响应情况,利用位移传感器监测挡土墙位移和基坑土体变形情况。
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;所述模型箱底板为10mm厚的不锈钢钢板;所述反力板为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;所述模型箱底座由工字钢焊接而成;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;所述阀门为铜芯阀门。
进一步地,所述模型箱框架和反力板通过四周点焊固定于模型箱底座。
进一步地,所述水箱通过玻璃胶连接模型箱的内壁。
进一步地,所述带通水孔的铝板和水箱支架由水箱支架固定螺丝拧紧连接。
进一步地,所述止水橡胶条在试验过程中与钢化玻璃垂直贴紧,保证挡土墙移动过程中与模型箱接触面不发生漏水。
进一步地,所述实心铝杆的直径由试验模拟的内支撑的刚度计算得到。
进一步地,在模型箱内填筑的试验土体采用标准福建细砂,通过砂雨法浇制得到。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明中的水箱架设在模型箱内,采用玻璃胶密封水箱与模型箱之间的缝隙,带通水孔的铝板使得水箱内的水位与试验土体水位连通,可以通过调节水箱内的水位以控制试验土体水位变化;在带通水孔的铝板表面粘贴反滤土工织物,防止水位变化过程中试验土体的流失;水箱上的刻度尺粘贴在钢化玻璃上,便于直接观测和记录水位变化情况。
2、本发明中采用可移动挡土墙,挡土墙的厚度通过试验模拟的挡土墙刚度换算得到,与实际工程中挡土墙既能发生位移又能产生变形的情况相符;挡土墙两侧设置有止水橡胶条,与模型箱两侧的钢化玻璃贴紧,可以保证挡土墙移动过程中与钢化玻璃的接触面不发生漏水。
3、本发明中的内支撑安装在挡土墙上,可以根据模型试验的需要调整内支撑的道数和每道支撑的内支撑元件数量等。
附图说明
图1为可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置侧视图;
图2为可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置俯视图;
图3为基坑对称面示意图;
图4为水箱侧视图;
图5为挡土墙侧视图;
图6为挡土墙及内支撑安装示意图;
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;反力板1-4;顶框1-5;模型箱底座1-6;水箱2;带通水孔的铝板2-1;条形铝板2-2;水箱支架2-3;水箱支架固定螺丝2-4;刻度尺2-5;挡土墙3;止水橡胶条3-1;挡土墙支架4;挡土墙固定螺栓5;内支撑6;实心铝杆6-1;内支撑固定螺栓6-2;阀门7;试验土体8。
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、图3所示,本发明可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,包括模型箱1、水箱2、挡土墙3和内支撑6四个部分。
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、反力板1-4、顶框1-5和模型箱底座1-6组成;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厚度为20mm,通过建筑胶水安装在模型箱1前后两侧的模型箱框架1-1内侧;所述模型箱底板1-3为10mm厚的不锈钢钢板;所述反力板1-4为10mm厚的不锈钢钢板,设置在模型箱1的左侧,与模型箱框架1-1由顶部的不锈钢顶框1-5通过四周点焊连接,均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;所述顶框1-5由20mm厚的不锈钢钢条焊接而成;所述水箱2由竖向放置的带通水孔的铝板2-1、横向放置的条形铝板2-2、前后两侧的钢化玻璃1-2和模型箱框架1-1的内壁通过玻璃胶连接形成,通过水箱支架2-3架设在模型箱1内的右上方,用于控制和观测土体中的水位变化;所述带通水孔的铝板2-1和水箱支架2-3由水箱支架固定螺丝2-4拧紧连接;所述带通水孔的铝板2-1表面粘贴反滤土工织物,防止水位变化过程中试验土体的流失;所述刻度尺2-5设置在钢化玻璃1-2上可用于直接观测和记录水位变化情况;所述挡土墙3通过挡土墙支架4架设在模型箱1内,在移动过程中始终与钢化玻璃1-2保持垂直;所述内支撑6通过实心铝杆6-1的一端安装在挡土墙3上,另一端顶紧反力板1-4,由反力板1-4提供支反力;所述阀门7为优质铜芯阀门,安装在模型箱1右侧,用于控制水箱2内水位的升降;所述试验土体8采用标准福建细砂,通过砂雨法浇制得到。
如图4所示,所述水箱2由带通水孔的铝板2-1、条形铝板2-2、水箱支架2-3、水箱支架固定螺丝2-4和刻度尺2-5组成;所述带通水孔的铝板2-1表面排布有大量的通水圆孔,保证试验过程中水箱内的水位与试验土体水位连通且一致,以实现通过调节水箱内的水位来控制试验土体的水位变化。
如图5所示,挡土墙3两侧开槽安装止水橡胶条3-1;所述止水橡胶条3-1在试验过程中与钢化玻璃1-2垂直贴紧,保证挡土墙移动过程中挡土墙3与模型箱1接触面不发生漏水;所述挡土墙3为一定厚度的铝板,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4为20mm厚的条状铝板。
如图6所示,所述实心铝杆6-1可通过一端的内螺栓孔与内支撑固定螺栓6-2连接安装于挡土墙3上;所述实心铝杆6-1的直径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3与挡土墙支架4通过挡土墙固定螺栓5连接好,而后通过实心铝杆6-1一端的内螺栓和内支撑固定螺栓6-2将内支撑6安装在挡土墙3上;将安装好内支撑6的挡土墙3通过挡土墙支架4架设在模型箱1内,使得内支撑6顶紧反力板1-4,挡土墙3与钢化玻璃1-2垂直贴紧;而后在挡土墙3上安装好监测土压力所需的土压力传感器;采用砂雨法浇制试验土体8,通过控制落砂装置筛孔网片与试验土体表面的高差来获得模型试验所需的土体密实度;将试验土体8浇制成如图1所示的基坑开挖完成工况,通过阀门7向模型箱1内注水来饱和试验土体8,严格控制阀门7的注水速度以减少试验土体的流失(不冲刷基坑内的试验土体),饱和过程中由基坑开挖对称面(基坑被动区)上方区域向模型箱外缓慢地排(清)水;试验土体8完全饱和后,钻孔埋设孔隙水压力传感器,回填钻孔土体;在挡土墙3和基坑内外土体表面安装位移传感器,分别监测挡土墙3的位移和基坑土体变形情况;完成上述试验准备工作后,通过阀门7控制水箱2内刻度尺2-5所示的水位变化以实现基坑地下水位动态变化,采集地下水位动态变化引起的基坑土压力、孔隙水压力变化情况,记录挡土墙的位移和基坑土体变形,获得地下水位变化引起的基坑水土压力响应、挡土墙位移和基坑变形等规律。

Claims (8)

1.一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,其特征在于,包括模型箱(1)、水箱(2)、挡土墙(3)和内支撑(6)四个部分;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)、反力板(1-4)、顶框(1-5)和模型箱底座(1-6)组成;所述模型箱框架(1-1)的前后两侧安装钢化玻璃(1-2),方便观测试验中挡土墙(3)的位移和基坑土体的变形,底部固定模型箱底板(1-3);所述反力板(1-4)设置在模型箱(1)的左侧,反力板(1-4)与模型箱框架(1-1)均固定在模型箱底座(1-6)上,顶部通过顶框(1-5)连接;所述水箱(2)由带通水孔的铝板(2-1)、条形铝板(2-2)、水箱支架(2-3)、水箱支架固定螺丝(2-4)和刻度尺(2-5)组成,通过水箱支架(2-3)架设在模型箱(1)内的右上方,用于控制和观测土体中的水位变化;所述带通水孔的铝板(2-1)表面粘贴反滤土工织物,防止水位变化过程中试验土体的流失;所述刻度尺(2-5)粘贴在钢化玻璃(1-2)上,可用于直接观测和记录水位变化情况;所述挡土墙(3)的上部由挡土墙固定螺栓(5)连接挡土墙支架(4),两侧安装止水橡胶条(3-1),挡土墙(3)通过挡土墙支架(4)架设在模型箱(1)内;所述内支撑(6)由实心铝杆(6-1)和内支撑固定螺栓(6-2)组成;所述实心铝杆(6-1)可通过一端的内螺栓孔与内支撑固定螺栓(6-2)连接安装于挡土墙(3)上,另一端顶紧反力板(1-4),由反力板(1-4)提供支反力;所述模型箱(1)的右侧安装连通水箱(2)的阀门(7),用于控制水箱(2)内水位的升降。
2.根据权利要求1所述的一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,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)为10mm厚的不锈钢钢板;所述反力板(1-4)为10mm厚的不锈钢钢板;所述顶框(1-5)由20mm厚的不锈钢钢条焊接而成;所述模型箱底座(1-6)由工字钢焊接而成;所述挡土墙(3)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(4)为20mm厚的条状铝板;所述阀门(7)为铜芯阀门。
3.根据权利要求1所述的一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,其特征在于,所述模型箱框架(1-1)和反力板(1-4)通过四周点焊固定于模型箱底座(1-6)。
4.根据权利要求1所述的一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,其特征在于,所述水箱(2)通过玻璃胶连接模型箱(1)的内壁。
5.根据权利要求1所述的一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,其特征在于,所述带通水孔的铝板(2-1)和水箱支架(2-3)由水箱支架固定螺丝(2-4)拧紧连接。
6.根据权利要求1所述的一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,其特征在于,所述止水橡胶条(3-1)在试验过程中与钢化玻璃(1-2)垂直贴紧,保证挡土墙(3)移动过程中与模型箱1接触面不发生漏水。
7.根据权利要求1所述的一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,其特征在于,所述实心铝杆(6-1)的直径由试验模拟的内支撑的刚度计算得到。
8.根据权利要求1所述的一种可模拟地下水位动态变化的基坑模型试验装置,其特征在于,在模型箱(1)内填筑的试验土体(8)采用标准福建细砂,通过砂雨法浇制得到。
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