CN107152038B - 一种土工离心模型试验设备及开挖模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心模型试验领域，具体涉及一种土工离心模型试验设备及开挖模拟方法。包括模型箱，模型箱内底部设有储水箱，中上部位于储水箱上通过立设的地连墙板隔出基坑腔和填设有土料的填土腔，填土腔内设有通过导管一与储水箱连接的用于控制填土腔的水位升降的水位水箱，水位水箱与填土腔之间通过密布的渗水孔连通，基坑腔与储水箱之间通过导管二连接，地连墙板上设有用于监测基坑开挖、地下水位变化对地连墙板所承受的内力的应变片和侧向土压力变化的土压传感器。采用本发明土工离心机在不停机的情况下模拟水位升降和基坑开挖试验方法。试验操作性强，模型制作方便，可真实的模拟现场基坑周边土体水位的变化以及基坑的开挖过程，为研究基坑壁的稳定性提供有力途径。

Description

一种土工离心模型试验设备及开挖模拟方法

技术领域

本发明属于离心模型试验领域，具体涉及一种土工离心模型试验设备及开挖模拟方法。

背景技术

在透水性较强的地层中,基坑渗流稳定是保证基坑安全的重要因素之一。目前基坑渗流问题的研究主要集中在基坑周边局部范围，较少考虑邻近河流水位变化以及基坑开挖期间暴雨入渗等影响因素对基坑渗流稳定的影响。位于长江I级阶地发展的城市，由于I级阶地本身工程地质特性，加之工程实际中基坑周边地下水位的升降极易引发基坑安全事故。因此，正确的模拟基坑周边水位的升降是再现原型工况的前提。

基坑开挖过程中由于基坑土体开挖后，周边土应力重分布引起坑壁发生向基坑侧的侧向位移，若侧向位移过大易导致坑壁坍塌或者影响周边建筑物的正常使用。随着城市建设的发展，深大基坑的设计亦趋频繁。有关学者采用数值模拟、物理模型试验等试验方法对基坑的稳定、周边建筑物的安全性影响展开研究。采用离心模型试验在离心机停机后再开挖土体未能较好地反映实际的开挖工况。因此，如何较好地模拟基坑的开挖反映实际的开挖工况显得颇为重要。如申请公布号 CN 102828531 A公开的土工离心机模型试验中实现地下连续墙沟槽开挖测量系统及施工方法，该装置由模型箱分隔钢板、传感器固定装置、沟槽钢板开挖装置和数据采集系统等组成，其须依附于离心机试验系统进行工作，并根据需要选择装拆。即是先停机再开挖的方式，无法实完全反应开挖工况。

土工离心模型试验通过离心机给模型施加离心力，采用离心场模拟重力场，从而再现原型的应力应变。离心模型试验能够模拟各类岩土工程施工工况，已在岩土工程的各个领域得到广泛的应用。采用离心模型模拟基坑开挖时采用停机再开挖难以反映真实工况，采用液压装置提升开挖土体操作复杂，同时液压装置往往较重，增加了模型侧的配重不利于离心机的安全运行。

发明内容

本发明的目的是为解决上述问题提供一种土工离心模型试验设备及开挖模拟方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种土工离心模型试验设备，包括模型箱，所述模型箱内底部设有储水箱，中上部位于储水箱上通过立设的地连墙板隔出基坑腔和填设有土料的填土腔，所述填土腔内设有通过导管一与所述储水箱连接的用于控制填土腔的水位升降的水位水箱，所述水位水箱与填土腔之间通过密布的渗水孔连通，所述基坑腔与所述储水箱之间通过导管二连接，所述地连墙板上设有用于监测基坑开挖、地下水位变化对地连墙板所承受的内力的应变片和侧向土压力变化的土压传感器。

作为优选，所述基坑腔和填土腔相邻设置，所述水位水箱设于填土腔背向基坑腔一侧的储水箱箱壁上或插设于填土腔内，插设于填土腔内时水位水箱壁周面上布设渗水孔。

作为优选，所述填土腔围设于所述基坑腔外，所述水位水箱贴靠于所述填土腔外侧壁设置或插设于填土腔内，插设于填土腔内时水位水箱壁周面上布设渗水孔。

作为优选，所述填土腔和基坑腔内等高位置水平设有隔水层，所述填土腔内的隔水层夹设于土料内用于防止下方土料中的水向上渗透，所述基坑腔内的隔水层将基坑腔分为位于下部的定料区和位于上部的开挖区，所述导管二向上延伸且管口可开关地连通所述开挖区。

作为优选，所述开挖区为空腔区或所述开挖区内设有靠连地墙板设置的土坡或支撑架，所述开挖区内填充有液体或砂粒，所述定料区填充有土料或液体。支撑架主要为水平支撑结构。

作为优选，所述导管一与水位水箱的通水口位于所述水位水箱的底部，所述导管二与基坑腔的通水口位于基坑腔的中上部，且导管一和导管二上各设有一电磁阀。

作为优选，所述储水箱包括分别与水位水箱和基坑腔连接的两个箱室，且所述导管一和导管二上还各连接有一抽液泵。

一种土工离心模型试验设备实施的开挖模拟方法，包括如下步骤：

一 、将开挖区填充满液体，再通过离心机给模型施加离心场；

二、待填土腔和基坑腔内的土料固结稳定后， 打开阀门将开挖区内的液体通过导管二排入储水箱中，实现基坑腔的开挖工况；

三、开挖稳定后向水位水箱注水，水通过渗水孔渗入填土腔的土料内实现水位的抬升；

四、水位抬升好后，打开导管一的电磁阀， 将水位水箱中的水排入储水箱，填土腔内水位下降。

作为优选，当导管一和导管二上设抽液泵时，步骤一中的填充液体和步骤三中的水位水箱注水可通过抽液泵从两个箱室分别抽液送到开挖区和水位水箱。

作为优选，所述步骤一中的液体为根据土的比重进行配制的水和钾酸铯的混合溶液或水和氯化钙的混合溶液，所述步骤四中根据实际工况水位的枯水位、设防水位与警界水位的水位工况情况，逐次将水位水箱中的水排入储水箱。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、采用本发明土工离心机的模拟水位升降和基坑开挖试验方法。试验操作性强，模型制作方便，可真实的模拟现场基坑周边土体水位的变化以及基坑的开挖过程，为研究基坑壁的稳定性提供有力途径。

2、本发明与现有基坑的开挖及水位的升降的模拟技术相比，其优点在于：可以试验运行过程中方便有效的进行基坑开挖的模拟，同时水位升降还原了现场基坑周边水位升降对基坑的影响，与实际工况相同，确保了试验的准确性。试验方法简单，安装操作方便。

附图说明：

图1是本申请结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例一：

一种土工离心模型试验设备，包括模型箱1，所述模型箱内底部设有储水箱2，中上部位于储水箱上通过立设的地连墙板3隔出基坑腔5和填设有土料的填土腔4，所述填土腔内设有通过导管一21与所述储水箱连接的用于控制填土腔的水位升降的水位水箱6，所述水位水箱与填土腔之间通过密布的渗水孔61连通，所述基坑腔与所述储水箱之间通过导管二22连接，所述地连墙板上设有用于监测基坑开挖、地下水位变化对地连墙板所承受内力的应变片和侧向土压力变化的土压传感器7。

所述基坑腔和填土腔相邻设置，所述水位水箱设于填土腔背向基坑腔一侧的储水箱箱壁上或插设于填土腔内，插设于填土腔内时水位水箱壁周面上布设渗水孔。本实施例中水位水箱设于模型箱箱壁上，水位水箱的宽度为10cm。

所述导管一与水位水箱的通水口位于所述水位水箱的底部，所述导管二与基坑腔的通水口位于基坑腔的中上部，且导管一和导管二上各设有一电磁阀23。

储水水箱采用全封闭焊接而成，上底板内部焊接有加劲肋，用于提高上底板的抗弯刚度。

所述填土腔和基坑腔内等高位置水平设有隔水层8，所述填土腔内的隔水层夹设于土料内用于防止下方土料中的水向上渗透，所述基坑腔内的隔水层将基坑腔分为位于下部的定料区和位于上的开挖区，所述导管二向上延伸且管口可开关地连通所述开挖区。

所述开挖区为空腔区或所述开挖区内设有靠连地墙板设置的土坡51或支撑架，所述开挖区内填充有液体或砂粒，所述定料区填充有土料或液体。支撑架为水平支撑结构。

一种土工离心模型试验设备实施的开挖模拟方法，包括如下步骤：

一 、将开挖区填充满液体，再通过离心机给模型施加离心场；在试验开始前先将填土腔以及定料区填好土，并根据实际开挖工况将开挖区空置或放坡或放支撑架。

二、待填土腔和基坑腔内的土料固结稳定后，根据施工开挖步骤打开阀门将开挖区内的液体通过导管二排入储水箱中，实现基坑腔的开挖工况；

三、开挖稳定后向水位水箱注水，水通过渗水孔渗入填土腔的土料内实现水位的抬升；

四、水位抬升好后，打开导管一的电磁阀，本实施例主要用于模拟长江流域的地质特点的开挖工况，长江流域的地质特性有上层为不透水层，下层为透水层，故采用隔水层的方式真实模拟当地地质状况，且打开阀门后根据长江水位的枯水位、设防水位与警界水位等水位工况情况，按上述水位逐次将水位水箱中的水排入储水箱，填土腔内水位下降。

所述步骤一中的液体为根据土的比重进行配制的水和钾酸铯的混合溶液或水和氯化钙的混合溶液。

通过水与钾酸铯的混合或水和氯化钙的配合得到与土密度相近的液体，从而即可以更加真实地模拟重力场及土料开挖工况，又便于开挖区的充填和排液，便于实现开挖模拟控制，从而无需停机进行开挖。

本申请的土工离心机还包括用于对水位水箱以及开挖区注液的供液系统，供液系统可在施加离心场的情况向水位注水。水位水箱和开挖区的液体通过导管回收入底部的储水水箱。

实施例二：

与上述实施例不同处在于所述填土腔围设于所述基坑腔外，所述水位水箱贴靠于所述填土腔外侧壁设置或插设于填土腔内，插设于填土腔内时水位水箱逄壁周面上布设渗水孔。

实施例三：

与上述实施例不同处在于所述储水箱包括分别与水位水箱和基坑腔连接的两个箱室，且所述导管一和导管二上还各连接有一抽液泵。当导管一和导管二上设抽液泵时，步骤一中的填充液体和步骤三中的水位水箱注水可通过抽液泵从两个箱室分别抽液送到开挖区和水位水箱。从而可省去供液系统的设置。储液箱两个箱室内分别存放水和与土密度相近的液体，且可回收，多次循环利用，也连续进行多次反复试验，得到多组数据，实验结果更准确。

本发明与现有基坑的开挖及水位的升降的模拟技术相比，其优点在于：可以试验运行过程中方便有效的进行基坑开挖的模拟，同时水位升降还原了现场基坑周边水位升降对基坑的影响，与实际工况相同，确保了试验的准确性。试验方法简单，安装操作方便。

Claims (8)

1.一种土工离心模型试验设备，包括模型箱（1），其特征在于：所述模型箱内底部设有储水箱（2），中上部位于储水箱上通过立设的地连墙板（3）隔出基坑腔（5）和填设有土料的填土腔（4），所述填土腔内设有通过导管一（21）与所述储水箱连接的用于控制填土腔的水位升降的水位水箱（6），所述水位水箱与填土腔之间通过密布的渗水孔（61）连通，所述基坑腔与所述储水箱之间通过导管二（22）连接，所述地连墙板上设有用于监测基坑开挖、地下水位变化对地连墙板所承受内力的应变片和侧向土压力变化的土压传感器（7）；所述填土腔和基坑腔内等高位置水平设有隔水层（8），所述填土腔内的隔水层夹设于土料内用于防止下方土料中的水向上渗透，所述基坑腔内的隔水层将基坑腔分为位于下部的定料区和位于上部的开挖区，所述导管二向上延伸且管口可开关地连通所述开挖区；所述填土腔围设于所述基坑腔外，所述水位水箱贴靠于所述填土腔外侧壁设置或插设于填土腔内，插设于填土腔内时水位水箱逄壁周面上布设渗水孔。

2.根据权利要求1所述一种土工离心模型试验设备，其特征在于：所述基坑腔和填土腔相邻设置，所述水位水箱设于填土腔背向基坑腔一侧的储水箱箱壁上或插设于填土腔内，插设于填土腔内时水位水箱壁周面上布设渗水孔。

3.根据权利要求1所述一种土工离心模型试验设备，其特征在于：所述开挖区为空腔区或所述开挖区内设有靠连地墙板设置的土坡（51）或支撑架，所述开挖区内填充有液体或砂粒，所述定料区填充有土料或液体。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述一种土工离心模型试验设备，其特征在于：所述导管一与水位水箱的通水口位于所述水位水箱的底部，所述导管二与基坑腔的通水口位于基坑腔的中上部，且导管一和导管二上各设有一电磁阀（23）。

5.根据权利要求4所述一种土工离心模型试验设备，其特征在于：所述储水箱包括分别与水位水箱和基坑腔连接的两个箱室，且所述导管一和导管二上还各连接有一抽液泵。

6.一种利用上述任一权利要求所述的土工离心模型试验设备实施的开挖模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

一 、将开挖区填充满液体，再通过离心机给模型施加离心场；

二、待填土腔和基坑腔内的土料固结稳定后，打开阀门将开挖区内的液体通过导管二排入储水箱中，实现基坑腔的开挖工况；

三、开挖稳定后向水位水箱注水，水通过渗水孔渗入填土腔的土料内实现水位的抬升；

四、水位抬升好后，打开导管一的电磁阀，将水位水箱中的水排入储水箱，填土腔内水位下降。

7.根据权利要求6所述一种开挖模拟方法，其特征在于：当导管一和导管二上设抽液泵时，步骤一中的填充液体和步骤三中的水位水箱注水可通过抽液泵从两个箱室分别抽液送到开挖区和水位水箱。

8.根据权利要求6所述一种开挖模拟方法，其特征在于：所述步骤一中的液体为根据土的比重进行配制的水和钾酸铯的混合溶液或水和氯化钙的混合溶液，所述步骤四中根据实际工况水位的枯水位、设防水位与警界水位的水位工况情况，逐次将水位水箱中的水排入储水箱。

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