CN109580368A - 一种多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置，在一顶部开口的模型箱内竖直嵌有模拟地下连续墙的支护板，支护板上设有弯矩应变片，支护板及分隔板将模型箱的内部空间分成实验区、水位控制箱区以及伺服电机控制区；实验区分为多层承压含水层与黏性隔水层互层构成的地基土层区和开挖区，开挖区的下部为地基土，上部为模拟开挖土的土袋，地基土内布置有土力计，在地基土的表面和支护板上分别设有位移计；水位控制箱区分为对应各承压含水层水位及潜水位的多个控制区，之间有可控阀门，伺服电机控制阀门的开闭，保持水位在预设值，在实验过程中控制阀门实现水位的动态变化。本发明的优点是操作方便、功能丰富、精度高、误差小。

Description

一种多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试 验装置

技术领域

本发明属于岩土工程离心物理实验模拟技术领域，尤其是涉及一种多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置。

背景技术

城市的快速发展对地下空间开发提出了新的要求，大量超大超深的基坑工程随之涌现，并且由于发达城市主要集中在滨海及沿江地区，而这些地区地层条件复杂，并分布着丰富的承压水。承压水对深基坑工程安全及稳定有着重要影响，动态变化的承压水是深基坑工程变形及失稳的关键因素之一。

传统岩土工程1g模型试验是在常重力条件下进行的，由于常为缩尺模型，依据土体自重应力，缩尺模型带来的是土体深度的倍缩，进而改变土体自重应力场，不能反映现场实际的应力状态，导致模型试验无法模拟实际工程所产生的种种现象。

土工离心模型试验能够真实模拟重力场的存在，再现工程实际应力状态，被广大学者公认是目前进行岩土工程技术研究中最先进、最有效的试验方法，土工离心模型试验相对于原型观测、室内常重力场试验机数值分析模拟方法具有不可替代和独特的优势。

此外，传统的基坑开挖模型试验在研究基坑开挖失稳时存在几个明显的问题，包括：模型试验系统不能模拟承压水动态变化的地层条件，无法很好地考虑多层土及承压水对深基坑工程影响这一因素，研究情况过于局限（丁春林等，2008），对复杂的地层条件下的基坑开挖模拟仍不足，如多层承压水及动态承压水等对基坑失稳的影响（李镜培等，2012），并且模拟的基坑尺寸相对较小，不能很好的反映深基坑开挖的受力及变形情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要提供一种实现多层承压水作用下深基坑开挖，且便于观察的多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置。

为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置，在一顶部开口的模型箱内竖直嵌有用于模拟地下连续墙的支护板，支护板上设有检测弯矩应变值的弯矩应变片，支护板及其两侧的分隔板将模型箱的内部空间分成实验区、水位控制箱区以及伺服电机控制区；所述实验区分为地基土层区与开挖区，所述地基土层区为多层承压含水层与黏性隔水层互层构成，所述开挖区的下部为地基土，开挖区的上部为模拟开挖土的土袋，所述地基土内布置有检测地基土压力值的土压力传感器，在地基土的表面和支护板上分别设有位移计以测量地基土顶面位移和支护板顶端位移；所述水位控制箱区包括多个分区水箱，分区水箱经分隔板分为对应各承压含水层水位及潜水位的控制区，各分区之间设置可控阀门，并通过伺服电机控制阀门的开闭，保持水位在预设值，并在实验过程中控制阀门实现水位的动态变化，且各个分区水箱底部设置孔压计；所述模型箱的前面板为透明材质，前面板与两侧的侧板及底板紧密连接，模型箱的前部外设拍摄装置；

试验装置的模拟试验方法包括如下的步骤：

步骤1）、黏性隔水层、承压含水层分别采用高岭土与砂土制备，将高岭土按实际含水率加水搅拌制成重塑土可得黏性隔水层土样，将砂土去除颗粒杂质并烘干得到承压含水层土样，砂土采用落雨法制备；

2）将步骤1中的黏性隔水层土样和承压含水层土样分层布置，承压含水层土样的相对密度通过落雨法下落高度控制，承压含水层土样布置后加水至土层表面，通过将模型箱与分区水箱的阀门打开注水，并保持水位高度与土层顶部相等使砂层饱和，而后再加入制备好的高岭土；

3）启动离心机使土样固结至一定程度后，重复步骤2形成多层承压含水层与黏性隔水层互层的地层条件，并再次启动离心机使土样固结，并在置入每层地基土层的过程中布置土压力传感器及孔压计；

4）注水至分区水箱，控制各层的水位在预定值并保持稳定后，插入支护板并继续启动离心机，记录地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

5）通过伺服电机打开带过滤膜的可控阀门进行降水，降水完成后通过开挖装置分层开挖土体并安装多层基坑支护结构，启动离心机并记录支护板顶端位移、地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

6）重复步骤5直至开挖完成并安装所有基坑支护结构，在坑底地基土中心及一侧布置位移计，并记录支护板顶端位移、地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

7）通过分区水箱控制承压水水位的变化并观察开挖区内外地基土的变化，并记录各项土体位移、支护板顶端位移、地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

在模拟试验过程中用拍摄装置通过前面板的观测窗口对地基土层区进行局部拍照，经PIV图像处理技术，真实定量分析土体位移及变形的发展，完成一组实验后，在前述步骤基本相同的情况下，分别调整第一承压含水层水位控制箱、 潜水水位控制箱、第二承压含水层水位控制箱里的水位，实现不同承压含水层不同水位作用下的深基坑开挖的模拟。

所述开挖区的支护板内壁上布置多层平行凹槽，并在分隔板上第二承压含水层对应区域设置带过滤膜的可控排水阀门。

所述支护板的顶端伸出地基土层区的外部，支护板的表面设有环氧涂层。支护板用于模拟基坑支护墙，根据抗弯强度等效原则确定尺寸。

所述分隔板之间通过螺丝固定，并在连接处涂抹防水胶，所述支护板及分隔板和模型箱的连接处涂抹防水胶。

所述黏性隔水层布置于第一承压含水层上部及第一承压含水层与第二承压含水层之间，组成多层承压含水层与黏性隔水层互层的地基土层区。

本发明的优越功效在于：

1） 本发明操作方便，能很好地模拟承压水作用下深基坑开挖引起的变形及位移，通过土压力传感器、孔压计、应变片、位移计及PIV图像技术等记录和测试深基坑开挖过程支护板及土体的变形及位移，以及水压力的变化；

2） 本发明适用于复杂地层条件下的深基坑离心模型试验，模拟多层地基土深基坑开挖过程中潜水位与承压水水位的动态变化，量测动态变化潜水与多层承压水作用下深基坑的水土压力及变形，并利用玻璃观测窗和高清数码相机结合PIV图像处理技术观察试验过程中土体变形的发展情况，整理相关试验数据并确定多层地基土及承压水底层条件下深基坑受力和变形发展规律等问题，为潜水及承压水动态变化等复杂地下水环境引起的深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。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的侧视图；

图2为本发明的俯视图；

图中标号说明：

1－模型箱； 2－玻璃观测窗；

3－排水箱； 4－补给箱；

5－第一承压含水层水位控制箱； 6－潜水水位控制箱；

7－第二承压含水层水位控制箱； 8－伺服系统；

9－支护板； 10－分隔板；

11－第一承压含水层； 12－第二承压含水层；

13－黏性隔水层； 14－开挖区；

15－基坑支护结构； 16—可控阀门；

17－带过滤膜的可控排水阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置，在一顶部开口的模型箱1内竖直嵌有用于模拟地下连续墙的支护板9，支护板9上设有检测弯矩应变值的弯矩应变片，支护板9及其两侧的分隔板10将模型箱1的内部空间分成实验区、水位控制箱区以及伺服电机控制区。所述实验区分为地基土层区与开挖区14，所述地基土层区为第一承压含水层11、第二承压含水层12与黏性隔水层13互层构成。所述开挖区14的下部为地基土，开挖区14的上部为模拟开挖土的土袋，根据需求将围护墙体的内部空间分成若干开挖区，基坑支护结构15可拆卸的地分层安装在开挖区内，并与开挖区的内壁连接。开挖区内的地基土及围护墙体上布置土压力传感器、弯矩应变片和激光位移计。承压含水层内布置土压力传感器和孔压计，黏性隔水层内布置土压力传感器。

所述开挖区的支护板9内壁上布置多层平行凹槽，并在分隔板10上第二承压含水层对应区域设置带过滤膜的可控排水阀门17。

所述支护板9的顶端伸出地基土层区的外部，支护板9的表面设有环氧涂层。支护板9用于模拟基坑支护围护墙体，根据抗弯强度等效原则确定尺寸。

所述分隔板之间通过螺丝固定，并在连接处涂抹防水胶，所述支护板及分隔板和模型箱的连接处涂抹防水胶。

所述水位控制箱区包括多个分区水箱，分区水箱经分隔板10分为对应各承压含水层水位及潜水位的控制区，各分区之间设置可控阀门16，并通过伺服电机8控制阀门的开闭，保持水位在预设值，并在实验过程中控制阀门实现水位的动态变化。各个分区水箱底部设置孔压计。

所述排水箱3、补给箱4、第一承压含水层水位控制箱5、潜水水位控制箱6、第二承压含水层水位控制箱7构成多个分区水箱，与可控阀门16、伺服系统8共同组成的水位控制系统布置于模型箱1的一侧。

所述模型箱1的前面板为透明玻璃，前面板与两侧的侧板及底板紧密连接，在模型箱1的前部外设高清数码相机拍照使用，玻璃观测窗2方便观察实验过程中土体塑性发展情况。

试验装置的模拟试验方法包括如下的步骤：

步骤1）、黏性隔水层13、第一承压含水层11、第二承压含水层12分别采用高岭土与砂土制备，将高岭土按实际含水率加水搅拌制成重塑土可得黏性隔水层土样，将砂土去除颗粒杂质并烘干得到承压含水层土样，砂土采用落雨法制备；

2）将步骤1中的黏性隔水层土样和承压含水层土样分层布置，第二承压含水层12的相对密度通过落雨法下落高度控制，第二承压含水层12布置后加水至土层表面，通过将模型箱1与第二承压含水层水位控制箱7的阀门打开注水，并保持水位高度与土层顶部相等使砂层饱和，而后再加入制备好的高岭土填充至黏性隔水层13的预设高度，实际高度为20m±5m；

3）启动离心机使土样固结至一定程度后，重复步骤2黏性隔水层13及第一承压含水层11，形成多层承压含水层与黏性隔水层互层的地层条件，并再次启动离心机使土样固结，并在置入每层地基土层的过程中布置土压力传感器及孔压计；

4）注水至分区水箱，控制各层的水位在预定值，潜水位为实际水位埋深0m，第一、第二承压含水层的水位均为实际水位埋深3m，并保持稳定后，插入支护板9并继续启动离心机，记录地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

5）通过伺服电机8打开带过滤膜的可控阀门17进行降水，降水完成后通过开挖装置分层开挖土体并安装多层基坑支护结构15，启动离心机并记录支护板顶端位移、地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

6）重复步骤5直至开挖完成并安装所有基坑支护结构15，在坑底地基土中心及一侧布置位移计，并记录支护板顶端位移、地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

7）通过分区水箱中第二承压含水层水位控制箱7控制第二承压含水层水位的变化，保持第一承压含水层水位及潜水位稳定，并观察开挖区14内外地基土的位移及变形规律，并记录土体位移、支护板顶端位移、地基土压力值、土体孔隙水压力值各项数据；完成后通过第一承压含水层水位控制箱5控制第一承压含水层水位的变化，保持第二承压含水层水位及潜水位稳定，并观察开挖区14内外地基土及支护的位移及变形规律，并记录土体位移、支护板顶端位移、地基土压力值、土体孔隙水压力值各项数据。

在模拟试验过程中用高清数码相机通过玻璃观测窗2对试样进行局部拍照，经PIV图像处理技术，真实定量分析土体位移及变形的发展，完成一组实验后，在前述步骤基本相同的情况下，分别调整第一承压含水层水位控制箱5、潜水水位控制箱6、第二承压含水层水位控制箱7里的水位，实现不同承压含水层不同水位作用下的深基坑开挖的模拟。

所述基坑支护结构15拆卸式分层安装在开挖区14内，所述基坑支护结构15为铝合金圆筒型。

以上所述仅为本发明的优先实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内之内。

Claims (4)

1.一种多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置，其特征在于：在一顶部开口的模型箱内竖直嵌有用于模拟地下连续墙的支护板，支护板上设有检测弯矩应变值的弯矩应变片，支护板及其两侧的分隔板将模型箱的内部空间分成实验区、水位控制箱区以及伺服电机控制区；所述实验区分为地基土层区与开挖区，所述地基土层区为多层承压含水层与黏性隔水层互层构成，所述开挖区的下部为地基土，开挖区的上部为模拟开挖土的土袋，所述地基土内布置有检测地基土压力值的土压力传感器，在地基土的表面和支护板上分别设有位移计以测量地基土顶面位移和支护板顶端位移；所述水位控制箱区包括多个分区水箱，分区水箱经分隔板分为对应各承压含水层水位及潜水位的控制区，各分区之间设置可控阀门，并通过伺服电机控制阀门的开闭，且各个分区水箱底部设置孔压计；所述模型箱的前面板为透明材质，模型箱的前部外设拍摄装置；

试验装置的模拟试验方法包括如下的步骤：

步骤1）、黏性隔水层、承压含水层分别采用高岭土与砂土制备，将高岭土按实际含水率加水搅拌制成重塑土可得黏性隔水层土样，将砂土去除颗粒杂质并烘干得到承压含水层土样，砂土采用落雨法制备；

2）将步骤1中的黏性隔水层土样和承压含水层土样分层布置，承压含水层土样的相对密度通过落雨法下落高度控制，承压含水层土样布置后加水至土层表面，通过将模型箱与分区水箱的阀门打开注水，并保持水位高度与土层顶部相等使砂层饱和，而后再加入制备好的高岭土；

3）启动离心机使土样固结至一定程度后，重复步骤2形成多层承压含水层与黏性隔水层互层的地层条件，并再次启动离心机使土样固结，并在置入每层地基土层的过程中布置土压力传感器及孔压计；

4）注水至分区水箱，控制各层的水位在预定值并保持稳定后，插入支护板并继续启动离心机，记录地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

5）通过伺服电机打开带过滤膜的可控阀门进行降水，降水完成后通过开挖装置分层开挖土体并安装多层基坑支护结构，启动离心机并记录支护板顶端位移、地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

6）重复步骤5直至开挖完成并安装所有基坑支护结构，在坑底地基土中心及一侧布置位移计，并记录支护板顶端位移、地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

7）通过分区水箱控制承压水水位的变化并观察开挖区内外地基土的变化，并记录各项土体位移、支护板顶端位移、地基土压力值和土体孔隙水压力值各项数据；

在模拟试验过程中用拍摄装置通过前面板的观测窗口对地基土层区进行局部拍照，经PIV图像处理技术，真实定量分析土体位移及变形的发展，完成一组实验后，在前述步骤基本相同的情况下，分别调整第一承压含水层水位控制箱、 潜水水位控制箱、第二承压含水层水位控制箱里的水位，实现不同承压含水层不同水位作用下的深基坑开挖的模拟。

2.根据权利要求1所述的多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置，其特征在于：所述开挖区的支护板内壁上布置多层平行凹槽，并在分隔板上第二承压含水层对应区域设置带过滤膜的可控排水阀门。

3.根据权利要求1所述的多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置，其特征在于：所述分隔板之间通过螺丝固定，并在连接处涂抹防水胶，所述支护板及分隔板和模型箱的连接处涂抹防水胶。

4.根据权利要求1所述的多层承压水分层地层中深基坑开挖变形性状离心模型试验装置，其特征在于：所述黏性隔水层布置于第一承压含水层上部及第一承压含水层与第二承压含水层之间，组成多层承压含水层与黏性隔水层互层的地基土层区。