CN110820711A - 一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，包括模型箱(1)、模型箱(1)上方的降雨架(7)、与降雨架(7)连接的降水组件以及与显示终端连接的试验监控组件，所述的降水组件包括通过导水管(8)依次连接的水桶(18)、高压雾化水泵(15)和雾化喷头(9)，所述的高压雾化水泵(15)通过依次连接的电阻式旋转开关(16)和变送器(17)与电源连接。与现有技术相比，本发明具有等简单灵活、方便移动和成本低优点。

Description

一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基坑模型试验装置，尤其是涉及一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置及方法。

背景技术

我国滨海地区水文、地质条件复杂且降雨充沛，具有降雨强度大、持续时间长、分布范围广的特点，经常遭受暴雨侵袭进而导致一系列城市基础设施失效，如路堤垮塌、地铁车站雨水倒灌、在建基坑滑坡、坍塌、围护结构渗漏及诱发临近建(构)筑物与地下管线设施位移破坏等，造成严重的经济损失人员伤亡，如2014年8月22日发送的浙江省暴雨洪涝灾害共造成50余万人受灾，直接经济损失14亿元。在暴雨的作用中，雨水不断入渗到土体内部，导致地下水位不断上升，从而渗流场发生突变导致地基土破坏，如流沙、管涌何渗蚀掏空等；同时在暴雨的浸泡作用下，地基土有非饱和状态转化为饱和状态，抗剪强度衰减，大概率引发基坑坑内滑坡、坍塌、围护结构失稳，进而导致临近建(构)筑物或基础设施坍塌等灾变失效事故。因此，有必要在暴雨气候下对多种支护形式深基坑发生冲刷、渗流侵蚀的灾变机理进行研究，探讨周围环境破坏而导致城市基础设施耦联灾变的演化机制并研究相关灾变控制技术；在此基础上，提出能有效防止由于渗流场改变，渗流侵蚀、冲刷所诱发的环境破坏与基础设施灾变控制技术并用于工程实际。

目前，现有技术也提出了一些深基坑试验装置，中国专利CN105961102A提出了一种降雨模拟装置，主要由降雨装置、分级控水装置和模型箱组成，所述的降雨装置包括模型箱顶部管道上固定安装的数个喷头，所述的分级控水装置包括一根主进水管和若干导水管，导水管通过主进水管上的可转动管道数相同，该装置结构简单实用、易于操控、造价低、占地较小，适用于地质力学和其他工业、交通等领域的降雨模拟实验。

但该发明所提出的降雨模拟装置有以下三点问题：

一是该装置只能产生均匀雨型，无法实时模拟不同强度的暴雨雨型；

二是该装置无法实现不同区域分布降雨；

三是该装置不方便移动，搬迁困难。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置及方法，该装置能够生成不同降雨类型以及降雨分布区域，同时可以模拟多种支护形式的深基坑试验，具有方便灵巧、成本低、精度高和操作简单等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，包括模型箱、模型箱上方的降雨架、与降雨架连接的降水组件、与显示终端连接的试验监控组件，所述的降水组件包括通过导水管依次连接的水桶、高压雾化水泵和雾化喷头，所述的高压雾化水泵通过依次连接的电阻式旋转开关和变送器与电源连接。

进一步地，通过旋转电阻式旋转开关的旋转开关调节高压雾化水泵的压力等梯度变化，通过变送器可以将220v交流电转化成高压雾化水泵的工作电压下的直流电。

进一步地，所述的模型箱四周的侧板和挡板均采用聚甲基丙烯酸甲酯有机透明玻璃板，便于观察试验过程中土体冲刷和侵蚀流失等灾变现象，其底板采用钢板，增加模型箱的载重能力和稳定性；

所述的模型箱内的两侧设有两块挡板，其中一块挡板上半部分割成3块可拆卸的小板，便于模拟基坑内支撑支护开挖时能够快速挖出坑内土体，该挡板的分割剩余部分以及另一块挡板上开有若干直径为1cm的透水孔，两块挡板与模型箱两侧的侧壁构成两个水槽，其中一侧壁上开有排水孔，模型箱内和水槽之间通过透水孔水流交换；

所述的模型箱底部设有模型箱滑轮，便于模型箱的移动。

进一步地，所述的降雨架的四根立柱为可伸缩式立柱并通过松紧螺丝调节高度，所述的立柱底部设有降雨架滑轮，实现了降雨架可以朝任意方向自由移动。

所述的雾化喷头设置于降雨架顶部的横梁上且雾化喷头上方设有控制降水开关的喷头按压开关，通过控制不同区域的雾化喷头开关模拟试验中降雨不均匀的情况。

决定此处是否进行降雨，从而达到暴雨不同分布的特点，模拟实际暴雨中不均匀分布的情况。

进一步地，所述的试验监控组件与显示终端连接，包括高清4K摄像机、微型土压力传感器和孔隙水压力传感器，该摄像机设置于模型箱的正前方和斜上方，用于观察土体表面的颗粒位移情况，所述的微型土压力传感器和孔隙水压力传感器分层置于土样中，采用压阻式传感器，接口及壳体采用不锈钢所封装。

一种利用可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置实现的深基坑多支护形式试验方法，包括：

S1：在模型箱内两块挡板内侧布置透水纱布，装填土样至预期高度并在土样中分层埋填微型土压力传感器和孔隙水压力传感器；

S2：选择一种基坑支护形式并添加对应的支护构件；

S3：打开高压喷雾水泵，通过调节电阻式旋转开关和各个雾化喷头的喷头按压开关对应控制降雨强度和降雨区域，并通过显示终端查看微型土压力传感器、孔隙水压力传感器和摄像机的采集信息；

其中，所述的基坑支护形式包括临时放坡、预应力锚索复合土钉墙和地连墙内支撑；

所述的电阻式旋转开关控制降雨强度的标定过程具体为：

在模型箱内放一个漏斗，该漏斗下方设有刻度杯，将电阻式旋转开关调节到最大值并打开高压雾化水泵，当降雨时间达到设定的周期后关闭高压雾化水泵，测量刻度杯中的体积并将该体积除以模型箱的横截面积获得降雨强度值，取多次标定操作获得的降雨强度值平均值为最大降雨强度值，并将该最大降雨强度值与电阻式旋转开关的旋转开关刻度值进行对应，完成标定。

进一步地，所述的临时放坡和预应力锚索复合土钉墙试验中面层采用尼龙纱网表面喷射水泥浆的方法制成，所述的面层用于透水且防止土颗粒流失。

支护形式为预应力锚索复合土钉墙时预应力锚索由高强度松紧橡皮筋与木棒组成，由橡皮筋的拉力来模拟锚杆的预应力作用，土钉采用木棒，内支撑表面覆有用于测量内支撑微小变形的应变片；

支护形式为地连墙内支撑时内支撑采用采用木棍，地连墙采用聚氯乙烯透明塑料板即PVC板，土体表面布置位移传感器以监测地表位移变化。

进一步地，可通过雾化喷头模拟不同暴雨强度和暴雨雨型，通过在不同时段调节电阻式旋转开关使不同时段对应不同降雨强度从而实现不同的暴雨雨型，暴雨雨型包括芝加哥雨型、SCS雨型、Huff雨型、Pilgrim和Cordery雨型。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明的深基坑试验装置所采用的降水组件包括通过导水管依次连接的水桶、高压雾化水泵和雾化喷头，高压雾化水泵通过依次连接的电阻式旋转开关和变送器与电源连接，可通过调节电阻式旋转开关的旋转开关调节高压雾化水泵的压力等梯度变化，同时根据高压雾化水泵降雨强度对调节电阻式旋转开关的旋转开关进行标定，可精准地控制降雨强度以降雨类型，可模拟不同支护形式的深基坑试验，丰富了深基坑试验装置的模拟场景，提高了试验结果的精度，且装置的结构简单，成本低；

(2)本发明的雾化喷头上设有喷头按压开关，通过喷头按压开关控制不同区域的雾化喷头的开关，实现自由降雨，操作简单，若模拟特大暴雨等降雨强度超过装置最大降雨量的情景，只需叠加降雨设备即可增加，安装简单，灵活性好；

(3)本发明的降雨架的四根立柱为可伸缩式立柱并通过松紧螺丝调节高度，所述的立柱底部设有降雨架滑轮，降雨架可以朝任意方向自由移动，同时模型箱底部设有模型箱滑轮，使得整个深基坑试验装置组装和移动方便；

(4)本发明模型箱的两侧通过挡板组成两个水槽，模型箱两侧以及挡板采用透聚甲基丙烯酸甲酯有机透明玻璃板，便于观察灾变现象以及模型箱内水位高度的变化，便于观察水位以及调节水位至试验所需的高度，可模拟同初始水位条件下暴雨导致基坑渗流场变化所引发的城市基础设施破坏灾变机理。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本装置隔板结构示意图；

图3为本装置电阻式旋转开关的结构示意图；

图4为本装置雾化喷头的结构示意图；

图5为本装置模拟基坑临时放坡支护形式时的结构示意图；

图6为本装置模拟基坑预应力锚索复合土钉墙支护形式时的结构示意图；

图7为本装置模拟基坑地连墙-内支撑支护形式时的结构示意图；

图8为本装置降雨标定的结构示意图。

图中标号说明：

1-模型箱，2-水槽，3-排水孔，4-挡板，5-透水孔，6-模型箱滑轮，7-降雨架，8-导水管，9-雾化喷头，10-横梁，11-松紧螺丝，12-立柱，13-降雨架滑轮，14-摄像机，15-高压雾化水泵，16-电阻式旋转开关，17-变送器，18-水桶，19-旋转开关，20-喷头按压开关，21-透水纱布，22-面层，23-土压力传感器，24-孔隙水压力传感器，25-预应力锚索，26-土钉，27-内支撑，28-应变片，29-地连墙，30-位移传感器，31-漏斗，32-刻度杯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，如图1，包括模型箱1、降雨架7、与降雨架7连接的降水组件、模型箱1内的试验监控组件。

模型箱1尺寸为1.6m×0.6m×1.0m，模型箱1内的两侧设有两块挡板4，两块挡板4与模型箱1两侧的侧壁构成两个水槽2，其中一侧壁上开有排水孔3，水槽2的尺寸为0.2m×0.6m×1.0m。

模型箱1四周的侧板和挡板4均采用聚甲基丙烯酸甲酯有机透明玻璃板PMMA，便于观察试验过程中土体冲刷和侵蚀流失现象，其底板采用钢板，增加模型箱1的载重能力和稳定性，模型箱1底部设有模型箱滑轮6，其中一块挡板4上半部分割成3块可拆卸的小板，该挡板4的分割剩余部分以及另一块挡板4上开有若干透水孔5，通过透水孔5实现水流交换，并用高密度透水纱布21贴在挡板4内侧以防土体颗粒流失。

降雨架7位于模型箱1上方，降雨架7的四根立柱12为可伸缩式立柱并通过松紧螺丝11调节高度，立柱12底部设有降雨架滑轮13。

雾化喷头9设置于降雨架7顶部的横梁10上且其上方设有控制降水开关的喷头按压开关20。

降水组件包括通过导水管8依次连接的水桶18、高压雾化水泵15和雾化喷头9，高压雾化水泵15通过依次连接的电阻式旋转开关16和变送器17与电源连接。

试验监控组件与显示终端连接，包括两个摄像机14、微型土压力传感器23和孔隙水压力传感器24，两个摄像机14为数码高清4K摄像机且分别设置于模型箱1的正前方和斜上方，用于观察土体的灾变发展变化过程。

微型土压力传感器23和孔隙水压力传感器24分层置于土样中，采用压阻式传感器，接口及壳体采用不锈钢所封装。

实施例二

对应实施例一中的一种利用可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置实现的深基坑多支护形式试验方法，包括：

S1：在模型箱1内两块挡板4内侧布置透水纱布21，装填土样至预期高度并在土样中分层埋填微型土压力传感器23和孔隙水压力传感器24，并完成一次预降雨；

S2：选择一种基坑支护形式并添加对应的支护构件；

S3：打开高压喷雾水泵13，通过调节电阻式旋转开关16和各个雾化喷头9的喷头按压开关20对应控制降雨强度和降雨区域，并通过显示终端查看微型土压力传感器23、孔隙水压力传感器24和摄像机14的采集信息。

电阻式旋转开关16控制降雨强度的标定过程具体为：

在模型箱1内放一个采用塑料布自制的漏斗31，该漏斗31下方设有用于收集降水的刻度杯32，将电阻式旋转开关16调节到最大值并打开高压雾化水泵15，当降雨时间达到3分钟后关闭高压雾化水泵15，测量刻度杯32中的体积并将该体积除以模型箱1的横截面积获得降雨强度值，取多次标定操作获得的降雨强度值平均值为最大降雨强度值R_t，并将R_t与电阻式旋转开关16的旋转开关19的刻度值进行对应，完成标定，如果模拟降雨强度超过R_t的特大暴雨等情景，由于本降雨装置具有小巧便携的特点，只需叠加降水组件即可。

步骤S1中装填土样采用落雨法，分层进行压实，每当土样达到一定高度时在预定位置埋设对应的微型土压力传感器23和孔隙水压力传感器24，不断填装土样，直至到试验预期高度；

步骤S1中预降雨过程为：土样填装完毕后进行预降雨，降雨过程中打开底部的排水孔3，当排水孔3开始向外排水时停止降雨，并将试验模型静置一个星期，模拟初始地应力场和渗流场。

其中，步骤S2选择基坑支护形式包括临时放坡、预应力锚索复合土钉墙和地连墙内支撑，面层22采用尼龙纱网表面喷射水泥浆的方法制成；

图5为本装置模拟基坑临时放坡支护形式时的结构示意图，方法具体为：按模拟试验预期尺寸将整个模型进行开挖削坡处理，然后放置面层22，该面层22按照实际工程的做法在坡顶保留一定的搭接长度。

图6为本装置模拟基坑预应力锚索复合土钉墙支护形式时的结构示意图，预应力锚索25由高强度松紧橡皮筋与木棒组成，由橡皮筋的拉力来模拟锚杆的预应力抗拉作用，由木棒模拟锚杆的抗剪作用，土钉26采用木棒，结构设置过程为：

按照模拟试验预期尺寸进行开挖：先开挖高度为h₁的土层，h₁为基坑深度的1/4，并在预定位置慢慢旋转式打入锚索25并施加预应力，由上往下以此类推，开挖深度不断加深，并在相应的位置慢慢打入土钉26，直至开挖至坑底，最后铺设面层22，并在坡顶保留一定的搭接长度。

图7为本装置模拟基坑地连墙-内支撑支护形式时的结构示意图，地连墙29采用聚氯乙烯透明塑料板即PVC板并嵌入土体内，每进行一部开挖就布置一道内支撑27，直至挖至坑底，内支撑27采用采用木棍，内支撑27表面覆有用于测量内支撑27微小变形的应变片28，在土体表面布置位移传感器30以监测地表位移变化，结构设置过程为：

在预定位置插入地连墙29，然后先开挖高度为h₂的土层，h₂为基坑深度的1/3，然后放置内支撑27，内支撑27一端固定在挡板4上，一端固定在地连墙29上，之后以此类推不断向下开挖，直至开挖至坑底。

步骤S3中可通过雾化喷头模拟不同暴雨雨型，如芝加哥雨型、SCS雨型、Huff雨型、Pilgrim和Cordery雨型，具体过程为：

将暴雨过程时间T等分成t₁，t₂……t_n，根据历时长短和不用的暴雨雨型确定份数n的大小，然后通过调节电阻式旋转开关16将降雨强度调整到t₁，t₂……t_n对应的雨强大小R₁，R₂……R_n，从而完成对多种复杂不同的暴雨雨型的模拟。

步骤S3中通过高清数码4k摄像机14拍摄记录基坑发生破坏的每一帧高清灾变过程，并借助MATLAB软件编写的图像处理程序对拍摄的图像进行处理，得到冲刷渗流侵蚀过程中土体的水平位移图、竖向位移图和位移矢量图；并通过微型土压力传感器23、孔隙水压力传感器24实时监测基坑内不同位置处土压力和孔隙水压力的数据变化，最终整理数据，绘制成暴雨作用下的深基坑土压力、孔隙水压力变化曲线并通过显示终端查看。

实施例一和实施例二提出了一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置及方法，装置中降雨架7可移动，可控制雾化喷头9开关，雾化喷头9的喷水强度可调节，该装置能够模拟在不同降雨雨型、降雨分布和降雨强度情况下的深基坑发生冲刷、渗流和侵蚀破坏的灾变发展过程，并且可以模拟多种基坑支护形式在暴雨作用下发生破坏的灾变机理，同时也可以模拟分析初始不同水位条件下，暴雨入渗导致渗流场发生改变，所导致土体管涌破坏的现象规律，具有方便灵巧、成本低、精度高和操作简单等优点。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，包括模型箱(1)、模型箱(1)上方的降雨架(7)、与降雨架(7)连接的降水组件以及与显示终端连接的试验监控组件，其特征在于，所述的降水组件包括通过导水管(8)依次连接的水桶(18)、高压雾化水泵(15)和雾化喷头(9)，所述的高压雾化水泵(15)通过依次连接的电阻式旋转开关(16)和变送器(17)与电源连接。

2.根据权利要求1所述的一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，其特征在于，所述的雾化喷头(9)设置于降雨架(7)顶部的横梁(10)上且雾化喷头(9)上方设有控制降水开关的喷头按压开关(20)。

3.根据权利要求1所述的一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，其特征在于，所述的降雨架(7)的四根立柱(12)为可伸缩式立柱并通过松紧螺丝(11)调节高度。

4.根据权利要求3所述的一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，其特征在于，所述的立柱(12)底部设有降雨架滑轮(13)。

5.根据权利要求1所述的一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，其特征在于，所述的模型箱(1)内的两侧设有两块挡板(4)，所述的两块挡板(4)与模型箱(1)两侧的侧壁构成两个水槽(2)，其中一侧壁上开有排水孔(3)。

6.根据权利要求5所述的一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，其特征在于，其中一块挡板(4)上半部分割成3块可拆卸的小板，该挡板(4)的分割后剩余的下半部分以及另一块挡板(4)上开有若干透水孔(5)。

7.根据权利要求5所述的一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，其特征在于，所述的模型箱(1)四周的侧板和挡板(4)均采用聚甲基丙烯酸甲酯有机透明玻璃板，所述的模型箱(1)的底板采用钢板。

8.根据权利要求1所述的一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，其特征在于，所述的模型箱(1)底部设有模型箱滑轮(6)。

9.根据权利要求1所述的一种可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置，其特征在于，所述的试验监控组件包括摄像机(14)、微型土压力传感器(23)和孔隙水压力传感器(24)，该摄像机(14)设置于模型箱(1)的相邻两侧，所述的微型土压力传感器(23)和孔隙水压力传感器(24)分层置于土样中。

10.一种利用如权利要求1所述的可调节降雨的深基坑多支护形式试验装置实现的深基坑多支护形式试验方法，其特征在于，包括：

S1：在模型箱(1)内两块挡板(4)内侧布置透水纱布(21)，装填土样至预期高度并在土样中埋填微型土压力传感器(23)和孔隙水压力传感器(24)；

S2：选择一种基坑支护形式并添加对应的支护构件；

S3：打开高压喷雾水泵(13)，通过调节电阻式旋转开关(16)和各个雾化喷头(9)的喷头按压开关(20)对应控制降雨强度和降雨区域，并通过显示终端查看微型土压力传感器(23)、孔隙水压力传感器(24)和摄像机(14)的采集信息；

其中，所述的基坑支护形式包括临时放坡、预应力锚索复合土钉墙和地连墙内支撑；

所述的电阻式旋转开关(16)控制降雨强度的标定过程具体为：

在模型箱(1)内放一个漏斗(31)，该漏斗(31)下方设有刻度杯(32)，将电阻式旋转开关(16)调节到最大值并打开高压雾化水泵(15)，当降雨时间达到设定的周期后关闭高压雾化水泵(15)，测量刻度杯(32)中的体积并将该体积除以模型箱(1)的横截面积获得降雨强度值，取多次标定操作获得的降雨强度值平均值为最大降雨强度值，并将该最大降雨强度值与电阻式旋转开关(16)的旋转开关(19)的刻度值进行对应，完成标定。

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