CN110849729A - 一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，包括：试验台架单元，包括固定钢架、嵌固于固定钢架内的模型箱和透明活动挡板，模型箱内装有与原型黏性土物理力学性质加权平均值等比例相似的模型用黏性土；加卸载单元，包括至少五道位移控制手柄、反力装置及连带的模型墙，位移控制手柄均匀设置在模型墙的埋深方向，位移控制手柄的一侧支架固定在反力装置上，另一侧与模型墙固定连接；接触式及非接触式监测单元，接触式监测单元包括：微型土压力计，微型位移计；非接触式监测单元包括PIV监测单元。可得到多种有限土体宽度条件下，柔性围护结构墙后软弱黏性土主被动土压力和位移规律及大小。

Description

一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验 装置

技术领域

本发明涉及基坑有限土体主被动土压力及其位移的室内模型试验技术领域，尤其涉及一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置。

背景技术

众所周知，对于深大基坑工程而言，室内物理模型试验作为一种真实而直观的研究手段，根据一定的相似原理对特定的工程地质问题进行缩尺研究，能避开数学和力学上的困难，在较短的时间内直观地反映基坑开挖引起的地层应力状态和变形规律，为工程人员进行科学研究所采用的主要方法之一。基于室内相似模型试验的方法，研究邻近既有建(构)筑物的软黏土中基坑工程力学特性、围护结构空间效应、墙后有限土体宽度等多方面因素对深基坑工程变形、受力和失稳破坏的影响，具有一定的工程应用价值和参考意义。

而现有的基坑工程室内模型试验基本上以砂性土为主，用于模拟基坑围护结构的挡板为在模型试验装置底部装有滚动轴承的刚性模型墙，用油缸的三个柱塞模拟内支撑，且大多数只能模拟被动土压力的情况。模型箱和加载装置准备完成后，试验开始，油缸加速到要求的模型率N后稳定转速，打开一次电磁阀，使油缸排油，油压减小，则砂性土压力迫使刚性模型墙推着柱塞后移一段微小位移，该位移大小无法准确控制。稳定后对模型拍照，并记录位移计和墙体测力板的读数。然后再排油，稳定后再拍照和记录。依次循环，不断给出位移，直至模型破坏，试验结束。

现有基坑工程土压力室内模型试验中，最主要、最关键的技术问题包括：

(1)相似填土不具有代表性：现有的土压力室内模型试验中，大多针对干砂性土进行研究。而多数地区地层软弱黏性土层厚度较大，具有高孔隙比、高含水率、高压缩性和低渗透性等特点，土体强度较低，塑性较大。软黏土受施工扰动的影响，应力应变会发生较大变化，抗剪强度与工程开挖支护的时机和土体饱和度关系密切。随着剪应变的增加，黏性土先有微小的剪缩，后表现为剪胀，随后体应变保持恒定，表现为应变软化现象，与砂性土有显著不同，土体破坏主要表现为墙土之间的滑移破坏和剪切滑动带破坏。相似黏性土的制备给相似模型材料配制造成一定困难。

(2)现有模型墙所用的刚性挡板不能模拟真实情况：现实情况中的基坑工程围护结构变形情况复杂，不仅会发生刚体偏转，还有内凸型变形和复合型变形等，与地层条件和支护水平有关。而现有的室内模型试验中所采用的刚性挡板，均不能考虑基坑围护结构柔性变形的影响。

(3)模型箱尺寸不能灵活调整：为了模拟基坑工程墙后有限土体宽度的影响，模型箱宽度须可以根据有限土体宽度需求灵活调整，而现有基坑工程室内模型试验所用的模型箱，大多尺寸固定，无法对有限土体宽度的影响规律进行研究。

次要问题包括：采用油缸加载的方式无法模拟基坑主动土压力的情况，对柱塞受力和位移的控制效果较差；由于拍照手段和传感器的限制，测量误差较大。

现有基坑工程土压力室内模型试验进行了较多简化，与实际情况不符，导致实验装置不能准确模拟实际情况。

发明内容

本发明为了解决现有的技术问题，提供一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：

一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，包括：试验台架单元，试验台架单元，包括固定钢架、嵌固于所述固定钢架内的模型箱和透明活动挡板装置，所述模型箱内装有与原型黏性土物理力学性质加权平均值等比例相似的模型用黏性土，透明活动挡板装置用于控制有限土体宽度；加卸载单元，包括至少五道位移控制手柄、反力装置及连带的模型墙，所述位移控制手柄均匀设置在所述模型墙的埋深方向，所述位移控制手柄的一侧支架固定在所述反力装置上，另一侧与所述模型墙固定连接；接触式及非接触式监测单元，所述接触式监测单元包括：所述模型墙上与黏性土接触一侧竖直方向均匀设置微型土压力计，用于监测黏性土主被动土压力；所述模型墙后水平方向均匀设置微型位移计，用于监测受基坑施工扰动的墙后地表沉降；所述非接触式监测单元包括PIV监测单元，用于观察基坑施工全过程中黏性土最大剪应变速率云图，以及与所述接触式监测单元监测结果作对照。

优选地，所述模型箱由四周透明的钢化玻璃板、底面钢板和上盖板组成；所述底面钢板和所述上盖板的内侧分别设置至少三组对应的卡槽，所述卡槽用于内插入所述透明活动挡板。

优选地，所述底面钢板与所述钢化玻璃板之间的缝隙、所述底面钢板与所述透明活动挡板之间的缝隙均设置密封条。

优选地，所述模型箱接触所述模型用黏性土的三个侧面的所述钢化玻璃板涂抹润滑油。

优选地，所述透明活动挡板接触所述模型用黏性土的侧面贴纸，调节所述透明活动挡板与所述模型用黏性土之间的摩擦角。

优选地，所述透明活动挡板和所述模型箱的不接触所述模型用黏性土的一个侧面的所述钢化玻璃板之间设置水平横撑，用于增加所述透明活动挡板的刚度。

优选地，所述模型墙的刚度与钢筋混凝土结构的刚度等比例相似。

优选地，所述模型墙接触所述模型用黏性土的侧面贴摩擦系数不同的纸，调节所述模型墙与所述模型用黏性土之间的摩擦角与混凝土结构与所述原型黏性土间的摩擦角相同。

优选地，所述模型用黏性土采用π定理确定相似准则及所述原型黏性土与所述模型用黏性土之间的流动参数的换算关系，其中，几何相似比Cl＝应力相似比Cσ＝弹性模量相似比CE＝黏聚力相似比Cc＝位移相似比Cs＝时间相似比Ct＝模型率N，应变相似比Cε＝重度相似比Cγ＝泊松比相似比Cμ＝内摩擦角相似比Cφ＝1。

优选地，所述位移控制手柄一端穿过所述反力装置和所述模型箱一侧透明钢化玻璃板，所述反力装置和所述模型箱一侧透明钢化玻璃板在所述位移控制手柄相应位置处设置带对应螺纹的孔洞，所述位移控制手柄另一端为在所述模型箱外侧旋转把手，其转动不受所述反力装置和所述透明钢化玻璃板限制。

本发明的有益效果为：提供一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，通过使用与原型黏性土物理力学性质加权平均值等比例相似的模型用黏性土，且使用了合理的软、硬件设置，可针对目前工程实践活动中普遍遇到的软弱黏性土地层特征，以及密集环境中邻近大刚度既有地下结构的基坑工程围护结构多种变形模式，通过透明活动挡板和凹槽控制有限土体宽度，位移控制手柄精确控制用于模拟基坑围护结构的模型墙变形模式和位移大小，得到多种有限土体宽度条件下，软弱黏性土土压力和位移规律及大小。通过减少和增加位移控制手柄的位移量，实现墙后土体的主动状态和被动状态。以及软弱黏性土条件下，有限土体土压力和土体位移与基坑围护结构变形模式及位移大小的对应关系。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置的结构三维示意图。

图2是本发明实施例中一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置的俯视图。

图3是本发明实施例中一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置的正视图。

图4是本发明实施例中位移控制手柄和反力装置的结构示意图。

图5(a)-图5(f)是本发明实施例中位移控制手柄向左移动的模型墙变形模式示意图。

图6(a)-图6(f)是本发明实施例中位移控制手柄向右移动的模型墙变形模式示意图。

其中，1-固定钢架，2-底面钢板，3-透明钢化玻璃板，4-上盖板，5-密封条，6-卡槽，7-水平横撑，8-透明活动挡板，9-位移控制手柄，10-反力装置，11-模型墙，12-微型土压力计，13-微型位移计，14-PIV监测单元。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

如图1-图4所示，本发明提供一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，包括：试验台架单元，包括固定钢架1、嵌固于固定钢架内的模型箱和右侧透明活动挡板装置7，模型箱内装有与原型黏性土物理力学性质加权平均值等比例相似的模型用黏性土；加卸载单元，包括至少五道位移控制手柄9、反力装置10及连带的模型墙11，位移控制手柄9均匀设置在模型墙11的埋深方向，位移控制手柄9的一侧支架固定在反力装置10上，另一侧与模型墙11固定连接；接触式及非接触式监测单元，接触式监测单元包括：模型墙11上靠近黏性土一侧竖直方向均匀设置微型土压力计12，用于监测黏性土主被动土压力；模型墙11后黏性土表面设置微型位移计13，用于监测受基坑施工扰动的墙后地表沉降；非接触式监测单元包括PIV监测单元14，用于观察土体中最大剪应变速率云图。

本试验用于配置模型用黏性土所采用的主要材料包括：石英砂、重晶石粉、凡士林、润滑油，用于配置模型墙11所采用的主要材料包括石膏、细钢筋、不同表面摩擦系数的贴纸；主要仪器设备包括：定制模型试验钢架1、四面较厚透明钢化玻璃板、带对应卡槽6的钢盖板4和钢底板2、密封条5、刚度较大的透明活动挡板8及横撑7、反力装置10、位移控制手柄9、微型土压力计12、微型位移计13、PIV监测设备14和数据采集器等。

综合考虑土颗粒级配、重度、压缩模量、黏聚力、内摩擦角、应力应变特性等指标，利用多种不同粒径的石英砂、重晶石粉以及凡士林、润滑油按一定比例配制了黏性土模型相似材料。采用π定理来合理确定相似准则，导出的无量纲参数同方程无量纲化后得到的无量纲参数是一致的。π定理把与物理现象有关的物理量之间的函数关系变成了由相似准则组成的函数关系，所以应用π定理也能确定相似准则以及原型与相似模型之间的流动参数的换算关系。其中，几何相似比Cl＝应力相似比Cσ＝弹性模量相似比CE＝黏聚力相似比Cc＝位移相似比Cs＝时间相似比Ct＝模型率N；应变相似比Cε＝重度相似比Cγ＝泊松比相似比Cμ＝内摩擦角相似比经过相似材料多次配比试验后，得到与原型黏性土物理力学性质加权平均值等比例相似的模型用黏性土。

试验台架单元需根据合理的比例尺N确定，为同时兼顾试验操作和试验效果的相似模型箱，模型箱由四周透明的钢化玻璃板3、底面钢板2和上盖板4组成。为减小边界效应和尺寸效应的影响，模型箱的接触模型用黏性土的三个侧面的透明钢化玻璃板3涂抹润滑油，尽量减小侧壁与黏性土间的摩擦作用。

底面钢板2和上盖板4的内侧分别设置至少三组对应的卡槽6，卡槽6用于内插入透明活动挡板8，卡槽6与模型箱尺寸相比大小可忽略不计。卡槽6内插入刚度足够大的透明活动挡板8，透明活动挡板8位置根据卡槽位置灵活调整有限土体宽度。水平横撑7均匀布置于透明活动挡板8和右侧透明钢化玻璃板3之间，可增加透明活动挡板8的抗弯刚度。即透明活动挡板8和模型箱的不接触所述模型用黏性土的一个侧面的钢化玻璃板3之间设置水平横撑7。在本发明的一种实施例中，水平横撑7在竖直方向上均匀设置三道。

根据右侧刚度足够大的透明活动挡板8距左侧模型墙11的距离逐渐增大，模拟基坑墙后土体宽度分别从有限到半无限的状态。

透明活动挡板8接触模型用黏性土的侧面贴纸，调节透明活动挡板8与模型用黏性土之间的摩擦角，模拟既有结构侧面对有限黏性土的摩擦作用。

底面钢板2与透明钢化玻璃板3之间的缝隙、底面钢板2与透明活动挡板8之间的缝隙均设置密封条5。

在本发明的一种实施例中，沿着模型墙11埋深方向均匀布置五道位移控制手柄9，位移控制手柄9上具有精确的位移刻度，通过摇动位移控制手柄把手，可精确控制位移控制手柄9的位移量，实现对连接的模型墙11墙后模型用黏性土分级加载或卸载，模拟基坑被动土压力或主动土压力过程。

位移控制手柄9的左侧支架固定在反力装置10上，右侧与用于模拟基坑围护结构的自制模型墙11固定连接。位移控制手柄9穿过反力装置10和模型箱左侧透明钢化玻璃板3，反力装置10和模型箱左侧透明钢化玻璃板3在位移控制手柄9相应位置处设置带对应螺纹的孔洞，位移控制手柄9右端为在模型箱外侧旋转把手，其转动不受反力装置和左侧透明钢化玻璃板限制。

当摇动位移控制手柄9把手，位移控制手柄9位移向右时，可实现墙后土体被动土压力状态，反之为主动土压力状态。通过不断增大位移，模拟基坑分层开挖及支护过程。不同高度处位移控制手柄9不同位移大小，带动与其固定的模型墙11发生不同的变形模式，即当位移控制手柄9从上到下位移量逐渐减小时，为绕墙趾转动的RB模式，当从上到下位移量逐渐增大时，为绕墙顶转动的RT模式，当从上到下位移量先增大后减小时，为內凸型B模式。

如图5(a)-图5(f)所示，是本发明实施例中位移控制手柄向左移动的变形模式示意图，分别为T模式(Translating)即平动模式、RT模式(Rotating around the Top)即绕墙顶转动模式、RB模式(Rotating around the Bottom)即绕墙底转动模式、三种B模式(Bulging)即内凸型变形模式。

如图6(a)-图6(f)所示，是本发明实施例中位移控制手柄向右移动的变形模式示意图，分别为T模式(Translating)即平动模式、RT模式(Rotating around the Top)即绕墙顶转动模式、RB模式(Rotating around the Bottom)即绕墙底转动模式、三种B模式(Bulging)即内凸型变形模式。

用于模拟基坑围护结构的模型墙11由于需要和位移控制手柄9连接固定，且要随着位移控制手柄9的移动而发生变形，因此需要具有一定的柔度，且与钢筋混凝土结构的刚度等比例相似。模型墙11采用细钢筋和石膏配制而成，预制加工现场安装。

模型墙11一侧与位移控制手柄9固定连接，另一侧通过贴纸进行表面摩擦处理，调节墙土间摩擦角使得该面与模型黏性土间摩擦角与混凝土与原型黏性土间的摩擦角相同。

监测系统包括接触式监测装置和非接触式监测装置，可实时动态监测作用于模型墙上的主被动土压力和受基坑施工扰动影响的墙后有限土体位移。为了研究不同围护结构变形模式和有限土体宽度条件下，墙后主被动土压力分布和土体位移，模型墙11朝向透明活动挡板8的一侧从上到下分别粘贴可监测黏性土主被动土压力的高精度微型土压力计12。模型墙11朝向透明活动挡板8的一侧后面地表沿模型箱长度方向即与模型墙垂直的方向均匀布置微型位移计13，监测受基坑施工扰动的墙后地表沉降。微型土压力计12和微型位移计13的数值均通过智能静态应变采集仪整理得到，在正式试验前须先分别进行标定及校核。采用PIV监测设备14观察有限黏性土中最大剪应变速率云图(Contour of Max.ShearStrain Rate)，分析有限黏性土滑裂面形态的发展。

通过本发明的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，采用与原型黏性土物理力学性质加权平均值等比例相似的模型用黏性土，通过透明活动挡板装置可以调整基坑墙后不同有限土体宽度，通过加卸载单元可以模拟现实情况中的复杂基坑工程围护结构变形情况，不仅会发生刚体偏转，还有内凸型变形和复合型变形等，通过接触式及非接触式监测单元进行监测，可以为现实情况提供更有效的模拟结果。通过各个部件的有序结合改善现有技术中模拟装置的不足，为土压力问题研究提供有效的试验数据支持，为之后的理论分析提供帮助。

实施例2

如图1-图4所示，本发明提供一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，采用模型箱右侧透明活动刚性挡板8位置可控，左侧高精度位移控制装置逐级加卸载的方式，模拟有限宽度黏性土中基坑分层开挖及支护过程。根据分层开挖所需的围护结构位移量等比例相似值，按每1440X/N min加载或卸载一级，X为基坑实际施工过程中所需开挖及支护一层的天数，若1440X/N min后模型墙11上土压力监测数据的变化幅度较大，则需等待监测值保持稳定后再进行下一级加载或卸载，直至土体失稳破坏。具体试验流程如下：

(1)位移控制手柄9制作：按照设计尺寸要求，制作带精密刻度和螺纹的圆柱钢体，钢体可旋转穿过反力装置10及左侧透明玻璃板3，钢体一端焊接在模型箱外侧的旋转把手，模型箱内侧钢体嵌套可随其旋转的支架，支架另一端与模型箱的反力装置10焊接固定，反力装置10尺寸与模型箱和位移控制手柄9的尺寸匹配，进而实现转动旋转把手则钢体可前后伸缩的效果。

(2)试验台架单元：按照设计尺寸加工室内模型试验台架，左右前后透明刚性玻璃板3刚度足够大，保证坑底、前后左右侧及连接处刚度满足试验要求，四周钢架1和透明钢化玻璃板3下侧连接处用密封条5密封。根据有限土体宽度要求，在底面钢板2和上盖板4上设置对应的卡槽6。在模型箱左侧安装反力装置10，反力装置从上到下均匀安装高精度位移控制手柄9，共五道，调节位移控制手柄9长度到初始状态。试验开始前，对模型箱进行清洗，保证前后两侧透明钢化玻璃板3不影响智能相机和PIV监测单元14的数据监测，进而在模型箱内侧与黏性土接触的三个面涂抹润滑油。对微型土压力计12、微型位移计13等进行标定。

(3)模型墙11及透明活动挡板8制作：按照设计尺寸制作模型墙11的模具，将钢丝按照刚度设计要求弯折并铺置于模具中，浇灌液体状态的石膏，放置凝固。选取具有一定厚度的透明钢化玻璃板模拟基坑右侧透明活动挡板，选取原则为透明钢化玻璃板不会受土体的挤压而发生变形，并设三道水平横撑7增加刚度。模型墙11和透明活动挡板8的一侧粘贴可调节墙土间摩擦角的贴纸，模拟混凝土表面与黏性土的摩擦作用，测量贴纸侧与黏性土间的摩擦角，使其与混凝土与黏性土间的摩擦角相等，放置备用。

(4)模型墙11及透明活动挡板8安装：在预制好的模型墙11粘贴贴纸一侧均匀安装高精度微型土压力计12，将模型墙11预制模型放入模型箱指定位置处，未粘贴土压力计12的一侧与试验台架内水平放置的五道可精确控制位移的位移控制手柄9连接固定。根据有限土体宽度，将用于模拟既有地下结构的刚度足够大透明活动挡板8放入模型箱指定卡槽6处，未粘贴贴纸一侧向右并与三道水平横撑7连接固定，水平横撑7用于增大透明活动挡板8的抗弯刚度。

(5)相似黏性土制作：基于指定地区黏性土层物理力学特性，以重晶石、石英砂、凡士林、润滑油、示踪粒子(为了采用PIV监测设备监测土体位移)为模型原料，配制具有相似物理力学性质的人造黏性土。根据试验要求配比，计算一次模型试验所需的原料用量，并进行称重，拌合均匀后静置一定时间，采用室内三轴仪和直剪仪对土体性质进行测定。根据测量结果对原料配比进行修正，得到与指定地区黏性土物理力学性质近似相近的实验室模型用黏性土。

(6)相似黏性土铺装：将制备好的相似黏性土分层灌入模型箱中，每5cm一层，添加过程中注意分层振捣压实。每层之间采用有色颜料薄薄分隔，为了在不影响黏性土性质的情况下便于观察土体位移，令模型墙11左侧的土体顶面与墙底平齐，并在左侧土体顶面采用连接液压千斤顶的钢盖板加载，模拟坑内土体自重；模型墙11右侧的土体顶面与墙顶平齐，并在模型墙11右侧土体顶面垂直模型墙方向均匀设置微型位移计。在土体顶面不断洒水对土体浸润，直至饱和状态。

(7)连接监测设备：将微型位移计13和微型土压力计12连接在终端应变解调仪以及计算机，并测试通道信号是否正常，对结果进行校核。对模型箱进行打光，通过图像采集装置精确捕捉清晰的粒子分布图，经过一系列后处理后得到流场的速率分布，判断其是否合理。

(8)调控位移控制手柄9位移量模拟基坑分步施工：根据实际工程中，受基坑施工扰动的围护结构变形模式及位移大小，分别调节上下五道位移控制手柄9的位移量，控制与其固定连接的模型墙实现最大位移值在不同埋深处，分别模拟围护结构刚体变形(T)、绕墙顶变形(RT)、绕墙底变形(RB)和三种内凸形变形(B-1表示最大侧移埋深靠上，B-2表示最大侧移值居中，B-3表示最大侧移埋深靠下)。通过高精度位移控制手柄9逐级加载或卸载，模拟围护结构变形逐渐增大的情况，实现墙后有限黏性土的被动状态或主动状态，直至墙后土体破坏。加载或卸载过程中应变仪和智能监测设备自动采集应力应变数据，同时智能相机记录土体变形，与PIV监测结果作对比。

可以理解的，位移控制手柄可以设置不止5道，可以根据实际情况进行设置。

(9)误差分析：对监测得到的应力应变、位移和土压力大小及规律进行分析，判断其是否合理。若不合理，则需分析原因，调整后重新进行步骤(8)，直到试验结果满足要求。并在相同条件下，重复三次试验取平均值。

(10)墙后有限土体宽度的影响分析：将模型箱的右侧透明活动挡板8分别卡在不同位置的卡槽6处，并在其后采用三道横撑支撑7，避免其弯曲变形。重复步骤(1)～(9)，得到墙后有限土体不同宽度条件下，土体位移、滑裂面发展形态和土压力分布规律。

与现有技术中模型试验装置相比，本发明的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置可针对目前工程实践活动中普遍遇到的软弱黏性土地层特征，以及基坑工程围护结构多种变形模式，通过位移控制手柄9精确控制用于模拟基坑围护结构的模型墙11变形模式和位移大小，得到多种有限土体宽度条件下，软弱黏性土土压力和位移规律及大小。通过减少和增加位移控制手柄9的位移量，实现墙后土体的主动状态和被动状态。以及软弱黏性土条件下，有限土体土压力和土体位移与基坑围护结构变形模式及位移大小的对应关系。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，包括：

试验台架单元，包括固定钢架、嵌固于所述固定钢架内的模型箱和透明活动挡板装置，所述模型箱内装有与原型黏性土物理力学性质加权平均值等比例相似的模型用黏性土，透明活动挡板装置用于控制有限土体宽度；

加卸载单元，包括至少五道位移控制手柄、反力装置及连带的模型墙，所述位移控制手柄均匀设置在所述模型墙的埋深方向，所述位移控制手柄的一侧支架固定在所述反力装置上，另一侧与所述模型墙固定连接；

接触式及非接触式监测单元，所述接触式监测单元包括：所述模型墙上与黏性土接触一侧竖直方向均匀设置微型土压力计，用于监测黏性土主被动土压力；所述模型墙后水平方向均匀设置微型位移计，用于监测受基坑施工扰动的墙后地表沉降；所述非接触式监测单元包括PIV监测单元，用于观察基坑施工全过程中黏性土最大剪应变速率云图，以及与所述接触式监测单元监测结果作对照。

2.如权利要求1所述的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，所述模型箱由四周透明的钢化玻璃板、底面钢板和上盖板组成；

所述底面钢板和所述上盖板的内侧分别设置至少三组对应的卡槽，所述卡槽用于内插入所述透明活动挡板。

3.如权利要求2所述的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，所述底面钢板与所述钢化玻璃板之间的缝隙、所述底面钢板与所述透明活动挡板之间的缝隙均设置密封条。

4.如权利要求2所述的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，所述模型箱接触所述模型用黏性土的三个侧面的所述钢化玻璃板涂抹润滑油。

5.如权利要求4所述的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，所述透明活动挡板接触所述模型用黏性土的侧面贴纸，调节所述透明活动挡板与所述模型用黏性土之间的摩擦角。

6.如权利要求2所述的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，所述透明活动挡板和所述模型箱的不接触所述模型用黏性土的一个侧面的所述钢化玻璃板之间设置水平横撑，用于增加所述透明活动挡板的刚度。

7.如权利要求1所述的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，所述模型墙的刚度与钢筋混凝土结构的刚度等比例相似。

8.如权利要求1所述的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，所述模型墙接触所述模型用黏性土的侧面贴摩擦系数不同的纸，调节所述模型墙与所述模型用黏性土之间的摩擦角与混凝土结构与所述原型黏性土间的摩擦角相同。

9.如权利要求1所述的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，所述模型用黏性土采用π定理确定相似准则及所述原型黏性土与所述模型用黏性土之间的流动参数的换算关系，其中，几何相似比Cl＝应力相似比Cσ＝弹性模量相似比CE＝黏聚力相似比Cc＝位移相似比Cs＝时间相似比Ct＝模型率N，应变相似比Cε＝重度相似比Cγ＝泊松比相似比Cμ＝内摩擦角相似比Cφ＝1。

10.如权利要求1所述的基坑柔性挡墙墙后有限黏性土主被动土压力模型试验装置，其特征在于，所述位移控制手柄一端穿过所述反力装置和所述模型箱一侧透明钢化玻璃板，所述反力装置和所述模型箱一侧透明钢化玻璃板在所述位移控制手柄相应位置处设置带对应螺纹的孔洞，所述位移控制手柄另一端为在所述模型箱外侧旋转把手，其转动不受所述反力装置和所述透明钢化玻璃板限制。

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