CN112878392A - 用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置及方法，该装置包括模型箱、模型墙、模型土、开挖系统、量测系统，该装置可直接反映格形地连墙围护结构的三维受力变形特性。本发明中模型墙的结构构造与实际情况保持一致，同时利用对称性取1/4结构进行模拟，在减小模型尺寸、降低量测工作量的同时，能够方便地研究基坑开挖过程中格形地连墙围护结构工作性状的空间效应。模型墙墙体内外表面刻有凹槽，可方便地用于模拟格形地连墙围护结构相邻槽段间的施工接头对其工作性状空间效应的影响，同时该凹槽可有效避免试验过程中电阻应变片容易被破坏、电阻应变片数据采集线对墙土接触产生不利影响等棘手问题。

Description

用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型 试验装置及方法

技术领域

本发明属于深基坑工程领域，特别是涉及一种用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置及方法。

背景技术

随着我国城市基础设施建设进入全新纵向立体化开发与利用阶段，高层建筑地下室、地下商场、地下停车场、地下变电站、大型排水及污水处理系统等大规模城市地下工程建设正在大城市中如火如荼地开展。城市地下工程建设会涉及到深基坑工程，深基坑围护结构设计不合理或对深基坑围护结构工作性状的把控不够精确可能会导致基坑失稳、地表塌陷、管道破损、建筑物开裂等工程事故，甚至会造成工程造价激增、工程进度严重滞后等问题。据报道，杭州地铁湘湖站“08.11.15”基坑坍塌事故的直接原因之一为地连墙产生过大侧向位移。因此，开展深基坑围护结构工作性状的研究具有较大的现实意义。

相对于普通地下连续墙、钻孔灌注桩、钢板桩、型钢水泥土搅拌墙、水泥土搅拌桩、复合土钉墙等传统的深基坑围护结构，格形地连墙是一种新型的基坑围护结构，其主要优点为：(1)无需内支撑体系；(2)限制基坑变形的能力强；(3)整体性和防渗性能好；(4)施工时振动小、噪声低；(5)可同时用作竖向承载结构。近年来，格形地连墙围护结构在工程中的应用逐渐增多，例如上海长兴岛造船基地某船坞工程、襄阳东西轴线鱼梁洲段过江隧道的沉管预制干坞工程等。然而，由于对格形地连墙围护结构的工作性状及其机理的认识不够深刻，目前格形地连墙的设计理论还不成熟，实际应用中往往是参照重力坝式挡土墙的设计方法对格形地连墙的稳定性、抗滑移、抗倾覆进行验算，设计过于保守，缺乏对格形地连墙特殊几何构造的考虑，造成严重浪费。这在很大程度上限制了格形地连墙围护结构的应用与发展。

已有有关格形地连墙围护结构工作性状的研究主要采用现场实测、数值模拟、模型试验等手段开展。现场实测能够得到真实的格形地连墙受力变形数据，但该手段仅仅是针对特定环境下的具体工程案例，具有地域局限性。数值模拟能够考虑不同的工况且可方便地开展参数分析，但该手段的计算效率、结果精度等方面还需进一步提升。模型试验是研究格形地连墙围护结构的有效手段，可分为足尺模型试验和缩尺模型试验两类，缩尺模型试验又可分为常重力缩尺模型试验和超重力缩尺模型试验(或离心模型试验)两类。离心模型试验通过使试验模型受到超过重力的离心加速度作用来弥补因模型尺寸的缩小而导致的土体自重应力的损失，能够最大限度地满足相似比、达到模拟现场实际状态的目的。

目前，研究者们仅对准平面应变状态下的格形地连墙围护结构的受力变形特性开展了离心模型试验研究，缺乏对三维状态下的格形地连墙围护结构的受力变形特性的离心模型试验研究。由于基坑工程属于典型的空间问题，存在角点效应，因此基坑开挖过程中格形地连墙围护结构的工作性状具有明显的空间效应，基于准平面应变状态下的离心模型试验得到的研究成果无法真实反映格形地连墙围护结构的三维受力变形特性。为进一步促进格形地连墙围护结构的应用与发展，有必要开展三维状态下的格形地连墙围护结构的离心模型试验研究，其首要任务便是研发用于格形地连墙围护结构工作性状空间效应研究的离心模型试验装置及方法。

发明内容

针对现有技术中的离心模型试验研究装置及方法无法真实反映格形地连墙围护结构的三维受力变形特性，本发明提供了用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置及方法。

本发明采用以下技术方案：

一种用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置，包括模型箱、模型墙、模型土、开挖系统、量测系统；

模型箱由模型箱主体、模型箱辅助支架组成；模型箱主体由前视板、U形板、后板组成；模型箱辅助支架通过螺栓固定于模型箱主体顶部，模型箱辅助支架的作用是固定量测元件；模型箱辅助支架的平面位置可通过模型箱主体顶部的螺栓孔位置进行前后和左右调整；前视板、U形板和后板之间通过螺栓连接，其材料均为高强度铝合金(抗拉强度大于500MPa)；模型箱主体的尺寸应与挂篮尺寸相匹配，模型箱主体的宽度大于预估的地表沉降槽的宽度；模型箱主体的板厚大于50mm。

模型墙的墙体由短边前墙、长边前墙、短边后墙、长边后墙、中隔墙组成；墙体的材料为有机玻璃；墙体内外表面适量位置刻有通长的规则凹槽(凹槽的形状为长方体型)，用于模拟格形地连墙围护结构相邻槽段间的施工接头；短边前墙、长边前墙、短边后墙、长边后墙、中隔墙的厚度相等；短边前墙、长边前墙的高度相等；短边后墙、长边后墙的高度相等；短边前墙、长边前墙的高度大于短边后墙、长边后墙的高度；短边后墙、长边后墙的高度大于中隔墙的高度；中隔墙用于连接短边前墙和短边后墙、长边前墙和长边后墙，中隔墙与短边前墙、长边前墙、短边后墙、长边后墙之间通过高强粘结剂连接；高强粘结剂可以由环氧树脂和650固化剂按照1：1的比例调和而成；墙体内外表面(除凹槽处)通过高强粘结剂黏贴有细砂粒，其作用是模拟现浇钢筋混凝土格形地连墙围护结构与周围土体间的良好摩擦接触关系，细砂粒的粒径为1～3mm，。

模型土为按预定密实度和均匀性要求分层填筑于模型箱里的单类土，可以为砂土或黏土；当模型土为砂土时，通过砂雨法制备密实度均匀的砂样；当模型土为黏土时，通过加水搅拌制成均匀的泥浆，然后置于超重力离心场中固结；当模型土的原材料为取自现场的土样时，需对土样中的断层、裂缝、砾石和块状土等进行处理。

开挖系统由第一重液、第二重液、第一硅胶袋、第二硅胶袋、夹具、隔离架、第一微型孔压计、第二微型孔压计、第一排液管、第二排液管、第一流量控制阀、第二流量控制阀、第一电磁阀、第二电磁阀、重液收集箱、排气管组成；第一重液置于第一硅胶袋内，第一硅胶袋通过夹具固定于隔离架的第一格仓内；第一重液的密度为模型土的密度与模型土静止土压力系数的乘积，其作用为模拟作用于模型墙上的水平土压力；第二重液置于第二硅胶袋内，第二硅胶袋通过夹具固定于隔离架的第二格仓内；第二重液的密度与模型土的密度相等，其作用为模拟作用于基坑底部的竖向土压力随基坑开挖深度的变化过程；隔离架由外框架、短边等腰三角板、短边直角三角板、长边等腰三角板、长边直角三角板组成；外框架为由钢条焊接而成的长方体；短边等腰三角板、短边直角三角板、长边等腰三角板、长边直角三角板为厚度相同的钢板；所述短边等腰三角板的一个腰和短边直角三角板的斜边重合，所述长边等腰三角板的一个腰和长边直角三角板的斜边重合，所有三角板共用一个顶点，该顶点为外框架所在长方体其中一个侧面的中心；外框架与三角板之间通过焊接连接；隔离架的外部尺寸与基坑的内部尺寸相同；短边等腰三角板、短边直角三角板、长边等腰三角板、长边直角三角板与模型墙之间的空间为隔离架第一格仓；隔离架内部除第一格仓外的空间为隔离架第二格仓；第一微型孔压计位于第一硅胶袋内的底部，用于监测第一重液液面高度的变化；第二微型孔压计位于第二硅胶袋内的底部，用于监测第二重液液面高度的变化；第一排液管为软橡胶管，连接第一硅胶袋底部与重液收集箱，其作用是将第一重液排至重液收集箱；第二排液管为软橡胶管，连接第二硅胶袋底部与重液收集箱，其作用是将第二重液排至重液收集箱；第一流量控制阀设置于第一排液管上，用于控制试验过程中第一重液的排放速度；第二流量控制阀设置于第二排液管上，用于控制试验过程中第二重液的排放速度；第一电磁阀、第二电磁阀固定于第一排液管和第二排液管末端的重液收集箱表面，用于控制第一重液、第二重液排放的开始与结束；重液收集箱固定于模型箱主体底部，且与模型箱的后板和U形板接触；排气管为软橡胶管，连通重液收集箱和模型箱外部，其作用是排出重液收集箱中的空气以便于第一重液和第二重液进入重液收集箱。

量测系统由差动式位移计、激光位移计、电阻应变片、微型土压力传感器组成；差动式位移计固定于模型箱辅助支架上，用于测量基坑开挖过程中格形地连墙围护结构内部地表及外部地表的竖向位移变化情况；激光位移计固定于模型箱主体的后板和U形板内表面顶部，激光位移计的竖向位置与模型墙顶部一致；激光位移计的作用是测量基坑开挖过程中模型墙的短边前墙、长边前墙、短边后墙、长边后墙和中隔墙的凹槽顶部处的水平位移；电阻应变片贴于模型墙墙体表面的凹槽内，用于测量墙体应变并为计算墙体弯矩和不同高度处的水平位移提供数据支持；微型土压力传感器埋置于模型土中，位置与电阻应变片接近，用于测量基坑开挖过程中作用于墙体表面上的水平土压力。

本发明还提供一种开展格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验研究的方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

(1)模型箱、模型墙、模型土、开挖系统、量测系统的材料准备及量测元件的标定工作。

(2)制作模型墙，主要工作包括：(a)使用高强粘结剂将墙体连接；(b)使用高强粘结剂在墙体表面黏贴一层细砂粒(凹槽位置处除外)；(c)沿墙体凹槽将电阻应变片贴于相应位置，并将电阻应变片数据采集线固定于墙体表面合适位置。

(3)组装模型箱，在模型箱侧壁内表面上涂抹一层凡士林，并在凡士林表面贴上一层聚四氟乙烯薄膜，以减弱边界效应。

(4)在模型箱内预设位置固定重液收集箱，将第一排液管、第二排液管、排气管安装在重液收集箱预设位置上，将第一流量控制阀、第二流量控制阀、第一电磁阀、第二电磁阀安装在相应排液管的预设位置处。

(5)按照预定密实度和均匀性要求，将模型土分层填筑于模型箱内至长边前墙和短边前墙底部高程，填筑过程中按照预设位置埋置第一排液管、第二排液管、排气管。

(6)在模型箱辅助支架的辅助下，将模型墙固定于模型箱内预设位置。

(7)边填筑模型土边在预定位置埋设微型土压力传感器至基坑底部高程，将隔离架置于基坑位置，采用夹具将第一硅胶袋、第二硅胶袋分别固定于隔离架的第一格仓、第二格仓内，将第一排液管、第二排液管分别与第一硅胶袋底部、第二硅胶袋底部相连，并在第一硅胶袋底部、第二硅胶袋底部分别安装第一微型孔压计、第二微型孔压计。

(8)继续逐层填筑模型土直至模型土表面高程，并在此过程中于预设位置安装微型土压力传感器。

(9)在预设位置安装激光位移计和差动式位移计。

(10)缓慢均匀地将第一重液、第二重液分别灌注至第一硅胶袋、第二硅胶袋内部，直至重液液面与模型土表面齐平。

(11)将模型箱吊入离心机挂篮内，启动离心机，分级增加离心加速度直至预定的最大加速度。

(12)待量测元件读数稳定后，开启第一电磁阀、第二电磁阀开始排放重液，同时调节第一流量控制阀、第二流量控制阀的输入压力至设定值，使基坑按照预定的开挖速率进行开挖，同时利用安装于第一硅胶袋底部的第一微型孔压计和安装于第二硅胶袋底部的第二微型孔压计监测第一重液和第二重液的液面高度，以反馈调整第一流量控制阀和第二流量控制阀的输入压力，确保第一重液、第二重液的液面高程无误。

(13)重液排空后停机，采集数据，吊出模型箱，拆卸试验装置，试验结束。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的离心模型试验装置中模型墙的结构构造与实际情况保持一致，同时利用对称性取1/4结构进行模拟，在减小模型尺寸、降低量测工作量的同时，能够方便地用于研究基坑开挖过程中格形地连墙围护结构的工作性状的空间效应，有效克服了准平面应变状态下的离心模型试验得到的研究成果无法真实反映格形地连墙围护结构的三维受力变形特性的缺点。

(2)本发明提供的离心模型试验装置中模型墙墙体内外表面适量位置处刻有通长的规则凹槽，可方便地用于模拟格形地连墙围护结构相邻槽段间的施工接头对格形地连墙围护结构工作性状空间效应的影响，同时该凹槽为黏贴电阻应变片及固定电阻应变片的数据采集线提供了极大的便利，有效避免了试验过程中电阻应变片容易被破坏、电阻应变片数据采集线对墙土接触产生不利影响等棘手问题。

(3)本发明采用高强粘结剂在模型墙墙体内外表面上均匀地黏贴一层细砂粒，可较为真实地反映实际工程应用中现浇钢筋混凝土格形地连墙围护结构的粗糙表面，从而有利于真实模拟墙土接触效应，对于保证离心模型试验结果的合理性、可靠性具有重要意义。

(4)本发明采用两种不同密度的重液模拟基坑开挖过程，克服了停机开挖导致的土体应力路径发生改变的缺点，同时大大地简化了复杂的基坑开挖过程，能够准确反映土体在水平方向和竖直方向上的卸荷效应的差异性，避免了采用单一密度重液时不能准确模拟土体侧压力的缺陷。

附图说明

图1为试验装置俯视图；

图2为试验装置主视图；

图3为试验装置左视图；

图4为模型墙示意图；

图5为隔离架示意图；

图6为隔离架第一格仓内容物示意图；

图7为隔离架第二格仓内容物示意图；

图中：模型箱1、模型箱主体1-1、前视板1-1-1、U形板1-1-2、后板1-1-3、模型箱辅助支架1-2、模型墙2、短边前墙2-1-1、长边前墙2-1-2、短边后墙2-1-3、长边后墙2-1-4、中隔墙2-1-5、高强粘结剂2-2、细砂粒2-3、模型土3、第一重液4-1、第二重液4-2、第一硅胶袋4-3、第二硅胶袋4-4、夹具4-5、隔离架4-6、外框架4-6-1、短边等腰三角板4-6-2、短边直角三角板4-6-3、长边等腰三角板4-6-4、长边直角三角板4-6-5、第一微型孔压计4-7、第二微型孔压计4-8、第一排液管4-9、第二排液管4-10、第一流量控制阀4-11、第二流量控制阀4-12、第一电磁阀4-13、第二电磁阀4-14、重液收集箱4-15、排气管4-16、差动式位移计5-1、激光位移计5-2、电阻应变片5-3、微型土压力传感器5-4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1–5所示，为本发明用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置。装置包括：模型箱1、模型墙2、模型土3、开挖系统4、量测系统5五部分。

所述模型箱1由模型箱主体1-1、模型箱辅助支架1-2组成；模型箱主体由前视板1-1-1、U形板1-1-2、后板1-1-3组成；模型箱辅助支架1-2通过螺栓固定于模型箱主体1-1顶部，模型箱辅助支架1-2的作用是固定量测系统5中的量测元件；模型箱辅助支架1-2的平面位置可通过模型箱主体1-1顶部的螺栓孔位置进行前后和左右调整；前视板1-1-1、U形板1-1-2和后板1-1-3之间通过螺栓连接，其材料均为高强度铝合金(抗拉强度大于500MPa)。

所述模型墙2的墙体由短边前墙2-1-1、长边前墙2-1-2、短边后墙2-1-3、长边后墙2-1-4、中隔墙2-1-5组成；墙体的材料为有机玻璃；墙体表面适量位置刻有通长的规则凹槽；所述短边前墙2-1-1、长边前墙2-1-2、短边后墙2-1-3、长边后墙2-1-4、中隔墙2-1-5的厚度相等；短边前墙2-1-1、长边前墙2-1-2的高度相等；短边后墙2-1-3、长边后墙2-1-4的高度相等；短边前墙2-1-1、长边前墙2-1-2的高度大于短边后墙2-1-3、长边后墙2-1-4的高度；短边后墙2-1-3、长边后墙2-1-4的高度大于中隔墙2-1-5的高度；中隔墙2-1-5与短边前墙2-1-1、长边前墙2-1-2、短边后墙2-1-3、长边后墙2-1-4之间通过高强粘结剂2-2连接；所述墙体内外表面(除凹槽处)通过高强粘结剂2-2均贴有细砂粒2-3，所述细砂粒的粒径为1～3mm。

所述模型土3为按预定密实度和均匀性要求分层填筑于模型箱1里的单类土，可以为砂土或黏土；当模型土3为砂土时，通过砂雨法制备密实度均匀的砂样；当模型土3为黏土时，通过加水搅拌制成均匀的泥浆，然后置于超重力离心场中固结；当模型土的3原材料为取自现场的土样时，需对土样中的断层、裂缝、砾石和块状土等进行处理。

所述开挖系统4由第一重液4-1、第二重液4-2、第一硅胶袋4-3、第二硅胶袋4-4、夹具4-5、隔离架4-6、第一微型孔压计4-7、第二微型孔压计4-8、第一排液管4-9、第二排液管4-10、第一流量控制阀4-11、第二流量控制阀4-12、第一电磁阀4-13、第二电磁阀4-14、重液收集箱4-15、排气管4-16组成；隔离架由外框架4-6-1、短边等腰三角板4-6-2、短边直角三角板4-6-3、长边等腰三角板4-6-4、长边直角三角板4-6-5组成；外框架4-6-1由钢条焊接而成；短边等腰三角板4-6-2、短边直角三角板4-6-3、长边等腰三角板4-6-4、长边直角三角板4-6-5为厚度相同的钢板；外框架4-6-1与三角板之间通过焊接连接；隔离架4-6的外部尺寸与基坑的内部尺寸相同。

所述量测系统5由差动式位移计5-1、激光位移计5-2、电阻应变片5-3、微型土压力传感器5-4组成；差动式位移计5-1固定于模型箱辅助支架1-2上，用于测量基坑开挖过程中格形地连墙围护结构内部地表及外部地表的竖向位移变化情况；激光位移计5-2固定于模型箱主体1-1的后板1-1-3和U形板1-1-2内表面顶部，激光位移计的竖向位置与模型墙2顶部一致；激光位移计的作用是测量基坑开挖过程中模型墙2的短边前墙2-1-1、长边前墙2-1-2、短边后墙2-1-3、长边后墙2-1-4和中隔墙2-1-5的凹槽顶部处的水平位移。

本发明的一种开展格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验研究的方法如下：第一步，准备模型箱1、模型墙2、模型土3、开挖系统4、量测系统5所需的材料及量测元件的标定工作；

第二步，使用高强粘结剂2-2将墙体连接、并在墙体表面黏贴一层细砂粒2-3，沿墙体凹槽将电阻应变片5-3贴于相应位置，并将电阻应变片5-3的数据采集线固定于墙体表面合适位置；

第三步，组装模型箱1，在模型箱1侧壁内表面上涂抹一层凡士林，并在凡士林表面贴上一层聚四氟乙烯薄膜，以减弱边界效应；

第四步，在模型箱1内预设位置固定重液收集箱4-15，将第一排液管4-9、第二排液管4-10、排气管4-16安装在重液收集箱4-15预设位置上，将第一流量控制阀4-11、第二流量控制阀4-12、第一电磁阀4-13、第二电磁阀4-14安装在相应排液管的预设位置处；

第五步，按照预定密实度和均匀性要求，将模型土3分层填筑于模型箱1内至长边前墙2-1-2和短边前墙2-1-1底部高程，填筑过程中按照预设位置埋置第一排液管4-9、第二排液管4-10、排气管4-16；

第六步，在模型箱辅助支架1-2的辅助下，将模型墙2固定于模型箱1内预设位置；

第七步，边填筑模型土3边在预定位置埋设微型土压力传感器5-4至基坑底部高程，将隔离架4-6置于基坑位置，采用夹具4-5将第一硅胶袋4-3、第二硅胶袋4-4分别固定于隔离架4-6的第一格仓、第二格仓内，将第一排液管4-9、第二排液管4-10分别与第一硅胶袋4-3底部、第二硅胶袋4-4底部相连，并在第一硅胶袋4-3底部、第二硅胶袋4-4底部分别安装第一微型孔压计4-7、第二微型孔压计4-8；

第八步，继续逐层填筑模型土3直至模型土3表面高程，并在此过程中于预设位置安装微型土压力传感器5-4；

第九步，在预设位置安装激光位移计5-2和差动式位移计5-1；

第十步，缓慢均匀地将第一重液4-1、第二重液4-2分别灌注至第一硅胶袋4-3、第二硅胶袋4-4内部，直至重液液面与模型土3表面齐平；

第十一步，将模型箱1吊入离心机挂篮内，启动离心机，分级增加离心加速度直至预定的最大加速度；

第十二步，待量测元件读数稳定后，开启第一电磁阀4-13、第二电磁阀4-14开始排放重液，同时调节第一流量控制阀4-11、第二流量控制阀4-12的输入压力至设定值，使基坑按照预定的开挖速率进行开挖，同时利用安装于第一硅胶袋4-3底部的第一微型孔压计4-7和安装于第二硅胶袋4-4底部的第二微型孔压计4-8监测第一重液4-1和第二重液4-2的液面高度，以反馈调整第一流量控制阀4-11和第二流量控制阀4-12的输入压力，确保第一重液4-1、第二重液4-2的液面高程无误；

第十三步，重液排空后停机，采集数据，吊出模型箱1，拆卸试验装置，试验结束。

Claims (9)

1.一种用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置，其特征在于，包括模型箱、模型墙、模型土、开挖系统、量测系统；

所述模型箱由模型箱主体和模型箱辅助支架组成，模型箱内填筑有模型土；模型箱主体由前视板、U形板和后板组成；模型箱辅助支架固定于模型箱主体顶部；

所述模型墙的墙体由短边前墙、长边前墙、短边后墙、长边后墙和中隔墙组成，所述短边前墙、长边前墙、短边后墙、长边后墙和中隔墙的厚度相等，短边前墙和长边前墙的高度相等；短边后墙和长边后墙的高度相等；短边前墙、长边前墙的高度大于短边后墙、长边后墙的高度；短边后墙、长边后墙的高度大于中隔墙的高度；中隔墙用于连接短边前墙和短边后墙、长边前墙和长边后墙；所述墙体内外表面刻有通长的规则凹槽，用于模拟格形地连墙围护结构相邻槽段间的施工接头；所述墙体的内外表面除凹槽处均贴有细砂粒，所述细砂粒的粒径为1～3mm；

所述开挖系统包括第一重液、第二重液、第一硅胶袋、第二硅胶袋、隔离架、第一流量控制阀、第二流量控制阀、第一电磁阀、第二电磁阀、重液收集箱和排气管；所述隔离架设于基坑位置，将隔离架分为第一格仓和第二格仓；所述第一重液置于第一硅胶袋内，所述第一硅胶袋固定于第一格仓内；所述第二重液置于第二硅胶袋内，所述第二硅胶袋固定于第二格仓内；所述第一硅胶袋内和第二硅胶袋内的底部均设有微型孔压计，分别用于检测第一重液和第二重液的液面高度的变化；所述第一硅胶袋和第二硅胶袋底部分别通过排液管与重液收集箱相连，用于将第一重液和第二重液排至重液收集箱；所述重液收集箱固定于模型箱主体底部，通过排气管连通模型箱外部；

所述量测系统用于测量基坑开挖过程中格形地连墙围护结构内部地表及外部地表的竖向位移变化情况、模型墙的短边前墙、长边前墙、短边后墙、长边后墙和中隔墙的凹槽顶部处的水平位移、墙体应变以及作用于墙体表面上的水平土压力。

2.根据权利要求1所述的用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置，其特征在于，所述的模型土为按预定密实度和均匀性要求分层填筑于模型箱里的单类土。

3.根据权利要求1所述的用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置，其特征在于，所述墙体的材料为有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置，其特征在于，所述隔离架包括外框架、短边等腰三角板、短边直角三角板、长边等腰三角板、长边直角三角板组成；所述外框架为由钢条焊接而成的长方体；短边等腰三角板、短边直角三角板、长边等腰三角板、长边直角三角板为厚度相同的钢板；所述短边等腰三角板的一个腰和短边直角三角板的斜边重合，所述长边等腰三角板的一个腰和长边直角三角板的斜边重合，所有三角板共用一个顶点，该顶点为外框架所在长方体其中一个侧面的中心；外框架与各三角板之间通过焊接连接；隔离架的外部尺寸与基坑的内部尺寸相同；所述第一格仓为所述短边等腰三角板、短边直角三角板、长边等腰三角板、长边直角三角板与模型墙之间的空间；所述第二格仓为隔离架内部除第一格仓外的空间。

5.根据权利要求1所述的用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置，其特征在于，所述前视板、U形板和后板之间通过螺栓连接，其材料均为高强度铝合金，所述高强度铝合金的抗拉强度大于500MPa；模型箱主体的尺寸与挂篮尺寸相匹配，模型箱主体的宽度大于预估的地表沉降槽的宽度，模型箱主体的板厚大于50mm。

6.根据权利要求1所述的用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置，其特征在于，所述排液管为软橡胶管，排液管上设有流量控制阀，用于控制试验过程中第一重液和第二重液的排放速度；排液管末端位于重液收集箱表面，排液管末端设有电磁阀，用于控制第一重液、第二重液排放的开始与结束。

7.根据权利要求1所述的用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置，其特征在于，所述第一重液的密度为模型土的密度与模型土静止土压力系数的乘积，用于模拟作用于模型墙上的水平土压力；所述第二重液的密度与模型土的密度相等，用于模拟作用于基坑底部的竖向土压力随基坑开挖深度的变化过程。

8.根据权利要求1所述的用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验装置，其特征在于，所述量测系统包括差动式位移计、激光位移计、电阻应变片和微型土压力传感器；所述差动式位移计固定于模型箱辅助支架上，用于测量基坑开挖过程中格形地连墙围护结构内部地表及外部地表的竖向位移变化情况；所述激光位移计固定于模型箱主体的后板和U形板内表面顶部，激光位移计的竖向位置与模型墙顶部一致，用于测量基坑开挖过程中模型墙的短边前墙、长边前墙、短边后墙、长边后墙和中隔墙的凹槽顶部处的水平位移；所述电阻应变片贴于模型墙墙体表面的凹槽内，用于测量墙体应变并为计算墙体弯矩和不同高度处的水平位移提供数据支持；微型土压力传感器埋置于模型土中，位置与电阻应变片接近，用于测量基坑开挖过程中作用于墙体表面上的水平土压力。

9.一种用于研究格形地连墙围护结构工作性状空间效应的离心模型试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-8任一项所述的装置实现，包括以下步骤：

(1)准备模型箱、模型墙、模型土、开挖系统和量测系统所需材料，并对量测元件进行标定；

(2)制作模型墙，包括：(a)连接墙体；(b)在墙体表面黏贴一层细砂粒；(c)沿墙体凹槽将电阻应变片贴于相应位置，并将电阻应变片的数据采集线固定于墙体表面合适位置；

(3)组装模型箱，在模型箱侧壁内表面上涂抹一层凡士林，并在凡士林表面贴上一层聚四氟乙烯薄膜，以减弱边界效应；

(4)在模型箱内预设位置固定重液收集箱，将排液管和排气管安装在重液收集箱预设位置上，将流量控制阀和电磁阀安装在相应排液管的预设位置处；

(5)按照预定密实度和均匀性要求，将模型土分层填筑于模型箱内至长边前墙和短边前墙底部高程，填筑过程中按照预设位置埋置排液管和排气管；

(6)在模型箱辅助支架的辅助下，将模型墙固定于模型箱内预设位置；

(7)边填筑模型土边在预定位置埋设微型土压力传感器至基坑底部高程，将隔离架置于基坑位置，采用夹具将第一硅胶袋、第二硅胶袋分别固定于隔离架的第一格仓、第二格仓内，将排液管分别与第一硅胶袋底部、第二硅胶袋底部相连，并在第一硅胶袋底部、第二硅胶袋底部分别安装微型孔压计；

(8)继续逐层填筑模型土直至模型土表面高程，并在此过程中于预设位置安装微型土压力传感器；

(9)在预设位置安装激光位移计和差动式位移计；

(10)将第一重液、第二重液分别灌注至第一硅胶袋、第二硅胶袋内部，直至重液液面与模型土表面齐平；

(11)将模型箱吊入离心机挂篮内，启动离心机，分级增加离心加速度直至预定的最大加速度；

(12)待量测元件读数稳定后，开启电磁阀开始排放重液，同时调节流量控制阀的输入压力至设定值，使基坑按照预定的开挖速率进行开挖，同时利用安装于第一硅胶袋底部和第二硅胶袋底部的微型孔压计监测第一重液和第二重液的液面高度，以反馈调整两个流量控制阀的输入压力，确保第一重液、第二重液的液面高程无误；

(13)重液排空后停机，采集数据，吊出模型箱，拆卸试验装置，试验结束。

Images