CN114720295A - 模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构‑土体相互作用的模型试验装置及其试验方法，该方法包括以下步骤：1)填筑砂土垫层并自重固结；2)布置土工布和透水帷幕；3)填筑模型土，埋置地下结构模型，位移传感器记录初始数据；4)注水，模型土自重固结；5)各个传感器记录初始数据，位移传感器记录沉降数据；6)螺旋升降机拉动地下结构模型，各个传感器记录数据；7)分析数据，获得试验结果。本发明可真实模拟地下水位变动引起地下结构‑土体界面特性变化以及地下结构‑土体变形的过程，也可精确测量地下水位变动以及加载过程中，地下结构和周围土体应力场的变化以及拉力荷载、位移等数据。

Description

模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用 的模型试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置及其试验方法。

背景技术

随着我国城镇化进程的推进，对城市空间和交通运载能力的需求不断增加，对城市地下空间的开发利用得到了快速的发展。对于地下结构而言，暴雨、山洪等洪涝灾害对于地下结构及周围土体有着巨大的影响。因此，研究水位变动对地下结构-土体界面特性变化以及地下结构-土体变形的影响具有十分重要的现实意义。

目前，研究地下结构-土相互作用模型主要有地基梁模型、空间壳模型、土弹簧模型、空间理论模型、多场耦合模型及地下结构-土非线性接触模型等。现有针对地下结构-土体界面特性的研究中，大部分学者只针对冻土、软土等情况进行了试验，而并未考虑水位变动情况下地下结构-土体界面特性以及地下结构-土体应力场的变化规律。

因此，亟需开发一种能解决上述问题的试验装置及其试验方法。

发明内容

本发明的目的是提供模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，包括模型箱、地下结构模型、地下结构固定装置、监测系统、加载系统和注水抽水系统。

所述模型箱包括模型箱主体和L型箱体，模型箱主体为上端敞口的矩形箱体，模型箱主体的四块侧板依次记为侧板A、侧板B、侧板C和侧板D，侧板A开有供地下结构模型穿过的孔洞。

所述模型箱主体内设置有砂土垫层和透水帷幕，砂土垫层铺设在模型箱主体的底部。

所述透水帷幕安装在砂土垫层上，透水帷幕包括侧板E、侧板F和侧板G，侧板E与侧板B平行且相互间隔，侧板F与侧板C平行且相互间隔，侧板G与侧板D平行且相互间隔，侧板E、侧板F和侧板G依次连接形成U型槽结构，该U型槽结构的槽口朝向侧板A，侧板E和侧板G均与侧板A接触。所述透水帷幕、侧板A和砂土垫层围成的空间S内填充有模型土，砂土垫层和模型土之间设置有土工布。

所述L型箱体包括矩形箱体Ⅰ和矩形箱体Ⅱ，矩形箱体Ⅰ的长度方向与水平方向平行，矩形箱体Ⅱ的长度方向与竖直方向平行，矩形箱体Ⅰ的一端与侧板A垂直连接且与孔洞连通，矩形箱体Ⅰ的另一端与矩形箱体Ⅱ的下端连接且相互连通，矩形箱体Ⅱ的上端呈敞口状。

所述矩形箱体Ⅱ平行且远离侧板A的一块侧板记为侧板H，侧板H上开设有竖直的条形通孔，侧板H的外侧设置有滑板，位于侧板H内侧的定滑轮穿过条形通孔并与滑板连接。

所述地下结构模型为空心圆柱体结构，地下结构模型的轴线垂直于侧板A。

所述地下结构固定装置包括支架、两根钢线和塑料板，塑料板开设有直径与地下结构模型直径一致的通孔，塑料板固定在侧板A的内壁上，塑料板的通孔与孔洞贯通。

所述地下结构模型的一端埋设在模型土内，另一端穿过孔塑料板和孔洞并伸入L型箱体。

所述监测系统包括力传感器、两个位移传感器、若干土压力传感器、若干孔隙水压力传感器和若干应变传感器，若干压力传感器安装在地下结构模型外壁上以及地下结构模型周围的土体内，若干孔隙水压力传感器安装在地下结构模型外壁，若干应变传感器安置在地下结构模型内壁以及外壁上。

所述支架包括两根伸缩立柱和撑板，两个伸缩立柱分别安装在侧板A和侧板C的上边缘，撑板连接在两根伸缩立柱上。

两根所述钢线的上端穿过撑板并分别与两个位移传感器连接，下端与地下结构模型连接。

所述加载系统包括螺旋升降机、钢支架和钢绞线，螺旋升降机安装在钢支架上，螺旋升降机的升降杆下端从矩形箱体Ⅱ的上端口伸入矩形箱体Ⅱ。

所述螺旋升降机的升降杆下端与力传感器连接，力传感器与钢绞线连接，钢绞线绕过定滑轮并连接到地下结构模型的端面上。

工作时，所述注水抽水系统向透水帷幕与模型箱主体之间的间隙中注水或抽水，待水位稳定模型土固结完成后，开启螺旋升降机，通过钢绞线拉动地下结构模型移动，监测系统获取地下结构模型及其周围土体的应力场、应变和拉力荷载数据，通过分析数据得到地下水位变动导致地下结构-土体界面特性变化及地下结构-土体变形的规律。

进一步，所述滑板为竖直的矩形板，滑板的两个竖直边缘上均开设有若干螺纹孔，带螺孔的两块钢板通过若干螺栓垂直连接到滑板的两个竖直边缘上。

进一步，所述塑料板包括两块矩形板，矩形板上开设有半圆形缺口，两块矩形板的缺口相对并相互拼接。

进一步，所述地下结构模型伸入L型箱体的一端的端面上连接有弯钩Ⅰ，地下结构模型的外壁上连接有相互间隔的两个弯钩Ⅱ，钢线的下端通过弯钩Ⅱ与地下结构模型连接，钢绞线通过弯钩Ⅰ与地下结构模型连接。

进一步，所述力传感器通过钢制挂钩与钢绞线连接。

进一步，所述注水抽水系统包括若干根水管和水泵，水管的一端与水泵相连，另一端伸入透水帷幕与模型箱主体之间的间隙内。

进一步，所述L型箱体的一块侧板采用有机玻璃制成，模型箱主体和地下结构模型采用钢铁材料制成。

一种基于上述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)在所述模型箱主体底部填筑砂土垫层，并自重固结至设定时间。

2)在所述砂土垫层上布置土工布和透水帷幕。

3)在所述空间S内分层填筑模型土至设计高度，按要求将若干土压力传感器、若干孔隙水压力传感器和若干应变传感器安装到地下结构模型的对应位置，埋置地下结构模型并与地下结构固定装置固定连接，继续填筑模型土至土层设计高度。填筑过程中，将若干压力传感器按要求布置在地下结构固定装置周围的土体内，记录位移传感器的数据，作为初始数据。

4)使用所述注水抽水系统向透水帷幕与模型箱主体之间的间隙中注水至设计水位，并将注水的模型土自重固结至设定时间。

5)记录所述土压力传感器、孔隙水压力传感器、应变传感器的数据作为初始数据，记录位移传感器的数据，作为沉降后数据。

6)上下调整所述滑板的高度，使得钢绞线位于矩形箱体Ⅰ内的部分与地下结构模型的轴线重合。开启所述螺旋升降机，通过钢绞线拉动地下结构模型至指定位置，期间记录力传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器和应变传感器的数据。

7)保存数据，整理试验器材。

8)分析整理得到的数据，获得地下水位变动导致地下结构-土体界面特性变化以及地下结构-土体变形的规律。

进一步，在步骤1)中，所述砂土垫层的填筑厚度为10cm，并自重固结24h。

进一步，在步骤4)中，注水的模型土自重固结1个月。

本发明的有益效果在于：

A.本发明可以真实的模拟地下水位变动引起的地下结构-土体界面特性变化以及地下结构-土体变形过程；

B.本发明可以精确测量地下水位变动时地下结构模型竖向位移、水平加载过程中地下结构模型产生的拉力荷载以及相应的位移值、地下结构模型自身应变、地下结构模型周围土压力以及地下结构模型周围孔隙水压力的变化规律；

C.本发明装置设置合理，试验操作方便，成本低，具有较高的可靠性。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为模型箱主体的示意图；

图3为L型箱体的剖视图；

图4为地下结构固定装置与地下结构模型的连接示意图；

图5为土压力传感器的布置图；

图6为孔隙水压力传感器的布置图；

图7为应变传感器的布置图。

图中：模型箱1、模型箱主体101、孔洞1011、L型箱体102、定滑轮1021、滑板1022、钢板1023、砂土垫层103、透水帷幕104、土工布105、地下结构模型2、弯钩Ⅰ201、弯钩Ⅱ202、地下结构固定装置3、支架301、伸缩立柱3011、钢线302、塑料板303、力传感器4、位移传感器501、土压力传感器6、孔隙水压力传感器7、应变传感器8、螺旋升降机9、钢支架10、钢绞线11、钢制挂钩12、水管13和水泵14。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例公开了模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，包括模型箱1、地下结构模型2、地下结构固定装置3、监测系统、加载系统和注水抽水系统。

所述模型箱1包括模型箱主体101和L型箱体102，参见图2，模型箱主体101为上端敞口的矩形箱体，模型箱主体101的四块侧板依次记为侧板A、侧板B、侧板C和侧板D，侧板A开有供地下结构模型2穿过的孔洞1011。

所述模型箱主体101内设置有砂土垫层103和透水帷幕104，砂土垫层103铺设在模型箱主体101的底部。

所述透水帷幕104安装在砂土垫层103上，透水帷幕104包括侧板E、侧板F和侧板G，侧板E与侧板B平行且相互间隔，侧板F与侧板C平行且相互间隔，侧板G与侧板D平行且相互间隔，侧板E、侧板F和侧板G依次连接形成U型槽结构，该U型槽结构的槽口朝向侧板A，侧板E和侧板G均与侧板A接触。所述透水帷幕104、侧板A和砂土垫层103围成的空间S内填充有模型土，砂土垫层103和模型土之间设置有土工布105。

所述注水抽水系统包括多根水管13和水泵14，水管13的一端与水泵14相连，另一端伸入透水帷幕104与模型箱主体101之间的间隙内。

参见图3，所述L型箱体102包括矩形箱体Ⅰ和矩形箱体Ⅱ，矩形箱体Ⅰ的长度方向与水平方向平行，矩形箱体Ⅱ的长度方向与竖直方向平行，矩形箱体Ⅰ的一端与侧板A垂直连接且与孔洞1011连通，矩形箱体Ⅰ的另一端与矩形箱体Ⅱ的下端连接且相互连通，矩形箱体Ⅱ的上端呈敞口状。

所述矩形箱体Ⅱ平行且远离侧板A的一块侧板记为侧板H，侧板H上开设有竖直的条形通孔，侧板H的外侧设置有滑板1022，位于侧板H内侧的定滑轮1021穿过条形通孔并与滑板1022连接。

所述滑板1022为竖直的矩形板，滑板1022的两个竖直边缘上均开设有多个螺纹孔，带螺孔的两块钢板1023通过多个螺栓垂直连接到滑板1022的两个竖直边缘上。

所述地下结构模型2为空心圆柱体结构，地下结构模型2的轴线垂直于侧板A。所述L型箱体102的一块侧板采用有机玻璃制成，模型箱主体101和地下结构模型2采用钢铁材料制成。

所述地下结构固定装置3包括支架301、两根钢线302和塑料板303，塑料板303开设有直径与地下结构模型2直径一致的通孔，塑料板303固定在侧板A的内壁上，塑料板303的通孔与孔洞1011贯通。

所述塑料板303包括两块矩形板，矩形板上开设有半圆形缺口，两块矩形板的缺口相对并相互拼接。

所述地下结构模型2的一端埋设在模型土内，另一端穿过孔塑料板303和孔洞1011并伸入L型箱体102。

所述监测系统包括力传感器4、两个位移传感器501、多个土压力传感器6、多个孔隙水压力传感器7和多个应变传感器8，参见图5，多个压力传感器6安装在地下结构模型2外壁上以及地下结构模型2周围的土体内，参见图6，多个孔隙水压力传感器7安装在地下结构模型2外壁，参见图7，多个应变传感器8安置在地下结构模型2内壁以及外壁上。

所述支架301包括两根伸缩立柱3011和撑板，两个伸缩立柱3011分别安装在侧板A和侧板C的上边缘，撑板连接在两根伸缩立柱3011上。

参见图4，两根所述钢线302的上端穿过撑板并分别与两个位移传感器501连接，下端与地下结构模型2连接。

所述加载系统包括螺旋升降机9、钢支架10和钢绞线11，螺旋升降机9安装在钢支架10上，螺旋升降机9的升降杆下端从矩形箱体Ⅱ的上端口伸入矩形箱体Ⅱ。

所述螺旋升降机9的升降杆下端与力传感器4连接，力传感器4通过钢制挂钩12与钢绞线11连接，钢绞线11绕过定滑轮1021并连接到地下结构模型2的端面上。

所述地下结构模型2伸入L型箱体102的一端的端面上连接有弯钩Ⅰ201，地下结构模型2的外壁上连接有相互间隔的两个弯钩Ⅱ202，钢线302的下端通过弯钩Ⅱ202与地下结构模型2连接，钢绞线11通过弯钩Ⅰ201与地下结构模型2连接。

工作前，将两个所述伸缩立柱3011调整到合适高度，确保后续试验中，位移传感器501能准确测量出地下结构模型2的沉降值。

工作时，所述注水抽水系统向透水帷幕104与模型箱主体101之间的间隙中注水或抽水。待水位稳定模型土固结完成后地下结构模型2会随着模型土产生竖向位移，从而导致地下结构模型2上方的两个弯钩Ⅱ202与其相连的钢线302移动，位移传感器501通过监测钢线302的位移变化从而反应地下结构模型2的竖向位移变化。通过记录土压力传感器6、孔隙水压力传感器7和应变传感器8的数据变化，从而得到地下结构模型2周围土压力、孔隙水压力和自身应变在水位变化后的数据。而后开启螺旋升降机9通过加载系统向外拉动地下结构模型2移动。监测系统获取地下结构模型2和周围土体应力场、管道应变、拉力荷载等数据。通过分析数据得到地下水位变动导致地下结构-土体界面特性变化及地下结构-土体变形的有关规律。

值得说明的是，本实施例所述装置可以真实的模拟地下水位变动引起地下结构-土体界面特性变化以及地下结构-土体变形的过程，并可以精确的测量地下水位变动以及加载过程中，地下结构和周围土体应力场的变化以及拉力荷载、位移等数据。本实施例成本低，具有广阔的应用前景。

实施例2：

本实施例公开了基于实施例1所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)在所述模型箱主体101底部填筑砂土垫层103，并自重固结至设定时间。其中，所述砂土垫层103的填筑厚度为10cm，并自重固结24h。

2)在所述砂土垫层103上布置土工布105和透水帷幕104。

3)在所述空间S内分层填筑模型土至设计高度，按要求将多个土压力传感器6、多个孔隙水压力传感器7和多个应变传感器8安装到地下结构模型2的对应位置，埋置地下结构模型2并与地下结构固定装置3固定连接，继续填筑模型土至土层设计高度。填筑过程中，将多个压力传感器6按要求布置在地下结构固定装置3周围的土体内，记录位移传感器501的数据，作为初始数据。

4)使用所述注水抽水系统向透水帷幕104与模型箱主体101之间的间隙中注水至设计水位，并将注水的模型土自重固结至设定时间。其中，注水的模型土自重固结1个月。

5)记录所述土压力传感器6、孔隙水压力传感器7、应变传感器8的数据作为初始数据，记录位移传感器501的数据，作为沉降后数据。

6)上下调整所述滑板1022的高度，使得钢绞线11位于矩形箱体Ⅰ内的部分与地下结构模型2的轴线重合。开启所述螺旋升降机9，通过钢绞线11拉动地下结构模型2至指定位置，期间记录力传感器4、土压力传感器6、孔隙水压力传感器7和应变传感器8的数据。

7)保存数据，整理试验器材。

8)分析整理得到的数据，获得地下水位变动导致地下结构-土体界面特性变化以及地下结构-土体变形的规律。

实施例3：

参见图1，本实施例公开了模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，包括模型箱1、地下结构模型2、地下结构固定装置3、监测系统、加载系统和注水抽水系统。

所述模型箱1包括模型箱主体101和L型箱体102，参见图2，模型箱主体101为上端敞口的矩形箱体，模型箱主体101的四块侧板依次记为侧板A、侧板B、侧板C和侧板D，侧板A开有供地下结构模型2穿过的孔洞1011。

所述模型箱主体101内设置有砂土垫层103和透水帷幕104，砂土垫层103铺设在模型箱主体101的底部。

所述透水帷幕104安装在砂土垫层103上，透水帷幕104包括侧板E、侧板F和侧板G，侧板E与侧板B平行且相互间隔，侧板F与侧板C平行且相互间隔，侧板G与侧板D平行且相互间隔，侧板E、侧板F和侧板G依次连接形成U型槽结构，该U型槽结构的槽口朝向侧板A，侧板E和侧板G均与侧板A接触。所述透水帷幕104、侧板A和砂土垫层103围成的空间S内填充有模型土，砂土垫层103和模型土之间设置有土工布105。

参见图3，所述L型箱体102包括矩形箱体Ⅰ和矩形箱体Ⅱ，矩形箱体Ⅰ的长度方向与水平方向平行，矩形箱体Ⅱ的长度方向与竖直方向平行，矩形箱体Ⅰ的一端与侧板A垂直连接且与孔洞1011连通，矩形箱体Ⅰ的另一端与矩形箱体Ⅱ的下端连接且相互连通，矩形箱体Ⅱ的上端呈敞口状。

所述矩形箱体Ⅱ平行且远离侧板A的一块侧板记为侧板H，侧板H上开设有竖直的条形通孔，侧板H的外侧设置有滑板1022，位于侧板H内侧的定滑轮1021穿过条形通孔并与滑板1022连接。

所述地下结构模型2为空心圆柱体结构，地下结构模型2的轴线垂直于侧板A。

所述地下结构固定装置3包括支架301、两根钢线302和塑料板303，塑料板303开设有直径与地下结构模型2直径一致的通孔，塑料板303固定在侧板A的内壁上，塑料板303的通孔与孔洞1011贯通。

所述地下结构模型2的一端埋设在模型土内，另一端穿过孔塑料板303和孔洞1011并伸入L型箱体102。

所述监测系统包括力传感器4、两个位移传感器501、多个土压力传感器6、多个孔隙水压力传感器7和多个应变传感器8，参见图5，多个压力传感器6安装在地下结构模型2外壁上以及地下结构模型2周围的土体内，参见图6，多个孔隙水压力传感器7安装在地下结构模型2外壁，参见图7，多个应变传感器8安置在地下结构模型2内壁以及外壁上。

所述支架301包括两根伸缩立柱3011和撑板，两个伸缩立柱3011分别安装在侧板A和侧板C的上边缘，撑板连接在两根伸缩立柱3011上。

参见图4，两根所述钢线302的上端穿过撑板并分别与两个位移传感器501连接，下端与地下结构模型2连接。

所述加载系统包括螺旋升降机9、钢支架10和钢绞线11，螺旋升降机9安装在钢支架10上，螺旋升降机9的升降杆下端从矩形箱体Ⅱ的上端口伸入矩形箱体Ⅱ。

所述螺旋升降机9的升降杆下端与力传感器4连接，力传感器4与钢绞线11连接，钢绞线11绕过定滑轮1021并连接到地下结构模型2的端面上。

工作时，所述注水抽水系统向透水帷幕104与模型箱主体101之间的间隙中注水或抽水，待水位稳定模型土固结完成后，开启螺旋升降机9，通过钢绞线11拉动地下结构模型2移动，监测系统获取地下结构模型2及其周围土体的应力场、应变和拉力荷载数据，通过分析数据得到地下水位变动导致地下结构-土体界面特性变化及地下结构-土体变形的规律。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述滑板1022为竖直的矩形板，滑板1022的两个竖直边缘上均开设有多个螺纹孔，带螺孔的两块钢板1023通过多个螺栓垂直连接到滑板1022的两个竖直边缘上。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述塑料板303包括两块矩形板，矩形板上开设有半圆形缺口，两块矩形板的缺口相对并相互拼接。

实施例6：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述地下结构模型2伸入L型箱体102的一端的端面上连接有弯钩Ⅰ201，地下结构模型2的外壁上连接有相互间隔的两个弯钩Ⅱ202，钢线302的下端通过弯钩Ⅱ202与地下结构模型2连接，钢绞线11通过弯钩Ⅰ201与地下结构模型2连接。

实施例7：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述力传感器4通过钢制挂钩12与钢绞线11连接。

实施例8：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述注水抽水系统包括多根水管13和水泵14，水管13的一端与水泵14相连，另一端伸入透水帷幕104与模型箱主体101之间的间隙内。

实施例9：

本实施例主要结构同实施例3，进一步，所述L型箱体102的一块侧板采用有机玻璃制成，模型箱主体101和地下结构模型2采用钢铁材料制成。

Claims (10)

1.模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，其特征在于：包括所述模型箱(1)、地下结构模型(2)、地下结构固定装置(3)、监测系统、加载系统和注水抽水系统；

所述模型箱(1)包括模型箱主体(101)和L型箱体(102)，模型箱主体(101)为上端敞口的矩形箱体，模型箱主体(101)的四块侧板依次记为侧板A、侧板B、侧板C和侧板D，侧板A开有供地下结构模型(2)穿过的孔洞(1011)；

所述模型箱主体(101)内设置有砂土垫层(103)和透水帷幕(104)，砂土垫层(103)铺设在模型箱主体(101)的底部；

所述透水帷幕(104)安装在砂土垫层(103)上，透水帷幕(104)包括侧板E、侧板F和侧板G，侧板E与侧板B平行且相互间隔，侧板F与侧板C平行且相互间隔，侧板G与侧板D平行且相互间隔，侧板E、侧板F和侧板G依次连接形成U型槽结构，该U型槽结构的槽口朝向侧板A，侧板E和侧板G均与侧板A接触；所述透水帷幕(104)、侧板A和砂土垫层(103)围成的空间S内填充有模型土，砂土垫层(103)和模型土之间设置有土工布(105)；

所述L型箱体(102)包括矩形箱体Ⅰ和矩形箱体Ⅱ，矩形箱体Ⅰ的长度方向与水平方向平行，矩形箱体Ⅱ的长度方向与竖直方向平行，矩形箱体Ⅰ的一端与侧板A垂直连接且与孔洞(1011)连通，矩形箱体Ⅰ的另一端与矩形箱体Ⅱ的下端连接且相互连通，矩形箱体Ⅱ的上端呈敞口状；

所述矩形箱体Ⅱ平行且远离侧板A的一块侧板记为侧板H，侧板H上开设有竖直的条形通孔，侧板H的外侧设置有滑板(1022)，位于侧板H内侧的定滑轮(1021)穿过条形通孔并与滑板(1022)连接；

所述地下结构模型(2)为空心圆柱体结构，地下结构模型(2)的轴线垂直于侧板A；

所述地下结构固定装置(3)包括支架(301)、两根钢线(302)和塑料板(303)，塑料板(303)开设有直径与地下结构模型(2)直径一致的通孔，塑料板(303)固定在侧板A的内壁上，塑料板(303)的通孔与孔洞(1011)贯通；

所述地下结构模型(2)的一端埋设在模型土内，另一端穿过孔塑料板(303)和孔洞(1011)并伸入L型箱体(102)；

所述监测系统包括力传感器(4)、两个位移传感器(501)、若干土压力传感器(6)、若干孔隙水压力传感器(7)和若干应变传感器(8)，若干压力传感器(6)安装在地下结构模型(2)外壁上以及地下结构模型(2)周围的土体内，若干孔隙水压力传感器(7)安装在地下结构模型(2)外壁，若干应变传感器(8)安置在地下结构模型(2)内壁以及外壁上；

所述支架(301)包括两根伸缩立柱(3011)和撑板，两个伸缩立柱(3011)分别安装在侧板A和侧板C的上边缘，撑板连接在两根伸缩立柱(3011)上；

两根所述钢线(302)的上端穿过撑板并分别与两个位移传感器(501)连接，下端与地下结构模型(2)连接；

所述加载系统包括螺旋升降机(9)、钢支架(10)和钢绞线(11)，螺旋升降机(9)安装在钢支架(10)上，螺旋升降机(9)的升降杆下端从矩形箱体Ⅱ的上端口伸入矩形箱体Ⅱ；

所述螺旋升降机(9)的升降杆下端与力传感器(4)连接，力传感器(4)与钢绞线(11)连接，钢绞线(11)绕过定滑轮(1021)并连接到地下结构模型(2)的端面上；

工作时，所述注水抽水系统向透水帷幕(104)与模型箱主体(101)之间的间隙中注水或抽水，待水位稳定模型土固结完成后，开启螺旋升降机(9)，通过钢绞线(11)拉动地下结构模型(2)移动，监测系统获取地下结构模型(2)及其周围土体的应力场、应变和拉力荷载数据，通过分析数据得到地下水位变动导致地下结构-土体界面特性变化及地下结构-土体变形的规律。

2.根据权利要求1所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，其特征在于：所述滑板(1022)为竖直的矩形板，滑板(1022)的两个竖直边缘上均开设有若干螺纹孔，带螺孔的两块钢板(1023)通过若干螺栓垂直连接到滑板(1022)的两个竖直边缘上。

3.根据权利要求1或2所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，其特征在于：所述塑料板(303)包括两块矩形板，矩形板上开设有半圆形缺口，两块矩形板的缺口相对并相互拼接。

4.根据权利要求1或3所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，其特征在于：所述地下结构模型(2)伸入L型箱体(102)的一端的端面上连接有弯钩Ⅰ(201)，地下结构模型(2)的外壁上连接有相互间隔的两个弯钩Ⅱ(202)，钢线(302)的下端通过弯钩Ⅱ(202)与地下结构模型(2)连接，钢绞线(11)通过弯钩Ⅰ(201)与地下结构模型(2)连接。

5.根据权利要求1所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，其特征在于：所述力传感器(4)通过钢制挂钩(12)与钢绞线(11)连接。

6.根据权利要求1所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，其特征在于：所述注水抽水系统包括若干根水管(13)和水泵(14)，水管(13)的一端与水泵(14)相连，另一端伸入透水帷幕(104)与模型箱主体(101)之间的间隙内。

7.根据权利要求1所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置，其特征在于：所述L型箱体(102)的一块侧板采用有机玻璃制成，模型箱主体(101)和地下结构模型(2)采用钢铁材料制成。

8.一种基于权利要求1～7任意一项所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在所述模型箱主体(101)底部填筑砂土垫层(103)，并自重固结至设定时间；

2)在所述砂土垫层(103)上布置土工布(105)和透水帷幕(104)；

3)在所述空间S内分层填筑模型土至设计高度，按要求将若干土压力传感器(6)、若干孔隙水压力传感器(7)和若干应变传感器(8)安装到地下结构模型(2)的对应位置，埋置地下结构模型(2)并与地下结构固定装置(3)固定连接，继续填筑模型土至土层设计高度；填筑过程中，将若干压力传感器(6)按要求布置在地下结构固定装置(3)周围的土体内，记录位移传感器(501)的数据，作为初始数据；

4)使用所述注水抽水系统向透水帷幕(104)与模型箱主体(101)之间的间隙中注水至设计水位，并将注水的模型土自重固结至设定时间；

5)记录所述土压力传感器(6)、孔隙水压力传感器(7)、应变传感器(8)的数据作为初始数据，记录位移传感器(501)的数据，作为沉降后数据；

6)上下调整所述滑板(1022)的高度，使得钢绞线(11)位于矩形箱体Ⅰ内的部分与地下结构模型(2)的轴线重合；开启所述螺旋升降机(9)，通过钢绞线(11)拉动地下结构模型(2)至指定位置，期间记录力传感器(4)、土压力传感器(6)、孔隙水压力传感器(7)和应变传感器(8)的数据；

7)保存数据，整理试验器材；

8)分析整理得到的数据，获得地下水位变动导致地下结构-土体界面特性变化以及地下结构-土体变形的规律。

9.根据权利要求8所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置的试验方法，其特征在于：在步骤1)中，所述砂土垫层(103)的填筑厚度为10cm，并自重固结24h。

10.根据权利要求8所述的模拟地下水位变动及地下结构移动下的结构-土体相互作用的模型试验装置的试验方法，其特征在于：在步骤4)中，注水的模型土自重固结1个月。

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