CN211113788U

CN211113788U - 一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置

Info

Publication number: CN211113788U
Application number: CN201921066887.9U
Authority: CN
Inventors: 徐晓兵; 张腾遥; 邱杭鹰; 胡敏云; 闫自海; 陈娟; 彭孔曙; 沈霄云
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2029-07-09

Abstract

一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置，包括模型箱、基坑支护系统、偏压加载系统、水循环与水位控制系统和监测系统；模型箱内装有夯土，夯土内设有基坑，基坑支护系统安装在基坑内；模型箱外装有偏压加载系统，偏压加载系统对基坑外侧的夯土加压；水循环与水位控制系统对模型箱内的夯土供水，并从基坑底部排水。本实用新型通过自动控制模型箱内水位高度与控制基坑内侧水位高度的水头差模拟渗流条件，可以对基坑外侧土体进行加压大小、加压距离进行实时控制，可方便地调节对挡土墙的预应力，能更真实的反映基坑工程开挖时的受力情况。

Description

一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置

技术领域

本实用新型涉及一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置，特别是涉及富水条件下进行基坑开挖产生的地下水渗流与基坑存在偏压荷载进行基坑开挖的模型试验装置；可用于模拟实际基坑开挖步骤，模拟基坑稳定渗流、偏压、渗流偏压耦合三种工况；可监测基坑开挖过程中围护结构的位移与变形、水土压力的变化与开挖完成基坑底部土体隆起变形问题。

背景技术

在实际工程中基坑开挖，由于周边各种超载或者基坑内外差产生的水头差，使坑底产生塑性隆起导致基坑隆起破坏，使得工程发生安全问题，并造成严重的经济损失。

现今规范虽然有对基坑抗隆起的计算要求说明，但是设计计算的原理简单，并没有考虑到基坑周边的压载、渗流以及偏压渗流的耦合的因素对基坑的隆起变形影响。设计计算方法要考虑到上述的问题，就必须对偏压、渗流以及渗流偏压的耦合作用对基坑隆起变形的机理和规律有认识。目前对于数值软件计算是对工程实例模型进行的一种简化，并且所需的土体本构参数很难精确测得，因此对结果影响很大，参考性较低。而由于工程现场条件不可控因素太多，并且对于基坑底部土体隆起位移大多都是通过检测格构柱的位移作为土体隆起位移，对于现场监测的数据有时根本无法真正获取。

基坑室内缩尺模型试验可控性强，所得的数据也可根据缩尺比反算出实际工程基坑变形受力情况。但目前没有学者考虑过偏压与渗流耦合的模型试验。目前对于偏载模型试验多数为堆载重物，这样费时费力，可调性差，无法很好实施偏压大小与偏压距离的影响；对于基坑渗流模型试验大多通过人为控制水位差，也须花费大量时间不断去调整；在模拟基坑开挖的过程大多数通过预先安设支撑，这样无法真实模拟实际开挖过程中基坑的受力和变形情况。在模型试验中对于基坑隆起变形的监测并没有可参考的方法，而对隆起变形的准确监测是试验数据的关键之一。

因此设计一种可操作性强，可模拟基坑不同分步开挖方案下，不同类型偏压场和渗流场单独及耦合作用，用来准确评价偏压与渗流条件下基坑隆起变形对基坑支护结构的设计具有重要意义。

发明内容

为了克服现上述现有的技术不足，本实用新型的目的在于提供了一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置。

本实用新型可以模拟基坑不同分步开挖方案下，不同类型偏压场和渗流场单独及耦合作用下的坑底隆起变形，并监测三种工况下围护结构弯矩及变形、水土压力变化和基坑底部隆起位移，为研究偏压和渗流条件下基坑隆起的变形规律、分析方法及抗隆起稳定性措施提供关键信息和参数。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置，其特征在于：包括模型箱(1)、基坑支护系统(2)、偏压加载系统(3)、水循环与水位控制系统(4) 和监测系统(5)；模型箱(1)内装有模型土，模型土内设有基坑，基坑支护系统(2)安装在基坑内；模型箱(1)外装有偏压加载系统(3)，偏压加载系统(3) 对基坑外侧的模型土加压；水循环与水位控制系统对模型箱(1)内的模型土供水，并从基坑底部排水，以模拟基坑的渗流；

所述偏压加载系统(3)的立柱(3-5)设立在模型箱(1)外，架设在立柱 (3-5)上的反力梁(3-4)横跨基坑上方，千斤顶(3-6)可在反力梁(3-4)上移动，通过第一螺栓(3-7)与钢板(3-3)连接固定在反力梁上(3-4)，千斤顶 (3-6)的顶升部连接荷载传递板(3-8)；

所述基坑支护系统(2)包括围护墙(2-1)，相对的围护墙(2-1)之间安装有若干内支撑杆(2-2)；

所述水循环与水位控制系统(4)包括储水箱(4-1)，储水箱(4-1)内设有抽水泵(4-2-1)，抽水泵(4-2-1)通过第一水管(4-2-3)连接进水水箱(4-2-4)，进水水箱(4-2-4)通过第二水管(4-2-6)连接设在模型箱(1)内的两个进水分布管网(4-2-7)，两个进水分布管网(4-2-7)之间以第三水管(4-2-8)相连，第二水管(4-2-6)上安装有进水阀门(4-2-5)和第一流量计(5-1)；基坑底部的模型土面上的排水管网(4-3-1)通过第四水管(4-3-2)连接模型箱(1)外的第五水管(4-3-4)，第五水管(4-3-4)连接储水箱(4-1)，第五水管(4-3-4)上装有蠕动泵(4-3-3)和第二流量计(5-2)；

所述监测系统(5)包括第一流量计(5-1)、第二流量计(5-2)、大头钉(5-3)、第二橡胶薄膜(5-4)、激光位移计(5-5)、应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、电阻应变片、多通道数据采集仪；电阻应变片贴在围护墙(2-1)的两个侧面，应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器埋设在模型箱(1)的模型土土里；应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、激光位移计、电阻应变片通过信号传输线连接多通道数据采集仪；所述基坑隆起监测点包括大头钉(5-3) 与第二橡胶薄膜(5-4)，所述第二橡胶薄膜(5-4)放置在基坑底部的模型土上，大头钉(5-3)穿透第二橡胶薄膜(5-4)并插入土体。布置在模型箱(1)上方的激光位移计(5-5)检测大头钉(5-3)所在基坑底部的垂直深度。

优选地，围护墙(2-1)通过第一橡胶薄膜(2-5)与模型箱侧板(1-1)连接。

优选地，在进水水箱(4-2-4)内设有检测水位的上探头和下探头，分别位于进水水头高度h_in上下10mm处，上探头和下探头连接水位控制器(4-2-2)，水位控制器(4-2-2)连接抽水泵(4-2-1)的控制端。

优选地，内支撑单元包括两根端部带有内螺纹的支撑杆，两根支撑杆通过螺纹杆(2-4)连接，每个支撑杆的另一端顶在围护墙(2-1)的螺栓(2-3)上。

优选地，如第一流量计(5-1)和第二流量计(5-2)的读数相等，则判断基坑的渗流条件为稳定渗流。

本实用新型采用的模型系统装置，可以模拟三种工况下的基坑开挖过程试验：

(1)偏压工况：通过压力加载系统向基坑一侧土体施加竖向荷载模拟偏压大小，通过调整千斤顶的位置，模拟控制偏压距离；通过监测系统获知不同偏压荷载、偏压距离对基坑的受力及变形影响。

(2)渗流工况：通过水循环与水位调节系统，控制基坑内外的水头差，产生渗流条件，通过监测系统获知基坑在渗流条件下对基坑受力及变形的影响。

(3)偏压渗流的耦合工况：在基坑开挖前，使用压力加载装置对基坑外侧土体实现偏压，通过千斤顶控制加压荷载大小，通过调控千斤顶位置控制偏压加载的距离；待加压稳定时，通过水循环与水位控制系统模拟基坑渗流条件，进而实现偏压与渗流的耦合工况的模拟。

本实用新型能够通过预埋土体隆起监测点，可监测基坑底部土体隆起位移。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型设置了水循环与水位控制系统，通过自动控制模型箱内水位高度与控制基坑内侧水位高度的水头差模拟渗流条件。

2.本实用新型设计的基坑外侧竖向偏压加载系统，可以对基坑外侧土体进行加压大小、加压距离进行实时控制。

3.本实用新型可模拟基坑实际开挖过程，并且支撑单元在安装过程中，通过控制支撑单元旋进螺杆的距离到达对挡土墙施加一定的预应力的目的；与将支撑预先安设在挡土墙上，或是在开挖过程中通过定位伸缩杆的孔洞将支撑单元固定方法相比，能更真实的反映基坑工程开挖时的受力情况；

附图说明

图1是本实用新型的模型箱的框架图。

图2(a)是基坑支护系统的示意图。

图2(b)是基坑支护系统的正视图。

图3是偏压加载系统的示意图。

图4为偏压渗流的基坑开挖模型试验装置的示意图。

图5是进水网管的示意图。

图6是排水网管的示意图。

图中：模型箱1；模型箱侧板1-1；模型箱底板1-2；进水孔1-3；出水孔1-4；基坑支护系统2；围护墙2-1；支撑杆2-2；螺栓2-3；螺纹杆2-4；第一橡胶薄膜 2-5；偏压加载系统3；预留螺栓3-1；横梁3-2；钢板3-3；反力梁3-4；立柱3-5；千斤顶3-6；第一螺栓3-7；荷载传递板3-8；第二螺栓3-9；水循环与水位控制系统4；储水箱4-1；进水控制系统4-2；抽水泵4-2-1；水位控制器4-2-2；第一水管4-2-3；进水水箱4-2-4；通水阀门4-2-5；第二水管4-2-6；进水分布管网4-2-7；第三水管4-2-8；水平排水系统4-3；排水管网4-3-1；第四水管4-3-2；蠕动泵4-3-3；第五水管4-3-4；监测系统5；第一流量计5-1；第二流量计5-2；大头钉5-3；第二橡胶薄膜5-4；激光位移计5-5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

.一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置，包括模型箱(1)、基坑支护系统(2)、偏压加载系统(3)、水循环与水位控制系统(4)和监测系统(5)；模型箱(1)内装有模型土，模型土内设有基坑，基坑支护系统(2)安装在基坑内；模型箱(1)外装有偏压加载系统(3)，偏压加载系统(3)对基坑外侧的模型土加压；水循环与水位控制系统(4)对模型箱(1)内的模型土供水，并从基坑底部排水，以模拟基坑的渗流；

偏压加载系统(3)的立柱(3-5)设立在模型箱(1)外，架设在立柱(3-5) 上的反力梁(3-4)横跨基坑上方，千斤顶(3-6)可在反力梁(3-4)上移动，通过第一螺栓(3-7)与钢板(3-3)连接固定在反力梁上(3-4)，千斤顶(3-6)的顶升部连接荷载传递板(3-8)；

基坑支护系统(2)包括围护墙(2-1)，相对的围护墙(2-1)之间安装有若干内支撑杆(2-2)，每个支撑杆(2-2)通过内置螺纹与螺纹杆(2-4)连接，并连接在围护墙(2-1)的螺栓(2-3)上；

水循环与水位控制系统(4)包括储水箱(4-1)，储水箱(4-1)内设有抽水泵(4-2-1)，抽水泵(4-2-1)通过第一水管(4-2-3)连接进水水箱(4-2-4)，进水水箱(4-2-4)通过第二水管(4-2-6)连接设在模型箱(1)内的两个进水分布管网(4-2-7)，两个进水分布管网(4-2-7)之间以第三水管(4-2-8)相连，第二水管(4-2-6)上安装有通水阀门(4-2-5)和第一流量计(5-1)；基坑底部的模型土面上的排水管网(4-3-1)通过第四水管(4-3-2)连接模型箱(1)外的第五水管(4-3-4)，第五水管(4-3-4)连接储水箱(4-1)，第五水管(4-3-4)上装有蠕动泵(4-3-3)和第二流量计(5-2)；

第一水管4-2-3、第二水管4-2-6、第三水管4-2-8、第四水管4-3-2、第五水管4-3-4均采用PVC管。

如图1所示，所述模型箱(1)由四面侧板(1-1)和一面底板(1-2)组成；侧板和底板焊接成整体，形成顶面敞开的长方体模型箱，用于岩土体的填筑开挖、基坑支护系统的埋置以及监测系统的埋设；在模型箱的其中两面侧板的底部分别开设进水孔(1-3)和出水孔(1-4)，用于连接水循环与水位控制系统。

如图2(a)、(b)所示，所述基坑支护系统(2)包括围护墙(2-1)和内支撑单元；所述围护墙(2-1)可根据工况要求通过不同材料类型的薄板模拟，围护墙上预安装A×B个螺栓(2-3)用于连接内支撑单元；围护墙与模型箱之间设有涂抹凡士林的第一橡胶薄膜(2-5)，实现围护墙与模型箱侧板间摩擦力消除的同时，并确保确保围护墙内外侧的水土体相互隔离；所述内支撑单元可根据工况要求通过不同材料类型的空心圆棒模拟；内支撑杆(2-2)为两根端部带有内螺纹的支撑杆，两根支撑杆(2-2)通过螺纹杆(2-4)连接，每个支撑杆的另一端顶在围护墙(2-1)的螺栓(2-3)上，模拟内支撑的工作。

如图3所示，所述偏压加载系统由地面预留螺栓(3-1)、横梁(3-2)、钢板 (3-3)、反力梁(3-4)立柱(3-5)、千斤顶(3-6)、第一螺栓(3-7、)荷载传递板(3-8)和第二螺栓(3-9)组成。所述立柱(3-5)架设在地面上，与地面预留螺栓(3-1)固接；所述横梁(3-2)焊接在立柱(3-1)顶端和距顶端一定距离，顶端横梁(3-2)预留若干个螺栓孔，可将第二螺栓(3-9)通过螺栓孔拧紧用于固定反力梁(3-4)；所述千斤顶(3-6)通过螺栓(3-7)与钢板(3-3)连接固定在反力梁上；所述荷载传递板(3-8)可根据工况选择不同平面尺寸的承压板放置于液压千斤顶下方，用于施加荷载至基坑外侧土体表面。

如图4所示，所述水循环与水位控制系统(4)由储水箱(4-1)、进水控制系统(4-2)和水平排水系统(4-3)组成。所述储水箱(4-1)由有机玻璃制成，储水箱(4-1)底部设有抽水泵(4-2-1)，通过第一水管(4-2-3)与进水控制系统 (4-2)的进水水箱(4-2-4)相连，储水箱(4-1)顶部设有回水孔，通过第五水管(4-3-4)与排水管网(4-3-1)相连。

所述进水控制系统(4-2)包括潜水泵(4-2-1)、水位控制器(4-2-2)、第一水管(4-2-3)、进水水箱(4-2-4)、通水阀门(4-2-5)、第二水管(4-2-6)、进水分布管网(4-2-7)和第三水管(4-2-8)，在进水水箱(4-2-4)内侧设有水位控制器探头，分别位于进水水头高度hin上下10mm处，通过水位控制器(4-2-2)控制抽水泵(4-2-1)的打开和关闭，以实现进水水头高度hin的模拟；所述进水分布管网(4-2-7)(如图5所示)由包裹土工布的开孔PVC管组成，设置在模型箱 (1)内壁两侧，通过第三水管(4-2-8)连通两管网(4-2-7)。

所述水平排水系统(4-3)由排水管网(4-3-1)、第四水管(4-3-2)、蠕动泵 (4-3-3)和第五水管(4-3-4)组成。所述排水管网(4-3-1)(如图6所示)由包裹土工布的开孔PVC管设置在基坑坑底土体表面，通过第四水管(4-3-2)连通排水管网(4-3-1)，并通过出水孔(1-4)与第五水管(4-3-4)连通，蠕动泵(4-3-3) 安装在第五水管(4-3-4)上，通过蠕动泵(4-3-3)抽水控制基坑内水位保持在坑底高度。

如图(4)所示，所述监测系统(5)包括第一流量计(5-1)、第二流量计(5-2) 大头钉(5-3)、第二橡胶薄膜(5-4)、激光位移计(5-5)、应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、电阻应变片、多通道数据采集仪；所述应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、激光位移计(5-5)、电阻应变片通过信号传输线连接多通道数据采集仪。所述大头钉(5-3)与第二橡胶薄膜(5-4)为基坑隆起监测布置点，所述第二橡胶薄膜(5-4)放置载土体填筑到基坑底部并压实后，所述大头钉(5-3)头部为平头，针长为2cm，穿透第二橡胶薄膜(5-4)并插入土体。所述大头钉(5-3)所在基坑底部的垂直深度通过激光位移计(5-5)测得。所述激光位移计(5-5)布置在模型箱(1)上方。

本实用新型的工作过程如下：

根距所需测点在围护墙(2-1)两个侧面相对应的位置贴上电阻应变片，并用AB胶将其密封保护，用来监测基坑开挖过程中围护墙(2-1)的弯矩变化情况和换算水平位移；向模型箱内分层填土，并逐层夯实。在填筑至放置围护墙(2-1) 位置，将围护墙(2-1)放置进模型箱内，围护墙(2-1)通过第一橡胶薄膜(2-5) 与模型箱侧板(1-1)连接，连接方式采用502胶水把第一橡胶薄膜粘贴模型箱上。模型箱土体填筑压密实到预设到达基坑底部时，接着铺设一块第二橡胶薄膜 (5-4)，在所需监测基坑隆起位移的位置放置大头钉(5-3)透过第二橡胶薄膜插入土体，并用激光位移计(5-5)监测此时大头钉基坑底部的垂直深度，所述激光位移计(5-5)固定在模型箱上方。布置完后接着继续填筑土体至完成。应变式土压力盒、应变式孔压计按预先设计好的位置在填筑土体过程中放入。应变片、激光位移计(5-5)、应变式土压力盒、应变式孔压计通过导线与采集仪连通。

当以上操作完毕，先静置24小时，再接着记录各监测仪器的初始读数；先往进水水箱(4-2-4)注水，通过确定预设的基坑外侧水位高度确定进水水箱水位高度，并把水位控制器(4-2-2)的上下探头放置在进水水箱(4-2-4)水位高度处，上探头与下探头相距10mm，用于自动稳定进水水箱水位，抽水泵(4-2-1) 受到水位控制器(4-2-2)的控制自动补水，通水阀门(4-2-5)打开，进水水箱 (4-2-4)通过第二水管(4-2-6)向模型箱(1)内注水；当进水水箱(4-2-4)水位基本保持不变后，说明此时模型箱(1)水位与进水水箱(4-2-4)水位基本一致；待记录各监测仪器的读数稳定不变，使用偏压加载装置(3)对基坑外侧土体实现加压，通过控制千斤顶(3-6)的加压荷载大小，通过控制偏压加载的距离；待加压稳定，各监测仪器的读数稳定不变，通过基坑内预设的排水系统(4-3) 对基坑内进行降水，控制基坑内水位；同时通过进水水箱(4-2-4)向模型箱(1) 内补水使基坑产生渗流。如第一流量计(5-1)和第二流量计(5-2)的读数相等，则判断渗流条件为稳定渗流。

对基坑内侧进行分布开挖，对基坑开挖卸土的方法缓慢开挖围护墙(2-1) 内侧的土体，开挖至第一道支撑设计位置下方2cm处，进行安装第一道支撑，支撑的安装步骤为：两支撑杆(2-2)通过螺纹杆(2-4)连接，接着一支撑杆(2-2) 直接套在围护墙(2-1)的螺栓上(2-3)，另一支撑单元过慢慢从螺纹杆(2-4) 上旋转出来，套在另一面围护墙的螺栓(2-3)上，并对围护墙施加一定的预应力；在第一道支撑的安装完成之后继续开挖土体，采用相同的方法安装支撑，直至基坑开挖到预先铺设的第二橡胶薄膜(5-4)的位置，表示基坑开挖完成，并用激光位移计(5-5)测量此时大头钉(5-3)的深度，通过预埋时的大头钉深度与开挖后的大头钉深度之差，确定土体的隆起位移。

在整个基坑开挖的过程中通过数据采集仪记录应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、激光位移计、电阻式应变片的读数。

通过监测基坑在开挖过程中水土压力的变化、围护结构的弯矩与位移变形情况以及开挖后坑底隆起位移大小，并整理相关试验数据确定基坑受力变形与坑底隆起变形的发展规律等问题，确定偏压和渗流对基坑抗隆起稳定性问题的影响因素，提供抗隆起措施设计的关键信息和参数。上述实施例为本实用新型的一个优选实施方式，是对本实用新型内容及其应用的进一步说明，不应理解为本实用新型仅适用于上述实施例。凡基于本实用新型原理和实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

Claims

1.一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置，其特征在于：包括模型箱(1)、基坑支护系统(2)、偏压加载系统(3)、水循环与水位控制系统(4)和监测系统(5)；模型箱(1)内装有模型土，模型土内设有基坑，基坑支护系统(2)安装在基坑内；模型箱(1)外装有偏压加载系统(3)，偏压加载系统(3)对基坑外侧的模型土加压；水循环与水位控制系统对模型箱(1)内的模型土供水，并从基坑底部排水，以模拟基坑的渗流；

所述偏压加载系统(3)的立柱(3-5)设立在模型箱(1)外，架设在立柱(3-5)上的反力梁(3-4)横跨基坑上方，千斤顶(3-6)可在反力梁(3-4)上移动，通过第一螺栓(3-7)与钢板(3-3)连接固定在反力梁上(3-4)，千斤顶(3-6)的顶升部连接荷载传递板(3-8)；

所述监测系统(5)包括第一流量计(5-1)、第二流量计(5-2)、大头钉(5-3)、第二橡胶薄膜(5-4)、激光位移计(5-5)、应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、电阻应变片、多通道数据采集仪；电阻应变片贴在围护墙(2-1)的两个侧面，应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器埋设在模型箱(1)的模型土土里；应变式土压力盒、应变式孔隙水压力传感器、激光位移计、电阻应变片通过信号传输线连接多通道数据采集仪；所述基坑隆起监测点包括大头钉(5-3)与第二橡胶薄膜(5-4)，所述第二橡胶薄膜(5-4)放置在基坑底部的模型土上，大头钉(5-3)穿透第二橡胶薄膜(5-4)并插入土体；布置在模型箱(1)上方的激光位移计(5-5)检测大头钉(5-3)所在基坑底部的垂直深度。

2.如权利要求1所述的一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置，其特征在于：围护墙(2-1)通过第一橡胶薄膜(2-5)与模型箱侧板(1-1)连接。

3.如权利要求1所述的一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置，其特征在于：在进水水箱(4-2-4)内设有检测水位的上探头和下探头，分别位于进水水头高度h_in上下10mm处，上探头和下探头连接水位控制器(4-2-2)，水位控制器(4-2-2)连接抽水泵(4-2-1)的控制端。

4.如权利要求1所述的一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置，其特征在于：内支撑单元包括两根端部带有内螺纹的支撑杆，两根支撑杆通过螺纹杆(2-4)连接，每个支撑杆的另一端顶在围护墙(2-1)的螺栓(2-3)上。

5.如权利要求1所述的一种偏压和渗流条件下狭长基坑隆起变形的模拟装置，其特征在于：如第一流量计(5-1)和第二流量计(5-2)的读数相等，则判断基坑的渗流条件为稳定渗流。