復雜地下水環(huán)境下的基坑開挖模型試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基坑模型試驗裝置，特別是涉及潛水位和承壓水壓力動態(tài)變化等復雜地下水環(huán)境條件下的基坑開挖模型試驗裝置，可用于模擬潛水位和承壓水壓力動態(tài)變化時承壓層和上覆弱透水性基坑土體之間的相互作用，研究動態(tài)變化潛水位和承壓水壓力條件下基坑的水土壓力響應和變形問題。
【背景技術】
[0002]在濱海、沿江地區(qū)地下水豐富，工程中常面臨深基坑坑底弱透水層以下尚存在承壓層的情況，由于降壓井降承壓水、大型降雨、河流洪峰過境、海潮變化等將導致潛水位和承壓水壓力發(fā)生動態(tài)變化，從而進一步影響基坑水土壓力、變形和穩(wěn)定性，潛水位和承壓水壓力動態(tài)變化等復雜地下水環(huán)境引起的基坑變形和失穩(wěn)問題是該類地區(qū)深基坑工程的重大風險源之一。
[0003]相比于理論解析方法和有限元數(shù)值方法的研究采用既定的土體本構模型，計算得到的潛水位和承壓水壓力動態(tài)變化引起的土體水土壓力和變形大小對計算參數(shù)的選取具有很大的依賴性;實際工程中較難進行對基坑坑底(位于基坑開挖區(qū)域內(nèi))的水土壓力實時監(jiān)測，進行大量相似的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以獲得潛水位和承壓水壓力動態(tài)變化引起的坑底弱透水層的變形規(guī)律的方法也很難實現(xiàn);鑒于常重力下土工模型試驗，不影響土體微觀結構，土顆粒尺寸及土顆粒間相互作用關系與實際情況相符，能客觀反映地下水和基坑土體的土顆粒之間的相互作用，廣泛應用于考慮土體應力應變關系的微觀研究。
[0004]目前，傳統(tǒng)的地下水作用的相關土工模型試驗研究，不考慮水中氣體進入試驗土體可能引起的非飽和土問題;考慮恒定潛水位作用的基坑模型試驗，有研究(彭述權.砂土擋墻破壞機理宏細觀研究[D].同濟大學，2007.)采用薄膜通過電暈后涂抹環(huán)氧樹脂的方法連接擋土墻和模型箱，該方法可獲取試驗土體中超靜孔隙水壓力、土壓力和基坑變形數(shù)據(jù)，但薄膜電暈工藝較為復雜，擋墻位移較大時薄膜可能在移動過程中發(fā)生撕裂或由于土顆粒摩擦導致破損，無法順利完成試驗或進行重復試驗?？紤]地下水位變化影響的基坑模型試驗，有研究(孫威.濱海地區(qū)深基坑性狀的試驗及理論研究[D].浙江大學，2015.)采用固定擋土墻的方法，該方法只能獲得土體中超靜孔隙水壓力的變化情況，無法獲得準確的土壓力變化和基坑變形數(shù)據(jù)，與實際基坑工程在動態(tài)地下水位作用下的響應情況仍存在較大差異;大量模擬地下水變化的土工試驗常考慮潛水位或承壓水壓力的分級變化，通常在每一級潛水位或承壓水壓力切換時暫停試驗，因此不能實現(xiàn)潛水位或承壓水壓力連續(xù)動態(tài)地變化，無法探討潛水位或承壓水壓力動態(tài)變化速率對開挖過程中基坑的水土壓力響應、土體變形以及穩(wěn)定性影響等問題。
[0005]在基坑模型試驗中，大多數(shù)研究針對每一級開挖和加撐完成工況下的基坑受力和變形情況展開，未考慮基坑在開挖或加撐過程中基坑的受力和變形情況。在考慮基坑開挖過程的模型試驗中，有研究采用卸載等體積等重量的土袋(Azevedo RF.Centrifuge andAnalytical Modelling of Excavat1n in Sand.PhD thesis,University of Colorado,Boulder，CO，USA, 1983.)或排放代土液體(Bolton MD and Powrie ff.The collapse ofdiaphragm walls retaining clay.Geotechnique，1987，37(3):335-353.)等方法模擬土體開挖卸載，此類方法不能準確模擬基坑開挖引起的土體中應力場的改變，與實際基坑開挖引起的基坑受力和變形情況仍存在一定的差異。大量模擬基坑開挖的模型試驗采用預先埋設安裝好支撐的擋土墻的方法，直接開挖基坑土體，不需要再進行加撐操作，該方法較為簡單，但預置的所有內(nèi)支撐都將在整個開挖過程中受力，顯然與實際工程的基坑受力情況不相符合，也無法準確模擬基坑開挖過程中未加撐情況下基坑的受力和變形情況。目前有研究采用液壓千斤頂向擋土墻支架施加力的方法模擬支撐的安裝，該方法采用液壓裝置較復雜，當基坑開挖寬度較大時該方法并不適用。另外絕大多數(shù)基坑開挖模型的開挖對稱面是垂直固定的擋板，通過向下抓土或掏土實現(xiàn)基坑開挖，該方法不能清晰界定開挖土層，會擾動未開挖的土體;該方法繁瑣，不易操作，特別是基坑開挖模型的尺寸較大或需要開挖的土體較多時，試驗操作的工作量相當大。因此，如何實現(xiàn)準確地土體開挖和支撐安裝是基坑開挖模型試驗中需要解決的重點問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了復雜地下水環(huán)境下的基坑開挖模型試驗裝置，解決了試驗中潛水位和承壓水壓力動態(tài)變化的模擬問題，可模擬潛水位和承壓水壓力動態(tài)變化時地下水和基坑土體之間的相互作用，量測動態(tài)變化的潛水位和承壓水壓力作用下基坑的水土壓力和變形，整理相關試驗數(shù)據(jù)并確定潛水位和承壓水壓力動態(tài)變化時基坑的受力和變形發(fā)展規(guī)律等問題，為潛水位和承壓水壓力動態(tài)變化等復雜地下水環(huán)境引起的基坑問題研究提供有效的試驗數(shù)據(jù)支持，并為之后理論分析模型提供依據(jù)。
[0007]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種復雜地下水環(huán)境下的基坑開挖模型試驗裝置，包括模型箱、水箱、若干對稱面擋土單元、基坑支護結構、承壓架空層、承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和量測系統(tǒng)七個部分;所述模型箱由模型箱框架、鋼化玻璃、模型箱底板、頂框、反力板和模型箱底座組成;所述模型箱框架的底部固定模型箱底板，前后兩個側(cè)面固定鋼化玻璃;所述模型箱框架和反力板均固定在模型箱底座上，頂部通過頂框連接;所述模型箱的右側(cè)底部安裝連通承壓架空層的第二通水閥門，用于連接模型箱和承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；
[0008]所述水箱由帶通水孔的鋁板、條形鋁板、水箱支架、水箱支架固定螺絲、刻度尺、第一通水閥門和第一流量計組成，通過水箱支架架設在模型箱內(nèi)的右上方，用于控制和觀測土體中的水位變化;所述帶通水孔的鋁板表面粘貼反濾土工織物，防止水位變化過程中試驗土體的流失;所述刻度尺粘貼在鋼化玻璃上，可用于直接觀測和記錄水位變化情況;所述第一通水閥門設置在模型箱的右側(cè)用以連通水箱和第一流量計；
[0009]所述對稱面擋土單元為U型不銹鋼條，通過螺栓固定在模型箱框架上;所述U型不銹鋼條之間通過H型止水橡膠條連接，U型不銹鋼條與模型箱框架通過S型止水橡膠條連接；
[0010]所述基坑支護結構包括擋土墻、擋土墻支架和若干支撐單元;所述擋土墻上部通過支架固定螺栓固定擋土墻支架，中部開有螺紋孔，通過螺紋孔螺紋連接安裝支撐單元所需的支撐固定螺栓，兩側(cè)開槽固定止水橡膠條;所述止水橡膠條保證擋土墻移動過程中與模型箱接觸面不發(fā)生漏水;所述支撐單元的一端具有內(nèi)螺紋口，內(nèi)螺紋口與支撐固定螺栓螺紋連接，實現(xiàn)支撐單元的安裝；
[0011 ]所述承壓架空層由帶通水孔的不銹鋼板、不銹鋼短柱和反濾土工織物組成;所述帶通水孔的不銹鋼板底部固定不銹鋼短柱，放置于模型箱內(nèi)的模型箱底板上，并與模型箱的四個側(cè)面密封連接;所述帶通水孔的不銹鋼板表面粘貼反濾土工織物；
[0012]所述承壓水壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)由微型水壓力變送器、有機玻璃圓筒裝置和第二流量計組成;所述有機玻璃圓筒裝置由有機玻璃圓筒、有機玻璃底座、刻度線和第三通水閥門組成;所述有機玻璃圓筒固定在有機玻璃底座上，側(cè)壁豎直設置刻度線，底部設置第三通水閥門；所述微型水壓力變送器通過三通管連接模型箱和有機玻璃圓筒裝置，微型水壓力變送器可連續(xù)記錄承壓水的動態(tài)變化情況;所述有機玻璃圓筒通過第三通水閥門與第二流量計連通，通過第二流量計精確地調(diào)節(jié)有機玻璃圓筒內(nèi)水柱高度的變化從而實現(xiàn)模型箱內(nèi)承壓水的動態(tài)變化；
[0013]所述量測系統(tǒng)包括微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)碼照相機;所述微型孔隙水壓力傳感器、微型土壓力盒、位移傳感器通過信號傳輸線連接多通道數(shù)據(jù)采集儀;所述數(shù)碼照相機放置于模型箱正前方。
[0014]進一步地，所述支撐單元包括實心鋁桿、伸縮桿和支撐連接螺栓;所述實心鋁桿上開有若干凹槽，一端具有內(nèi)螺紋口 ；所述伸縮桿為空心鋁管，伸縮桿上開有若干螺紋孔;所述支撐連接螺栓穿過伸縮桿上的螺紋孔抵住實心鋁桿的凹槽。
[0015]進一步地，所述支撐單元包括第一支撐桿、第二支撐桿和套筒;所述第一支撐桿的一端具有外螺紋;所述第二支撐桿的一端具有內(nèi)螺紋口，另一端具有外螺紋;所述套筒具有內(nèi)螺紋通道，一端螺紋連接第一支撐桿，另一端螺紋連接第二支撐桿。
[0016]進一步地，所述數(shù)碼照相機在試驗過程中應排除干擾，其位置不可發(fā)生挪動;可根據(jù)拍攝需要增