一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置。該裝置包括模型箱、水箱、擋土墻和內支撐。模型箱由模型箱框架、鋼化玻璃、模型箱底板、反力板、頂框和模型箱底座組成；水箱設置在模型箱內的右上方，用于控制和觀測土體中的水位變化；擋土墻通過擋土墻支架架設在模型箱內，其上可安裝內支撐；內支撐頂緊反力板，由反力板提供支反力；模擬開挖完成后的基坑受地下水變化的響應情況，監測土壓力、孔隙水壓力的變化，探求開挖完成后的基坑受力和變形的變化規律。本實用新型結構合理，操作簡便，可用于模擬地下水位動態變化對最危險開挖工況下的基坑受力和變形的影響，為相關基坑開挖模型試驗和研究提供了一種有效手段。
【專利說明】
一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種基坑模型試驗裝置，特別是涉及地下水位動態變化的最危險工況的基坑模型試驗裝置，可用于量測受地下水位動態變化引起的基坑土壓力和孔隙水壓力等的響應情況。
【背景技術】
[0002]近年來，城市建設快速發展，深基坑工程日趨增多，基坑工程面臨深度深、平面規模大、周圍環境復雜的新趨勢。特別是在濱海、沿江地區的深基坑工程更是面臨地下水豐富，施工環境復雜以及施工難度大等挑戰，其中地下水作用引起的基坑變形和失穩問題在深基坑設計和施工中不斷地被高度關注和重視。采用室內土工模型試驗的方法模擬基坑開挖，在巖土工程領域得到了廣泛的應用，但就如何通過基坑模型試驗客觀準確地模擬地下水動態變化下的基坑水土壓力響應仍是迫切需要解決的問題。
[0003]目前基坑模型試驗的土體多選用干砂，暫不考慮地下水的影響，主要研究基坑開挖土體的土壓力和基坑的變形，但此類研究不適用于地下水作用的基坑開挖情況。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據，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。考慮地下水位變化影響的基坑模型試驗，有研究(孫威.濱海地區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據，與實際基坑工程在動態地下水位作用下的響應情況仍存在較大差異。因此，更為簡便、準確地模擬地下水動態變化和可移動的擋土墻是濱海、沿江基坑開挖模型試驗中需要解決的主要問題。
[0004]大量試驗研究表明基坑開挖完成(基坑開挖到坑底)工況一般是基坑開挖的最危險工況。在實際工程中，眾多的基坑變形過大或失穩破壞的情況也常常發生在基坑開挖完成這一工況。因此基坑開挖完成工況下的水土壓力以及變形響應問題將成為模型試驗研究中的重中之重。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術的不足，本實用新型提供了可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置，解決了有效精確控制地下水位動態變化，及量測基坑最危險工況下的土壓力、孔隙水壓力，并確定基坑受力和變形的發展規律等問題。
[0006]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置，包括模型箱、水箱、擋土墻和內支撐四個部分;所述模型箱由模型箱框架、鋼化玻璃、模型箱底板、反力板、頂框和模型箱底座組成;所述模型箱框架的前后兩側安裝鋼化玻璃，方便觀測試驗中擋土墻的位移和基坑土體的變形，底部固定模型箱底板;所述反力板設置在模型箱的左側，反力板與模型箱框架均固定在模型箱底座上，頂部通過頂框連接;所述水箱由帶通水孔的鋁板、條形鋁板、水箱支架、水箱支架固定螺絲和刻度尺組成，通過水箱支架架設在模型箱內的右上方，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;所述擋土墻的上部由擋土墻固定螺栓連接擋土墻支架，兩側安裝止水橡膠條，擋土墻通過擋土墻支架架設在模型箱內；所述內支撐由實心鋁桿和內支撐固定螺栓組成;所述實心鋁桿可通過一端的內螺栓孔與內支撐固定螺栓連接安裝于擋土墻上，另一端頂緊反力板，由反力板提供支反力;所述模型箱的右側安裝連通水箱的閥門，用于控制水箱內水位的升降。將試驗土體澆制成基坑開挖完成狀態并使其完全飽和，利用預埋的土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器監測地下水位動態變化下基坑土壓力和孔隙水壓力的響應情況，利用位移傳感器監測擋土墻位移和基坑土體變形情況。
[0007]進一步地，所述模型箱框架由1mm厚的不銹鋼鋼條和不銹鋼鋼板焊接而成;所述鋼化玻璃通過建筑膠水安裝在模型箱框架內側;所述模型箱底板為1mm厚的不銹鋼鋼板；所述反力板為1mm厚的不銹鋼鋼板;所述頂框由20mm厚的不銹鋼鋼條焊接而成;所述模型箱底座由工字鋼焊接而成;所述擋土墻為鋁板，其厚度由試驗模擬的擋土墻剛度計算得到；所述擋土墻支架為20mm厚的條狀鋁板;所述閥門為銅芯閥門。
[0008]進一步地，所述模型箱框架和反力板通過四周點焊固定于模型箱底座。
[0009]進一步地，所述水箱通過玻璃膠連接模型箱的內壁。
[0010]進一步地，所述帶通水孔的鋁板和水箱支架由水箱支架固定螺絲擰緊連接。
[0011]進一步地，所述止水橡膠條在試驗過程中與鋼化玻璃垂直貼緊，保證擋土墻移動過程中與模型箱接觸面不發生漏水。
[0012]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0013]1、本實用新型中的水箱架設在模型箱內，采用玻璃膠密封水箱與模型箱之間的縫隙，帶通水孔的鋁板使得水箱內的水位與試驗土體水位連通，可以通過調節水箱內的水位以控制試驗土體水位變化;在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;水箱上的刻度尺粘貼在鋼化玻璃上，便于直接觀測和記錄水位變化情況。
[0014]2、本實用新型中采用可移動擋土墻，擋土墻的厚度通過試驗模擬的擋土墻剛度換算得到，與實際工程中擋土墻既能發生位移又能產生變形的情況相符;擋土墻兩側設置有止水橡膠條，與模型箱兩側的鋼化玻璃貼緊，可以保證擋土墻移動過程中與鋼化玻璃的接觸面不發生漏水。
[0015]3、本實用新型中的內支撐安裝在擋土墻上，可以根據模型試驗的需要調整內支撐的道數和每道支撐的內支撐元件數量等。
【附圖說明】
[0016]圖1為可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置側視圖；
[0017]圖2為可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置俯視圖；
[0018]圖3為基坑對稱面不意圖；
[0019]圖4為水箱側視圖；
[0020]圖5為擋土墻側視圖；
[0021 ]圖6為擋土墻及內支撐安裝示意圖；
[0022]圖中:模型箱I;模型箱框架1-1;鋼化玻璃1-2;模型箱底板1-3;反力板1-4;頂框1-
5；模型箱底座1-6;水箱2;帶通水孔的鋁板2-1;條形鋁板2-2;水箱支架2_3;水箱支架固定螺絲2-4;刻度尺2-5;擋土墻3;止水橡膠條3-1;擋土墻支架4;擋土墻固定螺栓5;內支撐6;實心鋁桿6-1 ；內支撐固定螺栓6-2 ；閥門7 ；試驗土體8。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0024]如圖1、圖2、圖3所示，本實用新型可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置，包括模型箱1、水箱2、擋土墻3和內支撐6四個部分。
[0025]所述模型箱I由模型箱框架1-1、鋼化玻璃1-2、模型箱底板1-3、反力板1-4、頂框1-5和模型箱底座1-6組成;所述模型箱框架1-1由1mm厚的不銹鋼鋼條和不銹鋼鋼板焊接而成;所述鋼化玻璃1-2厚度為20mm，通過建筑膠水安裝在模型箱I前后兩側的模型箱框架1-1內側;所述模型箱底板1-3為1mm厚的不銹鋼鋼板;所述反力板1-4為1mm厚的不銹鋼鋼板，設置在模型箱I的左側，與模型箱框架1-1由頂部的不銹鋼頂框1-5通過四周點焊連接，均通過四周點焊固定于工字鋼焊接而成的模型箱底座1-6上;所述頂框1-5由20mm厚的不銹鋼鋼條焊接而成;所述水箱2由豎向放置的帶通水孔的鋁板2-1、橫向放置的條形鋁板2-2、前后兩側的鋼化玻璃1-2和模型箱框架1-1的內壁通過玻璃膠連接形成，通過水箱支架2-3架設在模型箱I內的右上方，用于控制和觀測土體中的水位變化;所述帶通水孔的鋁板2-1和水箱支架2-3由水箱支架固定螺絲2-4擰緊連接;所述帶通水孔的鋁板2-1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2-5設置在鋼化玻璃1-2上可用于直接觀測和記錄水位變化情況;所述擋土墻3通過擋土墻支架4架設在模型箱I內，在移動過程中始終與鋼化玻璃1-2保持垂直;所述內支撐6通過實行鋁桿6-1的一端安裝在擋土墻3上，另一端頂緊反力板1-4，由反力板1-4提供支反力;所述閥門7為優質銅芯閥門，安裝在模型箱I右側，用于控制水箱2內水位的升降；所述試驗土體8采用標準福建細砂，通過砂雨法澆制得到。
[0026]如圖4所示，所述水箱2由帶通水孔的鋁板2-1、條形鋁板2-2、水箱支架2-3、水箱支架固定螺絲2-4和刻度尺2-5組成;所述帶通水孔的鋁板2-1表面排布有大量的通水圓孔，保證試驗過程中水箱內的水位與試驗土體水位連通且一致，以實現通過調節水箱內的水位來控制試驗土體的水位變化。
[0027]如圖5所示，擋土墻3兩側開槽安裝止水橡膠條3-1;所述止水橡膠條3-1在試驗過程中與鋼化玻璃1-2垂直貼緊，保證擋土墻移動過程中擋土墻3與模型箱I接觸面不發生漏水;所述擋土墻3為一定厚度的鋁板，其厚度由試驗模擬的擋土墻剛度計算得到;所述擋土墻支架4為20mm厚的條狀鋁板。
[0028]如圖6所示，所述實心鋁桿6-1可通過一端的內螺栓孔與內支撐固定螺栓6-2連接安裝于擋土墻3上;所述實心鋁桿6-1的直徑由試驗模擬的內支撐的剛度計算得到。
[0029]本實用新型的工作過程如下:首先將擋土墻3與擋土墻支架4通過擋土墻固定螺栓5連接好，而后通過實心招桿6-1—端的內螺栓和內支撐固定螺栓6-2將內支撐6安裝在擋土墻3上;將安裝好內支撐6的擋土墻3通過擋土墻支架4架設在模型箱I內，使得內支撐6頂緊反力板1-4，擋土墻3與鋼化玻璃1-2垂直貼緊；而后在擋土墻3上安裝好監測土壓力所需的土壓力傳感器;采用砂雨法澆制試驗土體8，通過控制落砂裝置篩孔網片與試驗土體表面的高差來獲得模型試驗所需的土體密實度;將試驗土體8澆制成如圖1所示的基坑開挖完成工況，通過閥門7向模型箱I內注水來飽和試驗土體8，嚴格控制閥門7的注水速度以減少試驗土體的流失(不沖刷基坑內的試驗土體)，飽和過程中由基坑開挖對稱面(基坑被動區)上方區域向模型箱外緩慢地排(清)水;試驗土體8完全飽和后，鉆孔埋設孔隙水壓力傳感器，回填鉆孔土體;在擋土墻3和基坑內外土體表面安裝位移傳感器，分別監測擋土墻3的位移和基坑土體變形情況;完成上述試驗準備工作后，通過閥門7控制水箱2內刻度尺2-5所示的水位變化以實現基坑地下水位動態變化，采集地下水位動態變化引起的基坑土壓力、孔隙水壓力變化情況，記錄擋土墻的位移和基坑土體變形，獲得地下水位變化引起的基坑水土壓力響應、擋土墻位移和基坑變形等規律。
【主權項】
1.一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置，其特征在于，包括模型箱(I)、水箱(2)、擋土墻(3)和內支撐(6)四個部分;所述模型箱(I)由模型箱框架(1-1)、鋼化玻璃(1-2)、模型箱底板(1-3)、反力板(1-4)、頂框(1-5)和模型箱底座(1-6)組成;所述模型箱框架(1-1)的前后兩側安裝鋼化玻璃(1-2)，底部固定模型箱底板(1-3);所述反力板(1-4)設置在模型箱(I)的左側，反力板(1-4)與模型箱框架(1-1)均固定在模型箱底座(1-6)上，頂部通過頂框(1-5)連接;所述水箱(2)由帶通水孔的鋁板(2-1)、條形鋁板(2-2)、水箱支架(2-3)、水箱支架固定螺絲(2-4)和刻度尺(2-5)組成，通過水箱支架(2-3)架設在模型箱(I)內的右上方;所述帶通水孔的鋁板(2-1)表面粘貼反濾土工織物;所述刻度尺(2-5)粘貼在鋼化玻璃(1-2)上;所述擋土墻(3)的上部由擋土墻固定螺栓(5)連接擋土墻支架(4)，兩側安裝止水橡膠條(3-1)，擋土墻(3)通過擋土墻支架(4)架設在模型箱(I)內；所述內支撐(6)由實心鋁桿(6-1)和內支撐固定螺栓(6-2)組成;所述實心鋁桿(6-1)通過一端的內螺栓孔與內支撐固定螺栓(6-2)連接安裝于擋土墻(3)上，另一端頂緊反力板(1-4);所述模型箱(I)的右側安裝連通水箱(2)的閥門(7)。2.根據權利要求1所述的一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述模型箱框架(1-1)由1mm厚的不銹鋼鋼條和不銹鋼鋼板焊接而成;所述鋼化玻璃(1-2)通過建筑膠水安裝在模型箱框架(1-1)內側;所述模型箱底板(1-3)為1mm厚的不銹鋼鋼板;所述反力板(1-4)為1mm厚的不銹鋼鋼板;所述頂框(1_5)由20mm厚的不銹鋼鋼條焊接而成;所述模型箱底座(1-6)由工字鋼焊接而成;所述擋土墻(3)為鋁板;所述擋土墻支架(4)為20_厚的條狀鋁板;所述閥門(7)為銅芯閥門。3.根據權利要求1所述的一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述模型箱框架(1-1)和反力板(1-4)通過四周點焊固定于模型箱底座(1-6)。4.根據權利要求1所述的一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述水箱(2)通過玻璃膠連接模型箱(I)的內壁。5.根據權利要求1所述的一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述帶通水孔的鋁板(2-1)和水箱支架(2-3)由水箱支架固定螺絲(2-4)擰緊連接。6.根據權利要求1所述的一種可模擬地下水位動態變化的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述止水橡膠條(3-1)在試驗過程中與鋼化玻璃(1-2)垂直貼緊。
【文檔編號】G01N3/12GK205506571SQ201620271734
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】應宏偉, 章麗莎, 魏驍, 張金紅, 沈華偉, 王小剛, 朱成偉
【申請人】浙江大學