可模擬基坑開挖過程中地下水位變化的基坑模型試驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可模擬基坑開挖過程中地下水位變化的基坑模型試驗裝置，特別是涉及地下水位變化條件下的基坑開挖各個施工工況模擬的模型試驗裝置，可用于量測不同基坑開挖工況下基坑土壓力和基坑變形問題。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著城市人口的急劇增長，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是該類地區深基坑工程的重大風險源之一。基坑開挖引起的基坑變形和失穩問題是深基坑設計和施工中被高度關注和重視的工程問題。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。其中，如何通過基坑模型試驗客觀準確地模擬復雜地下水環境作用基坑開挖過程的各個施工工況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]在基坑模型試驗中，大多數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，C0，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。

【發明內容】

[0005]為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了可模擬基坑開挖過程中地下水位變化的基坑模型試驗裝置，解決了有效準確模擬復雜地下水環境下的基坑開挖各個施工工況，及量測各工況下基坑土壓力、擋土墻位移和基坑變形，整理相關試驗數據并確定基坑受力和變形發展規律等問題。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種可模擬基坑開挖過程中地下水位變化的基坑模型試驗裝置，包括模型箱、水箱、若干對稱面擋土單元和基坑支護結構四個部分;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1-1通過S型止水橡膠條連接;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生漏水;所述支撐單元的一端具有內螺紋口，內螺紋口與支撐固定螺栓螺紋連接，實現支撐單元的安裝。所述模型箱的右側安裝連通水箱的閥門，用于控制水箱2內水位的升降。
[0007]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，使得實心鋁桿和伸縮桿緊密連接。
[0008]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螺紋口，另一端具有外螺紋;所述套筒具有內螺紋通道，一端螺紋連接第一支撐桿，另一端螺紋連接第二支撐桿。
[0009]進一步地，所述模型箱框架由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;所述模型箱底板和反力板為不銹鋼鋼板;所述頂框由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;所述擋土墻支架為條狀鋁板;所述閥門為優質銅芯閥門。
[0010]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。
[0011 ]進一步地，所述水箱通過玻璃膠連接模型箱的內壁。
[0012]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。
[0013]進一步地，所述擋土墻在移動過程中始終與鋼化玻璃保持垂直。
[0014]進一步地，所述實心鋁桿的直徑、伸縮桿的壁厚、第一支撐桿的直徑、第二支撐桿的直徑和套筒的壁厚均由試驗模擬的內支撐的剛度計算得到。
[00? 5]進一步地，在模型箱內填筑的試驗土體采用標準福建細砂，通過砂雨法饒制得到。
[0016]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0017]1、本發明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