本發(fā)明屬于離心模型試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種土工離心模型試驗(yàn)設(shè)備及開挖模擬方法。

背景技術(shù)：

在透水性較強(qiáng)的地層中,基坑滲流穩(wěn)定是保證基坑安全的重要因素之一。目前基坑滲流問題的研究主要集中在基坑周邊局部范圍，較少考慮鄰近河流水位變化以及基坑開挖期間暴雨入滲等影響因素對(duì)基坑滲流穩(wěn)定的影響。位于長(zhǎng)江i級(jí)階地發(fā)展的城市，由于i級(jí)階地本身工程地質(zhì)特性，加之工程實(shí)際中基坑周邊地下水位的升降極易引發(fā)基坑安全事故。因此，正確的模擬基坑周邊水位的升降是再現(xiàn)原型工況的前提。

基坑開挖過程中由于基坑土體開挖后，周邊土應(yīng)力重分布引起坑壁發(fā)生向基坑側(cè)的側(cè)向位移，若側(cè)向位移過大易導(dǎo)致坑壁坍塌或者影響周邊建筑物的正常使用。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，深大基坑的設(shè)計(jì)亦趨頻繁。有關(guān)學(xué)者采用數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)等試驗(yàn)方法對(duì)基坑的穩(wěn)定、周邊建筑物的安全性影響展開研究。采用離心模型試驗(yàn)在離心機(jī)停機(jī)后再開挖土體未能較好地反映實(shí)際的開挖工況。因此，如何較好地模擬基坑的開挖反映實(shí)際的開挖工況顯得頗為重要。如申請(qǐng)公布號(hào)cn102828531a公開的土工離心機(jī)模型試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)地下連續(xù)墻溝槽開挖測(cè)量系統(tǒng)及施工方法，該裝置由模型箱分隔鋼板、傳感器固定裝置、溝槽鋼板開挖裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，其須依附于離心機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行工作，并根據(jù)需要選擇裝拆。即是先停機(jī)再開挖的方式，無法實(shí)完全反應(yīng)開挖工況。

土工離心模型試驗(yàn)通過離心機(jī)給模型施加離心力，采用離心場(chǎng)模擬重力場(chǎng)，從而再現(xiàn)原型的應(yīng)力應(yīng)變。離心模型試驗(yàn)?zāi)軌蚰M各類巖土工程施工工況，已在巖土工程的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。采用離心模型模擬基坑開挖時(shí)采用停機(jī)再開挖難以反映真實(shí)工況，采用液壓裝置提升開挖土體操作復(fù)雜，同時(shí)液壓裝置往往較重，增加了模型側(cè)的配重不利于離心機(jī)的安全運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為解決上述問題提供一種土工離心模型試驗(yàn)設(shè)備及開挖模擬方法。

本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：

一種土工離心模型試驗(yàn)設(shè)備，包括模型箱，所述模型箱內(nèi)底部設(shè)有儲(chǔ)水箱，中上部位于儲(chǔ)水箱上通過立設(shè)的地連墻板隔出基坑腔和填設(shè)有土料的填土腔，所述填土腔內(nèi)設(shè)有通過導(dǎo)管一與所述儲(chǔ)水箱連接的用于控制填土腔的水位升降的水位水箱，所述水位水箱與填土腔之間通過密布的滲水孔連通，所述基坑腔與所述儲(chǔ)水箱之間通過導(dǎo)管二連接，所述地連墻板上設(shè)有用于監(jiān)測(cè)基坑開挖、地下水位變化對(duì)地連墻板所承受的內(nèi)力的應(yīng)變片和側(cè)向土壓力變化的土壓傳感器。

作為優(yōu)選，所述基坑腔和填土腔相鄰設(shè)置，所述水位水箱設(shè)于填土腔背向基坑腔一側(cè)的儲(chǔ)水箱箱壁上或插設(shè)于填土腔內(nèi)，插設(shè)于填土腔內(nèi)時(shí)水位水箱壁周面上布設(shè)滲水孔。

作為優(yōu)選，所述填土腔圍設(shè)于所述基坑腔外，所述水位水箱貼靠于所述填土腔外側(cè)壁設(shè)置或插設(shè)于填土腔內(nèi)，插設(shè)于填土腔內(nèi)時(shí)水位水箱壁周面上布設(shè)滲水孔。

作為優(yōu)選，所述填土腔和基坑腔內(nèi)等高位置水平設(shè)有隔水層，所述填土腔內(nèi)的隔水層夾設(shè)于土料內(nèi)用于防止下方土料中的水向上滲透，所述基坑腔內(nèi)的隔水層將基坑腔分為位于下部的定料區(qū)和位于上部的開挖區(qū)，所述導(dǎo)管二向上延伸且管口可開關(guān)地連通所述開挖區(qū)。

作為優(yōu)選，所述開挖區(qū)為空腔區(qū)或所述開挖區(qū)內(nèi)設(shè)有靠連地墻板設(shè)置的土坡或支撐架，所述開挖區(qū)內(nèi)填充有液體或砂粒，所述定料區(qū)填充有土料或液體。支撐架主要為水平支撐結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選，所述導(dǎo)管一與水位水箱的通水口位于所述水位水箱的底部，所述導(dǎo)管二與基坑腔的通水口位于基坑腔的中上部，且導(dǎo)管一和導(dǎo)管二上各設(shè)有一電磁閥。

作為優(yōu)選，所述儲(chǔ)水箱包括分別與水位水箱和基坑腔連接的兩個(gè)箱室，且所述導(dǎo)管一和導(dǎo)管二上還各連接有一抽液泵。

一種利用上述權(quán)利要求所述的土工離心模型試驗(yàn)設(shè)備實(shí)施的開挖模擬方法，包括如下步驟：

一、將開挖區(qū)填充滿液體，再通過離心機(jī)給模型施加離心場(chǎng)；

二、待填土腔和基坑腔內(nèi)的土料固結(jié)穩(wěn)定后，打開閥門將開挖區(qū)內(nèi)的液體通過導(dǎo)管二排入儲(chǔ)水箱中，實(shí)現(xiàn)基坑腔的開挖工況；

三、開挖穩(wěn)定后向水位水箱注水，水通過滲水孔滲入填土腔的土料內(nèi)實(shí)現(xiàn)水位的抬升；

四、水位抬升好后，打開導(dǎo)管一的電磁閥，將水位水箱中的水排入儲(chǔ)水箱，填土腔內(nèi)水位下降。

作為優(yōu)選，當(dāng)導(dǎo)管一和導(dǎo)管二上設(shè)抽液泵時(shí)，步驟一中的填充液體和步驟三中的水位水箱注水可通過抽液泵從兩個(gè)箱室分別抽液送到開挖區(qū)和水位水箱。

作為優(yōu)選，所述步驟一中的液體為根據(jù)土的比重進(jìn)行配制的水和鉀酸銫的混合溶液或水和氯化鈣的混合溶液，所述步驟四中根據(jù)實(shí)際工況水位的枯水位、設(shè)防水位與警界水位的水位工況情況，逐次將水位水箱中的水排入儲(chǔ)水箱。

綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、采用本發(fā)明土工離心機(jī)的模擬水位升降和基坑開挖試驗(yàn)方法。試驗(yàn)操作性強(qiáng)，模型制作方便，可真實(shí)的模擬現(xiàn)場(chǎng)基坑周邊土體水位的變化以及基坑的開挖過程，為研究基坑壁的穩(wěn)定性提供有力途徑。

2、本發(fā)明與現(xiàn)有基坑的開挖及水位的升降的模擬技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：可以試驗(yàn)運(yùn)行過程中方便有效的進(jìn)行基坑開挖的模擬，同時(shí)水位升降還原了現(xiàn)場(chǎng)基坑周邊水位升降對(duì)基坑的影響，與實(shí)際工況相同，確保了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，安裝操作方便。

附圖說明：

圖1是本申請(qǐng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本具體實(shí)施例僅是對(duì)本發(fā)明的解釋，其并不是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀完本說明書后可以根據(jù)需要對(duì)本實(shí)施例做出沒有創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的修改，但只要在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)都受到專利法的保護(hù)。

實(shí)施例一：

一種土工離心模型試驗(yàn)設(shè)備，包括模型箱1，所述模型箱內(nèi)底部設(shè)有儲(chǔ)水箱2，中上部位于儲(chǔ)水箱上通過立設(shè)的地連墻板3隔出基坑腔5和填設(shè)有土料的填土腔4，所述填土腔內(nèi)設(shè)有通過導(dǎo)管一21與所述儲(chǔ)水箱連接的用于控制填土腔的水位升降的水位水箱6，所述水位水箱與填土腔之間通過密布的滲水孔61連通，所述基坑腔與所述儲(chǔ)水箱之間通過導(dǎo)管二22連接，所述地連墻板上設(shè)有用于監(jiān)測(cè)基坑開挖、地下水位變化對(duì)地連墻板所承受內(nèi)力的應(yīng)變片和側(cè)向土壓力變化的土壓傳感器7。

所述基坑腔和填土腔相鄰設(shè)置，所述水位水箱設(shè)于填土腔背向基坑腔一側(cè)的儲(chǔ)水箱箱壁上或插設(shè)于填土腔內(nèi)，插設(shè)于填土腔內(nèi)時(shí)水位水箱壁周面上布設(shè)滲水孔。本實(shí)施例中水位水箱設(shè)于模型箱箱壁上，水位水箱的寬度為10cm。

所述導(dǎo)管一與水位水箱的通水口位于所述水位水箱的底部，所述導(dǎo)管二與基坑腔的通水口位于基坑腔的中上部，且導(dǎo)管一和導(dǎo)管二上各設(shè)有一電磁閥23。

儲(chǔ)水水箱采用全封閉焊接而成，上底板內(nèi)部焊接有加勁肋，用于提高上底板的抗彎剛度。

所述填土腔和基坑腔內(nèi)等高位置水平設(shè)有隔水層8，所述填土腔內(nèi)的隔水層夾設(shè)于土料內(nèi)用于防止下方土料中的水向上滲透，所述基坑腔內(nèi)的隔水層將基坑腔分為位于下部的定料區(qū)和位于上的開挖區(qū)，所述導(dǎo)管二向上延伸且管口可開關(guān)地連通所述開挖區(qū)。

所述開挖區(qū)為空腔區(qū)或所述開挖區(qū)內(nèi)設(shè)有靠連地墻板設(shè)置的土坡51或支撐架，所述開挖區(qū)內(nèi)填充有液體或砂粒，所述定料區(qū)填充有土料或液體。支撐架為水平支撐結(jié)構(gòu)。

一種利用上述權(quán)利要求所述的土工離心模型試驗(yàn)設(shè)備實(shí)施的開挖模擬方法，包括如下步驟：

一、將開挖區(qū)填充滿液體，再通過離心機(jī)給模型施加離心場(chǎng)；在試驗(yàn)開始前先將填土腔以及定料區(qū)填好土，并根據(jù)實(shí)際開挖工況將開挖區(qū)空置或放坡或放支撐架。

二、待填土腔和基坑腔內(nèi)的土料固結(jié)穩(wěn)定后，根據(jù)施工開挖步驟打開閥門將開挖區(qū)內(nèi)的液體通過導(dǎo)管二排入儲(chǔ)水箱中，實(shí)現(xiàn)基坑腔的開挖工況；

三、開挖穩(wěn)定后向水位水箱注水，水通過滲水孔滲入填土腔的土料內(nèi)實(shí)現(xiàn)水位的抬升；

四、水位抬升好后，打開導(dǎo)管一的電磁閥，本實(shí)施例主要用于模擬長(zhǎng)江流域的地質(zhì)特點(diǎn)的開挖工況，長(zhǎng)江流域的地質(zhì)特性有上層為不透水層，下層為透水層，故采用隔水層的方式真實(shí)模擬當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)狀況，且打開閥門后根據(jù)長(zhǎng)江水位的枯水位、設(shè)防水位與警界水位等水位工況情況，按上述水位逐次將水位水箱中的水排入儲(chǔ)水箱，填土腔內(nèi)水位下降。

所述步驟一中的液體為根據(jù)土的比重進(jìn)行配制的水和鉀酸銫的混合溶液或水和氯化鈣的混合溶液。

通過水與鉀酸銫的混合或水和氯化鈣的配合得到與土密度相近的液體，從而即可以更加真實(shí)地模擬重力場(chǎng)及土料開挖工況，又便于開挖區(qū)的充填和排液，便于實(shí)現(xiàn)開挖模擬控制，從而無需停機(jī)進(jìn)行開挖。

本申請(qǐng)的土工離心機(jī)還包括用于對(duì)水位水箱以及開挖區(qū)注液的供液系統(tǒng)，供液系統(tǒng)可在施加離心場(chǎng)的情況向水位注水。水位水箱和開挖區(qū)的液體通過導(dǎo)管回收入底部的儲(chǔ)水水箱。

實(shí)施例二：

與上述實(shí)施例不同處在于所述填土腔圍設(shè)于所述基坑腔外，所述水位水箱貼靠于所述填土腔外側(cè)壁設(shè)置或插設(shè)于填土腔內(nèi)，插設(shè)于填土腔內(nèi)時(shí)水位水箱逄壁周面上布設(shè)滲水孔。

實(shí)施例三：

與上述實(shí)施例不同處在于所述儲(chǔ)水箱包括分別與水位水箱和基坑腔連接的兩個(gè)箱室，且所述導(dǎo)管一和導(dǎo)管二上還各連接有一抽液泵。當(dāng)導(dǎo)管一和導(dǎo)管二上設(shè)抽液泵時(shí)，步驟一中的填充液體和步驟三中的水位水箱注水可通過抽液泵從兩個(gè)箱室分別抽液送到開挖區(qū)和水位水箱。從而可省去供液系統(tǒng)的設(shè)置。儲(chǔ)液箱兩個(gè)箱室內(nèi)分別存放水和與土密度相近的液體，且可回收，多次循環(huán)利用，也連續(xù)進(jìn)行多次反復(fù)試驗(yàn)，得到多組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。

本發(fā)明與現(xiàn)有基坑的開挖及水位的升降的模擬技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：可以試驗(yàn)運(yùn)行過程中方便有效的進(jìn)行基坑開挖的模擬，同時(shí)水位升降還原了現(xiàn)場(chǎng)基坑周邊水位升降對(duì)基坑的影響，與實(shí)際工況相同，確保了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，安裝操作方便。