可模拟基坑开挖过程中地下水位变化的基坑模型试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可模拟基坑开挖过程中地下水位变化的基坑模型试验装置，特别是涉及地下水位变化条件下的基坑开挖各个施工工况模拟的模型试验装置，可用于量测不同基坑开挖工况下基坑土压力和基坑变形问题。
【背景技术】
[0002]近年来，随着城市人口的急剧增长，城市建设快速发展，深基坑工程日趋增多，基坑工程面临深度深、平面规模大、周围环境复杂的新趋势。特别是在滨海、沿江地区的深基坑工程更是面临地下水丰富，施工环境复杂以及施工难度大等挑战，其中地下水作用引起的基坑变形和失稳问题是该类地区深基坑工程的重大风险源之一。基坑开挖引起的基坑变形和失稳问题是深基坑设计和施工中被高度关注和重视的工程问题。采用室内土工模型试验的方法模拟基坑开挖，在岩土工程领域得到了广泛的应用。其中，如何通过基坑模型试验客观准确地模拟复杂地下水环境作用基坑开挖过程的各个施工工况是迫切需要解决的问题。
[0003]目前基坑模型试验的土体多选用干砂，暂不考虑地下水的影响，主要研究基坑开挖土体的土压力和基坑的变形，但此类研究不适用于地下水作用的基坑开挖情况。考虑恒定潜水位作用的基坑模型试验，有研究(彭述权.砂土挡墙破坏机理宏细观研究[D].同济大学，2007.)采用薄膜通过电晕后涂抹环氧树脂的方法连接挡土墙和模型箱，该方法可获取试验土体中超静孔隙水压力、土压力和基坑变形数据，但薄膜电晕工艺较为复杂，挡墙位移较大时薄膜可能在移动过程中发生撕裂或由于土颗粒摩擦导致破损，无法顺利完成试验或进行重复试验。考虑地下水位变化影响的基坑模型试验，有研究(孙威.滨海地区深基坑性状的试验及理论研究[D].浙江大学，2015.)采用固定挡土墙的方法，该方法只能获得土体中超静孔隙水压力的变化情况，无法获得准确的土压力变化和基坑变形数据，与实际基坑工程在动态地下水位作用下的响应情况仍存在较大差异。因此，更为简便、准确地模拟地下水动态变化和可移动的挡土墙是滨海、沿江基坑开挖模型试验中需要解决的主要问题。
[0004]在基坑模型试验中，大多数研究针对每一级开挖和加撑完成工况下的基坑受力和变形情况展开，未考虑基坑在开挖或加撑过程中基坑的受力和变形情况。在考虑基坑开挖过程的模型试验中，有研究采用卸载等体积等重量的土袋(Azevedo RF.Centrifuge andAnalytical Modelling of Excavat1n in Sand.PhD thesis,University of Colorado,Boulder，C0，USA，1983.)或排放代土液体(Bolton MD and Powrie ff.The collapse ofdiaphragm walls retaining clay.Geotechnique，1987,37(3):335-353.)等方法模拟土体开挖卸载，此类方法不能准确模拟基坑开挖引起的土体中应力场的改变，与实际基坑开挖引起的基坑受力和变形情况仍存在一定的差异。大量模拟基坑开挖的模型试验采用预先埋设安装好支撑的挡土墙的方法，直接开挖基坑土体，不需要再进行加撑操作，该方法较为简单，但预置的所有内支撑都将在整个开挖过程中受力，显然与实际工程的基坑受力情况不相符合，也无法准确模拟基坑开挖过程中未加撑情况下基坑的受力和变形情况。目前有研究采用液压千斤顶向挡土墙支架施加力的方法模拟支撑的安装，该方法采用液压装置较复杂，当基坑开挖宽度较大时该方法并不适用。另外绝大多数基坑开挖模型的开挖对称面是垂直固定的挡板，通过向下抓土或掏土实现基坑开挖，该方法不能清晰界定开挖土层，会扰动未开挖的土体;该方法繁琐，不易操作，特别是基坑开挖模型的尺寸较大或需要开挖的土体较多时，试验操作的工作量相当大。因此，如何实现准确地土体开挖和支撑安装是基坑开挖模型试验中需要解决的重点问题。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了可模拟基坑开挖过程中地下水位变化的基坑模型试验装置，解决了有效准确模拟复杂地下水环境下的基坑开挖各个施工工况，及量测各工况下基坑土压力、挡土墙位移和基坑变形，整理相关试验数据并确定基坑受力和变形发展规律等问题。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种可模拟基坑开挖过程中地下水位变化的基坑模型试验装置，包括模型箱、水箱、若干对称面挡土单元和基坑支护结构四个部分;所述模型箱由模型箱框架、钢化玻璃、模型箱底板、顶框、反力板和模型箱底座组成；所述模型箱框架的底部固定模型箱底板，前后两个侧面固定钢化玻璃;所述模型箱框架和反力板均固定在模型箱底座上，顶部通过顶框连接;所述水箱由带通水孔的铝板、条形铝板、水箱支架、水箱支架固定螺丝和刻度尺组成，通过水箱支架架设在模型箱内的右上方，用于控制和观测土体中的水位变化;所述带通水孔的铝板表面粘贴反滤土工织物，防止水位变化过程中试验土体的流失;所述刻度尺粘贴在钢化玻璃上，可用于直接观测和记录水位变化情况;所述对称面挡土单元为U型不锈钢条，通过螺栓固定在模型箱框架上;所述U型不锈钢条之间通过H型止水橡胶条连接，U型不锈钢条与模型箱框架1-1通过S型止水橡胶条连接;所述基坑支护结构包括挡土墙、挡土墙支架和若干支撑单元;所述挡土墙上部通过支架固定螺栓固定挡土墙支架，中部开有螺纹孔，通过螺纹孔螺纹连接安装支撑单元所需的支撑固定螺栓，两侧开槽固定止水橡胶条;所述止水橡胶条保证挡土墙移动过程中与模型箱接触面不发生漏水;所述支撑单元的一端具有内螺纹口，内螺纹口与支撑固定螺栓螺纹连接，实现支撑单元的安装。所述模型箱的右侧安装连通水箱的阀门，用于控制水箱2内水位的升降。
[0007]进一步地，所述支撑单元包括实心铝杆、伸缩杆和支撑连接螺栓;所述实心铝杆上开有若干凹槽，一端具有内螺纹口 ；所述伸缩杆为空心铝管，伸缩杆上开有若干螺纹孔;所述支撑连接螺栓穿过伸缩杆上的螺纹孔抵住实心铝杆的凹槽，使得实心铝杆和伸缩杆紧密连接。
[0008]进一步地，所述支撑单元包括第一支撑杆、第二支撑杆和套筒;所述第一支撑杆的一端具有外螺纹;所述第二支撑杆的一端具有内螺纹口，另一端具有外螺纹;所述套筒具有内螺纹通道，一端螺纹连接第一支撑杆，另一端螺纹连接第二支撑杆。
[0009]进一步地，所述模型箱框架由不锈钢钢条和不锈钢钢板焊接而成;所述钢化玻璃通过建筑胶水安装在模型箱框架内侧;所述模型箱底板和反力板为不锈钢钢板;所述顶框由不锈钢钢条焊接而成;所述模型箱底座由工字钢焊接而成;所述挡土墙为铝板，其厚度由试验模拟的挡土墙刚度计算得到;所述挡土墙支架为条状铝板;所述阀门为优质铜芯阀门。
[0010]进一步地，所述模型箱框架和反力板通过四周点焊固定于模型箱底座。
[0011 ]进一步地，所述水箱通过玻璃胶连接模型箱的内壁。
[0012]进一步地，所述带通水孔的铝板和水箱支架由水箱支架固定螺丝拧紧连接。
[0013]进一步地，所述挡土墙在移动过程中始终与钢化玻璃保持垂直。
[0014]进一步地，所述实心铝杆的直径、伸缩杆的壁厚、第一支撑杆的直径、第二支撑杆的直径和套筒的壁厚均由试验模拟的内支撑的刚度计算得到。
[00? 5]进一步地，在模型箱内填筑的试验土体采用标准福建细砂，通过砂雨法饶制得到。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0017]1、本发明中的水箱架设在模型箱内，采用玻璃胶密封水箱与模型箱之间的缝隙，带通水孔的铝板使得水箱内的水位与试验土体水位连通，可以通过调节