一种基坑围护结构电法检漏模拟试验装置及其试验方法

本发明涉及一种基坑施工试验技术领域，具体为一种基坑围护结构电法检漏模拟试验的模型箱装置及其试验方法。

背景技术：

城市铁路轨道交通、过江隧道、地下空间开发利用等重大工程，往往涉及到深基坑的开挖与支护。富水地层深基坑的施工过程中，由于各种客观和主观因素的影响，围护结构往往会在局部个别位置出现渗漏，从而引发流土、管涌、突涌、围护结构破坏等工程事故，不仅耽误施工工期而且还可能危害到基坑内及周围建筑物和地下管线的安全。因此需要在基坑开挖前，对埋在地层中的墙体进行非开挖渗漏检测，对有缺陷的位置提前进行封堵处理。

基于流场拟合原理的电法是一种新型的基坑围护结构渗漏无损探测方法，其利用围护结构墙体导电率低，渗漏处导电率高，通过在基坑外侧的钻孔中供电，并测量基坑内侧的电压分布，对渗漏位置进行识别。但目前电法检测仍应用较少，在环境下的适用性，未形成统一的、成熟的技术标准。因此，有必要发明一套理论可靠、操作便捷、环境友好的电法检漏模拟试验的模型箱装置来进行研究。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基坑围护结构电法检漏模拟试验的模型箱装置及其试验方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基坑围护结构电法检漏模拟试验的模型箱装置，其特征在于：包括坑内土箱(1)、坑外土箱(2)、中隔板(3)、塑料排水板(4)、供水箱(5)、坑内集水箱(6)、坑外集水箱(7)、电源正极(8)、电源负极(9)、测量电极(10)、数据采集分析仪，其中：所述中隔板(3)竖向依次间隔设有水平的渗漏槽(12)及气囊槽(13)；所述中隔板(3)：所述渗漏槽(12)两侧贴有反滤膜(14)，所述气囊槽(13)中设有气囊，所述气囊与模型箱背侧的气孔(15)连接；在坑内土箱(1)、坑外土箱(2)内装填试样土体以模拟形成含水地层；在试样土体中分别插有电源正极(8)及电源负极(9)以在试样土体中形成电场；在坑内土箱(1)背侧依次间隔插有测量电极(10)；所述电源正极(8)、电源负极(9)、测量电极(10)分别与数据采集分析仪连接，以实时记录试样土体中的电场电位信息的动态变化；在坑内土箱(1)、坑外土箱(2)下部分别设有坑内集水箱(6)、坑外集水箱(7)；所述坑内集水箱(6)、坑外集水箱(7)外侧分别设有坑内集水箱排水阀(16)、坑外集水箱排水阀(17)，在坑内集水箱排水阀(16)、坑外集水箱排水阀(17)口部设有流量计；在坑外土箱(2)背侧设有铝制框架(19)，在铝制框架(19)上设有供水箱(5)及供水阀(20)，在坑外土箱(2)外侧设有坑外土箱排水阀(21)，坑外土箱排水阀(21)与坑外集水箱(7)连通，所述坑外土箱排水阀(21)与供水阀(20)共同控制坑外土箱(2)中水头高度。

基坑围护结构电法检漏模拟试验的模型箱装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，前期准备

完成试样土体及试样液体配制后，装样前，确认试验系统各部分拼装连接正确、未出现渗漏情况，确保流量计内部空气已完全排出，关闭所有排水阀及供水阀，在所述供水箱(5)内装入足量的试样液体；在所述坑内土箱(1)及坑外土箱(2)内壁均匀涂抹一定厚度的凡士林，以避免试验过程中试样液体流向箱体侧壁集中；通过所述气孔(15)向所述气囊槽(13)中的气囊打入足量气体，确保气囊完全封堵所述渗漏槽(12)使其不能发生渗漏。

步骤2，装样与饱和

将配制好的试样分层填入坑内土箱(1)及坑外土箱(2)内，压实至预定密实度；装样完毕后，打开供水阀(20)向所述坑外土箱(2)内注入试样液体，试样内水位自下而上逐渐上升，待水位完全浸没试样后，关闭供水阀(20)，静置12小时进行浸水饱和；12小时后打开预定坑外土箱排水阀(21)之一，并再次打开供水阀(20)并调整试样液体注入流速，直至水头稳定在预定高度；

步骤3，试验操作与数据采集

分别往所述坑内土箱(1)及所述坑外土箱(2)的试样土体中插入电源正极(8)及电源负极(9)，并开始供电；打开数据采集分析仪开始记录所述电源正极(8)、电源负极(9)及测量电极(10)上的电位变化；打开所述模型箱正面前侧高速摄像机开始记录试样土及试样液体状态；

将通过所述气孔(15)抽出预定所述气囊之一，使其所在所述渗漏槽(12)发生渗漏，并调整所述供水阀(20)，使所述坑外土箱(2)中水头稳定不变；

步骤4，结束试验

当数据采集分析仪上显示的电位不再发生变化时，导出数据至笔记本中，结束试验；关闭摄像机、关闭数据采集分析仪、关闭电源、关闭供水阀(2)及坑外土箱排水阀(21)；打开坑内集水箱排水阀(16)及坑外集水箱排水阀(17)并通过流量计记录所述坑内集水箱内(6)及坑外集水箱内(7)液体量，至集水箱内液体完全排出后关闭所有排水阀；拆卸所述坑内土箱(1)及所述坑外土箱(2)正面的有机玻璃板，清除箱内试样土体。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

1、本试验装置由有机玻璃板拼装而成，可隔绝箱体内电流，保证试验人员安全；

2、本试验装置由有机玻璃板拼装而成，可方便观察记录箱内试样土体的实际变形趋势及试样液体的实际渗流发展；

3、本试验装置由有机玻璃板拼装而成，试验结束后可拆卸任意一块有机玻璃板，方便快速清除箱内试样土体；

5、本实验装置可通过调整所述坑外土箱排水阀(21)及所述供水阀(20)，以将所述坑外土箱(2)中的水头高度控制在预定位置；

6、本试验装置底部装有所述万向轮(22)和所述定位桩(23)，可方便快速地将试验装置移动至任意适当位置，然后扳下定位桩固定位置。

7、本实验装置采用有机玻璃板制成的中隔板模拟围护结构，通过气孔对所述渗漏槽(12)中所述气囊槽(13)中，由弹性极强的乳胶膜制成的气囊进行充气及放气以模拟围护结构不同预定埋深、不同程度等多种渗漏工况。

附图说明

图1：一种基坑围护结构电法检漏模拟试验的模型箱装置的正立面图；

图2：一种基坑围护结构电法检漏模拟试验的模型箱装置的俯视图；

图3：中隔板3的正立面图。

标注说明：1-坑内土箱；2-坑外土箱；3-中隔板；

5-供水箱；20-供水阀；

6-坑内集水箱；7-坑外集水箱；16-坑内集水箱排水阀；17-坑外集水箱排水阀；21-坑外土箱排水阀；4-塑料排水板；

8-电源正极；9-电源负极；10-测量电极；

3-中隔板：12-渗漏槽；13-气囊槽；14-反滤膜；

11-底部支撑；22-万向轮；23-定位桩；

15-气孔；

18-卡槽；19-铝制框架；

具体实施方法

下面结合附图对本发明来做进一步地详细说明。

一种基坑围护结构电法检漏模拟试验的模型箱装置，其特征在于：包括坑内土箱(1)、坑外土箱(2)、中隔板(3)、塑料排水板(4)、供水箱(5)、坑内集水箱(6)、坑外集水箱(7)、电源正极(8)、电源负极(9)、测量电极(10)、数据采集分析仪，其中：

所述中隔板(3)竖向依次间隔设有水平的渗漏槽(12)及气囊槽(13)；

所述中隔板(3)：所述渗漏槽(12)两侧贴有反滤膜(14)，所述气囊槽(13)中设有气囊，所述气囊与模型箱背侧的气孔(15)连接；

在坑内土箱(1)、坑外土箱(2)内装填试样土体以模拟形成含水地层；在试样土体中分别插有电源正极(8)及电源负极(9)以在试样土体中形成电场；

在坑内土箱(1)背侧依次间隔插有测量电极(10)；

所述电源正极(8)、电源负极(9)、测量电极(10)分别与数据采集分析仪连接，以实时记录试样土体中的电场电位信息的动态变化；

在坑内土箱(1)、坑外土箱(2)下部分别设有坑内集水箱(6)、坑外集水箱(7)；所述坑内集水箱(6)、坑外集水箱(7)外侧分别设有坑内集水箱排水阀(16)、坑外集水箱排水阀(17)，在坑内集水箱排水阀(16)、坑外集水箱排水阀(17)口部设有流量计；

在坑外土箱(2)背侧设有铝制框架(19)，在铝制框架(19)上设有供水箱(5)及供水阀(20)，在坑外土箱(2)外侧设有坑外土箱排水阀(21)，坑外土箱排水阀(21)与坑外集水箱(7)连通，所述坑外土箱排水阀(21)与供水阀(20)共同控制坑外土箱(2)中水头高度。

所述坑内土箱(1)、坑外土箱(2)、坑内集水箱(6)、坑外集水箱(7)由透明有机玻璃板拼装而成，四周由螺栓连接，并设有密封条防水，试验进行完毕后可卸下有机玻璃板快速将土体清除。

所述坑内土箱(1)、坑外土箱(2)以及中隔板(3)均在迎土面贴有光滑的塑料卷材，以减小侧壁与试样土体间的摩擦。

所述电源正极(8)、电源负极(9)及测量电极(10)均由钨铜棒制成；

所述测量电极(10)插入模型箱的一端加工有螺纹，并设有防水密封垫及螺母以防止所述坑内土箱(1)水土流失。

所述塑料排水板(4)由反滤膜包裹波纹塑料板制成。

所述气囊槽(13)中的所述气囊由乳胶膜制成，弹性极强，可实现所述渗漏槽(12)的开闭以模拟围护结构不同位置、不同程度的渗漏。

基坑围护结构电法检漏模拟试验的模型箱装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，前期准备

完成试样土体及试样液体配制后，装样前，确认试验系统各部分拼装连接正确、未出现渗漏情况，确保流量计内部空气已完全排出，关闭所有排水阀及供水阀，在所述供水箱(5)内装入足量的试样液体；在所述坑内土箱(1)及坑外土箱(2)内壁均匀涂抹一定厚度的凡士林，以避免试验过程中试样液体流向箱体侧壁集中；通过所述气孔(15)向所述气囊槽(13)中的气囊打入足量气体，确保气囊完全封堵所述渗漏槽(12)使其不能发生渗漏。

步骤2，装样与饱和

将配制好的试样分层填入坑内土箱(1)及坑外土箱(2)内，压实至预定密实度；装样完毕后，打开供水阀(20)向所述坑外土箱(2)内注入试样液体，试样内水位自下而上逐渐上升，待水位完全浸没试样后，关闭供水阀(20)，静置12小时进行浸水饱和；12小时后打开预定坑外土箱排水阀(21)之一，并再次打开供水阀(20)并调整试样液体注入流速，直至水头稳定在预定高度；

步骤3，试验操作与数据采集

分别往所述坑内土箱(1)及所述坑外土箱(2)的试样土体中插入电源正极(8)及电源负极(9)，并开始供电；打开数据采集分析仪开始记录所述电源正极(8)、电源负极(9)及测量电极(10)上的电位变化；打开所述模型箱正面前侧高速摄像机开始记录试样土及试样液体状态；

将通过所述气孔(15)抽出预定所述气囊之一，使其所在所述渗漏槽(12)发生渗漏，并调整所述供水阀(20)，使所述坑外土箱(2)中水头稳定不变；

步骤4，结束试验

当数据采集分析仪上显示的电位不再发生变化时，导出数据至笔记本中，结束试验；关闭摄像机、关闭数据采集分析仪、关闭电源、关闭供水阀(2)及坑外土箱排水阀(21)；打开坑内集水箱排水阀(16)及坑外集水箱排水阀(17)并通过流量计记录所述坑内集水箱内(6)及坑外集水箱内(7)液体量，至集水箱内液体完全排出后关闭所有排水阀；拆卸所述坑内土箱(1)及所述坑外土箱(2)正面的有机玻璃板，清除箱内试样土体。

使用imagej软件处理摄像机记录的各阶段数字图片，分析渗流发展趋势，并与数据采集分析仪所记录的各点电位变化趋势进行比较。采用piv技术分析土体的变形趋势。

本发明可很好地模拟不同土质、不同水质及不同地墙渗漏等多种工况下基于电法的基坑围护结构渗漏检测，分析其在不同工况下的适用性及特点。

本试验装置可同时用测量电极测量试样土体中电场变化、用高速摄像机记录试样液体在试样土体中的实际渗流发展规律、用流量计测量试样液体在试样土体中的渗流速度，通过对比分析验证电场与流场的相似原理，标定其换算关系。

进一步的，所述坑内土箱(1)内前后两侧设有竖向卡槽(18)，卡槽(18)设有可上下滑动的塑料排水板(4)，塑料排水板(4)与坑内集水箱(6)连通，以加强试样土体中的渗流作用。

本发明还包括底部支撑(11)：

所述底部支撑(11)包括万向轮(22)和定位桩(23)，万向轮(22)能够进行360度旋转，可快速地将模型箱装置推至试验区，当到达试验区后，扳下万向轮(22)一侧的定位桩(23)，将模型箱装置固定在此位置不再移动。