潜水位和承压水头协同升降的基坑开挖模型试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基坑模型试验装置，特别是涉及潜水位和承压水头升降条件下的基坑开挖模型试验装置，可用于模拟潜水位和承压水头升降时承压层和上覆弱透水性基坑土体之间的相互作用，研究不同潜水位和承压水头下基坑的水土压力响应和变形问题。
【背景技术】
[0002]在滨海、沿江地区地下水丰富，工程中常面临深基坑坑底弱透水层以下尚存在承压层的情况，由于大型降水、季节性干旱、河流或湖泊水位线的季节性变化等将导致潜水位和承压水头发生升降，从而进一步影响基坑水土压力、变形和稳定性，潜水位和承压水头升降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。
[0003]相比于理论解析方法和有限元数值方法的研究采用既定的土体本构模型，计算得到的潜水位和承压水头升降引起的土体水土压力和变形大小对计算参数的选取具有很大的依赖性;实际工程中较难进行对基坑坑底(位于基坑开挖区域内)的水土压力实时监测，进行大量相似的工程监测数据统计分析以获得潜水位和承压水头升降引起的坑底弱透水层的变形规律的方法也很难实现;鉴于常重力下土工模型试验，不影响土体微观结构，土颗粒尺寸及土颗粒间相互作用关系与实际情况相符，能客观反映地下水和基坑土体的土颗粒之间的相互作用，广泛应用于考虑土体应力应变关系的微观研究。
[0004]目前，传统的地下水作用的相关土工模型试验研究，不考虑水中气体进入试验土体可能引起的非饱和土问题;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。考虑地下潜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，与实际基坑工程在潜水位和承压水头升降作用下的响应情况仍存在较大差异。
[0005]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】
[0006]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了潜水位和承压水头协同升降的基坑开挖模型试验装置，解决了试验中潜水位和承压水头协同升降的模拟问题，可模拟潜水位和承压水头协同升降时地下水和基坑土体之间的相互作用，量测不同潜水位和承压水头下基坑的水土压力和变形，整理相关试验数据并确定潜水位和承压水头协同升降时基坑的受力和变形发展规律等问题，为潜水位和承压水头升降引起的基坑问题研究提供有效的试验数据支持，并为之后理论分析模型提供依据。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种潜水位和承压水头协同升降的基坑开挖模型试验装置，包括模型箱、水箱、若干对称面挡土单元、基坑支护结构、承压架空层、承压水头调节系统和量测系统七个部分;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；所述模型箱的右侧底部安装连通承压架空层的第二通水阀门，用于连接模型箱和承压水头调节系统；
[0008]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、刻度尺和第一通水阀门组成，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升降；所述带通水孔的铝板表面粘贴反滤土工织物，防止地下水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潜水位变化情况;所述第一通水阀门设置在模型箱的右侧用以连通水箱；
[0009]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通过S型止水橡胶条连接；
[0010]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；
[0011 ]所述承压架空层由带通水孔的不锈钢板、不锈钢短柱和反滤土工织物组成;所述带通水孔的不锈钢板底部固定不锈钢短柱，放置于模型箱内的模型箱底板上，并与模型箱的四个侧面密封连接;所述带通水孔的不锈钢板表面粘贴反滤土工织物；
[0012]所述承压水头调节系统由水压计、马里奥特瓶和支架组成;所述水压计通过三通管连接模型箱和马里奥特瓶;所述支架上安装有定滑轮，钢丝绳绕过定滑轮连接马里奥特瓶和手摇器，通过手摇器控制马里奥特瓶的升降调节承压水头的大小；所述马里奥特瓶由有机玻璃圆筒、进气阀门、第三通水阀门、出气阀门和气囊组成;所述有机玻璃圆筒底部设置进气阀门和第三通水阀门，顶部设置出气阀门；所述进气阀门与气囊连接；
[0013]所述量测系统包括微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器、多通道数据采集仪和数码照相机;所述微型孔隙水压力传感器、微型土压力盒、位移传感器通过信号传输线连接多通道数据采集仪;所述数码照相机放置于模型箱正前方。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]进一步地，所述数码照相机在试验过程中应排除干扰，其位置不可发生挪动;可根据拍摄需要增设光源。
[0017]进一步地，所述模型箱框架由1mm厚的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1mm厚的不锈钢钢板;所述顶框由20mm厚的不锈钢钢条焊接而成;所述模型箱主体和反力板通过四周点焊固定