一种基于基坑开挖模型试验的可调节防水基坑支护装置的制作方法

本发明涉及一种基于基坑开挖模型试验的可调节防水基坑支护装置，特别是涉及可同时考虑地下水环境和挡土墙入土深度变化的柔性挡土墙基坑开挖模型试验装置，方便对基坑开挖过程土体中超静孔隙水压力、土压力以及基坑变形等进行监测。

背景技术：
在滨海、沿江地区的深基坑工程面临地下水丰富，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。目前基坑开挖模型试验多不考虑地下水作用，试验土体选用干砂，主要监测基坑开挖土体的土压力和基坑变形，与有地下水作用的基坑开挖情况有较大差异。考虑地下水作用基坑开挖模型试验，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，该方法只能监测土体中超静孔隙水压力，无法获得准确的土压力和基坑变形数据。另有研究(彭述权.砂土挡墙破坏机理宏细观研究[D].同济大学,2007.)采用薄膜通过电晕的方法粗糙处理后涂抹环氧树脂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，但薄膜连接工艺较为复杂，挡墙位移较大时薄膜可能在移动过程中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。因此，更为简单、准确地模拟地下水环境下挡土墙的移动是滨海、沿江基坑开挖模型试验中需要解决的问题。大量试验研究表明基坑的受力、变形和稳定性与挡土墙入土深度有很大关系。在实际工程中，设计方案常常会包含多个挡土墙入土深度方案，最后通过有限元数值计算、工程经验类比的方法确定唯一挡土墙入土深度设计方案，尚缺乏相关可调节入土深度的挡土墙基坑开挖模型试验提供的相关基坑设计参考意见。

技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于基坑开挖模型试验的可调节防水基坑支护装置，解决了有效精确模拟地下水环境下基坑开挖过程中的挡土墙移动问题，并可重复试验研究不同挡土墙入土深度对基坑水土压力以及变形的影响。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于基坑开挖模型试验的可调节防水基坑支护装置，该装置包括挡土墙和支撑，所述挡土墙上部设有多道螺栓，通过螺栓固定挡土墙支架；所述挡土墙中部预留有若干固定螺栓，两侧设有止水橡胶条；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；所述支撑的一端具有内螺纹口，内螺纹口与固定螺栓螺纹连接，实现支撑的安装。进一步地，所述支撑包括实心铝杆、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。进一步地，所述支撑包括第一支撑杆、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。进一步地，所述止水橡胶条由半圆柱形橡胶腔体和橡胶片组成；所述橡胶片嵌入挡土墙侧面的槽线中，涂抹硅胶密封安装在挡土墙上。进一步地，所述挡土墙为铝板，其厚度由模型试验需模拟的挡土墙刚度确定。进一步地，所述挡土墙支架为不锈钢板。进一步地，所述模型箱与挡土墙接触的两个侧面为钢化玻璃。进一步地，所述螺栓的位置由挡土墙入土深度确定，道数由改变挡土墙入土深度的基坑开挖试验需要调整的组数确定。进一步地，所述固定螺栓的数量和位置由基坑支撑的数量和位置确定。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明中挡土墙在基坑开挖过程中由于坑内外土压力差可发生相应的位移，监测不同开挖工况下基坑土体中的超静孔隙水压力、土压力以及基坑变形，相比于固定挡土墙的试验方法更能反映实际基坑工程开挖过程中的水土压力和基坑变形响应。2、本发明可模拟地下水作用的基坑工程环境，采用由半圆柱形橡胶腔体和橡胶片组成的定制止水橡胶条密封；将橡胶片嵌入挡土墙侧面的槽线中，涂抹硅胶密封把止水橡胶条安装在挡土墙上，一方面可以达到防止漏水的目的，另一方面保证挡土墙移动过程中止水橡胶条不会发生剥落；半圆柱形橡胶腔体在挡土墙移动过程中会被压扁，增大止水橡胶条与钢化玻璃的接触面，进一步保证挡土墙在移动过程中止水橡胶条与模型箱接触面不发生漏水，工作原理简单，装置简易，安装操作方便。3、本发明在挡土墙上部设有多道用于固定挡土墙支架的螺栓，可以实现不同挡土墙入土深度的试验模拟，相比于传统针对不同入土深度的基坑模型试验需要制作不同高度的挡土墙来完成试验的方法，免去了不同高度的挡土墙制作这一步骤，节约了试验成本和模型制作时间。4、本发明可以准确模拟基坑开挖过程中的加撑工序，内支撑安装过程中不会对基坑未开挖的土体有扰动影响；内支撑与挡土墙之间通过螺纹固定连接，较之传统的基坑模型试验将内支撑架设在挡土墙上或者直接抵住挡土墙实现加撑的方法，更能客观地反映实际基坑工程开挖时的加撑情况；通过控制实心铝杆直径和空心铝杆壁厚来实现基坑内支撑刚度的模拟，更加客观地反映了内支撑对基坑开挖的工程影响。。5、本发明采用可伸缩支撑元件，可以模拟不同宽度的基坑开挖试验，相比于传统的基坑开挖模型试验采用固定长度的支撑或者可伸缩支撑仅用于实现支撑安装的实验思路，可采用同一套试验装置开展多组不同宽度的基坑开挖试验，减少了对试验装置的改装，节约了试验成本和模型制作时间，工作原理简单，操作方便，具有很大的实用性。6、本发明可根据土工模型试验的需求，调整内支撑元件的数量，以及挡土墙上的内支撑固定螺栓的位置和数量，模拟不同基坑的开挖情况。附图说明图1(a)为采用第一类支撑的可调节防水基坑支护装置侧面图。图1(b)为采用第二类支撑的可调节防水基坑支护装置侧面图。图2为挡土墙平面图。图3为止水橡胶条剖面图。图4(a)为采用第一类支撑的可调节防水基坑支护装置在模型试验中的应用示意图。图4(b)为采用第二类支撑的可调节防水基坑支护装置在模型试验中的应用示意图。图中：挡土墙1；挡土墙支架2；螺栓3；止水橡胶条4；半圆柱形橡胶腔体4-1；橡胶片4-2；固定螺栓5；支撑6；实心铝杆6-1；空心铝杆6-2；支撑连接螺栓6-3；第一支撑杆6-4；第二支撑杆6-5；套筒6-6；模型箱7；模型箱底座8；反力架9；试验土体10。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图1(a)、图1(b)所示，本发明基于基坑开挖模型试验的可调节防水基坑支护装置，包括挡土墙1和支撑6。所述挡土墙1上部设有多道螺栓3，通过螺栓3固定挡土墙支架2；所述挡土墙1中部预留有若干固定螺栓5，两侧设有止水橡胶条4；所述止水橡胶条4保证挡土墙1移动过程中与模型箱7接触面不发生漏水；所述支撑6的一端具有内螺纹口，内螺纹口与固定螺栓5螺纹连接，实现支撑6的安装。优选地，所述支撑6可采用以下两种形式：一.如图1(a)所示，所述支撑6包括实心铝杆6-1、伸缩杆6-2和支撑连接螺栓6-3；所述实心铝杆6-1上开有若干凹槽，一端具有内螺纹口；所述伸缩杆6-2为空心铝管，伸缩杆6-2上开有若干螺纹孔；所述支撑连接螺栓6-3选用M6螺栓，穿过伸缩杆6-2上的螺纹孔抵住实心铝杆6-1的凹槽，使得实心铝杆6-1和伸缩杆6-2紧密连接。二.如图1(b)所示，所述支撑6包括第一支撑杆6-4、第二支撑杆6-5和套筒6-6；所述第一支撑杆6-4的一端具有外螺纹；所述第二支撑杆6-5的一端具有内螺纹口，另一端具有外螺纹；所述套筒6-6具有内螺纹通道，一端螺纹连接第一支撑杆6-4，另一端螺纹连接第二支撑杆6-5。如图2所示，所述挡土墙1为一定厚度的铝板，其厚度由模型试验需模拟的挡土墙刚度计算得到。所述挡土墙支架2由厚度为20mm的不锈钢板制成。所述螺栓3选用M8螺栓，其位置由挡土墙1的入土深度确定，道数由改变挡土墙入土深度的基坑开挖试验需要调整的组数确定。所述固定螺栓5选用M8螺栓，其数量和位置由基坑支撑的数量和位置确定。如图3所示，所述止水橡胶条4由半圆柱形橡胶腔体4-1和橡胶片4-2组成；所述橡胶片4-2嵌入挡土墙1侧面的槽线中，涂抹硅胶密封安装在挡土墙1上，一方面可以达到防止漏水的目的，另一方面保证挡土墙移动过程中止水橡胶条不会发生剥落；所述半圆柱形橡胶腔体4-1在挡土墙移动过程中会被压扁，增大止水橡胶条与钢化玻璃的接触面，进一步保证挡土墙在移动过程中止水橡胶条与模型箱接触面不发生漏水。如图4(a)、图4(b)所示，本发明可应用于地下水环境下基坑开挖模型试验。所述模型箱7与挡土墙1接触的两个侧面为20mm厚钢化玻璃，便于试验中挡土墙和土体位移的监测，为保证挡土墙1移动过程中不发生漏水现象，模型箱7的制作尺寸精度要求较高。本发明的工作过程如下：首先根据挡土墙1的设计入土深度选择螺栓3的位置将挡墙支架2固定于挡土墙1上；将挡土墙1置于模型箱7内，使挡土墙1上的止水橡胶条4与模型箱7两侧的钢化玻璃垂直并贴紧；而后向模型箱7填入试验土体10，同时埋设孔隙水压力传感器和土压力盒，将试验土体10充分饱和；安装位移传感器监测土体变形和挡土墙位移；逐层开挖挡土墙1左侧的试验土体10，逐层开挖逐层安装支撑6；通过支撑6一端的内螺纹与挡土墙1上的固定螺栓5连接，通过调整支撑6的长度使之顶紧与模型箱7共同固定在模型箱底座8上的反力架9，完成支撑6的安装。整个基坑开挖试验过程中，监测土体中的超静孔隙水压力、土压力和基坑变形，获得相关试验数据，为类似基坑设计提供一定的参考意见。