[发明专利]模拟承压水头升降的基坑开挖模型试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基坑模型试验装置，特别是涉及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，研究不同承压水头下基坑的水土压力响应和变形问题。

背景技术

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，由于季节性干旱、河流或湖泊水位线的季节性变化等将导致承压层的承压水头发生升降，从而进一步影响基坑水土压力、变形和稳定性，承压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。

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，计算得到的承压水头变化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承压水头变化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，能客观反映承压水和坑底弱透水层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。

目前，传统的承压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，与实际基坑工程在承压水头升降作用下的响应情况仍存在较大差异。

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 and Analytical Modelling of Excavation in Sand.PhD thesis,University of Colorado,Boulder,CO,USA,1983.)或排放代土液体(Bolton MD and Powrie W.The collapse of diaphragm walls retaining clay.Géotechnique,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

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了模拟承压水头升降的基坑开挖模型试验装置，解决了试验中承压水头升降的模拟问题，可模拟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，量测不同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承压水头升降下基坑的受力和变形发展规律等问题，为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。