[发明专利]用于研究地下连续墙施工环境效应的离心模型试验装置及方法

权利要求书

1.一种用于研究地下连续墙施工环境效应的离心模型试验装置，其特征在于，包括模型箱、模型土、模型隧道、地下连续墙施工模拟系统、环境效应量测系统；

所述的模型箱包括箱体和辅助顶板；所述箱体底部设有均匀分布的排水孔和连通内外的排水管，模型箱内填筑有模型土，通过排水管向模型土中注水以饱和模型土；所述辅助顶板设于箱体顶部，用于为地下连续墙施工模拟系统和环境效应量测系统提供支撑；

所述地下连续墙施工模拟系统包括模型地下连续墙沟槽、模型导墙、乳胶膜、临时模板、料斗、连接器、固定杆、胶水储存箱、废液收集器、胶水排放管、废液收集管、排气管、槽底微型孔压计；所述模型地下连续墙沟槽嵌入模型土中，模型地下连续墙沟槽的底面平行于水平面，侧面垂直于水平面；模型导墙紧贴模型地下连续墙沟槽自顶部至以下20mm范围内的侧面；乳胶膜紧贴模型地下连续墙沟槽的内壁，其平面尺寸与模型地下连续墙沟槽的平面尺寸相同，其高度大于模型地下连续墙沟槽的深度，乳胶膜内部初始时填充有氯化钠溶液；临时模板用于在模型土填筑过程中支撑乳胶膜并预留出模型地下连续墙沟槽的几何空间，临时模板底部带有排液孔，顶部与连接器相连；料斗固定设于辅助顶板上与模型地下连续墙沟槽相对应的位置处，其底部通过连接器与乳胶膜相连，料斗内部装有激活砂-不锈钢粉混合物，所述激活砂-不锈钢粉混合物由粗砂、不锈钢粉和表面活化剂组成；所述连接器为带有孔洞的双层钢片，钢片之间通过螺栓连接；固定杆为螺纹钢杆，用于将连接器固定于辅助顶板上预设位置处；胶水储存箱固定于辅助顶板上，存储有用于模拟现浇混凝土胶凝材料的螺纹锁固胶，螺纹锁固胶的重度大于氯化钠溶液；废液收集器固定于模型箱底部，用于控制乳胶膜内液面的高度；胶水排放管用于将胶水储存箱内的螺纹锁固胶排放至乳胶膜内；废液收集管用于将乳胶膜内多余的氯化钠溶液或螺纹锁固胶排放至废液收集器中；排气管用于将废液收集器中的空气排出，从而为排放至废液收集器中的氯化钠溶液或螺纹锁固胶腾出空间；槽底微型孔压计设于乳胶膜底部，用于监控乳胶膜内氯化钠溶液的液面高度；

所述模型隧道埋置于模型土中，其轴向平行于模型地下连接墙沟槽的延伸方向，模型隧道与平行于模型隧道轴向的箱体内壁之间的净距大于模型隧道外径的2倍；

所述的环境效应量测系统用于测量地下连续墙施工过程中地表沉降或隆起情况、模型隧道的拱顶沉降和弯矩变化情况、及地下连续墙施工对地层土压力和孔隙水压力的影响；

所述的地下连续墙施工模拟系统还包括第一常闭式电磁阀、第一流量控制阀、第二常闭式电磁阀、第三常闭式电磁阀、第三流量控制阀、球阀；

所述第一常闭式电磁阀位于胶水储存箱底部，用于控制胶水储存箱内螺纹锁固胶排放的开始与结束；所述第一流量控制阀位于胶水排放管上靠近第一常闭式电磁阀部位，用于控制排放至乳胶膜内的螺纹锁固胶的体积；

所述第二常闭式电磁阀位于废液收集管与模型土表面相交部位，用于使乳胶膜内的氯化钠溶液的液面高度与模型土表面齐平；

所述第三常闭式电磁阀位于废液收集管与模型地下连续墙沟槽相交部位，用于调控乳胶膜内的氯化钠溶液的液面高度，以模拟实际施工中可能出现的地下连续墙沟槽内泥浆液面发生降低的现象；所述第三流量控制阀位于第三常闭式电磁阀的底部，用于控制乳胶膜内氯化钠溶液液面高度的降低幅度；

所述球阀设于料斗的底部开口处，用于控制流入乳胶膜内的激活砂-不锈钢粉混合物的体积；

所述氯化钠溶液在离心机转动前充填于乳胶膜中，其初始液面高度高于模型土表面；氯化钠溶液的作用包括两个方面，一是用于模拟地下连续墙施工前作用于沟槽内壁上的初始地应力，此时氯化钠溶液液面高出模型土表面的量值h应满足下式之一：

h＝(γ_soil-γ_NaCl)H/γ_NaCl、K_0z＝(hγ_NaCl-z(γ_NaCl-γ_w))/(z(γ_soil-γ_w))，式中γ_soil、γ_NaCl、γ_w分别为模型土、氯化钠溶液、地下水的重度，z为模型土表面以下深度，H为模型地下连续墙沟槽深度，K_0z为z位置处的静止土压力系数；二是用于模拟地下连续墙泥浆护壁开挖过程中沟槽内壁周围土压力的卸荷效应，通过调控第二常闭式电磁阀和第三常闭式电磁阀将氯化钠溶液液面高度降低至与模型土表面齐平位置。