[发明专利]一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验装置和试验方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程试验技术领域，尤其涉及一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验装置和试验方法。

背景技术

岩土工程是土木工程领域的一个重要的分支，是为了解决包括基坑破坏、岩土体渗透变形、地基处理等岩体与土体问题的一种工程实践性很强的学科。基坑工程作为建筑物荷载的主要承担者，其安全稳定性在整个建筑物工程施工过程中起着至关重要作用。据统计，基坑失事的所有案例中，由基坑底部渗透破坏造成的险情占总险情的75％以上，渗透破坏是指由于渗透水流将土体的细颗粒冲出、带走或局部土体产生移动，导致土体变形而引起的土体稳定问题，一般可分为管涌和流体两种形式。而在以排桩作为支护结构的基坑中，若在桩后填土的作用下，排桩上端不动，下端向基坑内侧移动，则基坑底部的土体为保持平衡，会受到一个向上的荷载，此时往往会在较小的水力梯度下发生渗透破坏，所以排桩支护基坑的渗透破坏问题得到了学术界和工程界的普遍关注。

土工模型试验既是研究岩土体力学特征的重要手段，也是工程设计和施工中重要的参考依据。传统的土工试验的研究对象是天然土，但由于天然土的不透明性，无法通过肉眼观测试验过程中土体内部土颗粒力学特征的变化。随着科学技术的飞快发展，越来越多的方法可以用来测量土体内部的力学特征，例如CT、X射线成像技术、核磁共振等方法已经应用于岩土工程模型试验中，但高昂的设备费以及技术上存在的难点大大限制了这些技术的广泛应用。因此探讨一种经济可行的可视化试验装置和试验方法就显得尤为迫切了。

在本发明专利前，中国申请发明专利“基坑管涌模拟试验装置和试验方法”(申请号：201510281092.X)公布了一种由水箱、土体箱、模拟基坑、多孔板等组成的基坑模拟试验装置。该技术方案具有能有效模拟基坑工程中的管涌破坏、模型试验更加符合实际工程中的变化、科学性和操作性强等优点；但是该装置只能对于包括管涌在内的渗透破坏过程提供定性的认识，无法观测到渗透破坏过程中土体内部力学特征的变化。透明土技术的基本原理是将透明颗粒材料与具有相同折射率的孔隙流体混合以模拟饱和土体，该土体与天然土具有相似的工程性质。利用激光器在透明土中形成散斑场后，借助CCD相机可以拍出高精度的图片，后通过计算机图像处理软件对所获得的图片进行分析，即可得到在试验过程中土体内部颗粒力链演变和发展的过程。因此，融合透明土技术和计算机图像处理软件来分析试验过程中土体内部颗粒力链的变化，操作方便，经济合理，是未来岩土工程测试技术的发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足和缺陷，融合透明土技术和计算机图像处理软件，提出一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验装置和试验方法，解决了排桩支护基坑渗透破坏发展过程中不可见以及力链变化精确测量的难题，该试验装置不仅提高了科研效率，还可以作为教学仪器使用。

本发明公开了一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验装置，包括水头控制系统和基坑模拟装置。水头控制系统通过供水管与透明模型箱底部相连，透明模型箱底部铺设多层卵石，多层卵石上方放置透明土；在透明土体中插入排桩后开挖形成基坑，使得排桩的插入深度大于基坑深度；透明模型箱的外侧安放激光器；透明模型箱的外侧安放CCD相机，透明土基坑内等距布设孔隙压力测量装置。

进一步地，该试验中采用的透明土由烘烤熔融石英砂颗粒与正十二烷、十五号白油的混合溶液在一定温度下按一定的质量比混合搅拌直至均匀透明所制成，其中正十二烷、十五号白油的混合溶液的折射率与烘烤石英砂颗粒的折射率相同。

进一步地，所述的排桩采用直径为5mm-10mm的钢棒，在沉桩过程中采用间隔沉桩的方法，以模拟真实条件下现场的施工工艺。

进一步地，所述水头控制系统中设有供水箱，供水箱内有与透明土中透明液具有相同质量比的正十二烷和白油的混合溶液。

进一步地，所述透明模型箱的形状为上部开口的长方体，由树脂玻璃制成，以保证其具有较好的透光性；透明模型箱的长、宽均为300mm-400mm，高为500-650mm。

进一步地，所述所述透明模型箱的底部设置多层卵石，用以模拟真实条件下渗透流体对透明土基坑底部的冲击作用。

进一步地，所述透明土基坑内设有多个用于测量渗透压力的测压管，多个测压管间隔布置。

进一步地，所述水头控制系统中的供水箱在侧壁的不同高度处设有多个水位控制阀，通过打开不同的水位控制阀可以调节供水箱内水位的高度，实现调整试验过程中渗透水头的大小。