[发明专利]模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置及使用方法

权利要求书

1.一种模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置，包括模型箱；其特征在于：所述模型箱为上端敞口的窄条形箱体，模型箱内设有与之等高的横向隔板，横向隔板上开孔，横向隔板将模型箱分为土箱和水箱两部分；所述土箱内装填有试验土体，土箱内设置有可移动的横向的基坑挡墙；所述基坑挡墙与土箱的前后箱壁之间采用伸缩止水膜相连，并与土箱外侧边围成基坑模型；所述基坑模型内设有降水井管，降水井管内设有与微型水泵相连的水管；所述土箱内布置2-4根观测井管，实验时将与带刻度软尺相连的遇水报警器探入观测井管内获取井内动态水位；所述土箱内设置有若干位移传感器和水、土压力传感器以监控试验过程中基坑内外渗流与挡墙变形；所述水箱内所装水可通过横向隔板流入土箱中以实现基坑平面渗流的模拟。

2.根据权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置，其特征在于：所述模型箱的前面为有机玻璃板，模型箱的后面、左右侧面及底面为钢板。

3.根据权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置，其特征在于：所述横向隔板为开孔钢板；开孔钢板的开孔深度范围为土箱内土体深度范围，且开孔率大于土箱内土体孔隙率，开孔面积小于开孔前钢板面积的60％；开孔钢板在位于土箱一侧布设两层透水土工布。

4.根据权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的室内模型试验系统，其特征在于：所述基坑模型的宽度根据原型基坑尺寸按1:50-1:25缩尺确定；所述基坑挡墙采用有机玻璃制成；有机玻璃基坑挡墙宽度小于土箱净宽度0.5-1cm，厚度和长度按照相似理论根据原型基坑挡墙尺寸按1:50-1:25缩尺确定；有机玻璃基坑挡墙的顶部高于土箱内土体表面5-10cm。

5.根据权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置，其特征在于：所述伸缩止水膜采用聚乙烯材料制成，其长度与有机玻璃基坑挡墙埋入土箱内土体的深度相同，其宽度为其长度的1/3-1/2；伸缩止水膜在宽度方向折叠以预留不小于1/3倍伸缩止水膜宽度的自由伸缩量，且其一侧与土箱的侧壁粘接，另一侧与有机玻璃基坑挡墙粘接，两侧粘接宽度不小于伸缩止水膜宽度的1/4。

6.根据权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置，其特征在于：所述降水井管与观测井管均采用PVC材料制成，沿管身全长开孔，孔位按梅花形布置，开孔直径5～8mm，孔间距3～5cm，直径和埋入土体深度按照相似理论根据原型降水井管与观测井管尺寸按1:50-1:25缩尺确定；降水井管与观测井管的顶部高于土箱内土体表面5-10cm；PVC降水井管与观测井管外包裹两层透水土工布，透水土工布用铁丝缠绕在井管上固定，铁丝沿井管长度方向每隔10-15cm布置。

7.根据权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置，其特征在于：所述降水井管位于基坑模型宽度方向正中间；基坑模型内观测井管位于降水井管正中间；在基坑模型外部沿远离基坑模型方向居中均匀布置2-4根观测井管。

8.根据权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置，其特征在于：所述位移传感器布设在基坑挡墙伸出土体表面的挑出段；所述水压力传感器和土压力传感器布设在基坑挡墙两侧，其中，在基坑挡墙两侧壁的居中位置沿深度方向均匀布设3-5组水压力传感器和土压力传感器，并在基坑模型外部土体不同埋深位置处，沿远离基坑挡墙方向居中均匀布设2-3个断面的水压力传感器。

9.根据权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置，其特征在于：所述水箱在其任一钢板侧壁上沿深度方向居中均匀开孔，开孔间距为0.1-0.3m，并在孔位处安装家用水龙头。

10.根据权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置，其特征在于：所述位移传感器和水土压力传感器与采集仪连接；所述与微型水泵相连的水管上连接有流量计，流量计与记录仪连接；所述采集仪和记录仪连接到计算机上。

11.一种基于权利要求1所述模拟基坑降水平面渗流与挡墙变形的装置的使用方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定模拟方案及模型位置与尺寸：按照相似理论，根据原型基坑尺寸，按1:50-1:25缩尺确定模型比例并制作模型试验箱；在水平方向上，确定基坑模型宽度H₁及基坑挡墙位置，确定降水井管、观测井管、水压力传感器及土压力传感器的位置；在竖直方向上，确定土体的埋设厚度H₂、基坑挡墙的埋置深度H₃、降水井管和观测井管埋置深度H₄、试验拟降水深度H₅及水、土压力传感器的埋设深度；

(2)填土及设备安装：向土箱中分层填土并分层压实；填土过程中，当填土面达到降水井管、观测井管、基坑挡墙及水、土压力传感器的设计埋置深度时，埋入降水井管、观测井管、基坑挡墙和水、土压力传感器；继续填土直至满足土体埋设厚度要求，并在基坑挡墙伸出土体表面的挑出段安装位移传感器；随后，将位移传感器、水压力传感器和土压力传感器用数据线与采集仪连接，并将采集仪连接到常规计算机上以实现试验过程中数据自动记录与存储；

(3)设定初始水位：水箱最顶部水龙头外接进水管，预设水位高度处水龙头外接排水管；打开两处水龙头，并让进水处水龙头开启程度小于排水处水龙头的开启程度；通过进水处水龙头向水箱内注水以缓慢抬升水箱内水位；待水箱内水位上升至排水水龙头位置处后，由于排水水龙头开启程度更大，故水箱内水位将被维持在排水水龙头位置处即，预设水位处不变；观测土箱内水位上升情况；待土箱内水位观测井管显示其水位与水箱内水位齐平时，关闭进水和排水水龙头，静置24小时，使土体完全、充分饱和；

(4)模拟基坑内降水：打开上述水箱的进水和排水水龙头，并让进水水龙头开启程度小于排水水龙头开启程度以确保试验全过程水箱内水位维持在预设水位处不变，使水箱为土箱提供稳定的水力补给；微型水泵连接的抽水管插入降水井管，插入土表面以下深度为试验拟降水深度H₅的1.1～1.3倍，以确保试验过程中基坑内实际降水深度能达到拟降水深度，其中，H₄大于H₅；微型水泵连接的排水管与流量计相连；流量计与流量记录仪连接；流量记录仪与常规计算机相连以实现试验过程中数据自动记录与存储；采集并记录各传感器初始读数；开启微型水泵开始降水试验；

(5)数据采集与记录：设定时间每间隔1分钟让常规计算机自动记录试验过程中抽水流量、基坑挡墙两侧以及基坑挡墙外指定位置处的水、土压力变化值和基坑挡墙的变形；而观测井管内水位监测则采用人工读数，并在试验开始后的1、3、5、7、10、20、40、70分钟时进行水位数据读取与记录，此后每隔30分钟测试一次水位直至试验结束；

(6)试验结束与水位恢复：当常规计算机所采集数据显示基坑挡墙变形和基坑挡墙两侧指定位置处水、土压力值在连续30分钟内不再发生变化时，关闭微型水泵以停止抽水，并让土箱内水位恢复；至此，一次试验结束。