CN109680733A - 基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置及操作方法，该装置主要组成包括：装土箱，用于装填地基土；刚性挡墙，用于模拟基坑挡墙的变位；动力***，为模拟不同试验工况；量测***，用于刚性挡墙水平位移和土体沉降量的量测。较于现有技术，本发明装置结构简单，方法操作便捷；能够模拟多种试验工况，利用简单的挡墙不同变位模式下的室内模型试验，边界条件及影响因素明确，可有效地揭示坑外地表土体的沉降规律。本发明能很好地模拟基坑刚性挡墙在不同变位模式及不同的挡墙水平位移作用件下，坑外地表土体的沉降，进而揭示坑外地表土体的沉降规律，可为基坑开挖引起坑外地表沉降预测提供试验参考。

Description

基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置及 操作方法

技术领域

本发明涉及基坑工程领域，特别涉及一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置及操作方法。

背景技术

城市的发展，使得地下空间得到越来越多的开发，由此引发的环境问题也愈发严重。随着基坑的开挖越来越深、面积越来越大，基坑围护结构的设计和施工越来越复杂，基坑开挖对周边环境的影响越来越受到人们的重视。地表沉降将引起周边邻近建(构)筑物、道路、电缆及地下管道的破坏，带来不同程度的环境地质问题。长期以来，基坑开挖诱发地层沉降这一典型的环境岩土问题备受关注。

基坑开挖会不可避免地打破土体原有应力场，使得土体产生卸荷变形，诱发坑外地表土体产生沉降。事实上促使坑外地表土体产生沉降的因素较为复杂，除了墙体变位外，围护结构刚度、支护形式、降水及地表堆载都会诱发地表沉降，这使得在工程实践中，基坑周边所监测到的地表沉降多是由各种施工因素共同作用的结果。尽管，基坑围护结构的挠曲变形易于实测，但是不难发现直接基于现场监测数据来定量的反馈挡墙变位与地表沉降的相关性无疑困难性较大。相比较现场监测，室内模型试验边界条件明确、影响因素相对可控，因此，借助于简单挡墙变位模式下的室内模型试验来揭示地表沉降规律是十分必要的。

虽然，在实际基坑开挖过程中，基坑挡墙的变位模式较复杂，然而，大量现场实测反分析表明，现场观察到挡墙变位整体呈折线状，均可等效成各类刚性变形模式的叠加。因此，为简化问题分析，着重探讨不同刚性挡墙变位的工况对坑外地表沉降的影响，将刚性挡墙变位模式分为挡墙平移(T模式)、绕墙趾转动(RB模式)和绕墙顶转动(RT模式)等3种基本位移模式。

发明内容

为研究基坑挡墙在不同变位模式下坑外地表土体的沉降规律，考虑已有模型试验装置存在的不足，本发明提供了一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置及操作方法，其能简便、准确地模拟基坑挡墙在不同变位模式及不同挡墙最大水平位移条件下坑外地表土体的沉降规律试验。

本发明的解决方案为：一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，包括装土箱、刚性挡墙、动力***和量测***；

所述装土箱由有机玻璃、铁架和铁板拼接而成，所述有机玻璃用于制作装土箱侧壁，起支撑作用；所述铁架用于组装成装土箱框架，起骨架固定作用；所述铁板用于制作装土箱底部底板，保证土体和箱底间有充足的摩擦；所述装土箱内装填的土样为地基土，试验过程中地基土装填高度为0.8～0.95倍的刚性挡墙高度；

所述刚性挡墙与转轴相配合，所述转轴设置于刚性挡墙四角，转轴距离外边界0.05倍的刚性挡墙高度，转轴与装土箱侧壁、刚性挡墙侧壁上的安装孔相连接，转轴可自由拆除以实现刚性挡墙绕墙趾或墙顶转动变位模式；刚性挡墙的侧壁安装用于密封土体的密封条；

所述动力***包括电机、伸缩杆和固定杆，所述电机位于刚性挡墙外侧的电机承台上，电机可对刚性挡墙施加水平荷载，以控制刚性挡墙变位，所述伸缩杆的端头与刚性挡墙作用点位置根据试验所模拟的不同工况介于0.3倍的刚性挡墙墙高～0.7倍的刚性挡墙墙高之间，优选在0.5倍的刚性挡墙墙高位置处，当拔除上(下)端转轴时，刚性挡墙可绕下(上)端转轴发生转动，所述固定杆位于伸缩杆和刚性挡墙之间，可阻止刚性挡墙在其平行平面内发生转动，借助于电机动力荷载可实现刚性挡墙平移变位。

所述量测***包括LVDT位移传感器、支架、伸缩杆和刚性金属杆，所述LVDT位移传感器试验所用的位移计精度为0.01mm，最大量程为80mm，用于对刚性挡墙水平位移量测和土体沉降量量测，所述支架用于固定LVDT位移传感器，所述伸缩杆垂直指向刚性挡墙，随着电机的动力作用，刚性挡墙发生变位，LVDT位移传感器就能同步测出刚性挡墙位移，所述刚性金属杆布置于装土箱上方中轴线，用于固定LVDT位移传感器，用于土体沉降量量测。

进一步地，所述装土箱的内部长、宽、高尺寸为2.0m×1.0m×1.0m，箱体为25mm厚的有机玻璃材质组成。

进一步地，所述刚性挡墙的材质为铝板，所述的刚性挡墙的弹性模量为70GPa，高、宽、厚尺寸分别为1m×1m×0.020m。

进一步地，所述的装土箱底部的铁板设有可抽拉的卸土口。

进一步地，所述转轴可拆卸，当***下方两转轴而拆除上方两转轴时，在动力***作用下可实现刚性挡墙绕墙趾转动变位模式；当***上方两转轴而拆除下方两转轴时，则可实现刚性挡墙绕墙顶转动模式；当同时拆除上、下四个转轴并安装两根固定杆(阻止刚性挡墙发生转动)后，可完成刚性挡墙平移变位模式。

进一步地，所述电机施加为模拟各种试验工况所需的水平荷载，借助于电机动力荷载可实现刚性挡墙平移变位，通过电机的减速箱实现刚性挡墙作用点的变位速率，试验过程中将刚性挡墙变位控制在1mm/min。

进一步地，所述刚性金属杆布置于装土箱上方中轴线，将LVDT位移传感器上端夹持于刚性金属杆上，通过改变LVDT位移传感器夹持在刚性金属杆的不同位置处，分别量测相应位置的地表沉降值。

进一步地，所述刚性挡墙的四角与侧壁连接处设置的4根可拆卸的转轴配合动力***实现多种刚性挡墙变位模式；所述动力***通过电机的减速箱实现刚性挡墙作用点的变位速率。

一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤1：进行试验前测量元件LVDT位移传感器及仪表的检查与校正，装填土样，安装各支架、伸缩杆和刚性金属杆，LVDT位移传感器固定支架和刚性金属杆上；

步骤2：刚性挡墙水平位移的量测，为了研究墙后土体沉降量与刚性挡墙水平位移之间的关系，需要量测每种工况下刚性挡墙的实际位移，LVDT位移传感器固定在支架上，伸缩杆垂直指向刚性挡墙，随着电机的动力作用，刚性挡墙发生变位，LVDT位移传感器同步测出刚性挡墙位移，测量刚性挡墙变位的LVDT位移传感器共有4个，其中2个布置在刚性挡墙中轴线上，上方1个距刚性挡墙上端0.25倍的刚性挡墙墙高，下方1个距刚性挡墙下端0.25倍的刚性挡墙墙高，2个间距为0.5倍的刚性挡墙墙高；其余2个LVDT位移传感器分别对称布置在与上、下方LVDT位移传感器连线的中垂线上，且分别距刚性挡墙左右侧边界0.25倍刚性挡墙墙宽的距离，用于监测刚性挡墙是否绕某竖轴线发生偏转；可由上述4个LVDT位移传感器实时反馈刚性挡墙的变位模式。

步骤3：刚性挡墙变位开始前，刚性挡墙墙后填土浅部通过抹泥板抹平，并通过气泡水平仪找平，之后用LVDT位移传感器量测土体表面，记录初始读数，刚性挡墙变位至指定的变位状态后静置3h，使墙后土体沉降稳定，开始量测墙后土体沉降值，量测墙后地表沉降的水平范围为2H(墙高为H)，试验中，为确保沉降稳定，每隔一定时间量测一次土体沉降，待数据不再变化，即确定沉降完全。

本发明具备的优点如下：

本发明利用简单刚性挡墙变位模式下的室内模型试验来揭示地表沉降规律，可以分别模拟三种基本挡墙变位模式，通过控制刚性挡墙最大水平位移，监测墙后土体沉降距离的变化规律，可从定量方面得到土体沉降距离以及最大沉降量的位置，进而作为实际工况的模拟，为预测及控制基坑开挖过程中坑外地表的沉降，具有较重要的工程和科研意义。

附图说明

图1为本发明的刚性挡墙构造图；

图2为本发明模型装置的整体示意图；

图3为本发明模型装置俯视图；

图4为本发明模型装置侧视图；

图5为基坑挡墙变位示意图(a挡墙平动；b挡墙绕墙趾转动；c挡墙绕墙顶转动)；

图中，1.电机；2.电机承台；3.伸缩杆；4.支架；5.刚性挡墙；6.转轴；7.装土箱；8.刚性金属杆；9.LVDT位移传感器；10.卸土口；11.土样；12.铁架；13.密封条；14.安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1-图4所示，本实施例提供一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，包括装土箱7、刚性挡墙5、动力***和量测***；

所述装土箱7由有机玻璃、铁架12和铁板拼接而成，所述有机玻璃用于制作装土箱7侧壁，起支撑作用；所述铁架12用于组装成装土箱7框架，起骨架固定作用；所述铁板用于制作装土箱7底部底板，保证土体和箱底间有充足的摩擦；所述装土箱7内装填的土样11为地基土，试验过程中地基土装填高度为0.8～0.95倍的刚性挡墙5高度；

所述刚性挡墙5与转轴6相配合；所述转轴设置于刚性挡墙5四角，转轴6距离外边界0.05倍的刚性挡墙5高度，转轴6与装土箱7侧壁、刚性挡墙5侧壁上的安装孔14相连接，转轴6可自由拆除以实现刚性挡墙5绕墙趾或墙顶转动变位模式；刚性挡墙5的侧壁安装用于密封土体的密封条13；

所述动力***包括电机1、伸缩杆3和固定杆，所述电机1位于刚性挡墙5外侧的电机承台2上，电机可对刚性挡墙5施加水平荷载，以控制刚性挡墙5变位，所述伸缩杆3的端头与刚性挡墙5作用点位置根据试验所模拟的不同工况介于0.3倍的刚性挡墙5墙高～0.7倍的刚性挡墙5墙高之间，优选在0.5倍的刚性挡墙5墙高位置处，当拔除上(下)端转轴6时，刚性挡墙可绕下(上)端转轴6发生转动，所述固定杆位于伸缩杆3和刚性挡墙5之间，可阻止刚性挡墙5在其平行平面内发生转动，借助于电机动力荷载可实现刚性挡墙5平移变位。

所述量测***有LVDT位移传感器9、支架4、伸缩杆3和刚性金属杆8，所述LVDT位移传感器9试验所用的位移计精度为0.01mm，最大量程为80mm，用于对刚性挡墙5水平位移量测和土体沉降量量测，所述支架4用于固定LVDT位移传感器9，所述伸缩杆3垂直指向刚性挡墙5，随着电机1的动力作用，刚性挡墙5发生变位，LVDT位移传感器9就能同步测出刚性挡墙5位移，所述刚性金属杆8布置于装土箱7上方中轴线，用于固定LVDT位移传感器9，用于土体沉降量量测。

进一步地，所述装土箱7的内部长、宽、高尺寸为2.0m×1.0m×1.0m，箱体为25mm厚的有机玻璃材质组成。

进一步地，所述刚性挡墙5的材质为铝板，所述的刚性挡墙5的弹性模量为70GPa，高、宽、厚尺寸分别为1m×1m×0.020m。

进一步地，所述的装土箱5底部的铁板设有可抽拉的卸土口10。

进一步地，所述转轴6可拆卸，当***下方两转轴6而拆除上方两转轴6时，在动力***作用下可实现刚性挡墙5绕墙趾转动变位模式；当***上方两转轴6而拆除下方两转轴6时，则可实现刚性挡墙5绕墙顶转动模式；当同时拆除上、下四个转轴6并安装两根固定杆(阻止刚性挡墙发生转动)后，可完成刚性挡墙5平移变位模式。

进一步地，所述电机1施加为模拟各种试验工况所需的水平荷载，借助于电机动力荷载可实现刚性挡墙5平移变位，通过电机1的减速箱实现刚性挡墙5作用点的变位速率，试验过程中将刚性挡墙5变位控制在1mm/min。

进一步地，所述刚性金属杆8布置于装土箱7上方中轴线，将LVDT位移传感器9上端夹持于刚性金属杆8上，通过改变LVDT位移传感器9夹持在刚性金属杆的不同位置处，分别量测相应位置的地表沉降值。

进一步地，所述刚性挡墙5的四角与侧壁连接处设置的4根可拆卸的转轴6配合动力***实现多种刚性挡墙变位模式；所述动力***可通过电机的减速箱实现刚性挡墙作用点的变位速率。

该基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤1：进行试验前测量元件LVDT位移传感器9及仪表的检查与校正，装填土样11，安装各支架4、伸缩杆3和刚性金属杆8，LVDT位移传感器9固定在支架4和刚性金属杆8上；

步骤2：刚性挡墙5水平位移的量测，为了研究墙后土体沉降量与刚性挡墙水平位移之间的关系，需要量测每种工况下刚性挡墙5的实际位移，LVDT位移传感器9固定在支架4上，伸缩杆3垂直指向刚性挡墙5，随着电机1的动力作用，刚性挡墙5发生变位，LVDT位移传感器9同步测出刚性挡墙5位移，测量刚性挡墙5变位的LVDT位移传感器9共有4个，其中2个布置在刚性挡墙5中轴线上，上方1个距刚性挡墙5上端0.25倍的刚性挡墙墙高，下方1个距刚性挡墙5下端0.25倍的刚性挡墙墙高，2个间距为0.5倍的刚性挡墙墙高；其余2个LVDT位移传感器9分别对称布置在与上、下方LVDT位移传感器9连线的中垂线上，且分别距刚性挡墙5左右侧边界0.25倍墙宽的距离，用于监测刚性挡墙5是否绕某竖轴线发生偏转；可由上述4个LVDT位移传感器9实时反馈刚性挡墙的变位模式。

步骤3：刚性挡墙5变位开始前，刚性挡墙墙后填土浅部通过抹泥板抹平，并通过气泡水平仪找平，之后用LVDT位移传感器9量测土体表面，记录初始读数，刚性挡墙5变位至指定的变位状态后静置3h，使墙后土体沉降稳定，开始量测墙后土体沉降值，量测墙后地表沉降的水平范围为2H(墙高为H)，试验中，为确保沉降稳定，每隔一定时间量测一次土体沉降，待数据不再变化，即确定沉降完全。

本实施例各主要装置参数如下：

装土箱7的内部长、宽、高尺寸为2.0m×1.0m×1.0m；

所述装土箱7的壁厚25mm；

所述刚性挡墙5的高、宽、厚尺寸分别为1m×1m×0.020m；

需要注意的是，上述尺寸为本发明给出的建议尺寸，具体尺寸可根据实际要求进行更改。

Claims (10)

1.一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，其特征在于：包括装土箱、刚性挡墙、动力***和量测***；

所述装土箱由有机玻璃、铁架和铁板拼接而成，所述有机玻璃用于制作装土箱侧壁，起支撑作用；所述铁架用于组装成装土箱框架，起骨架固定作用；所述铁板用于制作装土箱底部底板；所述装土箱内装填的土样为地基土，地基土装填高度为0.8～0.95倍的刚性挡墙高度；

所述刚性挡墙与转轴相配合，所述转轴设置于刚性挡墙四角，转轴距离外边界0.05倍的刚性挡墙高度，转轴与装土箱侧壁、刚性挡墙侧壁上的安装孔相连接，转轴可自由拆除以实现刚性挡墙绕墙趾或墙顶转动变位模式；刚性挡墙的侧壁安装用于密封土体的密封条；

所述动力***包括电机、伸缩杆和固定杆，所述电机位于刚性挡墙外侧的电机承台上，电机可对刚性挡墙施加水平荷载，以控制刚性挡墙变位，所述伸缩杆的端头与刚性挡墙作用点位置根据试验所模拟的不同工况介于0.3倍的刚性挡墙墙高～0.7倍的刚性挡墙墙高之间，当拔除上(下)端转轴时，刚性挡墙可绕下(上)端转轴发生转动，所述固定杆位于伸缩杆和刚性挡墙之间，可阻止刚性挡墙在其平行平面内发生转动，借助于电机动力荷载可实现刚性挡墙平移变位；

所述量测***包括LVDT位移传感器、支架、伸缩杆和刚性金属杆，用于对刚性挡墙水平位移量测和土体沉降量量测，所述支架用于固定LVDT位移传感器，所述伸缩杆垂直指向刚性挡墙，所述刚性金属杆布置于装土箱上方中轴线，用于固定LVDT位移传感器，用于土体沉降量量测。

2.根据权利要求1所述的一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，其特征在于：所述装土箱的内部长、宽、高尺寸为2.0m×1.0m×1.0m，箱体为25mm厚的有机玻璃材质组成。

3.根据权利要求1所述的一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，其特征在于：所述刚性挡墙的材质为铝板，所述的刚性挡墙的弹性模量为70GPa，高、宽、厚尺寸分别为1m×1m×0.020m，所述伸缩杆的端头与刚性挡墙作用点位置优选在0.5倍的刚性挡墙墙高位置处。

4.根据权利要求1所述的一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，其特征在于：所述的装土箱底部的铁板设有可抽拉的卸土口。

5.根据权利要求1所述的一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，其特征在于：所述转轴可拆卸，当***下方两转轴而拆除上方两转轴时，在动力***作用下可实现刚性挡墙绕墙趾转动变位模式；当***上方两转轴而拆除下方两转轴时，则可实现刚性挡墙绕墙顶转动模式；当同时拆除上、下四个转轴并安装两根固定杆后，可完成刚性挡墙平移变位模式。

6.根据权利要求1所述的一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，其特征在于：所述电机施加为模拟各种试验工况所需的水平荷载，借助于电机动力荷载可实现刚性挡墙平移变位，通过电机的减速箱实现刚性挡墙作用点的变位速率，试验过程中将刚性挡墙变位控制在1mm/min。

7.根据权利要求1所述的一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，其特征在于：所述刚性金属杆布置于装土箱上方中轴线，将LVDT位移传感器上端夹持于刚性金属杆上，改变LVDT位移传感器夹持在刚性金属杆的不同位置处，分别量测相应位置的地表沉降值。

8.根据权利要求1所述的一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，其特征在于：所述刚性挡墙的四角与侧壁连接处设置的4根可拆卸的转轴配合动力***实现多种刚性挡墙变位模式；所述动力***可通过电机的减速箱实现刚性挡墙作用点的变位速率。

9.根据权利要求1所述的一种基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置，其特征在于：所述LVDT位移传感器试验所用的位移计精度为0.01mm，最大量程为80mm。

10.一种权利要求1所述的基坑刚性挡墙变位诱发坑外地表土体沉降的模型试验装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：进行试验前测量元件LVDT位移传感器及仪表的检查与校正，装填土样，安装各支架、伸缩杆和刚性金属杆，LVDT位移传感器固定在支架和刚性金属杆上；

步骤2：刚性挡墙水平位移的量测，为了研究墙后土体沉降量与刚性挡墙水平位移之间的关系，需要量测每种工况下刚性挡墙的实际位移，LVDT位移传感器固定在支架上，伸缩杆垂直指向刚性挡墙，刚性挡墙发生变位，LVDT位移传感器同步测出刚性挡墙位移，测量刚性挡墙变位的LVDT位移传感器共有4个，其中2个布置在刚性挡墙中轴线上，上方1个距刚性挡墙上端0.25倍的刚性挡墙墙高，下方1个距刚性挡墙下端0.25倍的刚性挡墙墙高，2个间距为0.5倍的刚性挡墙墙高；其余2个LVDT位移传感器分别对称布置在与上、下方LVDT位移传感器连线的中垂线上，且分别距刚性挡墙左右侧边界0.25倍刚性挡墙墙宽的距离，用于监测刚性挡墙是否绕某竖轴线发生偏转；可由上述4个LVDT位移传感器实时反馈刚性挡墙的变位模式；

步骤3：刚性挡墙变位开始前，刚性挡墙墙后填土浅部通过抹泥板抹平，并通过气泡水平仪找平，之后用LVDT位移传感器量测土体表面，记录初始读数，刚性挡墙变位至指定的变位状态后静置3h，开始量测墙后土体沉降值，量测墙后地表沉降的水平范围为2H(墙高为H)，试验中，每隔一定时间量测一次土体沉降，待数据不再变化，即确定沉降完全。