CN110501233B - 一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置 - Google Patents

一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置，包括模型箱、竖直设置在模型箱内的土体弹性隔膜组件及水体弹性隔膜，土体弹性隔膜组件及水体弹性隔膜将模型箱分隔成墙后土体室、基坑室及水体室，基坑室位于墙后土体室与水体室之间，基坑室内设有挡墙变位单元及设置在挡墙变位单元与水体室之间的挡墙限位单元。与现有技术相比，本发明能够模拟基坑挡墙变位诱发墙后土体变形情况，通过调节水体室水压以及限位元件，使得挡墙变位组件产生定量位移，土体弹性隔膜产生形变，以模拟不同开挖工况下挡墙变位情况，获得墙后土体变形情况，试验结果可用于指导实际工程中基坑开挖设计。

Description

一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置
技术领域
本发明属于基坑工程技术领域，涉及一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置。
背景技术
随着城市高层建筑的建造，轨道交通的大规模兴建以及由此引起的城市地下空间利用问题，开挖对周围环境的影响问题备受工程界的关注，开挖后支挡结构必然要发生移动和变形，使周边地基土体失去原有平衡状态而发生沉降。
目前，基坑挡墙变位诱发的墙后地表沉降仍借助于经典的经验方法或弹塑性有限元计算，尚缺少严格理论解析手段，这将导致对实际挡墙后土体沉降情况估算有一定的误差，往往会带来设计上的浪费或者安全隐患。而现场监测基坑开挖诱发的墙后地表沉降往往处于亡羊补牢的状态，并且消耗大量的人力物力。
因此，有必要建立一种可模拟基坑中挡墙变位诱发墙后土体变形情况的试验装置，用以指导实际工程的基坑开挖设计，解决实际工程中的安全隐患，并达到经济化的效果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置，包括模型箱、竖直设置在模型箱内的土体弹性隔膜组件及水体弹性隔膜，所述的土体弹性隔膜组件及水体弹性隔膜将模型箱的内部空间分隔为墙后土体室、基坑室及水体室，所述的基坑室位于墙后土体室与水体室之间，所述的基坑室内设有挡墙变位单元及挡墙限位单元，所述的水体室通过挡墙变位单元带动土体弹性隔膜组件发生形变，所述的挡墙限位单元设置在挡墙变位单元与水体弹性隔膜之间。
所述的土体弹性隔膜组件与水体弹性隔膜并列设置，所述的土体弹性隔膜组件与模型箱之间围成的空间为墙后土体室，所述的水体弹性隔膜与模型箱之间围成的空间为水体室。
本装置是根据工程测量的挡墙变形量模拟墙后土体的变形情况。试验在模型箱内进行，竖直设置在模型箱内的土体弹性隔膜组件用于模拟变形挡墙，墙后土体室内填充土体，基坑室内设置挡墙变位单元及挡墙限位单元，水体室内充满水，当水体室内水量减少，水压降低时，水体弹性隔膜向内收缩，拉动挡墙变位单元移动，通过挡墙变位单元的位移使得土体弹性隔膜组件产生形变，以模拟挡墙变形变位，挡墙限位单元可以限制挡墙变位单元的位移量，从而控制土体弹性隔膜组件的形变量。
进一步地，所述的土体弹性隔膜组件包括与模型箱顶部固定连接的上固定板、与模型箱底部固定连接的下固定板以及设置在上固定板与下固定板之间的土体弹性隔膜，所述的挡墙变位单元与土体弹性隔膜固定连接。
所述的上固定板与下固定板并列设置，所述的上固定板的两端分别与模型箱的2个平行侧壁固定连接，所述的下固定板的两端分别与模型箱的2个平行侧壁固定连接，所述的土体弹性隔膜的上下两端分别与上固定板的底部及下固定板的顶部固定连接。
土体弹性隔膜组件用于模拟基坑挡墙，上固定板与下固定板用于固定土体弹性隔膜的位置，土体弹性隔膜用于模拟变形部分的基坑挡墙。
作为优选的技术方案，所述的土体弹性隔膜及水体弹性隔膜为乳胶膜。
进一步地，所述的挡墙变位单元包括多个沿竖直方向排列的挡墙变位组件，所述的挡墙变位组件可沿水平方向移动。
挡墙变位单元用于调控土体弹性隔膜的形变，以模拟挡墙变形变位，多个沿竖直方向排列的挡墙变位组件可以实现分段挡墙变位模拟。
进一步地，所述的挡墙变位组件包括与土体弹性隔膜固定连接的立方柱壳体以及设置在立方柱壳体内并与立方柱壳体固定连接的挡墙推板。
进一步地，所述的上层立方柱壳体的底部与相邻的下层立方柱壳体的顶部滑动接触。
挡墙变位组件紧密排列，从而使得分段挡墙变位的区间段连续分布，以贴近实际挡墙变位情况。
进一步地，该装置还包括多个沿竖直方向布设在水体弹性隔膜上的水体推板以及设置在水体推板与挡墙变位组件之间的推杆，所述的水体推板通过推杆与相应的挡墙变位组件传动连接。
所述的水体推板的两端分别与推杆的一端及水体弹性隔膜固定连接，所述的推杆的另一端穿过立方柱壳体与挡墙推板固定连接。
水体弹性隔膜通过水体推板及推杆与挡墙变位组件连接，从而实现水体弹性隔膜与土体弹性隔膜的传动连接，使得当水体弹性隔膜发生形变时，土体弹性隔膜随之产生形变。
进一步地，所述的挡墙限位单元包括设置在模型箱内部的限位支架及多个沿竖直方向布设在限位支架上的限位元件，所述的限位元件与相应的立方柱壳体相适配。
进一步地，所述的限位元件包括沿水平方向设置在限位支架上的限位杆及竖直设置于限位杆一端的限位挡板。
所述的多个限位元件的高度与相应的立方柱壳体的高度相适配，使得当挡墙变位组件移动时，立方柱壳体可与相应的限位元件上的限位挡板相接触，以限制挡墙变位组件的位移量。
作为优选的技术方案，所述的限位杆具有伸缩结构，可使限位挡板沿水平方向产生位移，以调节限位挡板的水平位置。
或者，所述的限位杆上设有滑轨，所述的限位支架上设有滑座，所述的限位杆与限位支架通过滑轨与滑座滑动连接，可使限位挡板沿水平方向产生位移，以调节限位挡板的水平位置。
所述的限位杆的移动方向或伸缩方向与挡墙变位组件的移动方向相同。
所述的限位元件可根据实际工程采集的数据限定挡墙变位组件的位移量，从而限定弹性隔膜的变形量，以模拟实际工程的挡墙变位情况。
作为优选的技术方案，所述的限位杆上设有标尺，用于定量设置分段挡墙变位中每一段的位移量。
进一步地，该装置还包括出水口，所述的出水口设置在模型箱外壁上，并与水体室相连通。
进一步地，该装置还包括水泵，所述的水泵通过出水口与水体室相连通。通过水泵将水体室内的水抽出，以降低水体室的水压，使得水体弹性隔膜向内产生形变。
作为优选的技术方案，所述的模型箱、下固定板、上固定板、立方柱壳体、限位元件、限位支架、推杆、出水口、水体推板、挡墙推板采用钢结构制作，以保证装置的机械强度。
工作原理：本装置是根据工程测量的挡墙变形量模拟墙后土体的变形情况。在准备阶段，将限位元件拉出与立方柱壳体相接触，之后在墙后土体室内填充土体，水体室内充入适量的水，使得水体弹性隔膜与土体弹性隔膜均处于竖直平面内，此时限位元件上的标尺处于零刻度处，之后将限位元件向远离土体弹性隔膜组件的水平方向移动，每个限位单元的位移量根据实际工程场地采集的挡墙侧向位移数据调整，通过水泵从出水口抽出适量的水，使得水体弹性隔膜向内产生形变，拉动挡墙变位组件产生位移，直至立方柱壳体与相应的限位元件相接触，固定于挡墙变位组件的土体弹性隔膜随之产生相应形变，因挡墙限位单元的影响，土体弹性隔膜产生的形变量与实际挡墙变位量相接近，此时通过考察墙后土体室内土体的变形情况即可预估实际土体的变形沉降情况。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明能够模拟基坑中挡墙变位诱发墙后土体变形情况，通过调节水体室内水压以及限位元件，使得挡墙变位组件产生定量位移，土体弹性隔膜产生形变，以模拟不同开挖工况下挡墙变位情况，获得墙后土体变形情况，试验结果可用于指导实际工程中基坑开挖设计；
2)本发明结构简单，操作方便，可根据基坑挡墙变位情况模拟墙后土体变形情况，具有较高的可靠性。
附图说明
图1为一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置的主视图；
图2为一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置的左视图；
图3为一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置的俯视图；
图中标记说明：
1—模型箱、2—下固定板、3—上固定板、4—土体弹性隔膜、5—立方柱壳体、6—限位元件、601—限位杆、602—限位挡板、7—限位支架、8—水体弹性隔膜、9—推杆、10—出水口、11—水体推板、12—墙后土体室、13—挡墙推板、14—基坑室、15—水体室。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1、图2及图3所示的一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置，包括模型箱1、竖直设置在模型箱1内的土体弹性隔膜组件及水体弹性隔膜8，土体弹性隔膜组件及水体弹性隔膜8将模型箱1分隔成墙后土体室12、基坑室14及水体室15，基坑室14位于墙后土体室12与水体室15之间，基坑室14内设有挡墙变位单元及挡墙限位单元，水体室15通过挡墙变位单元带动土体弹性隔膜组件发生形变，挡墙限位单元设置在挡墙变位单元与水体弹性隔膜8之间。
土体弹性隔膜组件与水体弹性隔膜8并列设置，土体弹性隔膜组件与模型箱1之间围成的空间为墙后土体室12，水体弹性隔膜8与模型箱1之间围成的空间为水体室15。
本装置是根据工程测量的挡墙变形量模拟墙后土体的变形情况。试验在模型箱1内进行，竖直设置在模型箱1内的土体弹性隔膜组件用于模拟变形挡墙，墙后土体室12内填充土体，基坑室14内设置挡墙变位单元及挡墙限位单元，水体室15内充满水，当水体室15内水量减少，水压降低时，水体弹性隔膜8向内收缩，拉动挡墙变位单元移动，通过挡墙变位单元的位移使得土体弹性隔膜组件的产生形变，以模拟挡墙变形变位，挡墙限位单元可以限制挡墙变位单元的位移量，从而控制土体弹性隔膜组件的形变量。
土体弹性隔膜组件包括与模型箱1顶部固定连接的上固定板3、与模型箱1底部固定连接的下固定板2以及设置在上固定板3与下固定板2之间的土体弹性隔膜4，挡墙变位单元与土体弹性隔膜4固定连接。
上固定板3与下固定板2并列设置，上固定板3的两端分别与模型箱1的2个平行侧壁固定连接，下固定板2的两端分别与模型箱1的2个平行侧壁固定连接，土体弹性隔膜4的上下两端分别与上固定板3的底部及下固定板2的顶部固定连接。
土体弹性隔膜组件用于模拟基坑挡墙，上固定板3与下固定板2用于固定土体弹性隔膜4的位置，土体弹性隔膜4用于模拟变形部分的基坑挡墙。
土体弹性隔膜4及水体弹性隔膜8为乳胶膜。
挡墙变位单元包括多个沿竖直方向排列的挡墙变位组件，挡墙变位组件可沿水平方向移动。
挡墙变位单元用于调控土体弹性隔膜4的形变，以模拟挡墙变形变位，多个沿竖直方向排列的挡墙变位组件可以实现分段挡墙变位模拟。
挡墙变位组件包括与土体弹性隔膜4固定连接的立方柱壳体5以及设置在立方柱壳体5内并与立方柱壳体5固定连接的挡墙推板13。
上层立方柱壳体5的底部与相邻的下层立方柱壳体5的顶部滑动接触。
挡墙变位组件紧密排列，从而使得分段挡墙变位的区间段连续分布，以贴近实际挡墙变位情况。
该装置还包括多个沿竖直方向布设在水体弹性隔膜8上的水体推板11以及设置在水体推板11与挡墙变位组件之间的推杆9，水体推板11通过推杆9与相应的挡墙变位组件连接。
水体推板11的两端分别与推杆9的一端及水体弹性隔膜8固定连接，推杆9的另一端穿过立方柱壳体5与挡墙推板13固定连接。
水体弹性隔膜8通过水体推板11及推杆9与挡墙变位组件连接，从而实现水体弹性隔膜8与土体弹性隔膜4连接，使得当水体弹性隔膜8发生形变时，土体弹性隔膜4随之产生形变。
挡墙限位单元包括设置在模型箱1内部的限位支架7及多个沿竖直方向布设在限位支架7上的限位元件6，限位元件6与相应的立方柱壳体5相适配。
限位元件6包括沿水平方向设置在限位支架7上的限位杆601及竖直设置于限位杆601一端的限位挡板602。
多个限位元件6的高度与相应的立方柱壳体5的高度相适配，使得当挡墙变位组件移动时，立方柱壳体5可与相应的限位元件6上的限位挡板602相接触，以限制挡墙变位组件的位移量。
限位杆601具有伸缩结构，可使限位挡板602沿水平方向产生位移。
限位杆601的移动方向或伸缩方向与挡墙变位组件的移动方向相同。
限位元件6可根据实际工程采集的数据限定挡墙变位组件的位移量，从而限定弹性隔膜4的变形量，以模拟实际工程的挡墙变位情况。
限位杆601上设有标尺，用于定量设置分段挡墙变位中每一段的位移量。
该装置还包括出水口10，出水口10设置在模型箱1外壁上，并与水体室15相连通。
该装置还包括水泵，水泵通过出水口10与水体室15相连通。通过水泵将水体室15内的水抽出，以降低水体室15的水压，使得水体弹性隔膜8向内产生形变。
模型箱1、下固定板2、上固定板3、立方柱壳体5、限位元件6、限位支架7、推杆9、出水口10、水体推板11、挡墙推板13采用钢结构制作，以保证装置的机械强度。
工作原理：本装置是根据工程测量的挡墙变形量模拟墙后土体的变形情况。在准备阶段，将限位元件6拉出与立方柱壳体5相接触，之后在墙后土体室12内填充土体，水体室15内充入适量的水，使得水体弹性隔膜8与土体弹性隔膜4均处于竖直平面内，此时限位元件6上的标尺处于零刻度处，之后将限位元件6向远离土体弹性隔膜组件的水平方向移动，每个限位单元6的位移量根据实际工程场地采集的挡墙侧向位移数据调整，通过水泵从出水口10抽出适量的水，使得水体弹性隔膜8向内产生形变，拉动挡墙变位组件产生位移，直至立方柱壳体5与相应的限位元件6相接触，固定于挡墙变位组件的土体弹性隔膜4随之产生相应形变，因挡墙限位单元的影响，土体弹性隔膜4产生的形变量与实际挡墙变位量相接近，此时通过考察墙后土体室12内土体的变形情况即可预估实际土体的变形沉降情况。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置，其特征在于，该装置包括模型箱(1)、竖直设置在模型箱(1)内的土体弹性隔膜组件及水体弹性隔膜(8)，所述的土体弹性隔膜组件及水体弹性隔膜(8)将模型箱(1)的内部空间分隔为墙后土体室(12)、基坑室(14)及水体室(15)，所述的基坑室(14)位于墙后土体室(12)与水体室(15)之间，所述的基坑室(14)内设有挡墙变位单元及挡墙限位单元，所述的水体室(15)通过挡墙变位单元带动土体弹性隔膜组件发生形变，所述的挡墙限位单元设置在挡墙变位单元与水体弹性隔膜(8)之间；
所述的土体弹性隔膜组件包括与模型箱(1)顶部固定连接的上固定板(3)、与模型箱(1)底部固定连接的下固定板(2)以及设置在上固定板(3)与下固定板(2)之间的土体弹性隔膜(4)，所述的挡墙变位单元与土体弹性隔膜(4)固定连接；
所述的挡墙变位单元包括多个沿竖直方向排列的挡墙变位组件，所述的挡墙变位组件可沿水平方向移动；
所述的挡墙变位组件包括与土体弹性隔膜(4)固定连接的立方柱壳体(5)以及设置在立方柱壳体(5)内并与立方柱壳体(5)固定连接的挡墙推板(13)；
所述的挡墙限位单元包括设置在模型箱(1)内部的限位支架(7)及多个沿竖直方向布设在限位支架(7)上的限位元件(6)，所述的限位元件(6)与相应的立方柱壳体(5)相适配；
所述的限位元件(6)包括沿水平方向设置在限位支架(7)上的限位杆(601)及竖直设置于限位杆(601)一端的限位挡板(602)；
所述的限位挡板(602)的水平位置可调节。
2.根据权利要求1所述的一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置，其特征在于，上层立方柱壳体(5)的底部与相邻的下层立方柱壳体(5)的顶部滑动接触。
3.根据权利要求1所述的一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置，其特征在于，该装置还包括多个沿竖直方向布设在水体弹性隔膜(8)上的水体推板(11)以及设置在水体推板(11)与挡墙变位组件之间的推杆(9)，所述的水体推板(11)通过推杆(9)与相应的挡墙变位组件传动连接。
4.根据权利要求1所述的一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置，其特征在于，该装置还包括出水口(10)，所述的出水口(10)设置在模型箱(1)外壁上，并与水体室(15)相连通。
5.根据权利要求4所述的一种水压驱动模拟挡墙变位诱发墙后土体变形的试验装置，其特征在于，该装置还包括水泵，所述的水泵通过出水口(10)与水体室(15)相连通。
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