CN112816660B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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及方法，该装置包括模型箱、模型土、模型隧道、地下连续墙施工模拟***、环境效应量测***。该试验装置可用于研究地下连续墙施工对周围地层及临近浅埋管线或盾构隧道力学行为的影响效应及其内在机理。本发明采用氯化钠溶液模拟地下连续墙成槽施工过程中采用的泥浆，具有材料易得、低价环保、重度控制方便、安全无害等优点，有效避免了使用氯化锌溶液时的强腐蚀性问题；本发明通过调控氯化钠溶液液面超出模型土表面的高度或与模型土表面齐平，可以方便准确地再现地下连续墙开挖前作用于地下连续墙沟槽位置处的初始地应力或模拟地下连续墙成槽施工过程中的土压力卸荷效应。
Description
技术领域
本发明属于深基坑工程领域，特别是涉及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及方法。
背景技术
地下连续墙技术自20世纪50年代被引进到我国深基坑工程领域以来，得到了广泛应用和一定程度的发展。中国发明专利(授权公布号CN110158575B)公开了一种地下连续墙施工方法，该方法具有施工接头少、发生渗漏概率低的优点。中国实用新型专利(授权公布号CN211948373U)公开了一种预制地下连续墙接头结构，该接头结构具有整体结构简单、操作方便的优点。中国发明专利(申请公布号CN111827267A)公开了一种地下连续墙构建方法，该方法具有工期短、施工不利影响小等优点。
地下连续墙既可以用作深基坑围护结构，也可以用作箱型基础或承担上部结构竖向荷载的地下室外墙永久结构。当用作深基坑围护结构时，地下连续墙与其他类型围护结构相比，具有整体性好、刚度大、防水性能高、适用地质条件广等优点。因此，地下连续墙围护结构在我国沿海软土地区应用广泛。当地下连续墙被应用于城市建筑密集区的深基坑工程中时，地下连续墙成槽施工及后续基坑开挖会对场地周边的建筑物、地下管线、市政道路、桩基、隧道等基础设施的安全与稳定产生一定的不利影响。该影响效应的准确衡量是实施保护措施及优化围护结构设计、施工工艺的基础，已成为深基坑工程领域内最重要的研究课题之一。
目前，有关基坑开挖对周围环境的影响效应的研究较为充足。中国发明专利(申请公布号CN110727985A)公开了一种临近基坑工程的既有地铁隧道竖向变形的预测方法。中国实用新型专利(授权公告号CN211172116U)公开了一种模拟基坑开挖对临近建筑基桩承载力影响的试验装置。中国发明专利(申请公布号CN109555170A)公开了一种基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置及方法。然而，有关地下连续墙施工环境效应的研究还较为欠缺，且已有研究主要采用数值模拟或实测分析的手段。已有实测结果表明，地下连续墙成槽施工阶段造成的地层变形量可高达基坑开挖总变形量的40％～50％，会导致不可忽视的建筑物沉降。已有数值模拟结果表明，地下连续墙槽段长度是对地下连续墙施工诱发地层位移和水平应力减小影响最大的因素。
数值模拟和实测分析是研究地下连续墙施工环境效应的重要手段，但也具有一定的缺点。例如，数值模拟往往需要对实际情况作出不少假设和简化，且其结果也需要验证；实测分析一般仅针对特定地质条件或局部地区，缺乏普适性，且其结果是多种因素耦合下而产生的，无法对地下连续墙施工环境效应的机理做出定量判断。因此，有必要开展地下连续墙施工环境效应的离心模型试验研究，以进一步厘清地下连续墙施工环境效应的机理，为地下连续墙结构优化、施工工艺优化以及周围建筑物的保护提供理论依据。然而，由于地下连续墙泥浆护壁开挖、混凝土浇筑等施工工艺较难在离心模型试验中模拟，采用离心模型试验手段来研究地下连续墙施工对地层位移及临近浅埋管线或盾构隧道响应的研究暂未见报道。
发明内容
本发明提供了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及方法，可用于研究地下连续墙施工对周围地层及临近浅埋管线或盾构隧道力学行为的影响效应及其内在机理。
本发明采用以下技术方案：
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及方法，包括模型箱、模型土、模型隧道、地下连续墙施工模拟***、环境效应量测***。
所述的模型箱包括箱体、辅助顶板；所述箱体由高强度铝合金板(抗拉强度大于500MPa)焊接而成，铝合金板外表面安装有加劲板，用于降低铝合金板的厚度并减小试验过程中箱体的变形；箱体底部含有均匀分布的排水孔和连通内外的排水管，用于与装满水的桶相连，从而向模型土中注水以饱和模型土；所述辅助顶板通过螺栓与箱体顶面连接，其作用是为地下连续墙施工模拟***、环境效应量测***提供支撑载体。
所述的模型土填筑于模型箱内，填筑高度低于箱体高度；模型土的种类为饱和砂土，其平均粒径为80～160μm。
所述的模型隧道埋置于模型土中，由有机玻璃管一次加工成形；模型隧道的轴向平行于模型地下连续墙沟槽的延伸方向；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。
所述的地下连续墙施工模拟***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、固定块、胶水储存箱、废液收集器、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、胶水排放管、废液收集管、排气管、螺纹锁固胶、激活砂-不锈钢粉混合物、氯化钠溶液、槽底微型孔压计；
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，模型导墙的材质为铝合金板；
乳胶膜紧贴模型地下连续墙沟槽的内壁；乳胶膜的平面尺寸与模型地下连续墙沟槽的平面尺寸相同，乳胶膜的高度大于模型地下连续墙沟槽的深度；
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；
料斗通过固定块固定于模型箱辅助顶板上与模型地下连续墙沟槽相对应的位置处，料斗底部通过连接器与乳胶膜相连；
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，其作用是将连接器固定于模型箱辅助顶板上的预设位置；
固定块位于胶水储存箱和料斗的两端，其作用是防止离心机转动过程中胶水储存箱和料斗发生左右晃动；
胶水储存箱通过螺栓固定于模型箱辅助顶板上，其作用是存储用于模拟现浇混凝土胶凝材料的螺纹锁固胶；
废液收集器为方形钢容器，通过螺栓固定于模型箱底部，其作用是控制乳胶膜内液面的高度；
第一常闭式电磁阀位于胶水储存箱底部，其作用是控制胶水储存箱内螺纹锁固胶排放的开始与结束；
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，其作用是控制排放至乳胶膜内的螺纹锁固胶的体积；
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，其作用是使乳胶膜内的氯化钠溶液的液面高度与模型土表面齐平；
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，其作用是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；
第三流量控制阀位于第三常闭式电磁阀的底部，其作用是控制乳胶膜内氯化钠溶液液面高度的降低幅度；
球阀设置于料斗的底部开口处，其作用是控制流入乳胶膜内的激活砂-不锈钢粉混合物的体积；
胶水排放管为橡胶软管，一端与胶水储存箱底部的第一常闭式电磁阀相连，另一端自由地置于乳胶膜内部，其作用是为将胶水储存箱中的螺纹锁固胶排放至乳胶膜内提供通道；
废液收集管为PVC硬管，一端与废液收集器相连，另一端与乳胶膜底部和乳胶膜与模型土表面齐平的部位相连，其作用是为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提供通道；
排气管为PVC硬管，排气管的底端与废液收集器相连，顶端延伸至模型土外部，其作用是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；
螺纹锁固胶储存于胶水储存箱中，用于模拟地下连续墙现浇混凝土的胶凝材料；螺纹锁固胶的密度大于氯化钠溶液的密度；
激活砂-不锈钢粉混合物装填于料斗内部，由适量的粗砂、不锈钢粉、表面活化剂组成(具体组分可根据重度自行选择和调整)，其作用是用于模拟地下连续墙现浇混凝土的粗骨料；表面活化剂的作用是阻止激活砂-不锈钢粉混合物在超重力状态下的离析现象和加快硬化反应；激活砂-不锈钢粉混合物的容重与实际工程中的钢筋混凝土的容重相当；
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(作用1)，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(作用2)；对于作用1，氯化钠溶液液面高出模型土表面的量值h应尽量满足下式之一：h＝(γsoil-γNaCl)H/γNaCl、K0z＝(hγNaCl-z(γNaCl-γw))/(z(γsoil-γw))，式中γsoil、γNaCl、γw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，K0z为z位置处的静止土压力系数；对于作用2，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；
槽底微型孔压计设置于乳胶膜底部，用于监控乳胶膜内氯化钠溶液的液面高度，以反馈调整第二常闭式电磁阀、第三常闭式电磁阀或注入乳胶膜内氯化钠溶液的体积；
所述的环境效应量测***包括差动式位移计、激光位移计、微型土压力传感器、微型孔隙水压力传感器、应变片、空心套管、塑料片；
差动式位移计固定于模型箱辅助顶板上的预定位置处，其作用是测量地下连续墙施工过程中地表沉降或***情况；差动式位移计在靠近模型地下连续墙沟槽附近处布置地较为紧密，而在远离模型地下连续墙沟槽位置布置地较为稀疏；
激光位移计固定于模型箱辅助顶板上与模型隧道轴线对应的位置处，其作用是测量模型隧道的拱顶沉降；
微型土压力传感器埋置于模型土中，用于定量衡量地下连续墙施工对地层土压力的影响效应；
微型孔隙水压力传感器埋置于模型土中微型土压力传感器附近，微型孔隙水压力传感器的数量与微型土压力传感器的数量相等，微型孔隙水压力传感器的高程与微型土压力传感器的高程一一对应；微型孔隙水压力传感器的作用是定量衡量地下连续墙施工对地层孔隙水压力的影响效应；
应变片粘贴于模型隧道内外表面上，用于量测地下连续墙施工过程中模型隧道的弯矩变化情况；应变片读数与弯矩之间的换算公式为
式中M为弯矩，E为模型隧道的弹性模量，εi、εe分别为模型隧道内表面和外表面上的应变片读数，b为单位长度、htunnel为模型隧道厚度；
空心套管垂直地埋置于模型土中，一端与模型隧道拱顶外表面通过高强度粘结剂相连，另一端伸出模型土表面一定距离；空心套管的作用是与模型隧道拱顶协调变形，从而为测量模型隧道拱顶的变形提供了便利；
塑料片为矩形薄片(厚度不大于2cm)，表面光滑，通过高强度粘结剂与空心套管顶端相连，用于反射激光位移计的信号；
本发明还提供一种用于研究地下连续墙施工环境效应的离心模型试验方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：
(1)准备试验所需的材料、装置，并对环境效应量测***所包括的各种元器件进行标定；
(2)使用马克笔在模型箱内壁标记出需要后续安装的各种模型及元器件的位置；
(3)将废液收集器安装在模型箱底部相应位置，在废液收集器上安装排气管和废液收集管，在废液收集管上预设位置处安装第二常闭式电磁阀、第三常闭式电磁阀和第三流量控制阀；
(4)按照达到预定干密度所需的落高，采用砂雨法将模型土浇筑到模型箱中直至模型地下连续墙沟槽底面标高处，在此过程中，适时地在模型土中预定位置安装位于模型地下连续墙沟槽下方的微型土压力传感器和微型孔隙水压力传感器；
(5)将乳胶膜套在临时模板上，在临时模板底部排液孔附近的乳胶膜内表面上安装槽底微型孔压计，采用连接器和固定杆将套了乳胶膜的临时模板固定在模型箱辅助顶板预定位置处；
(6)继续采用砂雨法浇筑模型土直至模型隧道拱底标高处，在此过程中，适时地将相应的微型土压力传感器和微型孔隙水压力传感器安装在预定位置，然后，将贴了应变片、连接了空心套管和塑料片的模型隧道安装在预定位置；
(7)继续采用砂雨法浇筑模型土直至模型导墙底面标高处，在此过程中，适时地将相应的微型土压力传感器和微型孔隙水压力传感器安装在预定位置，然后，将模型导墙安装在预定位置，继续采用砂雨法浇筑模型土直至模型土表面高程，利用水对模型土进行饱和；
(8)将差动式位移计、料斗固定于模型箱的辅助顶板上，边拔出临时模板边通过料斗往乳胶膜内注入预定重度的氯化钠溶液直至氯化钠溶液液面达到预定高程，然后关闭料斗底部开口处的球阀；
(9)采用固定块将充满了螺纹锁固胶的胶水储存箱固定在模型箱辅助顶板预定位置处，在胶水储存箱底部安装第一常闭式电磁阀，连接胶水排放管，在胶水排放管上安装第一流量控制阀，并将胶水排放管的另一端置于乳胶膜底部；
(10)将配制好的激活砂-不锈钢粉混合物装填于料斗中，将模型箱吊入离心机吊篮中，关闭离心机室的装甲门，调试环境效应量测***，开启离心机，转机到预定超重力水平；
(11)打开第二常闭式电磁阀，其余电磁阀保持关闭状态，将乳胶膜内的氯化钠溶液排放至废液收集器中，直至氯化钠溶液液面降至与模型土表面齐平位置，在此状态下，转机一定时间，读取环境效应量测***的读数，以此来模拟地下连续墙的泥浆护壁开挖过程；
(12)若需要研究地下连续墙施工过程中沟槽内泥浆液面降低对周围环境的影响效应，可执行此步骤中的操作，即打开第三常闭式电磁阀，继续排放乳胶膜内的氯化钠溶液至废液收集器中，以降低氯化钠溶液液面至模型土表面以下，液面降低的幅值通过第三流量控制阀调控；
(13)打开第一常闭式电磁阀、第二常闭式电磁阀，将胶水储存箱中的螺纹锁固胶按照一定的流速排放至乳胶膜内，乳胶膜内的氯化钠溶液由于重度低于螺纹锁固胶，液面被逐渐挤压抬升，然后通过废液收集管排放至废液收集器中，此过程持续到乳胶膜内的螺纹锁固胶液面与模型土表面齐平为止，关闭第一常闭式电磁阀；
(14)打开球阀，将料斗中预定体积的激活砂-不锈钢粉混合物灌入乳胶膜中，乳胶膜中多余的螺纹锁固胶会通过第二常闭式电磁阀和废液收集管排入废液收集器中，继续转机一定时间，待环境效应量测***读数稳定后，采集环境效应量测***的读数；
(15)停机，吊出模型箱并拆卸清洗，试验结束。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明采用特定重度的氯化钠溶液(其重度低于螺纹锁固胶的重度)模拟地下连续墙成槽施工过程中采用的泥浆，具有材料易得、低价环保、重度控制方便、安全无害等优点，有效避免了使用氯化锌溶液时的强腐蚀性问题；
(2)本发明通过调控氯化钠溶液液面超出模型土表面的高度，可以方便准确地再现地下连续墙开挖前作用于地下连续墙沟槽位置处的初始地应力；
(3)本发明通过降低氯化钠溶液液面高度至与模型土表面齐平位置，可以较好地模拟地下连续墙成槽施工过程中的土压力卸荷效应；
(4)本发明还在乳胶膜底部配备了槽底微型孔压计、第三常闭式电磁阀、第三流量控制阀和废液收集管，可以定量的控制氯化钠溶液低于模型土表面的幅度，为研究地下连续墙沟槽内泥浆流失对槽壁稳定性及周边地层、结构物的影响效应提供了一种有效模拟手段；
(5)本发明采用粗砂、不锈钢粉、表面活化剂、螺纹锁固胶的混合物来模拟地下连续墙现浇钢筋混凝土，该种混合物材料的重度与实际工程中使用的钢筋混凝土材料的重度近似相等，因此较符合实际情况；此外，该种混合物材料在高超重力环境下不易发生离析现象，初凝时间低于2分钟，终凝时间在15分钟以内，有力确保了模型与原型之间较好的相似性。
附图说明
图1为模型装置正视图；
图2为模型装置俯视图；
图3为模型隧道轴线方向应变片布置示意图；
图4为应变片全桥电路连接示意图；
图5为模型现浇钢筋混凝土制备流程；
图中：模型箱1、模型土2、模型隧道3、地下连续墙施工模拟***4、环境效应量测***5、箱体1-1、辅助顶板1-2、模型地下连续墙沟槽4-1、模型导墙4-2、乳胶膜4-3、临时模板4-4、料斗4-5、连接器4-6、固定杆4-7、固定块4-8、胶水储存箱4-9、废液收集器4-10、第一常闭式电磁阀4-11、第一流量控制阀4-12、第二常闭式电磁阀4-13、第三常闭式电磁阀4-14、第三流量控制阀4-15、球阀4-16、胶水排放管4-17、废液收集管4-18、排气管4-19、螺纹锁固胶4-20、激活砂-不锈钢粉混合物4-21、氯化钠溶液4-22、槽底微型孔压计4-23、差动式位移计5-1、激光位移计5-2、微型土压力传感器5-3、微型孔隙水压力传感器5-4、应变片5-5、空心套管5-6、塑料片5-7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1–5所示，为本发明提供的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及方法的示意图，该装置包括模型箱1、模型土2、模型隧道3、地下连续墙施工模拟***4、环境效应量测***5；
所述模型箱1由箱体1-1、辅助顶板1-2组成；所述模型土2填筑于模型箱1内，填筑高度低于箱体高度；所述模型隧道3埋置于模型土2中，由有机玻璃管一次加工成形；模型隧道3的轴向平行于模型地下连续墙沟槽4-1的延伸方向；所述地下连续墙施工模拟***4包括模型地下连续墙沟槽4-1、模型导墙4-2、乳胶膜4-3、临时模板4-4、料斗4-5、连接器4-6、固定杆4-7、固定块4-8、胶水储存箱4-9、废液收集器4-10、第一常闭式电磁阀4-11、第一流量控制阀4-12、第二常闭式电磁阀4-13、第三常闭式电磁阀4-14、第三流量控制阀4-15、球阀4-16、胶水排放管4-17、废液收集管4-18、排气管4-19、螺纹锁固胶4-20、激活砂-不锈钢粉混合物4-21、氯化钠溶液4-22、槽底微型孔压计4-23；
模型地下连续墙沟槽4-1嵌入模型土2中；模型导墙4-2紧贴模型地下连续墙沟槽4-1自顶部至以下20mm范围内的侧面；乳胶膜4-3紧贴模型地下连续墙沟槽4-1的内壁；临时模板4-4顶部与连接器4-6相连；料斗4-5通过固定块4-8固定于模型箱辅助顶板1-2上与模型地下连续墙沟槽4-1相对应的位置处，料斗4-5底部通过连接器4-6与乳胶膜4-3相连；固定块4-8位于胶水储存箱4-9和料斗4-5的两端；胶水储存箱4-9通过螺栓固定于模型箱辅助顶板1-2上；废液收集器4-10通过螺栓固定于模型箱1底部；第一常闭式电磁阀4-11位于胶水储存箱4-9底部；第一流量控制阀4-12位于胶水排放管4-17上靠近第一常闭式电磁阀4-11部位；第二常闭式电磁阀4-13位于废液收集管4-18与模型土2表面相交部位；第三常闭式电磁阀4-14位于废液收集管4-18与模型地下连续墙沟槽4-1相交部位；第三流量控制阀4-15位于第三常闭式电磁阀4-14的底部；球阀4-16设置于料斗4-5的底部开口处；胶水排放管4-17一端与胶水储存箱4-9底部的第一常闭式电磁阀4-11相连，另一端自由地置于乳胶膜4-3内部；废液收集管4-18一端与废液收集器4-10相连，另一端与乳胶膜4-3底部和乳胶膜4-3与模型土2表面齐平的部位相连；排气管4-19的底端与废液收集器4-10相连，顶端延伸至模型土2外部；螺纹锁固胶4-20储存于胶水储存箱4-9中；激活砂-不锈钢粉混合物4-21装填于料斗4-5内部；氯化钠溶液4-22在离心机转动前充填于乳胶膜4-3中，其初始液面高度高于模型土2表面；槽底微型孔压计4-23设置于乳胶膜4-3底部，用于监控乳胶膜4-3内氯化钠溶液4-22的液面高度；
所述环境效应量测***5包括差动式位移计5-1、激光位移计5-2、微型土压力传感器5-3、微型孔隙水压力传感器5-4、应变片5-5、空心套管5-6、塑料片5-7；差动式位移计5-1固定于模型箱辅助顶板1-2上的预定位置处；激光位移计5-2固定于模型箱辅助顶板1-2上与模型隧道3轴线对应的位置处；微型土压力传感器5-3埋置于模型土2中；微型孔隙水压力传感器5-4埋置于模型土2中微型土压力传感器5-3附近；应变片5-5粘贴于模型隧道3内外表面上；空心套管5-6垂直地埋置于模型土2中，一端与模型隧道3拱顶外表面通过高强度粘结剂相连，另一端伸出模型土2表面一定距离；塑料片5-7通过高强度粘结剂与空心套管5-6顶端相连。
本发明提供的一种用于研究地下连续墙环境效应的离心模型试验方法如下：
第1步，准备材料、装置及对元器件标定；
第2步，在模型箱1内壁标记出各种模型及元器件的位置；
第3步，将废液收集器4-10安装在模型箱1底部相应位置，在废液收集器4-10上安装排气管4-19和废液收集管4-18，在废液收集管4-18上预设位置处安装第二常闭式电磁阀4-13、第三常闭式电磁阀4-14和第三流量控制阀4-15；
第4步，采用砂雨法将模型土2浇筑到模型箱1中直至模型地下连续墙沟槽4-1底面标高处，在此过程中，适时地安装微型土压力传感器5-3和微型孔隙水压力传感器5-4；
第5步，将乳胶膜4-3套在临时模板4-4上，在临时模板4-4底部排液孔附近的乳胶膜4-3内表面上安装槽底微型孔压计4-23，采用连接器4-6和固定杆4-7将套了乳胶膜4-3的临时模板4-4固定在模型箱辅助顶板1-2预定位置处；
第6步，继续采用砂雨法浇筑模型土2直至模型隧道3拱底标高处，在此过程中，适时地安装微型土压力传感器5-3和微型孔隙水压力传感器5-4，然后，将贴了应变片5-5、连接了空心套管5-6和塑料片5-7的模型隧道3安装在预定位置；
第7步，继续浇筑模型土2直至模型导墙4-2底面标高处，在此过程中，适时安装微型土压力传感器5-3和微型孔隙水压力传感器5-4，然后，将模型导墙4-2安装在预定位置，浇筑模型土2直至模型土2表面高程，并用水对模型土2进行饱和(可以用一个装满水的水桶，通过水管向模型土中注水，对模型土进行饱和)；
第8步，将差动式位移计5-1、料斗4-5固定于模型箱1的辅助顶板1-2上，边拔出临时模板4-4边通过料斗4-5往乳胶膜4-3内注入预定重度的氯化钠溶液4-22直至氯化钠溶液4-22液面达到预定高程，然后关闭料斗4-5底部开口处的球阀4-16；
第9步，采用固定块4-8将充满了螺纹锁固胶4-20的胶水储存箱4-9固定在模型箱辅助顶板1-2预定位置处，在胶水储存箱4-9底部安装第一常闭式电磁阀4-11，连接胶水排放管4-17，在胶水排放管4-17上安装第一流量控制阀4-12，并将胶水排放管4-17的另一端置于乳胶膜4-3底部；
第10步，将配制好的激活砂-不锈钢粉混合物4-21装填于料斗4-5中，将模型箱1吊入离心机吊篮中，关闭离心机室的装甲门，调试环境效应量测***5，开启离心机，转机到预定超重力水平；
第11步，打开第二常闭式电磁阀4-13，其余电磁阀保持关闭状态，将乳胶膜4-3内的氯化钠溶液4-22排放至废液收集器4-10中，直至氯化钠溶液4-22液面降至与模型土2表面齐平位置，在此状态下，转机一段时间，读取环境效应量测***5的读数，以此来模拟地下连续墙的泥浆护壁开挖过程；
第12步，若需要研究地下连续墙施工过程中沟槽内泥浆液面降低对周围环境的影响效应，可执行此步骤中的操作，即打开第三常闭式电磁阀4-14，继续排放乳胶膜4-3内的氯化钠溶液4-22至废液收集器4-10中，以降低氯化钠溶液4-22液面至模型土2表面以下，液面降低的幅值通过第三流量控制阀4-15调控；
第13步，打开第一常闭式电磁阀4-11、第二常闭式电磁阀4-13，将胶水储存箱4-9中的螺纹锁固胶4-20按照一定的流速(10～30ml/s)排放至乳胶膜4-3内，乳胶膜4-3内的氯化钠溶液4-22由于重度低于螺纹锁固胶4-20，液面被逐渐挤压抬升，然后通过废液收集管4-18排放至废液收集器4-10中，此过程持续到乳胶膜4-3内的螺纹锁固胶4-20液面与模型土2表面齐平为止，关闭第一常闭式电磁阀4-11；
第14步，打开球阀4-16，将料斗4-5中预定体积的激活砂-不锈钢粉混合物4-21灌入乳胶膜4-3中，乳胶膜4-3中多余的螺纹锁固胶4-20会通过第二常闭式电磁阀4-13和废液收集管4-18排入废液收集器4-18中，继续转机一定时间，待环境效应量测***5读数稳定后，采集环境效应量测***5的读数；
第15步，停机，吊出模型箱1并拆卸清洗，试验结束。
Claims (8)
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***、环境效应量测***；
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***和环境效应量测***提供支撑；
所述地下连续墙施工模拟***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***用于测量地下连续墙施工过程中地表沉降或***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***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＝(γsoil-γNaCl)H/γNaCl、K0z＝(hγNaCl-z(γNaCl-γw))/(z(γsoil-γw))，式中γsoil、γNaCl、γw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，K0z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。
2.根据权利要求1所述的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，所述胶水储存箱和料斗通过固定块固定于辅助顶板上，用于防止离心机转动过程中胶水储存箱和料斗发生左右晃动。
3.根据权利要求1所述的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，所述胶水排放管为橡胶软管，所述废液收集管和排气管为PVC硬管。
4.根据权利要求1所述的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，所述箱体由高强度铝合金板焊接而成，高强度铝合金板外表面安装有加劲板，所述高强度铝合金板的抗拉强度大于500MPa。
5.根据权利要求1所述的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，所述模型土的种类为饱和砂土，其平均粒径为80～160μm。
6.根据权利要求1所述的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，所述的模型隧道由有机玻璃管一次加工成形。
7.根据权利要求1所述的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，所述的环境效应量测***包括差动式位移计、激光位移计、微型土压力传感器、微型孔隙水压力传感器、应变片、空心套管、塑料片；
所述差动式位移计固定于辅助顶板上的预定位置处，用于测量地下连续墙施工过程中地表沉降或***情况；
所述激光位移计固定于辅助顶板上与模型隧道轴线对应的位置处，用于测量模型隧道的拱顶沉降；
所述微型土压力传感器埋置于模型土中，用于定量衡量地下连续墙施工对地层土压力的影响效应；
所述微型孔隙水压力传感器埋置于模型土中微型土压力传感器附近，用于定量衡量地下连续墙施工对地层孔隙水压力的影响效应；所述微型孔隙水压力传感器的数量与微型土压力传感器的数量相等，微型孔隙水压力传感器的高程与微型土压力传感器的高程一一对应；
所述应变片粘贴于模型隧道内外表面上，用于量测地下连续墙施工过程中模型隧道的弯矩变化情况；应变片读数与弯矩之间的换算公式为
式中M为弯矩，E为模型隧道的弹性模量，εi、εe分别为模型隧道内表面和外表面上的应变片读数，b为单位长度、htunnel为模型隧道厚度；
所述空心套管垂直地埋置于模型土中，一端与模型隧道拱顶外表面相连，另一端伸出模型土表面一定距离；所述空心套管用于与模型隧道拱顶协调变形，从而为测量模型隧道拱顶的变形提供便利；
所述塑料片与空心套管顶端相连，用于反射激光位移计的信号；所述塑料片为矩形薄片，表面光滑，所述矩形薄片的厚度不大于2cm。
8.一种用于研究地下连续墙施工环境效应的离心模型试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-7任一项所述的装置实现，具体包括以下步骤：
(1)准备试验所需的材料、装置，并对环境效应量测***所包括的各种元器件进行标定；
(2)使用马克笔在模型箱内壁标记出需要后续安装的各种模型及元器件的位置；
(3)将废液收集器安装在模型箱底部相应位置，在废液收集器上安装排气管和废液收集管，在废液收集管上预设位置处安装第二常闭式电磁阀、第三常闭式电磁阀和第三流量控制阀；
(4)按照达到预定干密度所需的落高，采用砂雨法将模型土浇筑到模型箱中直至模型地下连续墙沟槽底面标高处，在此过程中，适时地在模型土中预定位置安装位于模型地下连续墙沟槽下方的微型土压力传感器和微型孔隙水压力传感器；
(5)将乳胶膜套在临时模板上，在临时模板底部排液孔附近的乳胶膜内表面上安装槽底微型孔压计，采用连接器和固定杆将套有乳胶膜的临时模板固定在模型箱辅助顶板预定位置处；
(6)继续采用砂雨法浇筑模型土直至模型隧道拱底标高处，在此过程中，适时地将相应的微型土压力传感器和微型孔隙水压力传感器安装在预定位置，然后，将贴有应变片、连接有空心套管和塑料片的模型隧道安装在预定位置；
(7)继续采用砂雨法浇筑模型土直至模型导墙底面标高处，在此过程中，适时地将相应的微型土压力传感器和微型孔隙水压力传感器安装在预定位置，然后，将模型导墙安装在预定位置，继续采用砂雨法浇筑模型土直至模型土表面高程，利用水对模型土进行饱和；
(8)将差动式位移计、料斗固定于模型箱的辅助顶板上，边拔出临时模板边通过料斗往乳胶膜内注入预定重度的氯化钠溶液直至氯化钠溶液液面达到预定高程，然后关闭料斗底部开口处的球阀；
(9)采用固定块将充满螺纹锁固胶的胶水储存箱固定在模型箱的辅助顶板预定位置处，在胶水储存箱底部安装第一常闭式电磁阀并连接胶水排放管，在胶水排放管上安装第一流量控制阀，并将胶水排放管的另一端置于乳胶膜底部；
(10)将配制好的激活砂-不锈钢粉混合物装填于料斗中，将模型箱吊入离心机吊篮中，关闭离心机室的装甲门，调试环境效应量测***，开启离心机，使模型箱达到预定超重力水平；
(11)打开第二常闭式电磁阀，其余电磁阀保持关闭状态，将乳胶膜内的氯化钠溶液排放至废液收集器中，直至氯化钠溶液液面降至与模型土表面齐平位置，在此状态下，离心机转动一段时间，读取环境效应量测***的读数，以此来模拟地下连续墙的泥浆护壁开挖过程；
(12)若需要研究地下连续墙施工过程中沟槽内泥浆液面降低对周围环境的影响效应，打开第三常闭式电磁阀，继续排放乳胶膜内的氯化钠溶液至废液收集器中，以降低氯化钠溶液液面至模型土表面以下，液面降低的幅值通过第三流量控制阀调控；
(13)打开第一常闭式电磁阀和第二常闭式电磁阀，将胶水储存箱中的螺纹锁固胶按照10～30ml/s的流速排放至乳胶膜内，乳胶膜内的氯化钠溶液由于重度低于螺纹锁固胶，液面被逐渐挤压抬升，然后通过废液收集管排放至废液收集器中，此过程持续到乳胶膜内的螺纹锁固胶液面与模型土表面齐平为止，关闭第一常闭式电磁阀；
(14)打开球阀，将料斗中预定体积的激活砂-不锈钢粉混合物灌入乳胶膜中，乳胶膜中多余的螺纹锁固胶会通过第二常闭式电磁阀和废液收集管排入废液收集器中，离心机继续转动，待环境效应量测***读数稳定后，采集环境效应量测***的读数；
(15)停机，吊出模型箱并拆卸清洗，试验结束。
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