土工离心机模型试验中实现地下连续墙沟槽开挖测量系统及施工方法

摘要

本发明涉及一种在土工离心机模型试验中实现地下连续墙沟槽开挖测量系统及施工方法。该装置由模型箱分隔钢板、传感器固定装置、沟槽钢板开挖装置和数据采集系统等组成，其须依附于离心机试验系统进行工作，并根据需要选择装拆。该装置由快干胶密封固定于离心机模型箱中，可以有效分隔模型箱工作空间和辅助空间，并提供相应的水平防水传感器套管和固定件。土体沟槽根据设计尺寸可以选择不同大小的钢板，在土体分层固结状态下可以固定在钢隔板上；在沟槽开挖施工阶段通过千斤顶缓慢提升模拟实际施工中的沟槽开挖，水平传感器顶针自动归位于槽壁；试验过程通过数据采集系统获得试验数据。本发明具有灵活、方便、精确和降低试验成本等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在土工离心机模型试验中实现地下连续墙沟槽开挖测量系统及施工方法。 

背景技术

随着国民经济的快速增长，城市基础建设进入了空前的迅速发展阶段，尤其是在地下空间开发方面。由于地下工程的复杂性，很多工程需要进行土工离心机试验来模拟实际情况。在地铁车站建设上，国内外一直不遗余力考虑对施工工法进行研究和改进，以求解决在工程中所遇到的各种问题。对于软土基坑施工多采用围护结构＋支撑的施工方法。以上海地区最常用的基坑施工方式为例，多采用地下连续墙＋钢支撑或地下连续墙＋现浇钢筋混凝土支撑作为基坑开挖的支护体系。对于地下连续墙施工，需要研究泥浆槽壁稳定性受到沟槽宽度、厚度、深度、土层状况、降水条件等因素的影响，因此迫切需要一种可以在土工离心机试验机中应用的研究泥浆沟槽施工和监测装置，能够适应不同的沟槽要求，提高模拟精度。 

发明内容

本发明的目的是提供一种在土工离心机模型试验中实现地下连续墙沟槽开挖测量系统及施工方法。该系统可以实现在离心机模型箱中研究泥浆沟槽开挖过程，通过数据采集系统进行实时测量。 

为了实现上述目的，本发明提供一种土工离心机模型试验中实现地下连续墙沟槽开挖测量系统，所述系统位于离心机试验模型箱内，模型箱为立方体结构，模型箱内设有钢隔板1、水平防水传感器2、钢隔板套筒4、泥浆储备室6和沟槽钢板8，钢隔板1水平放置，将模型箱内分为上部模型箱工作区域7和下部泥浆储备室6，钢隔板1面向模型箱工作区域7一侧为半凹槽型，泥浆储备室6通过连通孔连接模型箱工作区域7，泥浆储备室6纵向设有若干个隔板，将泥浆储备室6分成若干个储备间，相邻的储备间之间通过连通孔连接，每个储备间内设有水平防水传感器2，水平防水传感器2通过固定螺母固定在钢隔板套筒4内，水平防水传感器2上的顶针伸出于模型箱工作区域7，钢隔板套筒4固定于钢隔板1下方，所述沟槽钢板8位于钢隔板1半凹槽部位内；水平防水传感器2连接离心机数据采集系统。 

本发明提出的土工离心机模型试验中实现地下连续墙沟槽开挖施工方法，具体步骤如下： 

（1）将水平防水传感器固定于钢隔板套筒内，并调整好水平防水传感器顶针的位置，将钢隔板安装入离心机试验模型箱内，钢隔板两侧与离心机试验模型箱接触部分进行密封加固；将水平防水传感器与离心机数据采集系统连接；

（2）待整个离心机模型试验箱准备就绪后，运行离心机进行土体固结；即将沟槽钢板装入钢隔板上，沟槽钢板需要挤压水平防水传感器顶针钢隔板，然后填装需要固结的分层土体，土体填装压实后在离心机上固结，当一层土体达到固结要求后再填装一层土体；

（3）固结完成后进行开挖施工，在泥浆储备室中灌满所需泥浆，同时水平防水传感器就位开始监测；离心机重新加载试验并采集数据。试验完成后，拆卸传感器及固定装置以备下一次试验使用。

本发明的工作原理是：通过一个钢隔板装置，充分利用模型箱空间，把模型箱分隔成土体工作区域和泥浆储备区域；泥浆储备室用于储备泥浆，在开挖阶段泥浆随着开挖通过钢隔板连通孔进入沟槽，泥浆在离心机工作阶段会渗入土体形成泥膜，储备室可用来补充沟槽泥浆，同时提供传感器套筒的工作空间；钢隔板提供沟槽空间和测量泥浆槽壁变形传感器套筒；工作区域为土体模型区域，沟槽开挖采用开挖钢板模拟，在开挖的同时，泥浆随着钢隔板的连通孔灌入沟槽中，同时传感器顶针自动顶入预定土体槽壁就位。 

根据上述技术方案，本发明具有以下优点： 

(1) 对离心机模型箱进行重新划分格局，改变了传统的离心机模型箱全部用于模型工作区域的布局方式，充分利用了模型箱尺寸空间；

(2) 采用泥浆存储室隔间可以对泥浆槽及时补充泥浆，维持泥浆液面稳定，有效模拟泥浆与土体的相互作用；

(3) 钢隔板有诸多功能，用于隔离出模型箱工作区域的同时，作为槽壁水平防水传感器套管的支架，准确定位传感器于槽壁待测点上，钢隔板的连通孔可以连通泥浆存储室和土体沟槽。

(4) 沟槽开挖采用钢板模拟可以排除传统开挖中模型施工对土体扰动影响，钢板与土体接触面抛光处理，减少拔板施工对土体摩擦，拔板后槽壁可以保持竖直。 

附图说明

图1为本离心机模型装置的使用流程图。 

图2(a)为本装置所依附的离心机试验模型箱平面图。 

图2(b)为本装置所依附的离心机试验模型箱剖面图。 

图3(a)为本试验装置说明详图。 

图3(b)为图3(a)的1-1剖面图。 

图3(c)为图3(a)的2-2剖面图。 

图4为本试验装置土体固结示意图。 

图5(a)为本试验装置拔板开挖施工侧面示意图。 

图5(b)为本试验装置拔板开挖施工正面示意图。 

图中标号：1为钢隔板，2为水平防水传感器，3为固定螺母，4为钢隔板套筒，5为连通孔，6为泥浆储备室，7为模型箱工作区域，8为沟槽钢板，9为固定螺栓，10为分层土体，11为钢梁，12为绳索，13为千斤顶，14为泥浆。 

具体实施方式

如图1所示为本试验装置安装使用流程图，首先为试验钢隔板中安装水平防水传感器，通过固定螺母固定传感器；将试验钢隔板安装入模型箱，将传感器与离心机数据采集系统连接。待整个模型准备就绪后，运行离心机进行土体固结；固结完成后进行开挖施工，沟槽灌注泥浆，同时水平传感器就位开始监测；离心机重新加载试验并采集数据。试验完成后，拆卸传感器及固定装置以备下一次试验使用。 

如图2(a)和图2(b)所示为本试验装置工作所需依附的模型试箱，所依附的同济大学TLJ－150复合型岩土离心试验机及数据采集系统示意图略。模型箱内部尺寸为600mm×400mm×500mm长×宽×高，箱侧板和底板为厚度70mm的钢板。 

如图3(a)所示为该试验装置的具体详图。如实验装置平面图所示，水平防水传感器2通过固定螺母3固定在钢隔板套筒4中，并且调整好顶针的位置，以能达到土体槽壁；安装好水平传感器后，将装置系统整体吊装入离心机模型试验箱中，将钢隔板1两侧与试验箱接触部分进行密封加固处理。密封采用进口3M快干聚胺脂胶进行，封胶12小时后方可进行模型土体的安装。如图3(b)剖面，可以根据监测要求设计钢隔板套筒4的个数和位置，套筒的孔内直径为30mm，套筒同时作为连通孔连接泥浆储备室6和模型箱工作区域7，用以平衡泥浆内外液差。如图3(c)剖面，泥浆储备室之间通过连通孔贯通，以平衡泥浆液差；钢隔板面向模型箱工作区域设计为半凹槽型，可以根据模型土体沟槽的深度设计底部垫板的高度，根据模型土体沟槽的厚度设计底部垫板的厚度。 

如图4所示为土体固结下装置工作示意图。首先将模拟沟槽土体的沟槽钢板8装入钢隔板上，沟槽钢板需要挤压水平传感器顶针紧贴钢隔板，因此通过上部两个固定螺栓9将沟槽钢板固定在钢隔板上。沟槽钢板的宽度、厚度和深度可以根据设计进行调整，以模拟在实际施工中不同的地下连续墙泥浆槽的工作情况。其次填装需要固结的分层土体10，土层分层填装压实后在离心机上固结，一层达到所需固结度后再停机填装上一层土体。土体固结完毕方可进行土体开挖施工工作。 

如图5(a)和图5(b)所示为在土体固结完全后，进行沟槽开挖施工。首先拆除沟槽钢板上部的固定装置，留下螺栓和螺母；其次在螺栓上对称地绑系上绳索12，在模型箱边缘两侧对称放置两个千斤顶13，在千斤顶上水平放置一根条形钢梁11，保持钢梁在沟槽钢板的中心位置；然后在泥浆储备室中灌满所需泥浆14；最后对称地缓慢提升千斤顶，观察沟槽钢板的上升速度以调整用力。此时泥浆便可以通过连通孔进入开挖的沟槽，同时水平传感器顶针也能自动伸出顶在槽壁上。待沟槽开挖完毕，泥浆进入沟槽后，方可重新运转离心机，测量槽壁变形数据。