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申请/专利权人：中国地质大学(武汉)

摘要：本发明公开了一种降雨影响下基坑施工稳定性研究的模型试验系统及方法，系统包括：基坑模型系统、降雨模拟系统、监测系统、BIM信息管理系统，基坑模型系统包括试验箱、基坑相似岩土层、泡沫、积水箱构成，降雨模拟系统包括水箱、水泵、导水管、阀门、水流量计、顶部水管，监测系统包括微型加速度计、微型土压力计、应变片、千分表、高速摄像机、全自动全站仪。本发明可以模拟不同雨量下基坑开挖时的模型，并简单有效地监测降雨作用下基坑及边坡的稳定性变化，实现在降雨过程中对基坑边坡及其周边岩土体的加速度、土压力、应变及位移等数据的动态量测，为揭示降雨作用下基坑施工过程中的基坑稳定性评价提供了试验依据和研究方法。

主权项：1.一种降雨影响下基坑施工稳定性研究的模型试验系统，其特征在于，包含基坑模型系统、降雨模拟系统、监测系统以及BIM信息管理系统；其中，基坑模型系统包括试验箱1、基坑相似岩土层2、泡沫3以及积水箱4，用于模拟实际基坑；试验箱1的上端开口，左右两侧为固定板，两块固定板的内侧分别设置一层5cm厚的泡沫3充当边界条件，试验箱1的前后两侧均为可拆卸的钢化玻璃，当钢化玻璃安装于前后两侧时，试验箱1为除上端开口外，其他部分均密封的容器，基坑相似岩土层2位于试验箱1内，试验箱1置于积水箱4中；基坑相似岩土层2具有岩层和土层，岩层位于土层的下面，且土层中挖设有基坑从而形成基坑模型，基坑由土层的顶部延伸至岩层和土层的交界处；降雨模拟系统包括水箱5、水泵6、导水管7、阀门8、水流量计9以及顶部水管10，顶部水管10置于试验箱1正上方，通过支撑杆与试验箱固定，顶部水管10上开设有多个水孔来进行出水，从而模拟降雨，顶部水管10的入水口通过导水管7连通至水箱5内的水泵6，水泵6用于将水箱5中的水由导水管7运输至顶部水管10，所述导水管7上装有阀门8和水流量计9，分别用于控制水流量和观测水流量大小；监测系统包括微型加速度计11、微型土压力计12、应变片13、千分表14、高速摄像机以及全自动全站仪；微型加速度计11和微型土压力计12预先埋置在基坑的边坡岩层和土层中于测定降雨过程中岩层和土层中压力及加速度的变化；应变片13贴在基坑相似岩土层2的后表面，监测降雨过程中测点应变变化；千分表14放置于基坑上表面用于监测基坑上表面，从而模拟地表沉降；高速摄像机放置于基坑正前方用于拍摄降雨过程中基坑的边坡位移变化情况；全自动全站仪放置在试验箱1外围，用于监测基坑模型边坡上的监测点；BIM信息管理系统用于降雨影响下基坑施工稳定性研究的模型试验数据进行收集记录；降雨影响下基坑施工稳定性研究的模型试验方法：包括以下操作步骤：1制作试验模型：根据现场基坑边坡与周围岩土体的相对空间关系，并考虑模型试验相似理论及模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，以二维模型模拟实际基坑断面，取一定的断面厚度，实际制作三维立体模型，通过模型相似理论确定试验箱的规格与尺寸，并根据试验箱尺寸使用相似材料模拟基坑岩土体来制作基坑相似岩土层；加速度计与土压力计在基坑模型制作过程中预先埋置于非开挖区域，积水箱放置在试验箱下部，后进行模型的养护，所制作的基坑相似岩土层模型共四个；2布置降雨装置：待模型养护完成后，将制作好的顶部水管通过支撑杆固定于试验箱的正上方，顶部水管与导水管相连，导水管上安装阀门以及水流量计，导水管的另一端与一水泵相连，将水泵放于水箱中；3布置监测系统：微型加速度计和微型土压力计已预先埋置在基坑边坡岩土层，分别连接到监测系统DH3816和DH3817，应变片贴于基坑相似岩土层2的后表面，连接DH5956来监测开挖过程测点应变变化，将四只千分表分别垂直固定于基坑相似岩土层上表面，基坑相似岩土层左右各两台，对称放置，将高速摄像机置于基坑相似岩土层正前方一定距离，已能清晰观察到基坑相似岩土层上红色圆点为准为准，高速摄像机与图像处理系统相连，全自动全站仪放置在模型外围，对准基坑开挖过程中基坑相似岩土层边坡上的监测点，监测点应选在每层开挖后在新开挖边坡坡面上，并做标记，全站仪保持与基坑相似岩土层相对距离不变；4模型试验与数据记录：四个基坑相似岩土层的各降雨装置和监测系统均布置完成后，持小铲刀分别对基坑相似岩土层进行分层开挖，共开挖5层，完成第一层的开挖后，停止开挖，之后打开阀门，水泵加压，通过阀门控制顶部水管的水量，使四个基坑相似岩土层顶部水管的降水量不同，通过导水管上的水流量计得到顶部水管的水流量大小；后通过监测系统测得不同降雨量下各模型的边坡土压力变化、边坡加速度变化、基坑应变、地表沉降量及边坡位移变化并记录；BIM系统通过监测数据结合模型参数和降雨量模拟试验过程，为边坡支护提供智能化施工指导；随后完成基坑模型开挖层的支护，待支护完成并经过一段时间后，重复上述开挖、降雨、监测、支护过程，直至基坑模型开挖完成，并记录数据；步骤1中试验模型的制作具体包括以下几个工序：a、确定相似比，根据第一、第二相似理论进行参数设计，确定实际工程中原型几何尺寸和装置几何尺寸的几何相似比为L＝120，根据几何相似比，基坑截面尺寸和埋深按原型尺寸的1120进行设计；重力加速度相似比Cg＝1，密度相似比Cρ＝1，容重相似比Cγ＝1，岩土体参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按照原型岩体弹性模量的L＝120进行设计；同时根据量纲关系保证基坑、岩土体和静力和动力响应相似；b、制作试验箱，根据实际基坑尺寸，再结合基坑开挖导致岩土体应力重分布的范围，并根据模型试验长度相似比，取1:120，整个试验箱总长为100cm，宽为40cm，高为50cm，将试验箱内侧采用砂浆抹面打光处理，并在内部左右两侧粘贴5cm厚度的海绵；四周均留有一定空间，故试验箱尺寸定长为110cm，宽为50cm，高为50cm；根据该尺寸制作试验箱，并将积水箱置于试验箱下部；c、浇筑岩土体材料，考虑到试验的简单省时要求，结合工程实际，将工程中基坑下部基岩简化为中风化泥质砂岩，模型高度12cm；基岩上部至地表岩土层简化为强风化泥质砂岩，模型高度32cm；以石英中砂、石英细沙、水泥、石膏、石膏混凝剂及水六种材料作为本实验的相似材料；通过开展大量的材料配比正交试验，最终得到模型相似材料的最优配比为：风化泥质砂岩相似材料配比为石英中砂：石英细沙：石膏：水＝5:1:1.21:0.72；强风化泥质砂岩相似材料配比为石英细砂：石膏：水泥：水＝21.4:1:0.07:4.1；浇筑之前，在试验箱钢化玻璃面上划上刻度线，5cm为单位刻度，便于浇筑时把握浇筑高度；后将不同地层相似材料分步放入提前预制的磨具中振捣压实成型，并按照顺序浇筑，浇筑过程中将土压力计与加速度计埋设在预开挖的基坑边坡坡顶至坡脚周围及未开挖岩土体内部；浇筑完成且基坑相似岩土层稳定后，拆除玻璃，在基坑相似岩土层上喷漆，在上部岩土层的侧面绘出以5cm为单位的网格，网格节点上画上红色圆点标记，随后按比例将需要分层开挖部分的轮廓画出，并喷上天蓝色喷漆以示区分。

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