一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验装置和试验方法

本发明属于岩土工程试验技术领域，尤其涉及一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发 展过程的试验装置和试验方法。

岩土工程是土木工程领域的一个重要的分支，是为了解决包括基坑破坏、岩土体 渗透变形、地基处理等岩体与土体问题的一种工程实践性很强的学科。基坑工程作为建筑 物荷载的主要承担者，其安全稳定性在整个建筑物工程施工过程中起着至关重要作用。据 统计，基坑失事的所有案例中，由基坑底部渗透破坏造成的险情占总险情的75％以上，渗透 破坏是指由于渗透水流将土体的细颗粒冲出、带走或局部土体产生移动，导致土体变形而 引起的土体稳定问题，一般可分为管涌和流体两种形式。而在以排桩作为支护结构的基坑 中，若在桩后填土的作用下，排桩上端不动，下端向基坑内侧移动，则基坑底部的土体为保 持平衡，会受到一个向上的荷载，此时往往会在较小的水力梯度下发生渗透破坏，所以排桩 支护基坑的渗透破坏问题得到了学术界和工程界的普遍关注。

土工模型试验既是研究岩土体力学特征的重要手段，也是工程设计和施工中重要 的参考依据。传统的土工试验的研究对象是天然土，但由于天然土的不透明性，无法通过肉 眼观测试验过程中土体内部土颗粒力学特征的变化。随着科学技术的飞快发展，越来越多 的方法可以用来测量土体内部的力学特征，例如CT、X射线成像技术、核磁共振等方法已经 应用于岩土工程模型试验中，但高昂的设备费以及技术上存在的难点大大限制了这些技术 的广泛应用。因此探讨一种经济可行的可视化试验装置和试验方法就显得尤为迫切了。

在本发明专利前，中国申请发明专利“基坑管涌模拟试验装置和试验方法”(申请 号：201510281092.X)公布了一种由水箱、土体箱、模拟基坑、多孔板等组成的基坑模拟试验 装置。该技术方案具有能有效模拟基坑工程中的管涌破坏、模型试验更加符合实际工程中 的变化、科学性和操作性强等优点；但是该装置只能对于包括管涌在内的渗透破坏过程提 供定性的认识，无法观测到渗透破坏过程中土体内部力学特征的变化。透明土技术的基本 原理是将透明颗粒材料与具有相同折射率的孔隙流体混合以模拟饱和土体，该土体与天然 土具有相似的工程性质。利用激光器在透明土中形成散斑场后，借助CCD相机可以拍出高精 度的图片，后通过计算机图像处理软件对所获得的图片进行分析，即可得到在试验过程中 土体内部颗粒力链演变和发展的过程。因此，融合透明土技术和计算机图像处理软件来分 析试验过程中土体内部颗粒力链的变化，操作方便，经济合理，是未来岩土工程测试技术的 发展趋势。

本发明的目的在于克服已有技术的不足和缺陷，融合透明土技术和计算机图像处 理软件，提出一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验装置和试验方法，解决了排 桩支护基坑渗透破坏发展过程中不可见以及力链变化精确测量的难题，该试验装置不仅提 高了科研效率，还可以作为教学仪器使用。

本发明公开了一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验装置，包括水头控 制系统和基坑模拟装置。水头控制系统通过供水管与透明模型箱底部相连，透明模型箱底 部铺设多层卵石，多层卵石上方放置透明土；在透明土体中插入排桩后开挖形成基坑，使得 排桩的插入深度大于基坑深度；透明模型箱的外侧安放激光器；透明模型箱的外侧安放CCD 相机，透明土基坑内等距布设孔隙压力测量装置。

进一步地，该试验中采用的透明土由烘烤熔融石英砂颗粒与正十二烷、十五号白 油的混合溶液在一定温度下按一定的质量比混合搅拌直至均匀透明所制成，其中正十二 烷、十五号白油的混合溶液的折射率与烘烤石英砂颗粒的折射率相同。

进一步地，所述的排桩采用直径为5mm-10mm的钢棒，在沉桩过程中采用间隔沉桩 的方法，以模拟真实条件下现场的施工工艺。

进一步地，所述水头控制系统中设有供水箱，供水箱内有与透明土中透明液具有 相同质量比的正十二烷和白油的混合溶液。

进一步地，所述透明模型箱的形状为上部开口的长方体，由树脂玻璃制成，以保证 其具有较好的透光性；透明模型箱的长、宽均为300mm-400mm，高为500-650mm。

进一步地，所述所述透明模型箱的底部设置多层卵石，用以模拟真实条件下渗透 流体对透明土基坑底部的冲击作用。

进一步地，所述透明土基坑内设有多个用于测量渗透压力的测压管，多个测压管 间隔布置。

进一步地，所述水头控制系统中的供水箱在侧壁的不同高度处设有多个水位控制 阀，通过打开不同的水位控制阀可以调节供水箱内水位的高度，实现调整试验过程中渗透 水头的大小。

进一步的，所述的激光器为半导体片光源，采用内腔式氦氖激光器，可以提供0-3W 之间任意稳定的功率，并配有线性转换器，可将点光源转化为线性光源。

进一步地，所述的CCD相机采用的是德国Basler产品(scA1600-14fm),可以通过调 节其支架的高度和角度，可以得到理想的CCD相机的可视范围。

进一步地，所述的计算机图像处理软件为DIC软件，可处理排桩支护基坑渗透破坏 过程中所拍摄的一系列散斑场照片，从而得到透明土中土颗粒力链发展和演变的过程。

一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验方法，其特征在于：利用激光切 面打入基坑底部的透明土形成散斑场，调节水头控制系统，当渗透流体透过多层卵石冲击 基坑底部透明土期间，通过CCD相机对该散斑场进行连续拍摄，后利用计算机图像处理软件 对获得的散斑场进行分析，得到透明土中土颗粒力链发展和演变的过程，为深入研究排桩 支护条件下基坑底部渗透破坏的机理提供依据。

进一步地，一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验方法，其特征在于：

1)按试验要求配置好相应参数的透明土，倒入透明模型箱中；

2)在排桩按照间隔成桩的要求依次垂直打入透明土后，利用取土器将排桩所围土 体缓慢挖出，保证所形成的基坑底部平整，排桩的嵌固深度大于基坑深度的0.5倍；

3)在供水箱内注入与透明土具有相同折射率的孔隙流体；

4)打开激光器，检验其在透明土内部形成的颗粒切面明亮角度，并调整激光切面 的角度，使切面垂直入射透明土基坑的底部，形成明亮的散斑场；

5)打开CCD相机并调整其可视范围，使其能够涵括整个透明土基坑的底部，相机保 持自动拍照模式，并设置其以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机。

6)在水头控制系统中打开某一水位控制阀，使得整个水头控制系统中的渗透水头 在试验过程中保持不变；

7)打开进水管水阀，水头控制系统中的渗透流体依次通过进水管、多层卵石后进 入透明模型箱冲击透明土基坑底部，在此过程中将流量计和测压管所检测到的数据传输至 计算机；

8)透明土基坑渗透破坏完成后，通过计算机图像处理技术DIC分析获得的渗透破 坏的图片，得到渗透破坏过程中不同时刻透明土基坑中土颗粒力链发展和演变的过程。

本发明的优点和效果在于：利用烘烤石英砂和正十二烷、十五号白油的混合溶液 在一定条件下制备成透明土，在透明土中插入排桩并对其所围透明土进行开挖，形成排桩 支护透明土基坑，通过激光器照射透明土基坑底部，形成一个明亮的土体内部颗粒切面，打 开某一水位控制阀和进水管水阀，使得水头控制系统中的渗透流体冲击透明土基坑，在该 过程中，利用CCD相机对透明土基坑底部的散斑场进行连续拍摄，获得该切面在渗透破坏过 程中的一系列图片，并结合计算机图像处理软件获得透明土基坑底部土颗粒力链发展和演 变的过程。与其他研究基坑渗透破坏过程的试验装置和试验方法相比具有如下显著有点：

1)试验模型简单，拆装方便，可行性强，可广泛应用于岩土工程试验领域；

2)本发明创新性地将透明土技术和计算机图像处理软件相结合用以研究基坑渗 透破坏，实现了排桩支护基坑渗透变形发展过程中土颗粒力链发展和演变的过程，为深入 研究排桩支护条件下基坑底部渗透破坏的机理提供依据。

3)本发明中水头控制系统的渗透流体采用由下向上渗入，符合基坑工程底部土体 发生渗透破坏的情形。

4)本发明中的基坑采用排桩支护形式，实际工程基坑开挖时考虑到基坑开挖深 度、周围建筑物及管线影响和地下水、土质条件时，往往会采用支护结构以防止基坑失稳， 此外，排桩支护基坑底部土体更容易发生渗透破坏，因此与之前基坑渗透破坏专利中采用 放坡形式相比，本发明模型更符合工程实际要求，所得的结果更具参考性。

图1为本发明模型试验装置的系统示意图

图2为本发明基坑装置的斜视图

图3为本发明基坑装置的俯视图

其中：1为进水口，2为水位控制阀，3为进水管，4为计算机，5为CCD相机，6为测压 管，7为多层卵石，8为排桩，9为透明模型箱，10为透明土，11为激光器，12为供水箱，13为供 水管水阀，14为流量计。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行两种清楚、 完整的描述。

实例一：

第一步：首先，在保证试验所处环境温度恒定的前提下，将正十二烷与十五号白油 在一定的温度下(本实例中为24℃)按一定的质量比(本实例中为1：4)组成混合溶液，并与 烘烤石英砂颗粒充分拌合直至土样均匀透明，制备成模拟饱和粘性土的透明土10。

第二步：在平整的光学平台上安放透明模型箱9，保证场地内光线均匀，本实例中 透明模型箱9的尺寸为400(长)×400(宽)×600(高)(单位：mm)，其上部开口，材料选用透光 性满足要求的树脂玻璃；在透明模型箱9的底部铺设多层卵石用以模拟真实条件下渗透水 流对透明土10的冲击作用；将人工合成透明土10填入透明模型箱9中。

第三步：将25根排桩8通过沉桩加载仪打入透明土10中，沉桩采用间隔沉桩，以模 拟真实条件下现场的施工工艺，沉桩过程中要严格控制沉桩速度，保证排桩垂直贯入透明 土10中，防止出现桩位偏差过大等问题，本实例中所采用的排桩8直径10mm，长度300mm，不 锈钢材质，沉桩前用湿毛巾将其表面擦拭干净后晾干；沉桩结束后，利用取土器将排桩所围 土体缓慢挖出，保证所形成的基坑底部平整，排桩的嵌固深度应大于基坑深度的0.5倍。

第四步：一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验装置和试验方法，包括 水头控制系统，水头控制系统中设有供水箱12，供水箱12的顶部设有进水口1，在其侧壁设 有水位控制阀2，通过打开不同的水位控制阀2可以调节供水箱内水位的高度，实现调整试 验过程中渗透水头的大小；供水箱12通过进水管3与透明模型箱9的底部相连，进水管3中设 有供水管水阀13；供水箱12中注入与透明土10中透明液具有相同质量比的正十二烷和白油 的混合溶液。

第五步：在透明模型箱9的正右方安放激光器11，本实例中所采用的激光器11为半 导体片光源，采用内腔式氦氖激光器，功率为2V，并配有线性转换器，可将点光源转化为线 性光源。打开激光器11，并调整其具体位置，使其对准透明模型箱9中基坑透明土的底部，形 成散斑场；本实例中的激光器与透明模型箱9的外立面垂直相距450mm。

第六步：在透明模型箱9的正前方安放CCD相机5，本实例中所采用的CCD相机5是德 国Basler产品(scA1600-14fm)；打开CCD相机5，并调整其支架的高度和角度，使得CCD相机5 的镜头垂直对准透明模型箱9的外立面，保证其可视范围能够包含整个透明土基坑的底部； CCD相机5与计算机4相连，设置CCD相机5以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机4。

第七步：在水头控制系统中打开某一水位控制阀2，使得整个水头控制系统中的渗 透水头在试验过程中保持不变。

第八步：打开进水管水阀13，使得水头控制系统中与透明土10中透明液具有相同 质量比的正十二烷和白油的混合溶液依次通过进水管3、多层卵石7后进入透明模型箱9冲 击透明土基坑底部，在此过程中将流量计14和测压管6所检测到的数据传输至计算机4。

第九步：透明土基坑渗透破坏完成后，通过计算机图像处理技术分析获得的渗透 破坏图片，得到渗透破坏过程中不同时刻透明土基坑中土颗粒力链发展和演变的过程；本 实例中所采用的计算机处理软件为DIC；最终完成排桩支护基坑渗透破坏发展过程的观测。

本实例一用以模拟排桩支护饱和黏性土基坑渗透破坏发展过程。

实例二：

第一步：首先，根据试验条件与试样的尺寸大小计算所需全氟环状聚合物颗粒和 溴化钙溶液的用量，在保证试验所述环境温度恒定的前提下，将调配好的溴化钠溶液在一 定温度下(本实例中为24℃)缓慢装入透明模型箱中，随后将全氟环状聚合物颗粒均匀、分 散地倒入透明模型箱中，倾倒过程中用玻璃棒不断搅拌排除气泡直至土样均匀透明，制备 成模拟饱和砂土的透明土10。

第二步、第三步同实例一。

第四步：一种模拟排桩支护基坑渗透破坏发展过程的试验装置和试验方法，包括 水头控制系统，水头控制系统中设有供水箱12，供水箱12的顶部设有进水口1，在其侧壁设 有水位控制阀2，通过打开不同的水位控制阀2可以调节供水箱内水位的高度，实现调整试 验过程中渗透水头的大小；供水箱12通过进水管3与透明模型箱9的底部相连，进水管3中设 有供水管水阀13；供水箱12中注入与透明土10中透明液相同的透明溴化钙溶液。

第五步、第六步、第七步同实例一。

第八步：打开进水管水阀13，使得水头控制系统中与透明土10中透明液相同的透 明溴化钙溶液依次通过进水管3、多层卵石7后进入透明模型箱9冲击透明土基坑底部，在此 过程中将流量计14和测压管6所检测到的数据传输至计算机4。

第九步同实例一。

本实例二用以模拟排桩支护饱和黏性土基坑渗透破坏发展过程。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不 脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保 护范围。