[0001] 本发明涉及建筑基础工程技术领域，尤其涉及一种模拟联合加固下基坑及邻近建筑物变形的试验装置及方法。

[0002] 滨海地铁基坑通常位于城市的建筑密集区域，周边邻近区域存在大量的建筑物，有的建筑物年代久远，结构稳定性相对较差。因此，在基坑施工过程中，地基条件的改变容易对建筑物结构产生扰动，给建筑物带来安全隐患。并且，基坑施工区域位于滨海环境，土层含水量大且土体类型多为软土，对邻近建筑物的变形控制十分不利。

[0003] 基坑工程的变形控制是十分严格的，地连墙水平位移、地表沉降、建筑物沉降与倾斜控制等均为基坑工程变形控制的重点。目前，研究人员采用多种基坑加固手段对基坑变形进行控制，包括应用较为广泛的基底加固与槽壁加固、以及应用相对较少的隔离桩加固。实际的基坑工程大多使用某一种方法进行加固，这种单一的加固模式不仅很难实现对基坑的全方位加固，而且，若要达到理想的加固效果，其成本投入相对叫高。

[0004] 联合加固方法通过将以上三种加固方式进行有机结合，对工程对象进行更具针对性、更全方位地加固，以实现更理想的基坑变形控制效果。但是目前关于联合加固方法变形控制的研究非常少，使得实际工程中，基坑的联合加固施工缺乏足够的理论支撑，大多依靠施工经验来完成。因此本发明提出一种模拟试验装置及方法，对基底加固、护壁加固、隔离桩加固三种方式联合作用下的基坑变形进行研究，以助力于建立一种既能保证基坑施工安全又能降低施工成本的联合加固方法，对现场基坑加固施工进行有力的理论指导。

[0047] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0048] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0049] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0050] 如图1～图6所示，本发明实施例提供了一种模拟联合加固下基坑与邻近建筑物变形的试验装置，以及基于该装置的试验方法。所述装置包括箱体1、基坑模拟结构2、建筑物模拟结构、基坑加固模拟系统4、常水头模拟系统5、降水回灌模拟系统6和监测系统。下文结合图示，对上述各组成部分的具体构造，及其连接关系或空间位置关系进行详细说明。由于部分组件与所模拟的实物在尺寸、材料等特征上差异较大，因此在不影响理解的前提下，为避免句式繁琐，本说明书也将所述基坑模拟结构2、建筑物模拟结构分别简述为“基坑结构2”、“建筑物结构3”。

[0051] 如图1所示，所述箱体1为长方体状，空间尺寸为长4.1m×宽0.7m×高1.2m。所述箱体1由5块板体密封围合而成，顶部开放。除前板11体为长4.1m×高1.2m的亚克力板外，其余4块板体均为5mm厚的钢板12。所述钢板12之间通过焊接连接。所述前板11与相邻的钢板12之间通过第一角钢13和螺纹紧固件16进行密封连接。所述第一角钢13的一肢与钢板12通过焊接、螺栓连接等方式密封连接。如图2所示，所述第一角钢13的另一肢与所述前板11紧密贴合，并通过若干组在长度方向上间隔设置的螺纹紧固件16进行密封连接。应当理解的是，所述第一角钢13也可以与所述钢板12一体成型，或由所述钢板12在边缘弯折得到。为进一步提高密封性，在上述构件的连接处涂抹有密封胶。如图所示，所述箱体1的内部空间通过两块竖直设置的隔板14，在长度方向上被划分三个分区。位于中间的分区为土箱8，长度为
3.1m，其内装有土体以模拟地下土层。位于两侧的两个分区为水箱9，长度为0.5m，其内装一定高度的水以模拟常水头。进一步地，在水箱9的侧壁上设置有刻度尺，以便于观察水箱9内的水位变化。所述隔板14厚10mm，高度不低于所述箱体1。所述隔板14在板面内间隔设置有若干个过水孔，以使水箱9内的水可渗入土箱8内。所述过水孔的直径为10mm，净距为10mm。
为防止土箱8内的土颗粒进入水箱9内，所述隔板14覆盖有滤网。在所述隔板14与后侧钢板
12、前板11的交接处，设置有宽度为10mm的固定槽15。所述隔板14的两侧插入所述固定槽15内，稳定地对两侧的水体、土体进行隔挡。所述固定槽15由两根相对设置的第二角钢构造而成。由于本装置对固定槽15的密封性要求不高，第二角钢与钢板12、前板11之间可通过螺栓连接、铆接或者结构胶粘结的方式连接，特别地，第二角钢与钢板12之间还能通过焊接的方式连接。

[0052] 如图1所示，所述基坑模拟结构2设置在土箱8内，包括地下地连墙模拟结构21、内支撑件22。为简化描述，下文所述的“地连墙结构21”也指代所述地连墙模拟结构21。两块所述地连墙结构21相对设置，间隔为40cm。所述地连墙结构21采用宽70cm、高50cm、厚8mm的亚克力板，竖直地埋置在土箱8内，其顶部与土体齐平。从构件尺寸不难看出来，在本实施例中，所述地连墙结构21沿所述箱体1的宽度方向延伸。所述内支撑件22采用长度为40mm、直径10mm、壁厚为2mm的有机玻璃管，垂直地支撑在所述两块地连墙结构21之间，以模拟基坑开挖后的侧向支撑体系。

[0053] 如图1所示，所述建筑物模拟结构采用若干木条31和一块木板32胶结得到。所述若干木条31通过相互之间垂直连接，构造成一个空间框架，用于模拟建筑物的梁柱体系。所述木板32固接于所述空间框架的底部，且埋入土箱8内的土体中，用于模拟建筑物的基础。应当理解，所述棒条在本实施例中具4为所述木条31，所述底板具化为所述木板32。所述建筑物模拟结构靠近所述基坑模拟结构2，与后者的净距为10cm，以准确监测当邻近的基坑进行开挖或者发生水位变化时，所述建筑物模拟结构3产生的位移、沉降情况。

[0054] 如图3所示，所述基坑加固模拟系统4通过对所述基坑模拟结构2在竖向和侧向、以及对邻近土体的多方位加固，模拟基坑工程中现有的联合加固方式，包括基底加固部分41、护壁加固部分42和隔离桩结构43。所述基底加固部分41采用一种加固土，所述加固土由砂土与P.S.A32级矿渣硅酸盐水泥加水搅拌得到。在安装完所述基坑模拟结构2并继续填土时，所述加固土预先按照10cm的指定厚度埋入基坑模拟结构2的内侧，并留取部分进行土工试验以测试其基本性质。所述护壁加固部分42通过将地连墙结构21与一定厚度的P.S.A32级矿渣硅酸盐水泥进行整体制模，并采用塑料薄膜对其进行包裹，以模拟加固后的地连墙。所述隔离桩结构43采用有机玻璃管模拟，沿所述地连墙结构21的延伸方向，间隔地、竖直地插置在基坑模拟结构2与建筑物模拟结构之间的土体中。上述三种加固方法的模拟方式简单、易于操作，且依靠土工试验的数据支持，并不缺乏模拟准确性。基于此模拟方式，所述装置可通过单独改变某一加固部分如尺寸、材料等模拟参数，进行对照试验，以此来探究某一加固方法的加固效果，为现场施工提供可靠的理论支持。

[0055] 如图1所示，所述常水头模拟系统5配合箱体1两侧的水箱9进行工作，包括大型智能蠕动泵51、第一水桶52、水龙头53和若干第一水管54。所述大型智能蠕动泵51通过一根所述第一水管54与第一水桶52相连，并通过另一根第一水管54将水泵入所述水箱9内。所述水箱9在1.1m的高度设置有圆孔，以安装所述水龙头53。当所述常水头模拟系统5工作时，所述水龙头53处于常开状态，使得水箱9内的水位始终不高于1.1m。设置水位上限不仅是为了防止水流外溢，也是为了控制水箱9内的水渗入土体中的水压。优选地，可采用一根第一水管54，将水龙头53流出的水引入第一水桶52内，实现水的循环再利用。

[0056] 如图1、图5所示，所述降水回灌模拟系统6包括若干降水管61、小型智能蠕动泵62、第二水桶63和第二水管64。首先应当理解，所谓“降水”指基坑降水工程，是通过明沟或降水管61降低基坑内的水位，而非大气降水及雨水下渗。在本实施例中，4组所述降水管61对称且间隔地插置在所述基坑模拟结构2内的土体中。所述降水管61采用PVC管进行模拟，其直径为20mm、壁厚为4mm，长度为56cm。必要地，所述PVC管上间隔排布着有多个渗流孔，且PVC管外部包裹有滤网。所述小型智能蠕动泵62外接有两条第二水管64，其中一条延伸入所述降水管61的底部，另一条与第二水桶63连接。所述小型智能蠕动泵62设置有模式旋钮和速率旋钮，所述模式旋钮用于切换工作模式，控制该水泵对降水管61内抽水或注水，所述速率旋钮则用于控制抽水或注水时的功率。当所述小型智能蠕动泵62以超过常水头的速率对所述降水管61抽水时，模拟基坑降水过程；当所述小型智能蠕动泵62向所述降水管61内注水时，则模拟回灌过程。

[0057] 应当理解的是，在本实施例中，所述第一水泵采用了所述大型智能蠕动泵51，所述第二水泵采用了所述小型智能蠕动泵62，所述开关阀采用了所述水龙头53，所述外接水源分别具化为所述第一水桶52或第二水桶63内盛装的水。

[0058] 如图5、图6 所示，所述监测系统安装在所述基坑模拟结构2、建筑物模拟结构以及土体的多个位置，用以采集水力、土力信息和基坑模拟结构2、建筑物模拟结构的形变数据。所述监测系统包括土压力盒71、水压力盒72、应变片73、位移计74、观测管75和液位计76。所述土压力盒71、水压力盒72、位移计74、应变片73均连接至一个数据采集与分析系统。所述土压力盒71总共12个，用于测量所述基坑模拟结构2处的土压力变化。其具体安装位置为：
沿着深度方向间隔布置在所述地连墙结构21的中轴线上，且对每面地连墙结构21而言，其外侧沿全高布置4个土压力盒71，内侧在所述加固土下方布置2个土压力盒71。所述外侧指背向所述内支撑件22的一侧，内侧则指朝向所述内支撑件22的一侧，下同。所述水压力盒72总共12个，用于测量所述基坑模拟结构2处的水压力变化。与所述土压力盒71的安装位置类似，所述水压力盒72同样沿着深度方向间隔布置在所述地连墙结构21的中轴线上，且在每面地连墙结构21的内侧、外侧分别设置2个、4个。所述应变片73共40个，用于测量部分模拟结构的水平位移与应变。具体地，16个应变片73沿深度方向间隔地布置于地连墙结构21的中轴线上，内、外侧各8个；16个应变片73沿深度方向间隔地布置于最中间的隔离桩结构43上，内、外侧各8个；8个应变片73沿高度方向间隔地布置于建筑物模拟结构靠近基坑结构2一侧的最中间木条31上，内外、侧各4个。所述位移计74共20个，用于测量土体表面沉降量、建筑物模拟结构的水平位移和沉降量。其具体安装位置为：在所述基坑结构2两侧的土体表面各布置7个，且间隔地布置于基坑结构2沿箱体1长度方向的对称轴上；在所述建筑物模拟结构的高度方向间隔布置有4个；在所述建筑物模拟结构顶部布置2个，且分别位于靠近基坑结构2一侧与远离基坑结构2一侧的木条31中点。所述观测管75的材质、构造与所述降水管61相似，其采用60cm长的PVC管，且同样在管壁上开孔后采用滤网进行包裹。所述观测管
75共10根，安装位置与所述位移计74在土体中的安装位置相似：竖直地插置在所述基坑结构2两侧的土体内，且在基坑结构2沿箱体1长度方向的对称轴上，以15cm的间距间隔布置。
所述观测管75的开口设计使得其内部水位与土体的水位齐平。所述液位计76插置在所述降水管61中，通过间隙性地测量降水管61内的水位，便可监测土箱8内土体的水位变化情况。
综合上述各监测仪器，所述监测系统的监测数据有：所述基坑结构2中地连墙结构21的水平位移、两侧承受的土压力与水压力；所述建筑物模拟结构的水平位移、沉降量；土箱8重土体的表层沉降量、水位高度。

[0059] 现基于所述装置，介绍一种模拟联合加固下基坑与邻近建筑物变形的试验方法。如图1所示，所述方法包括以下步骤：

[0060] 步骤1：采用落砂法将试验沙土分层填入土箱8中，每层10cm，且每填埋一层砂土时需进行依次固结压密。在填土过程中，将经过加固处理并安装了土压力盒71、水压力盒72、应变片73的基坑结构2，以及隔离桩结构43、降水管61、观测管75埋置在上文所述的位置。特别地，当砂土高度到达基底位置时，需将所述加固土铺设在基坑结构2内，接着接续填土。

[0061] 步骤2：将土体埋置到1.1m高度后，打开水箱9侧壁上的水龙头53，接着利用大型智能蠕动泵51往水箱9内加水，使水从所述隔板14上的过水孔慢慢渗入土箱8中，以对土体进行饱和固结。待土箱8中的土体充满水后，静置24小时。在静置结束后土体可能会出现沉降，对沉降区域补填土体以使土体高度保持1.1m。

[0062] 步骤3：按照前文所述的位置关系，将安装了位移计74的建筑物结构3浅埋在土体中，并在土体的表面安装所述位移计74。

[0063] 步骤4：打开所述小型智能蠕动泵62的抽水模式并调节抽水速率，通过所述4个降水管61对土体进行抽水，以模拟基坑的降水过程。当水位降至距离土体顶部第一深度的位置时，减小所述小型智能蠕动泵62的抽水速率以控制水位不变，此时降水模拟过程完成。在本实施例中，所述第一深度为38cm。将所述装置静置12小时，使土体沉降达到稳定状态。在模拟降水及静置过程中，通过所述监测系统，测量基坑结构2和建筑物结构3周围的水力、土力信息及形变数据。

[0064] 步骤5：对所述基坑结构2内，即两块地连墙结构21之间区域的土体进行开挖。开挖时应从上至下，每隔9cm挖掘一层，且每开挖一层需静置2小时。在开挖过程中，应采用所述内支撑件22对所述两块地连墙结构21进行侧向支撑。当开挖至离土体顶部第二深度时停止开挖，并静置12小时。在本实施例中，所述的第二深度为36cm。同样地，在模拟开挖及静置过程中，通过所述监测系统，测量基坑结构2和建筑物结构3周围的水力、土力信息及形变数据。

[0065] 步骤6：打开所述小型智能蠕动泵62的注水模式，通过所述4个降水管61对土体进行注水，以模拟基坑的回灌过程。待水位升至土体顶部时，关闭所述小型智能蠕动泵62，此时回灌模拟过程完成。同样地，在模拟回灌的过程中，通过所述监测系统，测量基坑结构2和建筑物结构3周围的水力、土力信息及形变数据。

[0066] 至此，模拟试验完成。试验结束后，将土体从箱体1中取出，同时将所述基坑结构2、建筑物结构3、降水管61、监测组件等仪器取出并妥善放置，以便进行下一次试验。

[0067] 需说明的是，在步骤5至步骤7中，均保持大型智能蠕动泵51和水龙头53为开启状态。试验过程中，所述土压力盒71、水压力盒72、应变片73、位移计74均通过采集系统自动采集，土体中的水位则通过液位计76每5分钟手动测量一次。

[0068] 以上所述仅仅是本发明较佳的具体实施方式，并非限制本发明的专利范围，凡利用本发明说明书内容所作的技术等同变换，均属于本发明的保护范围。