本实用新型涉及一种海洋基坑工程中土压力、孔隙水压力测量的试验装置，特别是涉及潮汐要素变化的临海基坑主被动侧土压力以及孔隙水压力响应的模型试验装置，可用于量测不同基坑开挖宽度、不同基坑开挖深度、不同挡墙入土深度以及不同挡墙、防波堤间距下临海基坑主被动侧土压力值和孔隙水压力值。
背景技术：
随着沿海城市发展，越来越多的高层建筑、地下空间开发项目、跨海隊道、跨海大桥等重大工程投入建设，随之而来的是大量沿海深大基坑的开发与建设。众所周知，海洋的水位经历着以(半)天或者(半)月为周期的循环往复的变化。已有设计往往只考虑最高水位的作用，而没有考虑水位循环往复变化的影响。因此传统设计到底是偏安全还是偏危险并没有定论。
技术实现要素：
为了克服已有临海基坑设计上的不足，本实用新型提供一种模拟受潮汐作用的临海基坑试验装置，实现了在不同潮汐要素作用下，通过控制不同基坑开挖宽度、不同基坑开挖深度、不同挡墙入土深度以及不同挡土墙、防波堤间距，研究临海基坑主被动侧水土压力响应及规律。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟受潮汐作用的临海基坑试验装置，包括水位恒定系统、曲柄滑杆系统、传动系统、量测系统和模型箱；所述水位恒定系统包括恒水位水箱、进水管阀门、进水管、出水管阀门、出水管、连通管阀门、连通管和衬板A；所述曲柄滑杆系统包括竖杆、衬板B、滑膛、两个曲杆和两个圆环；所述传动系统包括减速器、电机以及插头；所述恒水位水箱第一侧面顶部开有孔洞，用于安装进水管阀门；所述进水管阀门通过进水管和水源连接；所述恒水位水箱第二侧面中央开有孔洞，用于安装出水管阀门；所述出水管阀门与出水管一端连接；所述出水管另一端连接到地漏；所述恒水位水箱第三侧面底部开有孔洞，用于安装连通管阀门；所述连通管阀门与连通管一端连接，所述连通管另一端连接进出水阀门；所述衬板A固定在恒水位水箱底部；所述衬板B固定在滑膛顶部；所述竖杆一端与衬板A固定连接，另一端与衬板B固定连接；所述滑膛呈长方体形，其中长边对应的铅垂面上开有条形的贯通孔A，短边对应的铅垂面上开有贯通孔B，所述贯通孔A和贯通孔B在同一水平面内，并相互垂直，两个圆环分别穿过两侧的贯通孔B置于贯通孔A的指定位置；所述曲杆呈Z字形，一头套在圆环内，另一头连接减速器，所述减速器与电机连接，所述电机通过插头连接电源；
所述量测系统包括微型土压力盒和孔压传感器；所述模型箱由模型箱框架、模型箱底板、模型箱左侧转动板、模型箱右侧板、钢化玻璃、挡土墙、防波堤和传感器固定支架组成；所述模型箱框架由铁条焊接而成；所述模型箱底板、模型箱右侧板均由铁板制成并焊接到模型箱框架上；所述模型箱左侧转动板由铁板制成，通过位于模型箱左侧转动板上的转子A和位于模型箱框架上的转子B连接，从而达到能够自由转动的目的，通过位于模型箱左侧转动板左侧的插销A和位于模型箱框架上的插销B以及插条固定；所述模型箱右侧板底部开有小孔，用于安装出水口阀门，用以加快土体固结，顶部安装有进出水阀门；所述钢化玻璃通过结构胶粘贴在模型箱框架上；所述挡土墙包括铝合金板，铝合金板的两侧中下部分别铆接尼龙板A、尼龙板B，铝合金板的上部固定横截面为L形的角钢，挡土墙通过角钢搁置于模型箱框架顶部，挡土墙和模型箱左侧板通过刚性支撑连接；所述尼龙板A和尼龙板B上均钻有圆形孔洞，圆形孔洞内安置微型土压力盒；所述防波堤横截面为一直角梯形，由有机玻璃板材通过玻璃胶形成，搁置在海床上，海床由土样在模型箱内按设计要求填筑而成；所述传感器固定支架由圆柱形细长铁杆点焊于正方形薄铁板中央，放置于模型箱箱底板上的不同位置，所述传感器固定支架上车有凹槽，凹槽上安置孔压传感器。
进一步地，所述贯通孔B截面形状为两段半圆形，中间连接矩形，刚好能够放入圆环。
进一步地，所述曲杆为三根圆形截面的圆柱杆互相焊接而成；所述曲杆直径和圆环内径一致。
进一步地，所述衬板A材质为金属板，钻有四个螺纹孔，通过螺丝连接在恒水位水箱底部；所述衬板B材质为铁板，钻有四个螺纹孔，通过螺丝与滑膛连接。
进一步地，所述竖杆为铁杆，一端满焊在衬板A上，另一端满焊在衬板B上。
进一步地，所述铝合金板上从上到下依次开有以2行2列为一组，共三组一厘米深的孔洞，用于安插刚性支撑，可以根据实验需要选用不同组别的孔洞用于模拟不同的入土深度，也可以调节挡土墙到模型箱左侧板的距离，模拟基坑不同开挖宽度。
进一步地，所述尼龙板A和尼龙板B上均钻有阵列式圆形孔洞。
进一步地，所述微型土压力盒和尼龙板A以及尼龙板B厚度一致，微型土压力盒信号传输线通过尼龙板A和尼龙板B上刻有的线槽引出，连接到数据采集仪和微型土压力盒供电装置上。
进一步地，所述孔压传感器外径曲率与传感器固定支架上的凹槽曲率一致，通过绑扎带固定在传感器固定支架上；所述孔压传感器信号传输线沿着传感器固定支架、模型箱底板、钢化玻璃的顺序连接到数据采集仪和孔压传感器供电装置上。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型可以提供简谐变化的边界水压，为研究潮汐荷载对工程的影响提供技术支持。
2、本实用新型可以通过调节Z字形曲杆中杆的长度来调节潮汐变化的幅值，通过调节减速器的齿轮比来调节潮汐变化的周期。
3、本实用新型可以通过调整挡土墙不同入土深度、挡土墙距离模型箱左侧板的距离以及挡土墙距离防波提的距离研究统一外界荷载(潮汐作用)下合理的基坑开挖参数。
4、本实用新型挡土墙由铝合金板和尼龙板组成。铝合金板提供挡土墙主要刚度，同时由于铝合金板刚度较大，利于试验模型的缩小。尼龙板制洞方便，价格低廉，可以根据挡土墙不同入土深度，设计不同的微型土压力盒埋置位置以及槽线，通过更改尼龙板而非铝合金板在保证实验组数的同时降低实验成本。
5、本实用新型中将土压力盒埋设于尼龙板(板厚与土压力盒厚度一致)内，同时将土压力盒信号传输线也埋设于尼龙板背面的槽线中，再将尼龙塑料板用螺丝固定于铝合金板上。这样处理一是可以保证挡墙的表面平整，避免表面不平整而出现的应力集中现象；二是可以保证土压力盒背面的绝对刚性。
6、本实用新型在模型箱底板上放置一系列传感器固定支架，支架上放置数量不等的孔压传感器，用来量测任意时刻下基坑主被动侧孔隙水压力值，进而描绘渗流场内等水头线以及流线并研究其变化规律。
附图说明
图1为一种模拟受潮汐作用的临海基坑试验装置效果图；
图2为水位恒定系统正视图；
图3为水位恒定系统俯视图；
图4为曲柄滑杆系统正视图；
图5为曲柄滑杆系统侧视图；
图6为曲柄示意图；
图7为传动系统示意图；
图8为模型箱示意图；
图9为模型箱左侧转动板示意图；
图10为转子示意图；
图11为插销示意图；
图12为模型箱右侧板示意图；
图13为挡土墙示意图；
图14为挡土墙布局图；
图15为防波堤示意图；
图16为传感器固定支架示意图；
图中：恒水位水箱1；进水管阀门2；进水管3；出水管阀门4；出水管5；连通管阀门6；连通管7；衬板A8；竖杆9；衬板B10；滑膛11；曲杆12；贯通孔A13；贯通孔B14；圆环15；减速器16；电机17；插头18；模型箱框架19；转子B19-1；插销B19-2；模型箱底板20；模型箱左侧转动板21；转子A21-1；插销A21-2；模型箱右侧板22；出水口阀门22-1；进出水阀门22-2；钢化玻璃23；挡土墙24；铝合金板24-1；尼龙板A24-2；尼龙板B24-3；角钢24-4；防波堤25；传感器固定支架26；微型土压力盒27；孔压传感器28；刚性支撑29。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型提供的一种模拟受潮汐作用的临海基坑试验装置，包括水位恒定系统、曲柄滑杆系统、传动系统、量测系统和模型箱。
如图2、3所示，所述水位恒定系统包括恒水位水箱1、进水管阀门2、进水管3、出水管阀门4、出水管5、连通管阀门6、连通管7和衬板A8。所述恒水位水箱1为5块正方形有机玻璃板通过AB胶粘接而成无顶水箱；所述恒水位水箱1第一侧面顶部开有孔洞，用于安装进水管阀门2；所述进水管阀门2通过进水管3和水源连接，通过调整进水管阀门2可以控制进水速度；所述恒水位水箱1第二侧面中央开有孔洞，用于安装出水管阀门4；所述出水管阀门4与出水管5连接；所述出水管5另一端连接到地漏；所述恒水位水箱1第三侧面底部开有孔洞，用于安装连通管阀门6；所述连通管阀门6与连通管7连接；所述衬板A8材质为铁板，钻有四个螺纹孔，通过螺丝连接在恒水位水箱1底部。
如图4所示，所述曲柄滑杆系统包括竖杆9、衬板B10、滑膛11、曲杆12和圆环15。所述竖杆9为铁杆，一端满焊在衬板A8上，另一端满焊在衬板B10上；所述衬板B10材质为铁板，钻有四个螺纹孔，通过螺丝与滑膛11连接；所述滑膛11为铝合金材质，呈长方体形，内部开有图4所示的长方体贯通孔A，用于放置曲杆12；如图5所示，所述滑膛内部在水平面内与贯通孔A13垂直的另一方向开有贯通孔B14，用于安放图6所示曲杆12上的圆环15；所述贯通孔B截面形状为两段半圆形，中间连接矩形，刚好能够放入圆环15；如图6所示，所述曲杆12呈Z字形，材质为低碳钢，一端套有圆环15，安放在滑膛11内，另一端连接减速器16。
如图7所示，所述传动系统包括减速器16、电机17以及插头18。所述减速器16一端连接曲杆12，另一端与电机17连接；所述插头18连接上电源后，整套装置开始工作，恒水位水箱1将在曲杆12的带动下呈简谐运动。
如图8所示，所述模型箱由模型箱框架19、模型箱底板20、模型箱左侧板21、模型箱右侧板22、钢化玻璃23、挡土墙24、防波堤25和传感器固定支架26组成；所述模型箱框架19由8毫米厚铁条焊接而成整个模型箱的骨架；所述模型箱底板20、模型箱左侧板21和模型箱右侧板22均由8毫米铁板制成并点焊接到模型箱框架19上；模型箱底板20封盖模型箱底面；模型箱左侧板21封盖模型箱左侧面；模型箱右侧板22封盖模型箱右侧面；钢化玻璃23共两块，厚一厘米，分别用结构胶粘贴在模型箱框架19前侧面以及后侧面。
如图9-11所示，模型箱左侧转动板21由铁板制成，通过位于模型箱左侧转动板21上的转子A21-1和位于模型箱框架19上的转子B19-1连接，从而达到可以自由转动的目的，通过位于模型箱左侧转动板21左侧的插销A21-2和位于模型箱框架19上的插销B19-2以及插条固定；如图12所示，模型箱右侧板22底部开有小孔，用于安装出水口阀门22-1，用以加快土体固结，顶部安装有进出水阀门22-2；由模型箱框架19、模型箱底板20、模型箱左侧板21、模型箱右侧板22和钢化玻璃23组成的模型箱除了顶面其他部分均密封。
如图13所示，所述挡土墙24由铝合金板24-1、尼龙板A24-2、尼龙板B24-3和角钢24-4通过螺母连接形成整体；所述挡土墙24搁置于模型箱框架19顶部不同位置，用于模拟基坑不同开挖宽度；所述铝合金板24-1厚2公分；所述尼龙板A24-2、尼龙板B24-3厚度和微型土压力盒27高度保持一致，为1厘米；如图14所示，所述铝合金板24-1从上到下依次开有以2行2列为一组，共两组一厘米深的孔洞，用于安插刚性支撑29，可以根据实验需要选用不同组别的孔洞用于模拟不同的入土深度；孔洞所开凿的位置及深度可以根据实验需要计算调整；尼龙板B24-3钻有4行2列圆形孔洞，尼龙板A24-2钻有2行2列圆形孔洞，用于安置微型土压力盒27；所述微型土压力盒27信号传输线通过尼龙板A24-2和尼龙板B24-3上刻有的线槽引出，连接到数据采集仪和微型土压力盒27供电装置上；所述尼龙板A24-2与刚性支撑29重合部分开有孔洞，用于安插刚性支撑29；所述刚性支撑29为四根铝合金圆柱，直径以及长度均需要经过计算，其一端通过铝合金板24-1和尼龙板A24-2上开凿的对应孔洞与挡土墙24相连，另一端抵在模型箱左侧板21上；所述铝合金板24-1、尼龙板A24-2和尼龙板B24-3底部利用玻璃胶进行密封；所述挡土墙24和钢化玻璃23之间的缝隙通过有机玻璃进行密封。
如图15所示，所述防波堤25横截面为一直角梯形，由厚度为1厘米有机玻璃板材通过玻璃胶形成整体，搁置在海床上；所述防波堤25和钢化玻璃23之间的缝隙通过有机玻璃进行密封；如图16所示，所述传感器固定支架26由圆柱形细长铁杆点焊于正方形薄铁板中央，放置于模型箱底不同位置，所述传感器固定支架26上车有凹槽，方便安置孔压传感器28，凹槽弧度需与孔压传感器28弧度保持一致，位置严格按照设计而定。
所述量测系统包括微型土压力盒27和孔压传感器28；所述微型土压力盒27埋置在尼龙板A24-2和尼龙板B24-3预留的孔洞内，共12个，微型土压力盒的厚度和尼龙板A以及尼龙板B的厚度一致，微型土压力盒27的信号传输线通过尼龙板A24-2和尼龙板B24-3上预留的线槽引出，连接到数据采集仪和微型土压力盒27供电装置上，这样处理保证了土压力盒表面与挡土墙表面齐平，从而避免应力集中；利用绑扎带将所述孔压传感器28安装在传感器固定支架26上；所述传感器固定支架26侧有凹槽，其曲率和孔压传感器28曲率一致。
本实用新型工作过程如下：首先，将恒水位水箱1通过螺丝和衬板A8连接，通过螺丝将衬板B10固定在滑膛11上；然后将圆环15通过贯通孔B放置到指定位置，再将曲杆12一端穿过圆环15放置在贯通孔A内，另一端连接减速器16；通过螺丝螺母将减速器16和电机17连接；接着对另一组曲杆12、圆环15、减速器16、电机17进行同样的操作。
接着按照编号，将每一断面的孔压传感器28固定在相应的传感器固定支架26上，安装完成的传感器固定支架26按照对应纵断面的位置布设在模型槽底板20上，将孔压传感器28信号传输线按照传感器固定支架26—模型箱底板20—钢化玻璃23的顺序引导到模型箱外；将微型土压力盒27安放在尼龙板A24-2以及尼龙板B24-3对应的孔洞内，将微型土压力盒27信号传输线通过尼龙板A24-2和尼龙板B24-3上刻有的线槽引出；将铝合金板24-1、尼龙板A24-2、尼龙板B24-3以及角钢24-4通过螺丝以及预留螺丝孔连接，在铝合金板24-1、尼龙板A24-2和尼龙板B24-3底部利用玻璃胶密封；将挡土墙24安装在设计的位置，在挡土墙24和模型箱左侧板之间安插刚性支撑29，用玻璃胶将挡土墙24和钢化玻璃23之间的缝隙密封；采用水下拋填法制备地基，拋填土体之前保证模型箱内水深约5厘米，土体的抛撒应均匀缓慢，用扫帚沿着水槽轴线对每层抛撒完成的土体均匀推扫2-3遍，减少土体内部的封闭气泡，每填筑20厘米土体时，静置2个小时，填土的过程中，注意对孔压计的保护；当土体填筑到坑底标高时，基坑内部土体停止填筑；基坑外部继续填筑土体到海床高度，将防波堤25安放在设计位置，采用玻璃胶密封防波堤25和钢化玻璃23之间的缝隙；继续填筑挡土墙24和防波堤25之间的土体到设计高度。
最后打开进水管阀门2、出水管阀门4和连通管阀门6；将进水管3和水源相连；将出水管5和地漏相连，将连通管7和进出水阀门22-2相连接，打开水源往恒水位水箱1内注水；待水位上升到出水管位置时，通过调节进水管阀门2和出水管阀门4来控制进水出速率相同，从而控制恒水位水箱1内水位恒定。然后将两个插头18同时接入电源。恒水位水箱1便能够跟随曲杆12转动呈竖直方向的简谐运动。打开进出水阀门26，当恒水位水箱1随着曲杆12往上运动时，一部分水会通过连通管7进入到模型箱；当恒水位水箱1随着曲杆12往下运动时，一部分水会通过连通管7从模型箱进入到恒水位水箱1并通过出水管5排走，从而实现模拟潮汐荷载的简谐波动边界水头；然后将微型土压力盒27和孔压传感器28的数据线连接到对应的数据采集仪上以及供电装置上；采集微型土压力盒27和孔压传感器28传出的数据。
这样，一组实验完成，更改潮汐要素、挡土墙24入土深度、挡土墙24到模型槽左侧板21距离或者防波堤25到挡土墙24的距离重复以上步骤完成所有实验。