模拟波浪荷载作用下临海基坑动态响应模型试验装置技术领域
本发明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，特别是涉及波浪
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。
技术背景
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。研究发现波浪作用下海床
内的孔隙水压力对工程受力和变形的影响,海洋建(构)筑物的失稳和破坏与海床内的孔隙水
压力有着非常重要的关联。在波浪循环荷载的作用下,临海深基坑周围土体内产生不断累积并
震荡的孔隙水压力,孔隙水压力的波动幅值和累积量对临海深基坑的变形及稳定性有着非常
重要的影响。但是我国现有的临海工程设计中,仅考虑了波浪直接传递给海床及建(构)筑物的
荷载,而未考虑波浪作用下海床内的孔隙水压力对工程受力和变形的影响。这使得临海基坑设
计与实际情况相比可能趋于保守而使得项目建设费用高昂，也可能因为忽略了孔压累积的作
用而使得工程存在安全隐患。
发明内容
为了克服已有临海基坑设计上的不足，本发明提供了可以模拟波浪荷载作用下临海基坑
动态响应模型试验装置，实现了在不同波浪要素作用下，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。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟波浪荷载作用下临海基坑动态响
应模型试验装置，该装置置于波浪槽中进行试验，该装置包括模型箱、支撑钢架、引流斜坡
和量测系统四个部分；所述量测系统包括微型土压力盒、孔压传感器和浪高仪；所述模型箱
由模型箱框架、模型箱底板、模型箱左侧板、模型箱右侧板、钢化玻璃、吊环、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、模型箱左
侧板和模型箱右侧板均由铁板制成并焊接到模型箱框架上；所述模型箱右侧板与模型箱顶部
之间具有矩形开口；所述钢化玻璃通过结构胶粘贴在模型箱框架上；所述吊环安装在模型箱
框架四个角上，用于吊装模型箱；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整体，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；
所述防波提前方水域悬挂浪高仪；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；所述支撑钢架由方钢焊接而成，放置在模型箱底部，用于支撑模型箱；所述支
撑钢架上钻有螺纹孔，螺纹孔处安装吊环；所述引流斜坡由斜坡框架、斜坡面板、两块有机
玻璃板以及减震棒组成；所述斜坡框架由铁块、铁条焊接而成；所述斜坡面板为一整块铁板，
焊接在斜坡框架上，与水平面成1:5～10的斜坡；所述有机玻璃板与斜坡框架铆接，两块有机
玻璃板之间通过连接铁条铆接相连；所述减震棒由减震棒主体和尼龙帽组成，减震棒主体一
端削去2厘米长半圆柱，用于卡住有机玻璃板，另一端与圆柱形尼龙帽相连，抵住波浪槽，
减震棒用于稳定引流斜坡，防止引流斜坡在引导波浪时产生抖动；所述模型箱右侧板与模型
箱顶部之间具有矩形开口，所述引流斜坡与模型箱通过矩形开口连通。
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，所述防波堤可以放置在海床不同位置上用于研究防波堤到挡土墙不同的距离
产生的影响。
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，所述挡土墙和钢化玻璃之间的缝隙利用玻璃胶密封，防止水通过缝隙从主动
侧渗流到被动侧；铝合金板、尼龙板A和尼龙板B底部用玻璃胶密封，防止水渗透到三块板
之间的缝隙，影响土压力盒工作；所述防波堤和钢化玻璃之间的缝隙利用结构胶密封，防止
水从防波堤外侧通过缝隙渗透到防波堤内部。
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。
进一步地，所述斜坡面板和模型箱右侧板之间的缝隙以及钢化玻璃和有机玻璃板之间的
缝隙利用聚酯纤维薄膜连接作过渡处理。
本发明的有益效果是：
1、本发明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(波浪作用)下合理的基坑开挖参数。
2、本发明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。
3、本发明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。
4、本发明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为模拟波浪荷载作用下临海基坑动态响应模型试验装置正视图；
图2为模型箱正视图(a)和俯视图(b)；
图3为引流斜坡立体图(a)、正视图(b)和俯视图(c)；
图4为支撑钢架正视图(a)、左视图(b)和俯视图(c)；
图5为挡土墙及刚性支撑正视图(a)和俯视图(b)；
图6为尼龙板A(a)、尼龙板B(b)和铝合金板(c)开洞与线槽图；
图7为减震棒剖视图(a)、左视图(b)和俯视图(c)；
图8为防波堤立体图；
图9为传感器固定支架正视图(a)和俯视图(b)。
图中：模型箱框架1；模型箱底板2；模型箱左侧板3；模型箱右侧板4；钢化玻璃5；吊环
6；挡土墙7；铝合金板7-1；尼龙板A7-2；尼龙板B7-3；角钢7-4；防波堤8；传感器固定支架
9；微型土压力盒10；孔压传感器11；支撑钢架12；螺纹孔13；斜坡框架14；斜坡面板15；有
机玻璃板16；减震棒17；减震棒主体17-1；尼龙帽17-2；刚性支撑18；浪高仪19；连接铁条
20。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明模拟波浪荷载作用下临海基坑动态响应模型试验装置，包括模型箱、
支撑钢架12、引流斜坡和量测系统四个部分。
如图2所示，所述模型箱由模型箱框架1、模型箱底板2、模型箱左侧板3、模型箱右侧
板4、钢化玻璃5、吊环6、挡土墙7、防波堤8和传感器固定支架9组成；所述模型箱框架
1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2、模型箱左侧板3和模型箱
右侧板4均由8毫米铁板制成并点焊接到模型箱框架1上；模型箱底板2封盖模型箱底面；
模型箱左侧板3封盖模型箱左侧面；模型箱右侧板4封盖模型箱右侧面下部，其高度等同于
海床深度，需要计算；钢化玻璃5共两块，厚一厘米，分别用结构胶粘贴在模型箱框架1前
侧面以及后侧面；由模型箱框架1、模型箱底板2、模型箱左侧板3、模型箱右侧板4和钢化
玻璃5组成的模型箱除了顶面以及右侧面上部开口，其他部分均密封；所述吊环6通过螺母
安装在模型箱框架1四个角预先钻有的螺纹孔上，用于吊装模型箱；如图5所示，所述挡土
墙7由铝合金板7-1、尼龙板A7-2、尼龙板B7-3和角钢7-4通过螺母连接形成整体；所述挡
土墙7搁置于模型箱框架1顶部不同位置，用于模拟基坑不同开挖宽度；所述铝合金板7-1
厚2公分；所述尼龙板A7-2、尼龙板B7-3厚度和微型土压力盒10高度保持一致，为1厘米；
如图6所示，所述铝合金板7-1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19，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；两块尼龙板均钻有3行2列圆形孔洞，
用于安置微型土压力盒10；所述微型土压力盒10信号传输线通过尼龙板A7-2和尼龙板B7-3
上刻有的线槽引出，连接到数据采集仪和微型土压力盒10供电装置上；所述尼龙板A7-2与
刚性支撑重合部分开有孔洞，用于安插刚性支撑；所述刚性支撑18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7-1和尼龙板A7-2上开凿的对应孔洞与挡土
墙7相连，另一端抵在模型箱左侧板3上；所述铝合金板7-1、尼龙板A7-2和尼龙板B7-3
底部利用玻璃胶进行密封；所述挡土墙7和钢化玻璃5之间的缝隙通过有机玻璃进行密封；
如图8所示，所述防波堤8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8和钢化玻璃5之间的缝隙通过有机玻璃进行密封；
所述防波提8前方水域悬挂浪高仪19；所述浪高仪19用于检测波浪要素是否满足实验要求；
如图9所示，所述传感器固定支架9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9上车有凹槽，方便安置孔压传感器11，凹槽弧度需
与孔压传感器11弧度保持一致，位置严格按照设计而定。
如图4所示，所述支撑钢架12由方钢焊接而成，放置在模型箱底部，用于支撑模型箱；
所述支撑钢架钻有四个螺纹孔13用于安装吊环。
如图3所示，所述引流斜坡由斜坡框架14、斜坡面板15、有机玻璃板16以及减震棒17
组成。所述斜坡框架14由8毫米厚铁块、铁条焊接而成；所述斜坡面板15为一整块8毫米
厚铁板，焊接在斜坡框架14上，与水平面成1:10的斜坡；所述有机玻璃板16通过螺丝与斜
坡框架14铆接，两块有机玻璃板之间通过连接铁条20铆接相连；所述减震棒17卡在有机玻
璃板16和波浪槽之间，用于稳定引流斜坡，防止引流斜坡在引导波浪时产生抖动。如图7所
示，所述减震棒17由减震棒主体17-1和尼龙帽17-2组成，减震棒主体17-1一端削去2厘米
长半圆柱，材料为有机玻璃，用于卡住有机玻璃板16，另一端通过螺丝与圆柱形尼龙帽17-2
相连，抵住波浪槽。
所述量测系统包括微型土压力盒10、孔压传感器11和浪高仪20；所述微型土压力盒10
埋置在尼龙板A和尼龙板B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10的信号传输线通过尼龙板A和尼龙板B上预留的线槽引
出，连接到数据采集仪和微型土压力盒10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11安装在传感器固定支架9
上；所述传感器固定支架9侧有凹槽，其曲率和孔压传感器11曲率一致；浪高仪20悬挂在
防波堤8前方用于测量波浪要素。
本发明工作过程如下：首先，按照编号，将每一断面的孔压传感器11固定在相应的传感
器固定支架9上，安装完成的传感器固定支架9按照对应纵断面的位置布设在模型槽底板2
上，将孔压传感器11信号传输线按照传感器固定支架9—模型箱底板2—钢化玻璃5的顺序
引导到模型箱外；将微型土压力盒10安放在尼龙板A7-2以及尼龙板B7-3对应的孔洞内，将
微型土压力盒10信号传输线通过尼龙板A7-2和尼龙板B7-3上刻有的线槽引出；将铝合金板
7-1、尼龙板A7-2、尼龙板B7-3以及角钢7-4通过螺丝以及预留螺丝孔连接，在铝合金板7-1、
尼龙板A7-2和尼龙板B7-3底部利用玻璃胶密封；将挡土墙7安装在设计的位置，在挡土墙
7和模型箱左侧板之间安插刚性支撑18，用玻璃胶将挡土墙7和钢化玻璃5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8安放
在设计位置，采用玻璃胶密封防波堤8和钢化玻璃5之间的缝隙；继续填筑挡土墙7和防波
堤8之间的土体到设计高度。
吊装支撑钢架12到波浪槽沉砂池内；吊装模型槽安放在支撑钢架12上；吊装引流斜坡
到波浪槽内与模型槽平行，在引流斜坡和模型槽之间的利用聚酯纤维薄膜连接作过渡处理；
将减震棒17卡在有机玻璃板16和波浪槽之间；悬挂浪高仪20到制定位置；将微型土压力盒
10和孔压传感器11的信号传输线连接到对应的采集仪以及供电装置上；最后打开波浪槽开
关让波浪槽开始造波，采集在每个造波时间段内微型土压力盒10和孔压传感器11传出的数
据。
这样，一组实验完成，更改造波要素、挡土墙7入土深度、挡土墙7到模型槽左侧板3
距离或者防波堤8到挡土墙7的距离重复以上步骤完成所有实验。