專利名稱：離心場中微型基坑自動加支撐系統的制作方法
技術領域：
本發明屬巖土及地下工程中的基坑工程領域，具體涉及一種在離心場中微型基坑
自動加支撐系統。
背景技術：
軟土地層中的基坑工程施工技術復雜、風險性大。特別是近些年隨著地鐵建設及 高層建筑的發展，基坑開挖深度越來越深，與臨近建筑物間距越來越小，對基坑工程本身的 安全和對環境的影響提出了更高要求。控制基坑對周圍影響的關鍵因素之一為基坑支撐對 擋墻及墻后土體的變形控制作用。實際工程中基坑支撐的作用機理及對支撐設計的優化得 到了越來越高的重視。離心模型試驗是一種巖土工程領域先進的物理模擬手段，能夠真實 再現現場的土體應力水平，非常適用于基坑工程研究，可以為實際工程建設提供重要依據， 并可以通過離心試驗分析變形機理，提高基坑工程的理論研究水平。但是現有的離心場中 基坑施工模擬方式的土體的應力水平及應力路徑與實際工程均存在著一定的差別，并且難 以在高g值的離心場下模擬基坑的施工過程，使試驗結果產生很大誤差，因此亟需開發出 一套新型的基坑自動加支撐的模擬方式來再現實際基坑工程施工情況。 國內外關于離心試驗模擬基坑加支撐的方式主要有停開機加支撐方式和排放高 密度液體方式兩種。停開機方式是預先制作好模型，安裝后施加離心力，待穩定后停機，在 常規重力場內實施開挖及加支撐的操作，達到預定的深度后重新開機施加離心力，待穩定 后再重復該動作進行下一步開挖及支撐，直至到達基底標高。這種方法操作簡單直觀，但存 在的不足之處為由于停機，對整個模型有個卸載再加載的過程，土體應力路徑與實際有所 差別。另一種模擬方式是排放高密度液體模擬基坑開挖，即在預先挖好的空間內注入密度 相當于土的容重的高密度溶液，在穩定的離心場中通過將溶液抽出模擬基坑開挖的卸載效 用。該方法的優點是簡化基坑施工的復雜過程，可以反映基坑開挖卸載過程，試驗較為簡 單，易于控制，存在的不足之處為不能模擬基坑加支撐過程，并且土體的側壓力系數與實際 土體情況有差異。
發明內容
本發明的目的在于提出一種離心場中微型基坑自動加支撐系統，以實現在高度穩 定的離心場中完成基坑內土體的分層開挖后對擋墻進行加支撐的過程。 本發明提出的離心場中微型基坑自動加支撐系統，由基坑模型系統、基坑開挖系 統和基坑支撐系統構成，其中 基坑模型系統由模型箱1、擋墻2與隔板3構成，模型箱1為中部空心的長方體結 構，擋墻2垂直位于模型箱1內，擋墻2上設有擋墻凹槽5，頂端設有擋墻凸起6，隔板3固 定于模型箱1內，隔板3由固定部7和分離部8構成，固定部7底部與底板40 —側垂直焊 接，底板40另一側與側向鐵板41垂直焊接，呈U字形結構，起穩定作用；分離部8由8塊擋 片9構成，每排兩塊，共四排，相鄰的擋片9間的接觸面處設有凹凸榫10，同一行的擋片9通過固定桿11相連，在土層制備時用固定桿11將分離部8固定住； 基坑開挖系統由刮刀12、牽引裝置13及開挖油路14構成，刮刀12呈倒T型，下部 為刀片15，刮刀12與牽引裝置13連接，牽引裝置13包括豎向千斤頂16和水平向千斤頂 17，豎向千斤頂16和水平向千斤頂17均連接開挖油路14，由開挖油路14提供動力并進行 控制，開挖油路14由離心機總系統控制； 支撐系統由油缸18、支撐支架19、支撐件21和支撐油路構成，支撐油路包括支撐 頂進油路和支撐回撤油路，支撐支架19為兩個，兩個支撐支架19的一端分別固定于支架底 板28兩端，支架底板28位于模型箱1內底部一側，油缸18的兩端分別固定于兩個支撐支 架19上，支撐件21通過油缸18的活塞桿連接油缸18，油缸18兩側分別設有頂進壓力進 口 31和回撤壓力進口 32，頂進壓力進口 31連接頂進支油管22，頂進支油管22通過電磁閥 23連接頂進分油管33，頂進分油管33連接總油管24，總油管24通過針型閥25、壓力測量 計26連接支撐頂進油路，回撤壓力進口 32通過回撤支油管連接支撐回撤油路。
本發明中，支撐件21沿基坑深度方向分布有4道，每道由水平方向并行的2個支 撐件21構成，每個支撐件21均連接相應的油缸18的活塞桿。 本發明中，支撐頂進油路27及支撐回撤油路分別連接離心機總系統控制器。
本發明中，固定部7、支架底板28、擋墻一側的支撐支架19以及模型箱兩側面形成 一長方體區域為集土閣30，開挖的土在刮刀作用下落入集土閣30內。 本發明中，模型箱1前側面采用有機玻璃面4，便于標注與攝像，其余5個面均可拆 卸，6個面的連接處采用密封條密封。 本發明中，刮刀12在千斤頂引導下進行水平和豎直運動，從而對土體進行分層開 挖。刮刀12采用不銹鋼材質，試驗時在刀片15處涂抹凡士林，防止土粒粘在刮刀12上。
本發明中，以第一層為例支撐的頂進與回撤過程如下第一層兩個支撐件21的前 進是通過在離心機控制室中增加支撐頂進油路27的油壓并打開對應層支撐件21的電磁閥 23來實現的。支撐件21推進力量可以通過調整支撐頂進油路油壓27進行控制。電磁閥 23關閉后由于油的不可壓縮性支撐仍然保持剛性。第一層支撐的回撤需要在離心機控制室 中減少支撐頂進油路27油壓并增加第一支撐回撤油路35的油壓來實現。
本發明的工作過程如下 在模型箱1四周涂抹硅油，有利于減小模型箱1與試驗土 20間的摩擦。安裝固定 好隔板3、支架底板28、支撐支架19及八個油缸18。并將四對油缸活塞桿頂至相應四道分 離式隔板3上。在隔板3另一側加入調制好的試驗土20，在離心場中進行初步固結。在隔 板的填土一側50mm處開挖土槽，安放擋墻2使之豎直，繼續固結試驗土 20，控制試驗土 20 的固結度達到90%以上。 開挖試驗開始前油缸18及各根油管內均充滿機油，所有電磁閥23均處于關閉狀 態。在離心場中正式進行開挖試驗時，將固定桿11抽出，打開第一層電磁閥23，通過減少支 撐頂進油路27油壓并增加第一支撐回撤油路35油壓，使得第一道支撐件21回縮至底部。 第一層支撐件21回縮后隔板3最上部第一層擋片9處于在一個不穩定的狀態，刮刀12在水 平向千斤頂17的牽引下很容易將第一排的一對擋片9推倒。接著控制豎向千斤頂16緩慢 下移刮刀12，使得刮刀12每次切土深度約為5mm，控制水平向千斤頂17從近擋墻2側開始 刮土，使刮刀12水平向運行速率小于2mm/s，通過刮刀12水平向的運動將土體刮出。刮出
4的土沿著隔板3的外側在自重的作用下進入集土閣30中。當5mm深度土體刮完后，停止刮土，刮刀12由水平向千斤頂17控制返回初始位置。刮刀由豎向千斤頂16控制下移5mm，進行下一層5mm的刮土，刮土過程同上一層相同，直至開挖深度達到第二層臨時擋板的頂面。緊接著打開控制第一道油缸18的電磁閥23，增大支撐頂進油路27油壓使得第一層支撐件21向前伸長，直接將支撐件21的端頭頂至擋墻2即停止。至此，完成開挖第一層土并加第一道支撐件21的過程，稱之為開挖步一。在開挖過程中，支撐件21的軸力可通過安裝在支撐件21頭部的軸力計39進行量測。 重復上述回縮第二道支撐件21，利用刮刀12將第二排擋片9推掉，并刮除第二層土，接著伸長第二道油缸支撐至擋墻2，完成開挖步二。同樣重復以上過程，完成開挖步三和開挖步四，直至開挖至預定最終基坑底面，試驗結束。
本發明的有益效果 本發明的離心場中微型基坑自動開挖系統，可提供在高速離心場中在狹小空間里對基坑施工過程進行較高程度的模擬。這種系統1)可承受最大離心加速度100g ;2)功能與構造緊密結合，占用空間小，可實現實際基坑施工的主要動作；3)可以通過離心機中油路對開挖及支撐進行精確控制；4)在離心場中可實現對基坑的開挖和支撐等一系列連續動作；5)本發明所需的設備均可以直接定制或購買得到，設備加工精度也能夠達到要求，因此本發明可以較易實現并應用于相關科研中。
圖1為基坑自動加支撐系統示意圖。 圖2為基坑自動加支撐系統A-A截面右視圖。 圖3為隔板擋片連接示意圖。其中(a)為垂直放置，(b)為水平放置。
圖4為擋墻構造示意圖。其中(a)為主視圖，(b)為左視圖。
圖5為基坑支撐系統工作原理圖。 圖中標號1為模型箱；2為擋墻；3為隔板；4為有機玻璃面；5為擋墻凹槽；6為擋墻凸起；7為固定部；8為分離部；9為擋片；10為凹凸榫；11為固定桿；12為刮刀；13為牽引裝置；14為開挖油路；15為刀片；16為豎向千斤頂；17為水平向千斤頂；18為油缸；19
為支撐支架；20為試驗土 ；21為支撐；22為頂進支油管；23為電磁閥；24為總油管；25為針型閥；26為壓力測量計；27為支撐頂進油路；28為支架底板；29為支架圓孔；30為集土閣；31為頂進壓力進口 ；32為回撤壓力進口 ；33為頂進分油管；34為回撤支油管；35為第一支撐回撤油路；36為第二支撐回撤油路；37為第三支撐回撤油路；38為第四支撐回撤油路；39為軸力計；40為底板；41為側向鐵板。
具體實施例方式
下面通過實施例結合實施例進一步說明本發明。 實施例1 :本離心場中微型基坑自動開挖系統，由基坑模型系統、基坑開挖系統、基坑支撐系統構成。 基坑模型系統由模型箱1、擋墻2與隔板3構成。模型箱1為中部空心的長方體結構，凈尺寸為800X160X500mm(長X寬X高)，前側面為30mm厚有機玻璃面4，長800mm，
5寬500mm。模型箱其余5個面由硬質合金鋁制作而成，壁厚30mm，均可拆卸，所有接縫用密封條密封。擋墻2位于模型箱寬度方向200mm處，采用鋁合金薄板模擬，長160mm，高360mm，厚度6mm，擋墻上預留有擋墻凹槽5，直徑15mm，用來安裝土壓與孔壓傳感器。位于擋墻上端的擋墻凸起6，長50mm，高50mm，可供非接觸式位移計測量其頂部位移。隔板3位于模型箱寬度方向150mm處，主要由固定部7和分離部8構成。固定部7下端與一個鐵質底板40垂直焊接，鐵質底板40長160mm，寬144mm，厚3mm ;鐵質底板40另一側與一個側向鐵板41垂直焊接，側向鐵板41長160mm，高400mm，厚3mm。固定部為矩形薄板，長160mm，高200mm，厚3mm，分離部8由8塊矩形擋片9構成，擋片為斜長方體形狀，每排兩塊，共四排，每個擋片9長80mm，高40mm，垂直厚度3mm。擋片9間的接觸面處加工有lmm寬的凹凸榫10，同一行的擋片9通過固定桿11相連，在土層制備時用固定桿11將分離部8固定住。隔板3在試驗土層制備時對土體提供臨時支護。 基坑開挖系統由刮刀12、定制的牽引裝置13及開挖油路14構成。刮刀呈倒T型，由鐵質圓柱軸與鐵質刀片15構成，圓柱軸直徑為4mm，下部為刀片15，刀片15長130mm，高20mm。刮刀12與定制的牽引裝置13連接，定制的牽引裝置主要包括豎向千斤頂16和水平向千斤頂17及千斤頂支架，每只千斤頂分別用一支開挖油路14提供動力并進行控制。開挖油路14由離心機總系統控制。刮刀12在千斤頂引導下進行水平和豎直運動，從而對土體進行分層開挖。刮刀12采用不銹鋼材質，試驗時在刀片15處涂抹凡士林，防止土粒粘在刮刀12上。 基坑支撐系統主要由油缸18、支撐支架19、支撐油路構成。每個水平支撐件21由一個水平向油缸18進行控制，油缸為鋁合金制成，油缸外徑25mm，壁厚2mm，活塞桿直徑10mm，有效長度200mm。利用油缸18的的活塞桿來模擬支撐件21。支撐件21沿基坑深度方向按一定的間距布置4層，4層支撐軸心分別位于基坑頂面下20mm，60mm， 100mm， 140mm處，每層由水平方向并行的2只油缸支撐件21構成，同一層支撐軸心分別位于模型箱寬度方向40mm，120mm處。支撐油路包括支撐頂進油路27、第一支撐回撤油路35 ;第二支撐回撤油路36 ;第三支撐回撤油路37 ;第四支撐回撤油路38，連同2個開挖油路，本發明共需離心機上的7個油路。 其中每道支撐件21的油缸18兩側分別有兩個開孔2mm的進油口 ，分別稱為頂進壓力進口 31和回撤壓力進口 32，頂進壓力進口 31位于擋墻2—側，每個頂進壓力進口 31分別與一根頂進支油管22相連，頂進支油管22為塑料制成，直徑2mm，同一層引出的兩根頂進支油管22通過T形接頭連接在每層的頂進分油管33上，頂進分油管33為塑料制成，直徑4mm，每根頂進分油管33分別與電磁閥23相連并單獨使用電磁閥23控制，四層電磁閥23引出的頂進分油管33然后匯在一起，通過五孔接頭連接在總油管24上，總油管24為塑料制成，直徑16mm，總油管24串接在針型閥25和壓力測量計26上，由壓力測量計26引出的總油管24最后與支撐頂進油路27相連。每層兩個回撤壓力進口 32分別通過一根直徑為4mm塑料油管連接到T形接頭上，4個T形接頭引出的回撤支油管34連接分別連接在第一支撐回撤油路35、第二支撐回撤油路36、第三支撐回撤油路37、第四支撐回撤油路38上，回撤支油管34塑料制成，直徑為4mm。支撐頂進油路27及每個支撐回撤油路分別獨立由離心機總系統控制。 油缸18由一對支撐支架19進行固定。兩個支撐支架19下端與支架底板28垂直焊接，呈U字形；支架底板為鋁合金制成，厚度3mm，長度97mm，寬160mm。支撐支架19為一鋁合金板，厚度5mm，長度160mm，高397mm，板上沿縱向中心軸對稱刻有八個直徑為25mm的支架圓孔29，中心分別位于支架頂面下20mm， 60mm， 100mm， 140mm處，長度方向分別位于40mm， 120mm處。每個油缸18的底面一側通過對應位置的圓孔29并焊接在支撐支架19上。固定部7、支架底板28、擋墻一側的支撐支架19以及模型箱兩側面形成一長方體區域，凈尺寸為160X47X194mm(長X寬X高)，稱為集土閣30，開挖的土在刮刀作用下落入集土閣30內。 以第一層為例，支撐的頂進與回撤過程如下第一層兩個支撐件21的前進是通過在離心機控制室中增加支撐頂進油路27的油壓并打開對應層支撐件21的電磁閥23來實現的。支撐件21推進力量可以通過調整支撐頂進油路油壓27進行控制。電磁閥23關閉后由于油的不可壓縮性支撐仍然保持剛性。第一層支撐的回撤需要在離心機控制室中減少支撐頂進油路27油壓并增加第一支撐回撤油路35的油壓來實現。 以上實施例是對此類系統的一般性描述，也是為了便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對本系統做出各種修改或進行調整，并把在此說明的一般構造原理應用到其他模型中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于這里所介紹的系統，本領域技術人員根據本發明的揭示，對于本發明做出的修改都應在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種離心場中微型基坑自動加支撐系統，由基坑模型系統、基坑開挖系統和基坑支撐系統構成，其特征在于基坑模型系統由模型箱(1)、擋墻(2)與隔板(3)構成，模型箱(1)為中部空心的長方體結構，擋墻(2)垂直位于模型箱(1)內，擋墻(2)上設有擋墻凹槽(5)，頂端設有擋墻凸起(6)，隔板(3)固定于模型箱(1)內，隔板(3)由固定部(7)和分離部(8)構成，固定部(7)底部與底板(40)一側垂直焊接，底板(40)另一側與側向鐵板(41)垂直焊接，呈U字形結構；分離部(8)由8塊擋片(9)構成，每排兩塊，共四排，相鄰的擋片(9)間的接觸面處設有凹凸榫(10)，同一行的擋片(9)通過固定桿(11)相連，在土層制備時用固定桿(11)將分離部(8)固定住；基坑開挖系統由刮刀(12)、牽引裝置(13)及開挖油路(14)構成，刮刀(12)呈倒T型，下部為刀片(15)，刮刀(12)與牽引裝置(13)連接，牽引裝置(13)包括豎向千斤頂(16)和水平向千斤頂(17)，豎向千斤頂(16)和水平向千斤頂(17)均連接開挖油路(14)，由開挖油路(14)提供動力并進行控制，開挖油路(14)由離心機總系統控制；支撐系統由油缸(18)、支撐支架(19)、支撐件(21)和支撐油路構成，支撐油路包括支撐頂進油路和支撐回撤油路，支撐支架(19)為兩個，兩個支撐支架(19)的一端分別固定于支架底板(28)兩端，支架底板(28)位于模型箱(1)內底部一側，油缸(18)的兩端分別固定于兩個支撐支架(19)上，支撐件(21)通過油缸(18)的活塞桿連接油缸(18)，油缸(18)兩側分別設有頂進壓力進口(31)和回撤壓力進口(32)，頂進壓力進口(31)連接頂進支油管(22)，頂進支油管(22)通過電磁閥(23)連接頂進分油管(33)，頂進分油管(33)連接總油管(24)，總油管(24)通過針型閥(25)、壓力測量計(26)連接支撐頂進油路，回撤壓力進口(32)通過回撤支油管連接支撐回撤油路。
2. 根據權利要求l所述的離心場中微型基坑自動加支撐系統，其特征在于支撐件(21)沿基坑深度方向分布有4道，每道由水平方向并行的2個支撐件(21)構成，每個支撐件(21)均連接相應的油缸(18)的活塞桿。
3. 根據權利要求1所述的離心場中微型基坑自動加支撐系統，其特征在于支撐頂進油路(27)及支撐回撤油路分別連接離心機總系統控制器。
4. 根據權利要求l所述的離心場中微型基坑自動加支撐系統，其特征在于固定部(7)、支架底板(28)、擋墻一側的支撐支架(19)以及模型箱兩側面形成一長方體區域為集土閣(30)。
5. 根據權利要求l所述的離心場中微型基坑自動加支撐系統，其特征在于模型箱(1)前側面采用有機玻璃面(4)，其余5個面均可拆卸，6個面的連接處采用密封條密封。
全文摘要
本發明屬巖土及地下工程中的基坑工程領域，具體涉及一種離心場中微型基坑自動加支撐系統。由基坑模型系統、基坑開挖系統、基坑支撐系統構成。模型箱為長條形，一側有機玻璃，可拆卸；擋墻采用鋁合金薄板模擬，其上留有凹槽與凸起；隔板由固定部和分離部構成。分離部由四排擋片構成，每排兩塊。基坑開挖系統由刮刀、定制的牽引裝置及開挖油路構成。刮刀呈倒T型，下部為刀片；定制的牽引裝置主要為豎向千斤頂和水平向千斤頂，由開挖油路提供動力；基坑支撐系統由油缸、支架、支撐油路構成，每個水平支撐件由一個水平向油缸進行控制，利用油缸的活塞桿來模擬支撐，油缸利用電磁閥及油路實現支撐頂進與回撤過程。本發明可在高速離心場中實現基坑自動開挖并加支撐模擬過程，在實驗室中較好地再現實際土體應力水平及基坑工程施工流程，能夠得出符合實際的工程規律。
文檔編號E02D17/00GK101787714SQ201010109180
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者劉朝明, 張海華, 王志秀, 王磊, 馬忠政, 馬險峰 申請人:同濟大學;上海申通地鐵集團有限公司