一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置。包括模型箱、若干對稱面擋土單元、擋土墻、若干支撐單元和支撐反力架；模型箱包括模型箱框架、鋼化玻璃和模型箱底板；對稱面擋土單元為U型不銹鋼條，用于臨時支擋基坑被動側未開挖土體，通過螺栓固定在模型箱框架上；擋土墻中部開有螺紋孔，通過螺紋孔螺紋連接安裝支撐單元所需的固定螺栓；所述支撐反力架由前后兩塊梯形鋼板、下部及左右三塊矩形鋼板焊接而成，設置在模型箱一側。本發明裝置可模擬實際基坑開挖工程的各個施工工況，確保了模擬試驗的準確性。本發明能實現基坑開挖全過程的試驗模擬，為基坑開挖問題的理論研究提供有效的試驗數據支持，并為相關基坑工程的設計和施工提供一定參考意見。
【專利說明】
一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，特別是涉及基坑開挖各個施工工況模擬的模型試驗裝置，可用于量測不同基坑開挖工況下基坑土壓力和基坑變形問題。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著城市人口的急劇增長，城市建設快速發展，深基坑工程日趨增多，基坑工程面臨深度深、平面規模大、周圍環境復雜的新趨勢。基坑開挖引起的基坑變形和失穩問題是深基坑設計和施工中被高度關注和重視的工程問題。采用室內土工模型試驗的方法模擬基坑開挖，在巖土工程領域得到了廣泛的應用。其中，如何通過基坑模型試驗客觀準確地模擬基坑開挖過程中的各個施工工況是迫切需要解決的問題。
[0003]在基坑模型試驗中，大多數研究針對每一級開挖和加撐完成工況下的基坑受力和變形情況展開，未考慮基坑在開挖或加撐過程中基坑的受力和變形情況。在考慮基坑開挖過程的模型試驗中，有研究采用卸載等體積等重量的土袋(Azevedo RF.Centrifuge andAnalytical Modelling of Excavat1n in Sand.PhD thesis,University of Colorado,Boulder，C0，USA，1983.)或排放代土液體(Bolton MD and Powrie ff.The collapse ofdiaphragm walls retaining clay.Geotechnique，1987,37(3):335-353.)等方法模擬土體開挖卸載，此類方法不能準確模擬基坑開挖引起的土體中應力場的改變，與實際基坑開挖引起的基坑受力和變形情況仍存在一定的差異。大量模擬基坑開挖的模型試驗采用預先埋設安裝好支撐的擋土墻的方法，直接開挖基坑土體，不需要再進行加撐操作，該方法較為簡單，但預置的所有內支撐都將在整個開挖過程中受力，顯然與實際工程的基坑受力情況不相符合，也無法準確模擬基坑開挖過程中未加撐情況下基坑的受力和變形情況。目前有研究采用液壓千斤頂向擋土墻支架施加力的方法模擬支撐的安裝，該方法采用液壓裝置較復雜，當基坑開挖寬度較大時該方法并不適用。另外絕大多數基坑開挖模型的開挖對稱面是垂直固定的擋板，通過向下抓土或掏土實現基坑開挖，該方法不能清晰界定開挖土層，會擾動未開挖的土體;該方法繁瑣，不易操作，特別是基坑開挖模型的尺寸較大或需要開挖的土體較多時，試驗操作的工作量相當大。因此，如何實現準確地土體開挖和支撐安裝是基坑開挖模型試驗中需要解決的重點問題。
[0004]在實際工程中，當場地水文地質條件、基坑開挖深度和施工環境相同的情況下，設計的基坑擋土墻的厚度和入土深度一般是相同的，但根據建筑物規模所設計的基坑尺寸(基坑寬度)差異較大，為能夠盡可能全面簡便地通過同一土工模型試驗實現對不同寬度基坑開挖的模擬，盡量減少對試驗裝置的改裝，節約試驗成本和模型制作時間，因此需要可調節長度的支撐來實現不同寬度基坑開挖全過程的模擬。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，解決了有效準確模擬基坑開挖各個施工工況，及量測各工況下基坑土壓力、擋土墻位移和基坑變形，整理相關試驗數據并確定基坑受力和變形發展規律等問題。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，包括模型箱、若干對稱面擋土單元、擋土墻、若干支撐單元和支撐反力架五個部分；所述模型箱包括模型箱框架、鋼化玻璃和模型箱底板，所述模型箱框架的底部固定模型箱底板，前后兩個側面固定鋼化玻璃，通過鋼化玻璃可方便觀測試驗中擋土墻的位移和基坑變形;所述模型箱底板固定在模型箱底座上;所述對稱面擋土單元為U型不銹鋼條，用于臨時支擋基坑被動側未開挖土體，通過螺栓固定在模型箱框架上;所述擋土墻上部通過支架固定螺栓固定擋土墻支架，中部開有螺紋孔，通過螺紋孔螺紋連接安裝支撐單元所需的固定螺栓;所述支撐反力架由前后兩塊梯形鋼板、下部及左右三塊矩形鋼板焊接而成，設置在模型箱一側，固定于模型箱底座上。
[0007]進一步地，所述支撐單元包括實心鋁桿、伸縮桿和螺栓;所述實心鋁桿上開有若干凹槽，一端具有內螺紋口 ；所述伸縮桿為空心鋁管，伸縮桿上開有若干螺紋孔;所述螺栓穿過伸縮桿上的螺紋孔抵住實心鋁桿的凹槽，使得實心鋁桿和伸縮桿緊密連接。
[0008]進一步地，所述支撐單元包括第一支撐桿、第二支撐桿和套筒;所述第一支撐桿的一端具有外螺紋;所述第二支撐桿的一端具有內螺紋口，另一端具有外螺紋;所述套筒具有內螺紋通道，一端螺紋連接第一支撐桿，另一端螺紋連接第二支撐桿。
[0009]進一步地，所述擋土墻的兩側面粘貼軟毛刷條并涂抹凡士林，對其與模型箱前后兩側的鋼化玻璃之間縫隙進行密封和潤滑。
[0010]進一步地，所述模型箱底板和支撐反力架均通過四周點焊固定于由工字鋼焊接而成的模型箱底座上。
[0011]進一步地，所述模型箱框架和模型箱底板均為不銹鋼板;所述擋土墻為鋁板，其厚度由試驗模擬的擋土墻剛度確定;所述擋土墻支架為不銹鋼條。
[0012]進一步地，所述支撐反力架為空心箱體，可根據支撐傳遞力的大小向其中填充重物，保證足夠的支反力。
[00?3]進一步地，在模型箱內填筑通過砂雨法饒制得到的試驗土體。
[0014]進一步地，所述擋土墻在整個試驗過程中與模型箱兩側的鋼化玻璃垂直。
[0015]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0016]1、本發明可以同時模擬基坑開挖和加撐工序，得到基坑開挖和支撐安裝過程中所引起的基坑應力場的變化，相比與傳統基坑模型試驗只考慮基坑開挖至某一深度或加撐完成的特定狀態開展研究，更全面、準確地反映基坑開挖和支撐安裝過程中基坑受力和基坑變形的響應情況。
[0017]2、本發明采用可拆卸的對稱面擋土單元，臨時支擋基坑被動區未開挖的土體，可在開挖每層土體前預先拆除對稱面擋土單元，通過向基坑開挖對稱面卸土的方法進行基坑開挖，相比與傳統向下掏土取土的方法，本發明可明確每一層開挖土層不影響未開挖的，操作方便，大大減少了基坑開挖卸土的工作量。
[0018]3、本發明采用可伸縮支撐元件，可以模擬不同寬度的基坑開挖試驗，相比與傳統的基坑開挖模型試驗采用固定長度的支撐或者可伸縮支撐僅用于實現支撐安裝的實驗思路，可采用同一套試驗裝置開展多組不同寬度的基坑開挖試驗，減少了對試驗裝置的改裝，節約了試驗成本和模型制作時間，工作原理簡單，操作方便，具有很大的實用性。
[0019]4、本發明可以準確模擬基坑開挖過程中的加撐工序，內支撐安裝過程中不會對基坑未開挖的土體有擾動影響；內支撐與擋土墻之間通過螺紋固定連接，較之傳統的基坑模型試驗將內支撐架設在擋土墻上或者直接抵住擋土墻實現加撐的方法，更能客觀地反映實際基坑工程開挖時的加撐情況;通過控制實心鋁桿直徑和空心鋁桿壁厚來實現基坑內支撐剛度的模擬，更加客觀地反映了內支撐對基坑開挖的工程影響。。
[0020]5、本發明可根據土工模型試驗的需求，調整內支撐元件的數量，以及擋土墻上的內支撐固定螺栓的位置和數量，模擬不同基坑的開挖情況。
【附圖說明】
[0021]圖1(a)為采用第一類支撐的可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置側視圖。
[0022]圖1(b)為采用第二類支撐的可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置側視圖。
[0023]圖2(a)為采用第一類支撐的可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置俯視圖。
[0024]圖2(b)為采用第二類支撐的可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置俯視圖。
[0025]圖3為基坑開挖對稱面示意圖。
[0026]圖4為擋土墻示意圖。
[0027]圖5(a)為擋土墻和第一類支撐的支撐安裝示意圖。
[0028]圖5(b)為擋土墻和第二類支撐的支撐安裝示意圖。
[0029]圖中:模型箱I；模型箱框架1-1;鋼化玻璃1-2;模型箱底板1-3;模型箱底座1_4;對稱面擋土單元2 ；固定對稱面擋土單元的螺栓3 ；擋土墻4 ；軟毛刷條4-1 ；擋土墻支架5 ；支架固定螺栓6 ；支撐固定螺栓7 ；支撐8;實心鋁桿8-1 ；空心鋁桿8-2 ；第一支撐桿8-4 ；第二支撐桿8-5;套筒8-6;支撐連接螺栓8-3;支撐反力架9;試驗土體10。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0031]如圖1(a)、圖1(b)、圖2(a)、圖2(b)所示，本發明可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，包括模型箱1、若干對稱面擋土單元2、擋土墻4、若干支撐單元8和支撐反力架9五個部分。
[0032]所述模型箱I包括模型箱框架1-1、鋼化玻璃1-2和模型箱底板1-3，所述模型箱框架1-1由20mm厚的尚強度不鎊鋼條和3mm厚的尚強度不鎊鋼板焊接而成，在I旲型箱I BU后兩側的不銹鋼條上開槽，所述模型箱框架1-1的底部固定模型箱底板1-3，模型箱底板1-3為3_厚的高強度不銹鋼板;前后兩個側面嵌固20_厚鋼化玻璃1-2，通過鋼化玻璃1-2可方便觀測試驗中擋土墻4的位移和基坑變形;所述擋土墻4在整個試驗過程中與模型箱I兩側的鋼化玻璃1-2垂直。所述模型箱底板1-3固定在模型箱底座1-4上;所述模型箱底座1-4由10#工字鋼焊接而成，一是作為模型箱的底座承受上部荷載并均勻傳遞至地面，二是用于固定模型箱主體和支撐反力架9等上部構件;所述對稱面擋土單元2為1mm厚的U型不銹鋼條，用于臨時支擋基坑被動側未開挖土體，通過螺栓3固定在模型箱框架1-1上;所述擋土墻4上部通過支架固定螺栓6固定擋土墻支架5，中部開有螺紋孔，通過螺紋孔螺紋連接安裝支撐單元8所需的固定螺栓7;所述支撐反力架9由前后兩塊梯形鋼板、下部及左右三塊矩形鋼板焊接而成，撐反力架9為空心箱體，可根據支撐傳遞力的大小向其中填充重物，保證足夠的支反力，支撐反力架9設置在模型箱I 一側，固定于模型箱底座1-4上。在模型箱I內填筑通過砂雨法饒制得到的試驗土體10。
[0033]如圖3所示，所述對稱面擋土單元2的寬度可根據需要模擬的開挖土層厚度進行調整;所述固定對稱面擋土單元2的螺栓3的尺寸為M8，焊接固定于模型箱框架1-1上；
[0034]如圖4所示，所述擋土墻4為一定厚度的鋁板，其厚度由試驗模擬的擋土墻剛度計算得到;所述擋土墻4的上部為擋土墻支架5，中部設有安裝支撐所需的固定螺栓7;所述擋土墻支架5為I Omm厚的不銹鋼條，通過尺寸為M8的支架固定螺栓6與擋土墻4連接;所述擋土墻4的左右兩側面可粘貼軟毛刷條4-1并涂抹凡士林，對其與模型箱I的前后兩側鋼化玻璃
1-2之間縫隙進行密封和潤滑。
[0035]如圖5(a)、圖5(b)所示，所述支撐固定螺栓7的尺寸為M8，通過擋土墻4上的螺紋孔，擰緊固定于擋土墻4上。所述支撐8可采用以下兩種形式:
[0036]—、所述支撐單元8包括實心鋁桿8-1、伸縮桿8-2和螺栓8-3;所述實心鋁桿8-1上開有若干凹槽，一端具有內螺紋口 ；所述伸縮桿8-2為空心鋁管，伸縮桿8-2上開有若干螺紋孔;所述螺栓穿過伸縮桿8-2上的螺紋孔抵住實心鋁桿8-1的凹槽，使得實心鋁桿8-1和伸縮桿8-2緊密連接。所述實心鋁桿8-1的直徑和空心鋁桿8-2的厚度均由試驗模擬的支撐剛度計算得到;所述螺栓8的尺寸可選擇M6，通過空心鋁桿8-2的螺紋孔進入實心鋁桿8-1上的凹槽連接實心鋁桿8-1和空心鋁桿8-2，使之在試驗過程中不發生滑動。
[0037]二、所述支撐單元8包括第一支撐桿8-4、第二支撐桿8-5和套筒8-6;所述第一支撐桿8-4的一端具有外螺紋;所述第二支撐桿8-5的一端具有內螺紋口，另一端具有外螺紋;所述套筒8-6具有內螺紋通道，一端螺紋連接第一支撐桿8-4，另一端螺紋連接第二支撐桿8-5。
[0038]本發明的工作過程如下:首先將擋土墻4和擋土墻支架5通過支架固定螺栓6連接組裝好;而后在擋土墻4上安裝好土壓力盒，兩側粘貼軟毛刷條4-1，在軟毛刷條4-1上涂抹凡士林并覆蓋上一層塑料薄膜;將組裝好的擋土墻4通過擋土墻支架5架設在模型箱I內，保證擋土墻4與模型箱I兩側的鋼化玻璃1-2垂直;在基坑開挖模型的對稱面處安裝對稱面擋土單元2，通過固定對稱面擋土單元的螺栓3固定于模型箱I上；采用砂雨法饒制試驗土樣10，通過控制落砂裝置篩孔網片與試驗土樣表面的高差以獲得模型試驗所需的土體密實度;試驗土樣10澆制完成后，安裝好監測擋土墻4位移和基坑變形的位移傳感器;拆除第一節對稱面擋土單元，通過向基坑開挖對稱面卸土的方法緩慢開挖擋土墻4左側的土體;開挖至第一道支撐設計位置下方時，安裝第一道支撐，通過支撐8—端的內螺紋與擋土墻4上的支撐固定螺栓7連接，通過調整支撐8的長度使之頂緊反力架9，完成支撐8的安裝。完成第一道支撐安裝之后繼續開挖土體，采用相同的方法安裝支撐，直至基坑開挖完成。在整個基坑土體開挖和支撐安裝過程中，監測基坑土壓力、擋土墻位移和基坑變形情況，收集和整理試驗數據，獲得開挖全過程的基坑受力和基坑變形的規律。
【主權項】
1.一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，其特征在于，包括模型箱(I)、若干對稱面擋土單元(2)、擋土墻(4)、若干支撐單元(8)和支撐反力架(9)五個部分;所述模型箱(I)包括模型箱框架(1-1 )、鋼化玻璃(1-2)和模型箱底板(1-3)，所述模型箱框架(1-1)的底部固定模型箱底板(1-3)，前后兩個側面固定鋼化玻璃(1-2)，通過鋼化玻璃(1-2)可方便觀測試驗中擋土墻(4)的位移和基坑變形;所述模型箱底板(1-3)固定在模型箱底座(1-4)上;所述對稱面擋土單元(2)為U型不銹鋼條，用于臨時支擋基坑被動側未開挖土體，通過螺栓(3)固定在模型箱框架(1-1)上；所述擋土墻(4)上部通過支架固定螺栓(6)固定擋土墻支架(5)，中部開有螺紋孔，通過螺紋孔螺紋連接安裝支撐單元(8)所需的固定螺栓(7);所述支撐反力架(9)由前后兩塊梯形鋼板、下部及左右三塊矩形鋼板焊接而成，設置在模型箱(I)一側，固定于模型箱底座(1-4)上。2.根據權利要求1所述的一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述支撐單元(8)包括實心鋁桿(8-1)、伸縮桿(8-2)和螺栓(8-3);所述實心鋁桿(8-1)上開有若干凹槽，一端具有內螺紋口；所述伸縮桿(8-2)為空心鋁管，伸縮桿(8-2)上開有若干螺紋孔;所述螺栓穿過伸縮桿(8-2)上的螺紋孔抵住實心鋁桿(8-1)的凹槽，使得實心鋁桿(8-1)和伸縮桿(8-2)緊密連接。3.根據權利要求1所述的一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述支撐單元(8)包括第一支撐桿(8-4)、第二支撐桿(8-5)和套筒(8-6);所述第一支撐桿(8-4)的一端具有外螺紋;所述第二支撐桿(8-5)的一端具有內螺紋口，另一端具有外螺紋;所述套筒(8-6)具有內螺紋通道，一端螺紋連接第一支撐桿(8-4)，另一端螺紋連接第二支撐桿(8-5)ο4.根據權利要求1所述的一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述擋土墻(4)的兩側面粘貼軟毛刷條(4-1)并涂抹凡士林，對其與模型箱(I)前后兩側的鋼化玻璃(1-2)之間縫隙進行密封和潤滑。5.根據權利要求1所述的一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述模型箱底板(1-3)和支撐反力架(9)均通過四周點焊固定于由工字鋼焊接而成的模型箱底座(1-4)上。6.根據權利要求1所述的一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述模型箱框架(1-1)和模型箱底板(1-3)均為不銹鋼板;所述擋土墻(4)為鋁板，其厚度由試驗模擬的擋土墻剛度確定;所述擋土墻支架(5)為不銹鋼條。7.根據權利要求1所述的一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述支撐反力架(9)為空心箱體，可根據支撐傳遞力的大小向其中填充重物，保證足夠的支反力。8.根據權利要求1所述的一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，其特征在于，在模型箱(I)內填筑通過砂雨法饒制得到的試驗土體(10)。9.根據權利要求1所述的一種可模擬開挖過程的基坑模型試驗裝置，其特征在于，所述擋土墻(4)在整個試驗過程中與模型箱(I)兩側的鋼化玻璃(1-2)垂直。
【文檔編號】G01N33/24GK105842421SQ201610201910
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】應宏偉, 章麗莎, 魏驍, 張金紅, 沈華偉, 王小剛, 朱成偉
【申請人】浙江大學