一种超重力环境下卷板式基坑开挖模拟装置的制作方法

本实用新型属于超重力离心模型试验装置领域，尤其是涉及一种超重力环境下卷板式基坑开挖模拟装置。

背景技术：

在深基坑土方开挖施工过程中，需要充分考虑时空效应，土方应分层、分区、对称、匀衡的开挖，来防止土体应力、强度急剧降低，使基坑边坡发生局部破坏或整体失稳、滑移，支护结构倾斜、下陷以致倒塌。在土工模型试验过程中，怎样精确模拟分层开挖的过程成为影响此类基坑开挖试验结果的重要环节。

传统的基坑开挖模拟方法可归纳为抓斗法、排重液法和砂囊法三种，但都存在各自的问题和局限性，具体说明如下：

(1)抓斗法。抓斗的形状与港口爪机的抓斗类似，存在的缺点有：①由于机械抓斗结构形式的限制，造成底部开挖面凹凸不平；②时空上由于开挖区域存在先后顺序，造成整个开挖面应力分布不均；③开挖深度难以精确控制，难以模拟薄层开挖的施工状态；④整个开挖过程耗时较长，试验效率较低。

(2)排重液法。排重液法一般需要按照设计尺寸，在土体模型表面预先挖出基坑，并制作柔性硅胶盒放入基坑中，并使用排液管路将硅胶囊连接到模型箱外，通过排空硅胶囊内重液的方法试验基坑开挖的模拟。此种做法存在很多缺点：①重液为ZnCl2液体，具有毒性，对人体健康损害较大；②此方法仅适用于特殊的模型土，如具有一定强度的粘土；③排液管路贯穿于土体模型中，对土体强度影响较大；④需要另外的阀门来控制管路的通断，试验中可能存在无法打开的风险，降低了试验的成功率。

(3)砂囊法。砂囊法与排重液法相似，需要预先挖出基坑，制作有硬质外壳的沙袋放入其中，试验中通过将沙袋逐一吊出而实现基坑的分层开挖。此种方法的缺点是：①仅适用于特殊的模型土，如具有一定强度的粘土；②开挖的深度固定，且较大，无法实现动态或者较小深度的开挖。

综上所述，在土工离心模型试验领域急需研制一套能灵活调节开挖深度、可适应多种土质、符合现场实际情况、简单可靠的基坑开挖模拟装置。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种超重力环境下卷板式基坑开挖模拟装置，针对超重力环境下基坑开挖模拟的试验要求，通过控制活动闸门的高度灵活调节基坑开挖时每层的深度；在有限的工作空间下，通过滑轮组牵引的方式实现了闸门大行程的开启，有利于模拟更大深度的基坑开挖；卷板结构既能在超重力环境下克服巨大土压力带来的形变又能灵活的实现卷板结构的翻转，满足不同工况下的基坑开挖需求尤其是超重力环境下的基坑开挖试验模拟需求。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种超重力环境下卷板式基坑开挖模拟装置，包括模型箱体和卷板式模拟结构，模型箱体为上端开口的矩形箱体，卷板式模拟结构设置在模型箱体内，且将模型箱体分割成左右两部分，模型箱体左部分放置土体，卷板式模拟结构包括平行设置的卷板支撑板和闸门支撑板以及位于两者之间的活动闸门，卷板支撑板上设置有若干可转动的卷板结构，活动闸门可在钢丝绳导向机构的带动下上升和下降，随着活动闸门向下移动，位于其左边的卷板结构依次向右转动，土体通过卷板结构转动后产生的缝隙掉落进入到模型箱体右侧。通过控制活动闸门的高度可以灵活调节基坑开挖时每层的高度。

进一步的，所述钢丝绳导向机构设置在模型箱体右侧内，钢丝绳导向机构包括钢丝绳和滑轮组，滑轮组包括上滑轮组和下滑轮组，上滑轮组通过滑轮组支撑板设置在模型箱体上端，下滑轮组设置在模型箱体的底部，钢丝绳的一端连接活动闸门的上端，然后通过上滑轮组、下滑轮组后穿出模型箱体，与闸门移动装置相连，闸门移动装置拉动钢丝绳实现活动闸门的上下移动。在有限的工作空间下，通过滑轮组牵引的方式实现了活动闸门大行程的开启，有利于模拟更大深度的基坑开挖；该卷板结构既能在超重力环境下克服巨大土压力带来的形变又能灵活的实现卷板结构的翻转。

进一步的，所述模型箱体包括前板、左侧板、右侧板、背板以及底板，前板开口，开口处设置有机玻璃视窗，有机玻璃视窗的周边通过有机玻璃盖板固定在前板上，位于模型箱体右侧的前板上开设有出砂口和钢丝绳出口，模型箱体左侧上方可拆卸的设置有位移传感器。

进一步的，所述卷板支撑板上开设有卷板安装口，卷板结构设置在卷板安装口内，卷板活动单元转动轴穿过卷板结构后两端设置在卷板安装口的两侧，卷板结构通过卷板活动单元转动轴与卷板支撑板转动连接。

进一步的，所述卷板结构的上端设置有可供卷板活动单元转动轴穿过的安装孔，卷板活动单元转动轴穿过安装孔后可实现卷板结构的转动，由于卷板结构在试验起初时，模型箱体左侧为土体，因此卷板结构的左侧有土体的支撑，卷板结构的右侧为活动闸门，因此，活动闸门在未开始试验时对卷板结构起到了支撑的作用。当试验开始后，活动闸门往下移动，卷板结构的右侧失去了支撑，因此卷板结构就会往右侧转动，卷板结构转动后的左侧的土体就会掉落在模型箱体右侧。

进一步的，所述还包括闸门移动装置，闸门移动装置包括支撑框架、伺服电机、滚珠丝杠、导向轴和钢丝绳拖动连接板，伺服电机设置在支撑框架外，滚珠丝杠、导向轴和钢丝绳拖动连接板设置在支撑框架内，滚珠丝杠和导向轴相互平行且均穿过钢丝绳拖动连接板，导向轴与钢丝绳拖动连接板之间通过直线轴承连接，伺服电机与滚珠丝杠相连，钢丝绳拖动连接板上设置有与钢丝绳连接的钢丝绳连接件。

进一步的，所述还包括储砂箱，储砂箱为上端开口的箱体，储砂箱紧贴模型箱体设置，且模型箱体右侧的土体通过模型箱体的前板的出砂口再经过设置在储砂箱后板上的连接口后进入到储砂箱内，连接口和出砂口的尺寸相同。出砂口和连接口均为直角四边形。

进一步的，所述下滑轮组上面盖有装砂箱底部支撑板，装砂箱底部支撑板使得下滑轮组与掉落在模型箱体右侧的土体避免接触。

进一步的，所述滑轮组支撑板和砂箱底部支撑板之间设置有钢丝绳套管，钢丝绳经过上滑轮组后穿过滑轮组支撑板，进入钢丝绳套管，然后穿过砂箱底部支撑板，通过下滑轮组后与闸门移动装置相连。

进一步的，出砂口和连接口的高度均为h，出砂口所在的前板与连接口所在的储砂箱的后板厚度总和为D，满足h/D大于土壤休止角的正切值。

进一步的，所述闸门支撑板位于活动闸门移动过的区域均为开口，即模型箱体左侧的土体通过转动的卷板结构后通过闸门支撑板掉落在模型箱体右侧。

进一步的，所述活动闸门上端的对称设置有两个钢丝绳连接件，活动闸门上设置有若干闸门减重孔，活动闸门的两侧设置有活动摩擦片。

进一步的，所述上滑轮组和下滑轮组均设有两组，钢丝绳的端部连接活动闸门的两端。

模型箱体上端开口的两侧设置有T型导轨，模型箱体左侧上方的位移传感器通过位移传感器安装支架固定，且位移传感器安装支架通过螺栓固定设置在T型导轨上，能够在试验时更加灵活的调节位移传感器的测量位置。

伺服电机上设置有直角减速器，直角减速器与滚珠丝杠之间通过联轴器相连。

本实用新型的工作原理：

本装置放置在土工离心机工作吊篮平台上，模型箱体左侧空腔内填筑模型地基土体，为保证模型箱体的卷板结构顺利翻转，在试验开始前将第一层卷板结构向右翻折，活动闸门顶部支撑住第一层翻折后的卷板结构，并使第一层卷板结构与活动闸门(卷板支撑板)保持垂直；通过伺服电机带动钢丝绳拖动连接板往模型箱体前板方向运动，钢丝绳通过钢丝绳导向机构带动活动闸门向下移动到第二块卷板结构的位置，第二块卷板结构在离心力作用下顺利翻折，配合离心机机械手刮板，对模型地基进行第一次开挖；通过T型导轨上架设的位移传感器可以监测出第一次基坑开挖时，基坑外部的地基土体的沉降情况；重复以上动作，进行更深土层的开挖。

基坑开挖出的模型土一部分由装砂箱底部支撑板、模型箱侧板、模型箱前板、模型箱背板和闸门支撑板组成的空腔装纳，另一部分模型土从出砂口流入储砂箱中。

在超重力土工离心机中，工作空间比较有限，需要将活动闸门拖动装置的长度方向安装模型箱体的宽度方向上，本装置将钢丝绳一端连接活动闸门，另一端连接闸门移动装置的钢丝绳拖动连接板，通过安装在滑轮组支撑板上的滑轮以及装砂箱底部支撑板上的滑轮实现拖动力的换向。

闸门拖动装置由伺服电机驱动，伺服电机经直角减速降速后带动滚珠丝杠传动结构旋转运动，滚珠丝杠结构将旋转运动转换成直线运动，并带动钢丝绳拖动连接板顺着导向轴水平运动。

相对于现有技术，本实用新型所述的超重力环境下卷板式基坑开挖模拟装置具有以下优势：

本实用新型所述的超重力环境下卷板式基坑开挖模拟装置，通过控制活动闸门的高度可以灵活调节基坑开挖时每层的高度；在有限的工作空间下，通过滑轮组牵引的方式实现了闸门大行程的开启，有利于模拟更大深度的基坑开挖；该卷板结构既能在超重力环境下克服巨大土压力带来的形变又能灵活的实现卷板结构的翻转；位于模型箱体顶部的T型导轨结构能够在试验时更加灵活的调节位移传感器的测量位置，综上，该装置功能完善、安装方便、安全可靠，可以满足在超重力环境下基坑开挖模拟的需要。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的超重力环境下卷板式基坑开挖模拟装置的整体立体结构示意图；

图2为图1去除前板后的立体结构示意图；

图3为图2去除了储砂箱后的立体结构示意图；

图4为本实用新型实施例所述的模型箱体的立体结构示意图；

图5为本实用新型实施例所述的钢丝绳导向机构的立体结构示意图；

图6为本实用新型实施例所述的卷板式模拟结构的立体结构示意图；

图7为本实用新型实施例所述的卷板式模拟结构的立体结构示意图；

图8为本实用新型实施例所述的活动闸门的立体结构示意图；

图9为本实用新型实施例所述的闸门移动装置的立体结构示意图；

图10为本实用新型实施例所述的卷板结构的立体结构示意图；

图11为本实用新型实施例所述的若干卷板结构连接的结构的立体结构示意图；

图12为本实用新型实施例所述的T型导轨的立体结构示意图。

附图标记说明：

1-模型箱体；101-前板；102-左侧板；103-右侧板；104-背板；105-底板；106-有机玻璃视窗；107-有机玻璃盖板；108-出砂口；109-钢丝绳出口；2-卷板式模拟结构；201-卷板支撑板；202-闸门支撑板；203-活动闸门；204-卷板结构；205-卷板活动单元转动轴；3-钢丝绳导向机构；301-钢丝绳；302-上滑轮组；303-下滑轮组；304-滑轮组支撑板；305-装砂箱底部支撑板；306-钢丝绳套管；4-闸门移动装置；401-支撑框架；402-伺服电机；403-滚珠丝杠；404-导向轴；405-钢丝绳拖动连接板；406-直线轴承；5-储砂箱。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，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，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1-12所示，一种超重力环境下卷板式基坑开挖模拟装置，包括模型箱体1和卷板式模拟结构2，模型箱体1为上端开口的矩形箱体，卷板式模拟结构2设置在模型箱体1内，且将模型箱体1分割成左右两部分，模型箱体1左部分放置土体，卷板式模拟结构2包括平行设置的卷板支撑板201和闸门支撑板202以及位于两者之间的活动闸门203，卷板支撑板201上设置有若干可转动的卷板结构204，活动闸门203可在钢丝绳导向机构3的带动下上升和下降，随着活动闸门203向下移动，位于其左边的卷板结构204依次向右转动，土体通过卷板结构204转动后产生的缝隙掉落进入到模型箱体1右侧。

上述钢丝绳导向机构3设置在模型箱体1右侧内，钢丝绳导向机构3包括钢丝绳301和滑轮组，滑轮组包括上滑轮组302和下滑轮组303，上滑轮组302通过滑轮组支撑板304设置在模型箱体1上端，下滑轮组303设置在模型箱体1的底部，钢丝绳301的一端连接活动闸门203的上端，然后通过上滑轮组302、下滑轮组303后穿出模型箱体1，与闸门移动装置4相连，闸门移动装置4拉动钢丝绳301实现活动闸门203的上下移动。

上述模型箱体1包括前板101、左侧板102、右侧板103、背板104以及底板105，前板101开口，开口处设置有机玻璃视窗106，有机玻璃视窗106的周边通过有机玻璃盖板107固定在前板101上，位于模型箱体1右侧的前板101上开设有出砂口108和钢丝绳出口109，模型箱体1左侧上方可拆卸的设置有位移传感器。

上述卷板支撑板201上开设有卷板安装口，卷板结构204设置在卷板安装口内，卷板活动单元转动轴205穿过卷板结构204后两端设置在卷板安装口的两侧，卷板结构204通过卷板活动单元转动轴205与卷板支撑板201转动连接。

上述卷板结构204的上端设置有可供卷板活动单元转动轴205穿过的安装孔，卷板活动单元转动轴205穿过安装孔后可实现卷板结构204的转动，由于卷板结构204在试验起初时，模型箱体1左侧为土体，因此卷板结构204的左侧有土体的支撑，卷板结构204的右侧为活动闸门203，活动闸门203在未开始试验时位于卷板结构204的右侧，因此对于卷板结构204也是起到了支撑的作用。当试验开始后，活动闸门203往下移动，卷板结构204的右侧没有支撑，因此就会往右侧转动，卷板结构204转动后的左侧的土体就会掉落在模型箱体1右侧。

上述还包括闸门移动装置4，闸门移动装置4包括支撑框架401、伺服电机402、滚珠丝杠403、导向轴404和钢丝绳拖动连接板405，伺服电机402设置在支撑框架401外，滚珠丝杠403、导向轴404和钢丝绳拖动连接板405设置在支撑框架401内，滚珠丝杠403和导向轴404相互平行且均穿过钢丝绳拖动连接板405，导向轴404与钢丝绳拖动连接板405之间通过直线轴承406连接，伺服电机402与滚珠丝杠403相连，钢丝绳拖动连接板405上设置有与钢丝绳301连接的钢丝绳连接件。

上述还包括储砂箱5，储砂箱5为上端开口的箱体，储砂箱5紧贴模型箱体1设置，且模型箱体1右侧的土体通过模型箱体1的前板101的出砂口108再经过设置在储砂箱5后板上的连接口后进入到储砂箱5内，连接口和出砂口108的尺寸相同。

上述下滑轮组303上面盖有装砂箱底部支撑板305，装砂箱底部支撑板305使得下滑轮组303与掉落在模型箱体1右侧的土体避免接触。

上述滑轮组支撑板304和砂箱底部支撑板305之间设置有钢丝绳套管306，钢丝绳301经过上滑轮组302后穿过滑轮组支撑板304，进入钢丝绳套管306，然后穿过砂箱底部支撑板305，通过下滑轮组303后与闸门移动装置4相连。

上述出砂口108和连接口的高度均为h，出砂口108所在的前板101与连接口所在的储砂箱的后板厚度总和为D，满足h/D大于土壤休止角的正切值。

上滑轮组302和下滑轮组303均设有两组，钢丝绳301的端部连接活动闸门203的两端。

模型箱体1上端开口的两侧设置有T型导轨，模型箱体1左侧上方的位移传感器通过位移传感器安装支架固定，且位移传感器安装支架通过螺栓固定设置在T型导轨上。

伺服电机402上设置有直角减速器，直角减速器与滚珠丝杠403之间通过联轴器相连。

滑轮组包括7个滑轮，其中4个安装滑轮组支撑板304上，3个安装在模型箱体1的底板105上。

钢丝绳301包括2根，两端分别连接钢丝绳301连接件，其中一端安装在活动闸门203上，一端安装在钢丝绳拖动连接板，并通过滑轮组支撑传导；

联轴器一端连接滚珠丝杠403传动结构，另一端连接直角减速器。

卷板结构204由9件组成。

本实用新型的工作原理：

本装置放置在土工离心机工作吊篮平台上，模型箱体1左侧空腔内填筑模型地基土体，为保证模型箱体1的卷板结构204顺利翻转，在试验开始前将第一层卷板结构204向右翻折，活动闸门203顶部支撑住第一层翻折后的卷板结构204，并使第一层卷板结构204与活动闸门203(卷板支撑板)保持垂直；通过伺服电机402带动钢丝绳拖动连接板往模型箱体1前板方向运动，钢丝绳301通过钢丝绳导向机构带动活动闸门203向下移动到第二块卷板结构204的位置，第二块卷板结构204在离心力作用下顺利翻折，配合离心机机械手刮板，对模型地基进行第一次开挖；通过T型导轨上架设的位移传感器可以监测出第一次基坑开挖时，基坑外部的地基土体沉降情况；重复以上动作，进行更深土层的开挖。

基坑开挖出的模型土一部分由装砂箱底部支撑板305、模型箱体1的左侧板102、模型箱体1的前板101、模型箱体的背板104和闸门支撑板202组成的空腔装纳，另一部分模型土从出砂口流入储砂箱5中。

在超重力土工离心机中，工作空间比较有限，需要将活动闸门203拖动装置的长度方向安装模型箱体1的宽度方向上，本装置将钢丝绳301一端连接活动闸门203，另一端连接闸门移动装置的钢丝绳拖动连接板，通过安装在滑轮组支撑板304上的滑轮以及装砂箱底部支撑板305上的滑轮实现拖动力的换向。

闸门拖动装置由伺服电机402驱动，伺服电机402经直角减速降速后带动滚珠丝杠403传动结构旋转运动，滚珠丝杠403结构将旋转运动转换成直线运动，并带动钢丝绳拖动连接板顺着导向轴404水平运动。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。