研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统及试验方法
【专利摘要】本发明公开了研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统及方法，包括模型箱，在模型箱内设有地基土，地基土内竖直嵌有用于模拟支护桩的支护板，在模型箱内支护板的一侧竖直设有多个基桩模型桩，嵌有基桩模型桩的地基土顶部设置褥垫层，地基土、基桩模型桩和褥垫层共同形成复合地基，在支护板的另一侧设置用于模拟开挖的开挖区，在基桩模型桩与支护板上分别布设有与计算机连接的测试装置，在复合地基的上部设置荷载加压装置；整个试验系统可根据需求设置用于测试在基坑开挖时，复合地基中地基土变形位移数据等的测试系统；这样在开挖区进行开挖时，研究复合地基与支护结构的力或者位移产生的变化，从而更好的指导实践。
【专利说明】
研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统及试验方法
技术领域
[0001]本发明涉及地基模型的试验，特别是研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统及试验方法。
【背景技术】
[0002]传统岩土工程室内试验是在常重力条件下进行的，由于无法或很难再现现场实际尺寸条件，因此常为缩尺模型，依据土体自重应力，缩尺模型带来的是土体深度h的倍缩，进而改变土体自重应力场，对以自重为主要荷载的结构，不能反映原型应力状态，导致模型试验无法模拟原型所发生的现象。
[0003]土工离心模型试验能够真实模拟重力场的存在，再现工程实际应力状态，被广大学者公认是目前进行岩土工程技术研究中最先进、最有效的试验方法，土工离心模型试验相对于原型观测、室内常重力场试验机数值分析模拟方法具有不可替代和独特的优势。
[0004]随复合地基理论日渐成熟，大量多高层建筑采用了CFG粧复合地基。目前，国内外缺乏针对侧向开挖条件下对既有复合地基力学性状及其基坑支护结构理论的研究，使工程界缺乏正确进行此类基坑工程设计的理论和方法，设计人员一般忽略既有复合地基增强体，无视既有群粧能够减少支护结构位移的有利作用，而把复合地基看成原状土，保守的进行基坑工程设计，造成了大量的资源浪费，同时，这样的设置所测得数据准确性较低，不能更为实际地反映实际工程问题;此外，现有的测试系统中荷载系统比较复杂，开挖装置及模拟开挖区的土层通常也较为复杂，不能有效快速地实现侧向开挖。
[0005]测量装置是试验取得成功的前提保证，其工作状态和性能直接关系试验结果的准确性和可靠性，甚至决定一次试验的成败，量测仪器的发展除了表现为功能的增强外，还表现为体积和质量的减少，这些发展大大地降低了其自身对试验结果的影响。
[0006]综上所述，随着地下工程的大型化、复杂化，以往依赖工程经验的做法将不能满足设计、施工要求，开展基坑工程离心模型试验能有效地研究基坑工程问题，促进基坑工程理论和数值模拟的完善。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供了研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统及试验方法，通过设置模型装置以及测试系统，用于对临近复合地基基坑开挖力学性能的研究，对建立以保证复合地基安全为目标的基坑支护设计理论和方法，具有紧迫的工程价值和长远的理论意义。
[0008]为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统，包括模型箱，在模型箱内设有地基土，地基土内竖直嵌有用于模拟支护粧的支护板，在模型箱内支护板的一侧竖直设有多个基粧模型粧，嵌有基粧模型粧的地基土顶部设置垫层，地基土、基粧模型粧和垫层共同形成复合地基，由此复合地基与支护板共同存在更加符合实际施工环境，在支护板的另一侧设置用于模拟开挖的开挖区，在基粧模型粧与支护板上分别布设有与计算机连接的测试装置，在复合地基的上部设置荷载加压装置;整个试验系统可根据需求设置用于测试在基坑开挖时，复合地基中地基土变形位移数据等的测试系统;这样在开挖区进行开挖时，研究复合地基与支护结构的力或者位移产生的变化，从而更好的指导实践。
[0010]进一步地，所述测试装置包括在基粧模型粧上设置的用于辅助获得荷载施加过程中基粧模型粧轴力分布和地基土荷载分担的轴力应变片和用于辅助获得基粧模型粧弯矩分布及变化规律的弯矩应变片，还包括在支护板中间位置地正反两侧设置的弯矩应变片；通过布置在基粧模型粧上的轴力应变片，获得荷载施加过程中粧轴力分布和粧土荷载分担，基坑开挖引起的复合地基基粧模型粧轴力变化，研究开挖对复合地基承载力影响;通过布置在基粧模型粧上的弯矩应变片，获得基坑开挖引起的基粧模型粧弯矩分布及变化规律，进而分析基粧模型粧随开挖的变形规律;通过布置在支护板上的应变片，获得基坑开挖引起的挡墙内力和支护结构变形，并可推导支护板后土压力分布规律。
[0011 ]此外，轴力应变片在基粧模型粧两侧对称设置，弯矩应变片布置在基粧模型粧粧身两侧。
[0012]进一步地，所述测试装置还包括在所述的地基土中设置的多个用于测量地基土压力值的土压力传感器;所述土压力传感器为T型土压力传感器，在地基土分层浇置过程中根据试验目的和需要以一定间距竖直布置于复合地基中间位置处和靠近支护板处各一排，根据试验目的和需要确定T型土压力传感器的朝向以便测得试验需要方向的土压力值。
[0013]进一步地，为了便于观察，模型箱为透明材料制成，模型箱厚度为3?5mm，所述基粧模型粧的底部呈圆锥状，为配合CFG粧，垫层为褥垫层。
[0014]进一步地，在模型箱的外侧设置多个用于提供定位参考的PIV标记点，便于分析照相片中土颗粒像素的实际位置，还包括安装于离心机大梁和模型箱内开挖区的多个摄像机，根据摄像装置所得照片像素分析即可得出土体的位移情况。
[0015]进一步地，所述褥垫层为粗砂层。
[0016]进一步地，在基粧模型粧的表面涂覆有增加摩擦系数的环氧涂层，环氧涂层中带有砂子，为了增加基粧模型粧表面的摩擦系数，需要在其表面涂一层厚度在0.5mm左右厚度的环氧涂层，在环氧涂层干凝前洒上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系数，其间距根据实际间距按照加速度比例系数确定或根据实验需要确定，加速度比例系数就是离心机加速度值，试验前综合考虑后确定的离心机加速度值，确定这个加速度值后模型试验中的各个单位需按照规定以这个比例缩小，比如加速度大小为40，模型长度尺寸单位就应该是原型的I /40大小。
[0017]进一步地，用于模拟开挖的开挖区为内部装有土的土袋，土袋外表面设有便于移出土袋的吊环，这样的设置大大方便了开挖装置对土层的开挖。
[0018]进一步地，所述支护板为铝板，根据抗弯刚度等效原则制作，用于模拟支护粧。
[0019]进一步地，所述基粧模型粧为CFG粧，由铝合金管按照抗压刚度等效制成。
[0020]进一步地，所述基粧模型粧的底部呈圆锥状，便于插入地基土中，上端封口，其长度根据离心机离心加速度比例大小确定。
[0021]所述荷载加压系统包括加载气囊，加载气囊的充气孔外露与充气装置连接，充气装置安装有气压传感器通过控制气压大小实现控制均布载荷的大小。
[0022]所述的离心模型试验系统的试验方法，具体步骤如下:
[0023]I)制备复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验装置，制备的同时布设测量装置；
[0024]2)安装试验加载系统及基坑开挖装置；
[0025]3)对步骤I)中离心模型试验装置、步骤2)中基坑开挖装置进行称重；
[0026]4)将步骤I)中离心模型试验装置吊装至离心机吊篮，安装摄像机与步骤I)中测量装置连接；
[0027]5)启动离心机，由测试系统开始采集数据；
[0028]6)分级施加荷载，逐层进行开挖并采集每次的试验数据；
[0029]7)荷载稳定后，基坑开挖装置开始开挖，逐次进行多次开挖并采集每次的试验数据；
[0030]8)试验完成后，进行试验加载系统、基坑开挖装置的逐个拆除。
[0031]进一步地，所述步骤I)中复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验装置的制备方法如下:
[0032]1-1)在模型箱内采用砂雨法设置设定厚度的地基土；
[0033]1-2)在地基土中竖直设置支护板，在支护板的一侧继续设置地基土到设定的厚度；
[0034]1-3)在地基土中设置多根基粧模型粧并继续采用砂雨法至地基土高度与基粧模型粧的顶端齐平；
[00；35] 1-4)在步骤I)至步骤3)进行的同时，根据挖斗土方制作土袋；
[0036]1-5)将土袋放置于支护板的另一侧作为开挖区；
[0037]1-6)在步骤3)完成后或者在步骤5)完成后，嵌有基粧模型粧的地基土顶部采用砂雨法设置粗砂作为褥垫层。
[0038]进一步地，所述步骤2)中加载系统的安装方法的具体步骤如下:
[0039]2-1)将加载气囊置于褥垫层的上方来对基粧模型粧施加均布荷载；
[°04°] 2-2)将反力板固定在加载气囊上方对加载气囊进行约束，反力板上方固定支架，且支架与离心机固定；
[0041 ] 2-3)加载气囊与充气装置固定。
[0042]进一步地，所述步骤7)中基坑开挖装置的具体工作步骤是:
[0043]3-1)开挖装置即吊机，吊机主次梁旋转，带动主次梁上螺母前进或者后退，螺母进而带动滑块往复运动，与滑块连接的电动葫芦移动至土袋上方；
[0044]3-2)打开电动葫芦开关，电动葫芦的吊钩通过土袋上的吊环将土袋移出模型箱；
[0045]3-3)关闭主次梁的电机，打开电动葫芦开关，电动葫芦的吊钩向下运动，土袋的吊环与吊钩脱离；
[0046]3-4)打开电动葫芦开关，再次升起电动葫芦；
[0047]3-5)重复步骤3-1)至步骤3-4)，直至基坑开挖完成。
[0048]本发明的有益效果是:
[0049]I)本发明中的试验装置原理简单，结构构造清晰，便于安装制造，造价低廉。
[0050]2)通过地基土、基粧模型粧和褥垫层共同形成复合地基作为实际工况的施工环境，与实际施工工况一致，符合地基土实际应力变化，通过整个试验装置的研究，获得的数据具有实际研究意义。
[0051]3)根据实际施工环境制作的试验装置，利用基粧模型装代替实际中的基粧、土袋代替要开挖的土层、支护板模拟支护粧，虽结构简单，但实用性高，有利于实际工况的研究。
[0052]4)本发明提出的试验系统，能够很好的和用于模拟和追溯复合地基竖向荷载传递机理的离心模型试验相匹配，测试装置中PIV标记点、应变片的设置位置，能较为准确地测量基坑开挖时，基粧模型粧和支护板处的轴力与弯矩等分布规律，更好地指导实践工作。
[0053]5)本发明提出的试验方法，合理且简单方便，测量的结果有助于后续对复合地基与支护结构共同形状的研究。
【附图说明】
[0054]图1是本发明的俯视图；
[0055]图2是本发明图1的面图；
[0056]图3是本发明图2的2-2剖面图；
[0057]图4是本发明中轴力应变片在基粧模型粧的布置图；
[0058]图5是本发明中弯矩应变片在基粧模型粧的布置图；
[0059]图6是本发明中弯矩应变片在支护板的布置图；
[0060]图7是本发明中应变片在基粧模型粧的布置俯视图；
[0061 ]图8是本发明中应变片在基粧模型粧的布置侧视图；
[0062]图9是本发明中应变片的布置结构图；
[0063]图中:丨、模型箱;2、地基土;3、基粧模型粧;4、褥垫层;5、加载气囊;6、反力板;7、支架;8、支护板;9、土袋;10、L型错动板;11、充气孔;12、开口； 13、连接管；14、气压传感器;15、充气阀；16、轴力应变片，17、弯矩应变片；
[0064]R1、R2、R3、R4 均为应变片。
【具体实施方式】
[0065]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0066]如图1-图2所示，复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统，包括模型箱I，为了便于观察，模型箱I为透明材料制成，模型箱I厚度为3?5mm，所述基粧模型粧3的底部呈圆锥状。在模型箱I内设有地基土2，地基土2内竖直嵌有用于模拟支护粧3的支护板8，在模型箱I内支护板8的一侧竖直设有多个基粧模型粧3，嵌有基粧模型粧3的地基土顶部设置褥垫层4，地基土 2、基粧模型粧3和褥垫层4共同形成复合地基，由此复合地基与支护板8共同存在更加符合实际施工环境，在支护板8的另一侧设置用于模拟开挖的开挖区，通过基坑开挖装置模拟复合地基基坑侧向开挖，在基粧模型粧3与支护板8上分别布设有与计算机连接的测试装置;整个试验系统可根据需求设置用于测试在基坑开挖时，通过加载气囊5膨胀挤压对复合地基施加载荷，得出复合地基中地基土 2变形位移等数据;这样在开挖区进行开挖时，研究复合地基与支护结构的力或者位移产生的变化，从而更好的指导实践。
[0067]褥垫层也可以是刚性的，刚性垫层一般是C7.5-C10的混凝土捣成，它适用于薄而大的整体面层和块状面层;柔性垫层(褥垫层)一般是用各种散材料，如砂、炉渣、碎石、灰土等加以压实而成，它适用于较厚的块状面层。
[0068]如图4?图8所示，测试装置包括在基粧模型粧3上设置的用于辅助获得荷载施加过程中基粧模型粧3轴力分布和地基土荷载分担的轴力应变片10和用于辅助获得基粧模型粧3弯矩分布及变化规律的弯矩应变片11，还包括在支护板8中间位置地正反两侧设置的弯矩应变片11;通过布置在基粧模型粧3上的轴力应变片10，获得荷载施加过程中粧轴力分布和粧土荷载分担，基坑开挖引起的复合地基基粧模型粧3轴力变化，研究开挖对复合地基承载力影响;通过布置在基粧模型粧3上的弯矩应变片11，获得基坑开挖引起的基粧模型粧3弯矩分布及变化规律，进而分析基粧模型粧3随开挖的变形规律;通过布置在支护板8上的应变片，获得基坑开挖引起的挡墙内力和支护结构变形，并可推导支护板8后土压力分布规律。
[0069]此外，轴力应变片10在基粧模型粧3两侧对称设置，如图1所示，应变片装于多个基粧模型粧3的中间几根粧上，如图1中布置有轴力应变片的CFG粧13，弯矩应变片11布置在基粧模型粧3粧身两侧，所有应变片均以全桥方式布置，如图9所示，此外，结合试验目的和需要确定弯矩应变片朝向以测得需要方向的弯矩应变值。
[0070]测试装置还包括在所述的地基土中设置的多个用于测量地基土压力值的土压力传感器;所述土压力传感器8为T型土压力传感器，在地基土2分层浇置过程中根据试验目的和需要以一定间距竖直布置于复合地基中间位置处和靠近支护板8处各一排，根据试验目的和需要确定T型土压力传感器的朝向以便测得试验需要方向的土压力值。
[0071]在模型箱I的外侧设置多个PIV标记点，PIV标记点与至少一个用于记录开挖过程中地基土2位移的摄像装置连接，多个摄像机分别安装在离心机大梁上和模型箱I内开挖区。
[0072]在基粧模型粧3表面涂覆有增加摩擦系数的环氧涂层12，环氧涂层12中带有砂子；为了增加基粧模型粧3表面的摩擦系数，需要在其表面涂一层厚度在0.5_左右厚度的环氧涂层12，在环氧涂层12干凝前洒上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系数，其间距根据实际间距按照加速度比例系数确定或根据实验需要确定。
[0073]用于模拟开挖的开挖区为多个堆叠在一起的内部装有土的土袋9，来模拟每层土体的开挖，土袋9外表面设有便于移出土袋9的吊环，这样的设置大大方便了开挖装置对土层的开挖。
[0074]为符合实际施工环境，所述基粧模型粧3为CFG粧，由铝合金管按照抗压刚度等效制成，所述基粧模型粧3的底部呈圆锥状，便于插入地基土2中，上端封口，其长度根据离心机离心加速度比例大小确定，离心加速度在试验前根据试验需要确定，一般综合考虑场地面积、支护粧和CFG粧粧长、地层条件、室内模型试验比尺、离心机参数等因素，选定离心模型试验比尺为，即离心机设定速度，确定离心机加速度后试验中的各项单位需要按规定进行折减换算，这里的长度单位换算为:模型中的长度尺寸=实际长度尺寸/离心加速度。
[0075]所述的离心模型试验系统的试验方法，具体步骤如下:
[0076]I)制备复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验装置，制备的同时布设测量装置；
[0077]2)安装试验加载系统及基坑开挖装置；
[0078]3)对步骤I)中离心模型试验装置、步骤2)中基坑开挖装置进行称重;并对测量装置及其他设备检查是否正常工作；
[0079]4)将步骤I)中离心模型试验装置吊装至离心机吊篮，安装摄像机与步骤I)中测量装置连接；
[0080]5)设定加速度值，启动离心机，由应力片及土压力传感器开始采集数据;待离心加速度值达到设定g值后稳定运行30min至地基沉降趋于稳定，即各项采集数据稳定，并观察试验中地基土层变形情况；
[0081]6)分级施加荷载，各级荷载稳定时间大约为5min，每次加载到预设荷载并稳定后进行下一次荷载加载，并在相应值采集试验数据;荷载达到设定荷载时，稳定荷载，开始基坑开挖过程，进行第一层土体开挖；
[0082]7)荷载稳定后，基坑开挖装置开始开挖，逐层进行开挖并采集每次的试验数据;开挖之前及开挖各土层过程中观察传感器采集数据状态，并进行初步分析;土层全部开挖完成、或者地基土变形较大、或者挡墙变形较大时，基坑开挖不再进行，则整个基坑开挖试验完成
[0083]8)试验完成后，气压释放，停机，待离心机完全停止后，数采停止后，进行装置拆卸。
[0084]其中，所述步骤I)中复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验装置的制备方法如下:
[0085]1-1)在模型箱内采用砂雨法设置设定厚度的地基土；
[0086]1-2)在地基土中竖直设置支护板，在支护板的一侧继续设置地基土到设定的厚度；
[0087]1-3)在地基土中设置多根基粧模型粧并继续采用砂雨法至地基土高度与基粧模型粧的顶端齐平;基粧模型粧3为CFG粧，根据加速度比例系数，预先计算好CFG粧高度h2，取地基土高度hi+CFG粧高度h2*CFG高度的两倍左右，即取hi = h2，并在模型箱壁对应位置In、h2处标记刻度，将预先制备好的地基土 2用砂雨法置入模型箱I内，在地基土高度In略高处后停止砂雨法置砂，利用水平细线找齐CFG粧上端，布置各个CFG粧于地基土2中，水平细线齐平预定位置h3下端处，再次利用砂雨法在复合地基区浇砂于模型箱I中至高度h3下端处;在安装CFG粧的同时，基粧模型粧两侧对称设置轴力应变片10，在基粧模型粧3粧身两侧布置弯矩应变片11，并在地基土2中设置土压力传感器8;
[0088]1-4)在步骤I)至步骤3)进行的同时，根据挖斗土方折算制作土袋9，通过基坑开挖装置移出土袋9，实现基坑模型开挖。土袋9采用高强度布料制作，根据开挖需要进行尺寸设计并缝合，保留顶盖不缝合；
[0089]1-5)将土袋9放置于支护板8的另一侧作为开挖区；
[0090]1-6)在步骤3)完成后或者在步骤5)完成后，在嵌有基粧模型粧3的地基土 2顶部采用砂雨法设置粗砂作为褥垫层4，通过控制落距、出砂孔尺寸和出砂头总流量以达到目标相对密实度，褥垫层厚度根据离心加速度比例系数确定。
[0091 ]所述步骤2)中加载系统的安装方法的具体步骤如下:
[0092]2-1)将加载气囊5置于褥垫层的上方来对基粧模型粧施加均布荷载；
[0093]2-2)将反力板固定在加载气囊(橡胶充气囊)5上方对加载气囊5进行约束，反力板6上方固定支架，且支架7与离心机固定，反力板6呈倒L型，由刚性金属板制成，在加载气囊5和反力板6接角处安装L型错动板10，反力板6、支架7及L型错动板10三者共同组成反力架装置;反力板通过耳板固定在模型箱I上，加载气囊5的充气孔从反力板及支架露出并外接充气装置；
[0094]其中，支架7由刚性金属制作，一般为钢铁或者铝合金，下部与反力板6固定，上方与离心机固定，所述L型错动板10由刚性金属制作，一般为钢铁或者铝合金，防止加载气囊5膨胀后挤出。
[0095]2-3)加载气囊5与充气装置固定，充气装置为带有气压传感器14的充气箱，通过向加载气囊5充气来模拟对复合地基施加的均布荷载，控制加载气囊5中气压的大小来调节均布荷载的大小，气压传感器14与计算机连接，用于显示对加载气囊5施加的压力值。
[0096]其中，充气箱上开有开口 12通过连接管13与加载气囊5上的充气孔11连通，并且在充气箱上设有充气阀15。
[0097]所述步骤7)中基坑开挖装置的具体工作步骤是:
[0098]3-1)开挖装置即吊机，吊机主次梁旋转，带动主次梁上螺母前进或者后退，螺母进而带动滑块往复运动，与滑块连接的电动葫芦移动至土袋上方；
[0099]3-2)打开电动葫芦开关，电动葫芦的吊钩通过土袋上的吊环将土袋移出模型箱；
[0100]3-3)关闭主次梁的电机，打开电动葫芦开关，电动葫芦的吊钩向下运动，土袋的吊环与吊钩脱离；
[0101]3-4)打开电动葫芦开关，再次升起电动葫芦；
[0102]3-5)重复步骤3-1)至步骤3-4)，直至基坑开挖完成。
[0103]离心模型试验装置的制造方法，具体步骤如下:
[0104]I)在模型箱I内采用砂雨法设置设定厚度的地基土 2;
[0105]2)在地基土 2中竖直设置支护板8，在支护板8的一侧继续设置地基土 2到设定的厚度；
[0106]3)在地基土 2中设置多根基粧模型粧3，基粧模型粧3为CFG粧，根据加速度比例系数，预先计算好CFG粧高度h2，取地基土高度lu+CFG粧高度h2*CFG高度的两倍左右，即取In= h2，并在模型箱壁对应位置In、h2处标记刻度，将预先制备好的地基土 2用砂雨法置入模型箱I内，在地基土高度In略高处后停止砂雨法置砂，利用水平细线找齐CFG粧上端，布置各个CFG粧于地基土2中，水平细线齐平预定位置h3下端处，再次利用砂雨法在复合地基区浇砂于模型箱I中至高度h3下端处;在安装CFG粧的同时，基粧模型粧3两侧对称设置轴力应变片10，在基粧模型粧3粧身两侧布置弯矩应变片11，并在地基土 2中设置土压力传感器8;
[0107]其中，离心加速度在试验前根据试验需要确定，一般综合考虑场地面积、支护粧和CFG粧粧长、地层条件、室内模型试验比尺、离心机参数等因素，选定离心模型试验比尺为，即离心机设定速度，确定离心机加速度后试验中的各项单位需要按规定进行折减换算，这里的长度单位换算为:模型中的长度尺寸=实际长度尺寸/离心加速度。
[0?08] 4)在步骤I)至步骤3)进行的同时，根据挖斗土方折算制作土袋9，通过基坑开挖装置移出土袋9，实现基坑模型开挖。土袋9采用高强度布料制作，根据开挖需要进行尺寸设计并缝合，保留顶盖不缝合；
[0109]5)将土袋9放置于支护板8的另一侧作为开挖区；
[0110]6)在步骤3)完成后或者在步骤5)完成后，在嵌有基粧模型粧3的地基土 2顶部采用砂雨法设置粗砂作为褥垫层4，通过控制落距、出砂孔尺寸和出砂头总流量以达到目标相对密实度，褥垫层厚度根据离心加速度比例系数确定。
[0111]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统，其特征在于，包括模型箱，在模型箱内设有地基土，地基土内竖直嵌有用于模拟支护粧的支护板，在模型箱内支护板的一侧竖直设有多个基粧模型粧，嵌有基粧模型粧的地基土顶部设置垫层，地基土、基粧模型粧和垫层共同形成复合地基，在支护板的另一侧设置用于模拟开挖的开挖区，在基粧模型粧与支护板上分别布设有与计算机连接的测试装置，还包括设于复合地基的上部的荷载加压系统。2.如权利要求1所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述测试装置包括在基粧模型粧上设置的用于辅助获得荷载施加过程中基粧模型粧轴力分布和地基土荷载分担的轴力应变片和用于辅助获得基粧模型粧弯矩分布及变化规律的弯矩应变片，还包括在支护板中间位置地正反两侧设置的弯矩应变片。3.如权利要求1或2所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述测试装置还包括在所述的地基土中设置的多个用于测量地基土压力值的土压力传感器，所述垫层为褥垫层。4.如权利要求1所述的离心模型试验装置，其特征在于，在模型箱的外侧设置多个用于提供定位参考的PIV标记点，还包括安装于离心机大梁和模型箱内开挖区的多个摄像机。5.如权利要求1或2所述的离心模型试验装置，其特征在于，用于模拟开挖的开挖区为内部装有土的土袋，土袋外表面设有便于移出土袋的吊环。6.如权利要求1或2所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述荷载加压系统包括加载气囊，加载气囊的充气孔外露与充气装置连接，充气装置安装有气压传感器用于控制均布载荷的大小。7.如权利要求1-6中任一项所述的离心模型试验系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下: 1)制备复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验装置，制备的同时布设测量装置； 2)安装试验加载系统及基坑开挖装置； 3)对步骤I)中离心模型试验装置、步骤2)中基坑开挖装置进行称重； 4)将步骤I)中离心模型试验装置吊装至离心机吊篮，安装摄像机与步骤I)中测量装置连接； 5)启动离心机，由测试系统开始采集数据； 6)分级施加荷载，逐层进行开挖并采集每次的试验数据； 7)荷载稳定后，基坑开挖装置开始开挖，逐次进行多次开挖并采集每次的试验数据； 8)试验完成后，进行试验加载系统、基坑开挖装置的逐个拆除。8.如权利要求7所述的离心模型试验方法，其特征在于，所述步骤I)中复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验装置的制备方法如下: 1-1)在模型箱内采用砂雨法设置设定厚度的地基土； 1-2)在地基土中竖直设置支护板，在支护板的一侧继续设置地基土到设定的厚度； 1-3)在地基土中设置多根基粧模型粧并继续采用砂雨法至地基土高度与基粧模型粧的顶端齐平； 1-4)在步骤I)至步骤3)进行的同时，根据挖斗土方制作土袋； 1-5)将土袋放置于支护板的另一侧作为开挖区； 1-6)在步骤3)完成后或者在步骤5)完成后，嵌有基粧模型粧的地基土顶部采用砂雨法设置粗砂作为褥垫层。9.如权利要求7所述的离心模型试验方法，其特征在于，所述步骤2)中加载系统的安装方法的具体步骤如下: 2-1)将加载气囊置于褥垫层的上方来对基粧模型粧施加均布荷载； 2-2)将反力板固定在加载气囊上方对加载气囊进行约束，反力板上方固定支架，且支架与离心机固定； 2-3)加载气囊与充气装置固定。10.如权利要求7所述的离心模型试验方法，其特征在于，所述步骤7)中基坑开挖装置的具体工作步骤是: 3-1)开挖装置即吊机，吊机主次梁旋转，带动主次梁上螺母前进或者后退，螺母进而带动滑块往复运动，与滑块连接的电动葫芦移动至土袋上方； 3-2)打开电动葫芦开关，电动葫芦的吊钩通过土袋上的吊环将土袋移出模型箱； 3-3)关闭主次梁的电机，打开电动葫芦开关，电动葫芦的吊钩向下运动，土袋的吊环与吊钩脱离； 3-4)打开电动葫芦开关，再次升起电动葫芦； 3-5)重复步骤3-1)至步骤3-4)，直至基坑开挖完成。
【文档编号】E02D33/00GK105926686SQ201610285207
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月30日
【发明人】李连祥, 黄佳佳, 符庆宏, 胡峰
【申请人】山东大学