一种深基坑开挖卸荷场桩基水平承载综合模拟试验装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种深基坑开挖卸荷场桩基水平承载综合模拟试验装置，包括主箱、副箱及其配套设备。其特点是：所述主箱一短边侧面为钢板，其余为有机玻璃板与钢构件组合结构，所述主箱由箱体和盖板两部分拼装组成，盖板与箱体间采用插接并设置密封圈密封，确保箱体与盖板连接处不发生气体泄漏。所述副箱为一个耐高压且一面为钢板其余为有机玻璃的完全密封体，与所述主箱对立侧的所述副箱侧面设置一个可移动板，所述可移动板借助所述副箱内的弹簧拉杆进行移动。所述弹簧拉杆的水平移动遵循所述副箱内部的压强高低，压强降低，所述弹簧拉杆水平回缩。本发明装置可以综合模拟深基坑、超深基坑顶面开挖及侧面开挖卸荷环境下的桩基水平承载响应规律。
【专利说明】
一种深基坑开挖卸荷场桩基水平承载综合模拟试验装置
技术领域
[0001]本发明属于基坑工程、粧基工程领域，涉及深基坑顶面开挖、侧面开挖条件下的工程粧水平承载响应问题，具体说是一种深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置。
【背景技术】
[0002]近些年来，伴随高层建筑和超高层建筑的兴建以及大深度地下空间的开发，基坑工程的开挖规模加大，深度加深，开挖深度已从1m左右发展到20m、30m以上。同时，粧基工程的建设规模越来越大，粧基水平承载环境也越来越复杂，要求也越来越严格。
[0003]基坑开挖深度的增加带来的问题之一是显著的土体顶面卸荷效应。这种卸荷效应包括开挖引起的上部土层损失效应和卸荷引起的坑底土体回弹效应。前者直接关乎工程粧水平承载的控制土层标高，后者是土体竖向应力损失引起的土体纵向变形。基坑开挖后，对于单一土层，对粧基水平承载力起主要控制作用的上部土层削除，土层标高降低;对于复杂的非线性土层，上部土层削除又同时反映了不同标高、不同类型土层对粧基水平承载的侧向约束能力，土层类型不同，其水平土抗力的发挥程度不同，粧基的水平临界承载力和极限承载力不同。
[0004]对于坑底土体卸荷回弹效应，已有研究和工程实践中都关注较少。但随着基坑开挖深度的不断加深，土体卸荷量加大，土体发生的回弹变形不应该再继续被忽视。基坑开挖后土体变为超固结状态，其应力历史发生改变，严格意义上讲，开挖后的土体变形，是一个先期压缩变形，后又卸荷回弹的变形过程，其回弹量受应力历史的影响显著。以往土体回弹对粧基的影响多集中在粧基竖向承载力和竖向变形分析上，对于粧基的水平承载力涉及较少。基坑开挖卸荷后，土体回弹会在坑底工程粧或围护粧下部产生向上的附加摩阻力，以往的研究均未考虑坑底回弹产生的附加摩阻力对粧基水平转动的影响，实际上粧基(特别是侧边的围护粧和工程粧)在伴随上部土体分级卸荷后将会产生不同程度的挠曲和转动，一旦粧身不再垂直，因土体回弹产生的附加摩阻力将会在垂直粧身轴线上产生分力，垂直分力将会影响粧基的水平转动，进而影响粧基的水平承载力。
[0005]基坑开挖对粧基水平承载力影响的另一个问题是，邻近基坑开挖或坑中坑开挖侧向卸荷引起的粧基水平承载力损失。侧向基坑开挖时由于地应力释放导致的土体自由位移场会引起处于影响范围内的粧基产生附加弯矩和变形。附加弯矩、应力和位移达到一定的数值后，邻近基坑工程粧变形就会超过限度甚至破坏，进而引起坑底破坏或失稳。邻近基坑的开挖距离、深度、宽度改变，其对粧基水平承载力的影响规律也会改变，目前还没有统一的认识。
[0006]当前，深基坑开挖带来的环境效应越来越明显，粧基础作为应用最广泛的基础型式之一，在特殊开挖卸荷场下的粧基计算理论、设计方法都需要做出新的调整。特别是粧基水平承载力的确定，仍沿用传统的分析方法指导设计和施工，往往会因诸多不合理因素导致重大工程事故。对于深基坑开挖卸荷场下的粧基水平承载分析，依托实际工程开展现场试验无疑是最直接、最可靠的方法，但现场试验测试费用昂贵，受施工进度、施工环境的影响严重，且测试细节不容易把握控制。因此，通过室内模型试验模拟基坑开挖卸荷场，继而进行粧基水平承载分析是必要的。大型室内模型试验是最有效的研究方法，室内模型试验条件便于控制，造价又低于现场试验。然而存在的问题是，目前常规基坑模拟装置，受模型装置高度的限制，土体卸荷量不够，无法准确模拟深基坑、超深基坑开挖卸荷效应，对于基坑侧面开挖效应的模拟也未有合适的方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有基坑工程室内模拟装置的不足与缺陷，提出一种可以模拟深基坑、超深基坑开挖环境的大型试验装置，可以综合模拟深基坑顶面开挖卸荷、侧面开挖卸荷场下的粧基水平承载特性。从而利于研究不同类型卸荷效应对粧基水平承载及变形的影响规律，提高室内模型试验模拟的准确性，保证其模拟的可靠性，为新形势下的粧基工程建设提供技术支撑。
[0008]本发明是通过以下技术方案实现的:一种深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置，包括主箱和副箱;所述主箱包括箱体和盖板，盖板与箱体间采用插接并设置密封圈密封;所述箱体的一侧面为钢板面，其他面及盖板均为有机玻璃面，所述钢板面上设置活动的抽插板;主箱内的底面上铺设土体，土体表面上铺设一层橡胶膜，橡胶膜所在平面以上的主箱四周标注水位刻度线;主箱的盖板上设置注气口，以及气压表和调压阀的安装口，主箱内部布设土压力盒、粧身应变片、粧顶位移计组成传感器测试系统，所有导线由防气漏水盒引出；所述副箱的箱体一个侧面为钢板面，其余各面均是有机玻璃面，钢板面设置活动的抽插板;所述副箱、主箱钢板面之间设置可移动板，可移动板的大小保持与抽插板所围成的孔洞面积相匹配，所述副箱内还设有弹簧拉杆，所述弹簧拉杆的一端连接副箱内壁，另一端连接可移动板，所述可移动板通过副箱内的弹簧拉杆的推拉力，在主箱与副箱之间进行水平滑移;所述可移动板为面积大小可调的钢板，可移动板与副箱形成的滑腔内部糊一层防漏水/气膜;所述副箱内壁标有水位刻度线，副箱顶面设有注水/注气口，以及气压表、调压阀的安装口。
[0009]本发明中，主箱底部采用碎石和砂垫层作为反饱和层，反饱和层内铺有渗水管网与外界水箱相连，水箱内的水通过气栗加压的方式平稳流入主箱。试验粧埋置于主箱内一定厚度土体中，土体表面设置一层橡胶膜，橡胶膜的四周与主箱侧壁紧密相贴，橡胶膜与试验粧正交穿越处也有冗余的长度与粧侧壁相贴。主箱四周设有水位刻度线对橡胶膜上覆水体的高度进行标识，同时可考察土体的加压沉降和卸荷回弹变形。主箱的盖板上设置注气口及气压表、调压阀的安装口，盖板插接密封以后，借助外接气栗通过注气口向主箱内注气，主箱内部气压的高低由气压表和调压阀联合控制。主箱内部的土压力盒，粧身应变片，粧顶位移计组成传感器测试系统，传感器导线的引出通过防气漏水盒实现，防气漏水盒的外端被橡皮圈和密封胶完全密封。副箱是一个耐高压且一面为钢板其余为有机玻璃的完全密封体，与主箱对立侧的副箱侧面设置一个可移动板，所述可移动板借助副箱内的弹簧拉杆进行移动。弹簧拉杆的水平移动遵循副箱内部的压强高低，压强降低，弹簧拉杆水平回缩。可移动板与副箱采用滚珠滑动连接，与主箱通过滑道进行滑动平移，为防止可移动板滑动过程中出现箱体漏水漏气现象，滑道一侧的主箱侧壁糊有一层防漏水/气膜，可移动板与副箱形成的滑腔内部也糊有一层防漏水/气膜。防漏水/气膜也是橡胶材质制作。可移动板自身是一个可在平面内伸缩调整面积大小的钢板，与其对应的主箱侧壁、副箱侧壁均为可抽插板，抽插板的伸缩可调整箱体侧壁的孔洞面积，并使之与可移动板的伸缩面积相对应，表征基坑侧面开挖面积大小，并保证可移动板的水平自由滑动。所述副箱侧壁抽插板的活动腔体中设置防气漏活塞，防止副箱内部的气压泄漏。副箱侧壁标有水位刻度线，通过外接气栗对水体表面进行施加压强。副箱顶面设有注水/注气口，以及气压表、调压阀的安装口，副箱内部气压的高低由气压表和调压阀联合控制。
[0010]进一步，所述的橡胶膜密封贴合主箱四周侧壁和粧体侧壁。
[0011]进一步，所述防气漏水盒包括的用于传感器导线引出的防气漏水盒和用于水平加载导线引出的防气漏水盒；用于传感器导线引出的防气漏水盒，其外端用橡皮圈和密封胶进行防漏水密封;用于水平加载导线引出的防气漏水盒，由两个盒体并行拼装而成，并在外侧盒体上方设置有补水口。对粧顶施加水平载荷的牵引线也通过防气漏水盒引出，为避免牵引线移动过程中造成水盒内部液面的降低，采用两个防气漏水盒并行组装，并在外侧防气漏水盒设置一个补水口。
[0012]具体的，所述的弹簧拉杆是刚性构件。弹簧拉杆为刚性构件，只允许水平移动，不允许广生弯曲。
[0013]具体的，所述主箱四个方向抽插板所形成的面积略大于可移动板面积;所述抽插板的活动腔体内设置防气漏活塞，防止副箱内部的气压泄漏。
[0014]本发明与现有技术相比具有的优点和积极效果是:所提出的深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置，解决了长期存在的深基坑开挖室内试验难模拟的问题。该装置采用气体超压模拟形成初始地应力场，然后卸载部分压力模拟深基坑开挖卸荷，实现了深基坑、超深基坑开挖过程的匹配模拟，解决了常规模拟装置不能解决的大卸荷量模拟问题。所提出的试验装置可以模拟多种深基坑开挖卸荷场下的粧基水平承载响应问题，且操作易于控制，高效快捷。
【附图说明】
[0015]图1为本发明深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置的整体示意图；
图2为主箱的盖板与箱体间拼装、密封示意图；
图3为可移动板在主箱与副箱间的滑动实现示意图。
[0016]图中:1-主箱、2-副箱、3-箱体、4-盖板、5-密封圈、6_螺栓孔、7_碎石和砂垫层、8_渗水管网、9-橡胶膜、I O-粧、11 -水位刻度线、12-注气口、13-气压表、14-调压阀、15-止气阀、16-土压力盒、17-应变片、18-位移计、19-传感器导线、20-牵引线、21-防气漏水盒、22-补水口、23-水箱、24-气栗、25-可移动板、26-弹簧拉杆、27-滚珠、28-滑道、29-注水/注气口、30-橡皮圈、31-加固横梁、32-防漏水/气膜、33-抽插板、34-防气漏活塞。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图和实施例详细说明:
参见附图1-图3，本发明一种深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置，包括主箱1、副箱2及其配套设备。所述主箱I是一侧面为钢板，其余为有机玻璃板与钢构件组合结构。所述主箱I由箱体3和盖板4两部分拼装组成，箱体3中部设加固横梁31进行加固。盖板4与箱体3间采用插接并设置密封圈5密封，加设螺栓孔6进行固定，确保箱体3与盖板4连接处不发生气体泄漏。所述主箱I底部采用碎石和砂垫层7作为反饱和层，反饱和层内铺有渗水管网8与外界水箱23相连，水箱23内的水通过气栗24加压的方式流入主箱I。试验粧10埋置于主箱I内一定厚度土体中，土体表面设置一层橡胶膜9，橡胶膜9的四周与主箱I侧壁紧密相贴。橡胶膜9与粧10正交穿越处也有冗余的长度与粧侧壁相贴，并用橡皮圈30进行紧箍。主箱I四周设水位刻度线11对橡胶膜9上覆水体的高度进行标识。主箱I的盖板4上设置注气口 12及气压表13、调压阀14的安装口，盖板4插接密封以后，借助外接气栗24通过注气口 12向主箱I内注气。注气口 12设有止气阀15，主箱I内部气压的高低由气压表13和调压阀14联合控制。主箱I内部的土压力盒16，粧身应变片17，粧顶位移计18组成传感器测试系统，传感器导线19的引出通过防气漏水盒21实现。对粧顶施加水平载荷的牵引线20也通过防气漏水盒21引出，为避免牵引线20移动过程中造成水盒内部液面的降低，采用两个防气漏水盒并行组装，并在外侧防气漏水盒设置一个补水口 22。
[0018]副箱2是一个耐高压且一面为钢板其余为有机玻璃的完全密封体，与主箱I对立侧的副箱2侧面设置一个可移动板25，所述可移动板25借助副箱2内的弹簧拉杆26进行移动。弹簧拉杆26的水平移动遵循副箱2内部的压强高低，压强降低，弹簧拉杆26水平回缩。可移动板25与副箱2采用滚珠27滑动连接，与主箱I通过滑道28进行滑动平移。为防止可移动板25滑动过程中出现箱体漏水漏气现象，滑道28—侧的主箱I侧壁糊有一层防漏水/气膜32，可移动板25与副箱2形成的滑腔内部也糊有一层防漏水/气膜32。可移动板25自身是一个可在平面内伸缩调整面积大小的钢板，与其对应的主箱I侧壁、副箱2侧壁均为可抽插板33。抽插板33的伸缩可调整箱体3侧壁的孔洞面积，并使之与可移动板25的伸缩面积相对应，表征基坑侧面开挖面积大小，并保证可移动板25的水平自由滑动。所述副箱2侧壁抽插板33的活动腔体中设置防气漏活塞34，防止副箱2内部的气压泄漏。副箱2侧壁标有水位刻度线11，通过外接气栗24对水体表面进行施加压强。副箱2顶面设有注水/注气口 29，以及气压表13、调压阀14的安装口，副箱2内部气压的高低由气压表13和调压阀14联合控制。
[0019]本发明一种深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置的具体实施过程如下:
模拟顶面开挖卸荷的步骤为，S1.在主箱敞口情况下，埋设粧基及传感器，引出导线；S2.铺设橡胶膜，注入一定水位高度的水体;S3.盖板插接密封，注入高压气体，模拟未开挖土体初始应力水平;S4.通过碎石和砂垫层对土体进行饱和;S5.卸掉部分气压，模拟顶面深开挖卸荷;S6.开展粧基水平加载试验，获取顶面开挖试粧结果。
[0020]模拟侧面开挖卸荷的步骤为，S1.主箱准备就位，开挖面一侧预先糊上防漏水/气膜;S2.设定弹簧拉杆的安装位置，检查可移动板的水平滑动情况;S3.先后向副箱内部注入水体、气体，并通过气压和水压共同推进可移动板与主箱开挖面一侧内壁重合;S4.逐级卸掉部分气压，模拟侧边基坑开挖卸荷;S5.调整可移动板面积，并同时改变主、副箱抽插板伸缩量，进行侧边基坑不同距离、不同开挖深度、宽度下的卸荷效应;S6.开展粧基水平加载试验，获取侧面开挖试粧结果。
[0021]以上所述仅是本发明的优选实施方式，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置，包括主箱和副箱；其特征在于: 所述主箱包括箱体和盖板，盖板与箱体间采用插接并设置密封圈密封;所述箱体的一侧面为钢板面，其他面及盖板均为有机玻璃面，所述钢板面上设置活动的抽插板;主箱内的底面上铺设土体，土体表面上铺设一层橡胶膜，橡胶膜所在平面以上的主箱四周标注水位刻度线；主箱的盖板上设置注气口，以及气压表和调压阀的安装口，主箱内部布设土压力盒、粧身应变片、粧顶位移计组成传感器测试系统，所有导线由防气漏水盒引出； 所述副箱的箱体一个侧面为钢板面，其余各面均是有机玻璃面，钢板面设置活动的抽插板； 所述副箱、主箱钢板面之间设置可移动板，可移动板的大小保持与抽插板所围成的孔洞面积相匹配，所述副箱内还设有弹簧拉杆，所述弹簧拉杆的一端连接副箱内壁，另一端连接可移动板，所述可移动板通过副箱内的弹簧拉杆的推拉力，在主箱与副箱之间进行水平滑移;所述可移动板为面积大小可调的钢板，可移动板与副箱形成的滑腔内部糊一层防漏水/气膜;所述副箱内壁标有水位刻度线，副箱顶面设有注水/注气口，以及气压表、调压阀的安装口。2.按照权利要求1所述的一种深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置，其特征在于:所述的橡胶膜密封贴合主箱四周侧壁和粧体侧壁。3.按照权利要求1所述的一种深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置，其特征在于:所述防气漏水盒包括的用于传感器导线引出的防气漏水盒和用于水平加载导线引出的防气漏水盒； 用于传感器导线引出的防气漏水盒，其外端用橡皮圈和密封胶进行防漏水密封； 用于水平加载导线引出的防气漏水盒，由两个盒体并行拼装而成，并在外侧盒体上方设置有补水口。4.按照权利要求1所述的一种深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置，其特征在于:所述的弹簧拉杆是刚性构件。5.按照权利要求1或2或3或4所述的一种深基坑开挖卸荷场粧基水平承载综合模拟试验装置，其特征在于:所述主箱四个方向抽插板所形成的面积略大于可移动板面积;所述抽插板的活动腔体内设置防气漏活塞，防止副箱内部的气压泄漏。
【文档编号】E02D33/00GK106013274SQ201610525842
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】李洪江, 童立元, 刘松玉, 哈斯, 王康达, 顾琴芬
【申请人】东南大学