验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，属于岩土工程试验领域，其结构包括模型箱，模型箱内竖直嵌有用于模拟支护墙的支护板，所述支护板上设有弯矩应变片以检测支护板的弯矩应变值；支护板将模型箱内部分为地基土层区和开挖区，地基土层区内填充有地基土，开挖区的下部为地基土，开挖区的上部为模拟挖斗土方的挖斗土袋；在所述地基土内布置有土压力传感器以检测地基土压力值，在地基土的表面和支护板上分别设有位移计。本实用新型适用于验证支护结构与土体共同作用科学性的离心模型试验，其原理简单明确，造价低廉，与实际施工工况一致，符合土体实际应力变化。
【专利说明】
验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型
技术领域
[0001]本实用新型涉及岩土工程试验领域，具体的说是一种验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型。
【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]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。而设计一种用于验证支护结构与土体共同作用科学性的离心试验模型及方法，是目前需要解决的问题，具有紧迫的工程价值和长远的理论意义。
【实用新型内容】
[0005]针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型及制作方法，该离心试验模型与实际施工工况一致，符合土体实际应力变化。
[0006]本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案包括:验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，包括顶端开口的模型箱，所述模型箱内竖直嵌有用于模拟支护墙的支护板，所述支护板上设有弯矩应变片以检测支护板的弯矩应变值;所述支护板将模型箱内部分为地基土层区和开挖区，所述地基土层区内填充有地基土，所述开挖区的下部为地基土，开挖区的上部为模拟挖斗土方的挖斗土袋;在所述地基土内布置有土压力传感器以检测地基土压力值，在地基土的表面和支护板上分别设有位移计以测量地基土顶面位移和支护板顶端位移。
[0007]进一步的技术方案为:在模型箱的外侧设置多个用于提供定位参考的PIV标记点，这样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。设置PIV标记点，可以根据摄像机摄像所得照片，利用PIV技术进行分析，通过现有的土体分析程序即可实现分析。
[0008]进一步的技术方案为:所述PIV标记点均匀布置在一透明板的正面，所述透明板的背面靠置在所述模型箱的侧壁上，所述模型箱的侧壁为透明材料制成。将PIV设置在透明板上，安装非常方便，设为透明材料，便于观察同时便于摄像机的拍摄，所述透明板可采用有机玻璃板，模型箱也采用有机玻璃制作。
[0009]为了提高测量结果的准确度，进一步的技术方案为:所述弯矩应变片布置于支护板中间位置处的正反面两侧。所述弯矩应变片均采用全桥方式布置。
[0010]进一步的技术方案为:所述的位移计包括横向位移计和纵向位移计，横向位移计布置于支护板上以测量支护板顶端的横向位移，纵向位移计布置于地基土上表面的中间位置以测量地基土顶面位移。位移计均采用激光位移计，横向位移计的布置位置偏离支护板的中间位置一定距离。
[0011]进一步的技术方案为:所述支护板为铝合金板，支护板的顶端伸出地基土的外部，支护板的表面设有环氧涂层。支护板用于模拟基坑支护墙，根据抗弯强度等效原则确定尺寸。
[0012]进一步的技术方案为:每一个所述挖斗土袋内部的填土量根据挖斗土方折算而成，挖斗土袋外表面设有便于移出挖斗土袋的吊环。挖斗土方即挖斗一次挖出的土量，挖斗土方按照比例折算之后得到每一个挖斗土袋的填土量，按照折算的土量将土装入土袋，形成挖斗土袋，实现对开挖区的模拟。
[0013]本实用新型解决其技术问题的技术方案还包括:验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型的制作方法，包括以下步骤:
[0014]步骤I):在支护板上安装弯矩应变片；弯矩应变片布置于支护板中间位置处的正反面两侧，所述弯矩应变片均采用全桥方式布置；
[0015]步骤2):根据挖斗土方折算制作挖斗土袋；
[0016]步骤3):确定地基土高度h+hs，其中，开挖深度为h2;
[0017]步骤4):将地基土置入模型箱内至高度为In的位置，找平地基土顶层水平面位置，置入地基土的过程中在地基土内布置土压力传感器；
[0018]步骤5):将带有弯矩应变片的支护板插入模型箱内的地基土中，通过支护板将模型箱内部分为地基土层区和开挖区两个部分；
[0019]步骤6):在地基土层区继续置入高度为1!2的地基土层，找平地基土顶层水平面位置，置入地基土的过程中在地基土内布置土压力传感器；
[0020]步骤7):在开挖区内地基土的上方放置挖斗土袋，放置挖斗土袋的部分的总高度为h2;
[0021]步骤8):在地基土上表面和支护板上分别布置位移计。所述的位移计包括横向位移计和纵向位移计，横向位移计布置于支护板上以测量支护板顶端的横向位移，纵向位移计布置于地基土上表面的中间位置以测量地基土顶面位移。位移计均采用激光位移计，横向位移计的布置位置偏离支护板的中间位置一定距离。
[0022]进一步的技术方案为:所述地基土的制备方法为:将原土中的颗粒杂质去除之后得到土样，对土样进行烘干处理后得到地基土。
[0023]进一步的技术方案为:所述地基土采用砂雨法置入模型箱内，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。增加砂土的平均落距，会使砂土试样的相对密实度增加;增加出砂孔直径，会使砂土试样的相对密实度减小;增加出砂头总流量，会使砂土试样的相对密实度增加。
[0024]本实用新型的有益效果是:
[0025]1、本实用新型的试验模型原理简单明确，造价低廉，制作方法操作性强，易于推广实施；
[0026]2、本实用新型设置了地基土层区和开挖区，在地基土层区和开挖区之间设置有模拟基坑支护墙的支护板，开挖区设置有模拟挖斗土方的挖斗土袋，不仅使模拟开挖的过程易于操作，而且与实际施工工况一致，符合土体实际应力变化，试验结果准确，获得的数据具有实际研究意义；
[0027]3、通过土压力传感器、位移计、弯矩应变片、PIV标记点和摄像机等装置的配合，可记录和测试开挖过程中的土体位移参数及位移场、土体竖向位移值及支护板横向位移、地基土压力值、支护板弯矩应变值和拍摄整个试验过程，对试验过程进行实时的测量和记录，完善工程理论和数值模拟，更好地指导实践工作。
【附图说明】
[0028]图1为本实用新型实施例整体结构的纵向剖视图；
[0029]图2为本实用新型实施例整体结构的横向剖视图；
[0030]图3?图5为本实用新型实施例弯矩应变片的布置图。
[0031]图中:1_模型箱，2-地基土，3-挖斗土袋，4-支护板，5-PIV标记点，6-土压力传感器，7-激光位移计，8-PIV标记板，9-纵向激光位移计标记线，10-横向激光位移计标记线，11-弯矩应变片，12-环氧涂层；
[0032]R1、R2、R3、R4均为弯矩应变片。
【具体实施方式】
[0033]下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步的描述:
[0034]如图1所示。验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，包括顶端开口的模型箱I，所述模型箱I内竖直嵌有用于模拟支护墙的支护板4，所述支护板4上设有弯矩应变片11以检测支护板4的弯矩应变值;所述支护板4将模型箱I内部分为地基土层区和开挖区，所述地基土层区内填充有地基土 2，所述开挖区的下部为地基土 2，开挖区的上部为模拟挖斗土方的挖斗土袋3;在所述地基土 2内布置有土压力传感器6以检测地基土压力值，在地基土2的表面和支护板4上分别设有激光位移计7以测量地基土 2顶面位移和支护板4顶端位移。
[0035]所述地基土2内布置有若干PIV标记点5，拍摄整个试验过程的多个摄像机分别安装在离心机大梁上和模型箱内开挖区。设置PIV标记点5，可以根据摄像机摄像所得照片，利用PIV技术进行分析，通过现有的土体分析程序即可实现分析。
[0036]如图2所示，所述PIV标记点5均匀布置在PIV标记板8的正面，PIV标记板8的背面靠置在所述模型箱I的侧壁上，Piv标记板8为有机玻璃构成，厚度为3?5mm，尺寸略小于其靠置的模型箱I的侧壁，PIV标记点5用于记录开挖过程中的土体位移参数。模型箱I也采用透明的有机玻璃板制成。PIV标记板8在模型箱I置入地基土2之前放入模型箱I中IIV标记板8是一块与模型箱I正面同样大小的有机玻璃板，PIV标记点5是用一黑一白一大一小两个圆形纸胶带制成，大白点在下方，小黑点贴在大白点上方，二者一起贴在一块3mm厚的有机玻璃板特定位置处，形成PIV标记板S13PIV标记板8在置入地基土 2之前用玻璃胶粘贴在模型箱I正面内侧，模型箱I正面相应侧由有机航空玻璃组成，便于观察模型箱I内部情况。
[0037]激光位移计7包括横向激光位移计和纵向激光位移计，横向激光位移计布置在横向激光位移计标记线10上，偏离支护板4的中间位置一定距离，用于测量支护板4顶端的横向位移;纵向激光位移计布置在纵向激光位移计标记线9上，对应地基土 2上表面的中间位置，用于测量地基土 2顶面位移。
[0038]每一个所述挖斗土袋3内部的填土量根据挖斗土方折算而成，挖斗土袋3外表面设有便于移出挖斗土袋3的吊环。挖斗土方即挖斗一次挖出的土量，挖斗土方按照比例折算之后得到每一个挖斗土袋3的填土量，按照折算的土量将土装入土袋，形成挖斗土袋3，通过基坑开挖装置移出挖斗土袋3，实现基坑模型开挖。
[0039]所述支护板4为铝合金板，支护板4的顶端伸出地基土2的外部，支护板4的表面设有环氧涂层12。支护板4用于模拟基坑支护墙，根据抗弯强度等效原则确定尺寸。
[0040]如图3?图5所示，所述弯矩应变片11布置于支护板4中间位置处的正反面两侧。如图4，所述弯矩应变片11均采用全桥方式布置。
[0041 ]上述验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型的制作方法，包括以下步骤:
[0042]步骤I):根据试验要求，预先在支护板4上安装弯矩应变片11;弯矩应变片11布置于支护板4中间位置处的正反面两侧，所述弯矩应变片11均采用全桥方式布置。
[0043]步骤2):根据挖斗土方折算制作挖斗土袋3;挖斗土方即挖斗一次挖出的土量，挖斗土方按照比例折算之后得到每一个挖斗土袋3的填土量，按照折算的土量将土装入土袋，形成挖斗土袋3。
[0044]步骤3):根据加速度比例系数，预先计算好地基土层高度及开挖深度，取地基土层高度为hi+hs，其中，开挖深度为h2，为便于填土的操作，在模型箱I的侧壁上对应高度位置为hi和h2处做标记。
[0045]根据加速度确定尺寸的方法为:离心试验前需要确定离心加速度，试验中的各项单位需要按规定进行折减换算，这里的尺寸单位换算为:模型中的尺寸=实际尺寸/离心加速度。
[0046]步骤4):PIV标记板8在模型箱I置入地基土2之前放入模型箱I中。PIV标记板8是一块与模型箱I正面同样大小的有机玻璃板，PIV标记点5是用一黑一白一大一小两个圆形纸胶带制成，大白点在下方，小黑点贴在大白点上方，二者一起贴在一块3mm厚的有机玻璃板特定位置处，形成PIV标记板S13PIV标记板8在置入地基土 2之前用玻璃胶粘贴在模型箱I正面内侧，模型箱I正面相应侧由有机航空玻璃组成，便于观察模型箱I内部情况。
[0047]步骤5):将预先制备好的地基土2采用砂雨法置入模型箱I内至高度为匕的位置，利用水平细线找齐地基土 2顶层水平面位置，置入地基土 2的过程中在地基土 2内布置土压力传感器6。
[0048]步骤6):将带有弯矩应变片11的支护板4插入模型箱I内的地基土2中，通过支护板4将模型箱I内部分为地基土层区和开挖区两个部分。
[0049]步骤7):在地基土层区继续置入高度为^的地基土 2，找平地基土 2顶层水平面位置，置入地基土 2的过程中在地基土内布置土压力传感器6。
[0050]上述的土压力传感器6均采用T型土压力传感器。
[0051]步骤8):在开挖区内地基土2的上方放置挖斗土袋3，放置挖斗土袋3的部分的总高度为h2。
[0052]步骤9):在地基土2上表面和支护板4上分别布置激光位移计7。激光位移计7包括横向激光位移计和纵向激光位移计，横向激光位移计布置在横向激光位移计标记线10上，偏离支护板4的中间位置一定距离，用于测量支护板4顶端的横向位移;纵向激光位移计布置在纵向激光位移计标记线9上，对应地基土 2上表面的中间位置，用于测量地基土 2顶面位移。
[0053]所述地基土2的制备方法为:将原土中的大颗粒杂质去除之后得到土样，利用烘烤箱对土样进行烘干处理后得到地基土 2。
[0054]所述地基土2采用砂雨法置入模型箱内，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。增加砂土的平均落距，会使砂土试样的相对密实度增加;增加出砂孔直径，会使砂土试样的相对密实度减小;增加出砂头总流量，会使砂土试样的相对密实度增加。
[0055]模型箱I内设有PIV标记点5，所述PIV标记点5均匀布置在PIV标记板8的正面，PIV标记板8的背面靠置在所述模型箱I的侧壁上，PIV标记板8为有机玻璃构成，厚度为3?5_，尺寸略小于其靠置的模型箱I的侧壁，PIV标记点5用于记录开挖过程中的土体位移参数。拍摄整个试验过程的多个摄像机分别安装在离心机大梁上和模型箱内开挖区。
[0056]模型制备完成并布置好测量系统后，启动离心机，进行分级开挖，每次开挖完成后稳定一定时间后，方进行下一层开挖。所述开挖步骤为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，每次开挖完成后稳定运行一定时间至传感器数据稳定后，方进行下一层开挖，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；当土层全部开挖完成、或者地基土2变形较大、或者支护板4变形较大时，基坑开挖不再进行，则整个基坑开挖试验完成。
[0057]显然的，测量系统包含的PIV标记点5、土压力传感器6、激光位移计7、弯矩应变片11和摄像机应连接到计算机上以实现数据的输出，该设置为本领域的常规设置，本领域的技术人员完全可以根据现有技术完成上述设置，为突出本实用新型的创新特点，该特征的具体连接在此不再赘述。
[0058]此外，试验用的荷载和离心机均采用现有技术。
[0059]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不是本实用新型的全部实施例，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。
[0060]除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。
【主权项】
1.验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，其特征是，包括顶端开口的模型箱，所述模型箱内竖直嵌有用于模拟支护墙的支护板，所述支护板上设有弯矩应变片以检测支护板的弯矩应变值;所述支护板将模型箱内部分为地基土层区和开挖区，所述地基土层区内填充有地基土，所述开挖区的下部为地基土，开挖区的上部为模拟挖斗土方的挖斗土袋；在所述地基土内布置有土压力传感器以检测地基土压力值，在地基土的表面和支护板上分别设有位移计以测量地基土顶面位移和支护板顶端位移。2.根据权利要求1所述的验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，其特征是，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。3.根据权利要求2所述的验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，其特征是，所述PIV标记点均匀布置在一透明板的正面，所述透明板的背面靠置在所述模型箱的侧壁上，所述模型箱的侧壁为透明材料制成。4.根据权利要求1所述的验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，其特征是，所述弯矩应变片布置于支护板中间位置处的正反面两侧。5.根据权利要求1所述的验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，其特征是，所述的位移计包括横向位移计和纵向位移计，横向位移计布置于支护板上以测量支护板顶端的横向位移，纵向位移计布置于地基土上表面的中间位置以测量地基土顶面位移。6.根据权利要求1所述的验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，其特征是，所述支护板为铝合金板，支护板的顶端伸出地基土的外部，支护板的表面设有环氧涂层。7.根据权利要求1所述的验证支护结构与土体共同作用的离心试验模型，其特征是，每一个所述挖斗土袋内部的填土量根据挖斗土方折算而成，挖斗土袋外表面设有便于移出挖斗土袋的吊环。
【文档编号】E02D33/00GK205530404SQ201620388522
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月30日
【发明人】李连祥, 黄佳佳, 符庆宏, 成晓阳
【申请人】山东大学