一种基坑开挖岩土离心机试验装置及试验方法与流程

本发明涉及岩土工程离心机模型试验技术领域，具体涉及一种基坑开挖岩土离心机试验装置及试验方法。

背景技术：

岩土离心机采用不同加速度，能以较小尺寸的模型产生原型基坑的应力应变状态，通过观测模型基坑围护结构及其周围土体的变形状态和破坏过程，为复杂条件下基坑工程性状的深入研究提供了有效手段。然而目前开展的基坑开挖离心机试验存在两个主要问题。一是基坑模型和支护形式简单，大部分试验仅能对基坑局部进行模拟，且内部支撑形式仅限于单向的直杆支撑，同时由于是对基坑局部进行模拟，就不可避免受到边界效应的影响，导致试验结果和工程实测数据有较大偏差。二是部分全尺寸的基坑模型试验不能很好的控制基坑围护结构在土体中的下沉现象，由于基坑围护结构要在土体未完全固结之前放入土体中，这就导致放入未完全固结土样中的基坑围护结构在土体固结过程中由于密度大的原因而发生下沉现象，从而导致试验失败。因此在解决上述两个问题的基础上，开展全尺寸复杂支护形式的基坑开挖离心试验，对研究复杂条件下基坑工程受力和变形特性有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、试验合理性好的基坑开挖岩土离心机试验装置及试验方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基坑开挖岩土离心机试验装置，包括：

模型箱：通过挡板将模型箱内部空间分成实验区和水位控制箱，模型箱的上端设有反力支架；

围护墙体：通过定位单元吊挂在所述实验区内，根据试验方案在所述围护墙体的内部设置分隔墙体，将围护墙体的内部空间分成若干开挖区；

支撑单元：可拆卸的分层安装在所述开挖区内，并和开挖区的内壁抵接；

测试单元：包括孔压计、土压计、应变片和激光位移计。

所述的围护墙体的上表面设有起吊螺孔。

所述的定位单元包括螺纹杆、通过钢绞线与螺纹杆底端连接的U型连接件以及固定在U型连接件底部的起吊螺杆，所述螺纹杆顶端通过调节螺帽与所述反力支架固定，螺纹杆的底端设有通孔，所述钢绞线穿过该通孔，且钢绞线的两端分别与U型连接件的两个顶端连接，所述起吊螺杆与围护墙体的上表面的螺孔相匹配。

围护墙体和分隔墙体均采用铝合金，其厚度可通过以下方式计算得出：

式中：m₁为与原型相同的材料，

ν_m1＝ν_p，E_m1＝E_p，

p为原型材料，ν为材料泊松比，E为材料弹性模量，m₂为模型替代材料即铝合金，d代表构件厚度。由上式可计算得出d_m2为铝合金板厚度。

所述的开挖区的内壁上设有多层平行设置的凹坑组，即在围护墙体和分隔墙体的每一层所述凹坑组包括多个凹坑。

所述的支撑单元包括内部支架和支撑端头，所述内部支架设有多个位置与所述凹坑组相匹配的突出部件，所述突出部件的顶端设有螺孔，所述支撑端头的一端设有与螺孔相匹配的螺杆，支撑端头的另一端设有与凹坑相匹配的凸起，支撑端头的中部设有锁定螺母。安装时，将支撑端头的螺杆旋入突出部件的螺孔中，并调节旋入部分的长度，从而使支撑单元和开挖区内壁的形状相匹配，然后将支撑端头的凸起嵌在凹坑中，通过锁定螺母固定突出部件和支撑端头，使支撑单元水平安装在开挖区的内部。

内部支撑结构截面积由下式计算得出：

E_m1A_m1＝E_m2A_m2

式中：m₁为与原型相同的材料，E为材料弹性模量，A杆件截面积，m₂为模型替代材料即铝合金。

所述的内部支架优选呈井字形，内部支架也可以是直线型，然后在直线的两端连接支撑端头，最终形成直线型的支撑单元。

所述的挡板上设有多个排水孔，并在挡板的实验区侧通过透水石将排水孔堵住。位于实验区的水可以通过透水石渗入水位控制箱中，使两边的水位保持平衡。

所述的围护墙体和分隔墙体通过螺钉固定，并在连接处涂抹防水胶，所述挡板和模型箱的连接处涂抹防水胶。

所述的测试单元包括设置在围护墙体外侧沿深度方向布置的孔压计、设置在围护墙体内侧和外侧沿深度方向布置的土压计、设置在围护墙体内侧和外侧在相对位置上设置的应变片、轴向设置在支撑单元上的应变片以及设置在实验区底部及侧面的激光位移计。

一种采用如上所述装置进行的基坑开挖岩土离心机试验方法，该方法包括以下几个步骤：

(1)将待测土样晒干、粉碎、筛分，按实际含水率加水搅拌制成重塑土样；

(2)将挡板安装在模型箱中，形成实验区和水位控制箱，在实验区底部铺设细砂，然后将步骤(1)所得重塑土样放置在实验区，并将表面抹平；

(3)将模型箱吊装至离心机上，启动离心机，待重塑土样固结至一定程度后将围护墙体通过定位单元吊挂在所述实验区中，继续启动离心机直至重塑土样完全固结；

(4)抽取水位控制箱中的水位直至第一层开挖面以下预定深度，启动离心机进行场地降水，待降水完成后开挖第一层土体并安装支撑单元，启动离心机，读取数据；

(5)重复步骤(4)，直至各层土体开挖完成并全部安装支撑单元，记录每次开挖及施加支撑单元时的数据。

步骤(5)中启动离心机稳定运行一定时间为根据时间相似比换算得出的开挖以及施加一道支撑的实际时间。换算公式如下：

t_m1＝n²t_m2

式中：t为时间，n为试验比尺，m₁为工程原型，m₂为模型试验。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：适用于更为复杂的基坑模型试验，同时实验装置安装与拆卸方便，可重复循环利用，提高了材料的使用率，构件零件更换方便。本发明涉及的试验方法能准确模拟实际工程中基坑降水、土体开挖、支撑施加等过程，具有良好的使用和推广价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明围护墙体和支撑单元配合时的结构示意图；

图3为围护墙体的俯视图；

图4为支撑单元的结构示意图；

图5为定位单元的结构示意图。

其中，1为围护墙体，2为分隔墙体，3为凹坑，4为内部支架，41为突出部件，42为螺孔，5为支撑端头，51为螺杆，6为锁定螺母，7为反力支架，8为钢绞线，9为起吊螺杆，10为U型连接件，11为螺纹杆，12为调节螺帽，13为挡板，14为实验区，15为透水石，16为模型箱，17为起吊螺孔，18为凸起，19为水位控制箱。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种基坑开挖岩土离心机试验装置，其结构如图1所示，包括：

模型箱16：通过挡板13将模型箱16内部空间分成实验区14和水位控制箱19，模型箱16的上端设有反力支架7，挡板13上设有多个排水孔，并通过透水石15将排水孔堵住。位于实验区14的水可以通过透水石15渗入水位控制箱19中，使两边的水位保持平衡，透水石的尺寸约为

围护墙体1：其结构如图2和图3所示，通过定位单元吊挂在实验区内，根据试验方案在围护墙体1的内部设置分隔墙体2，将围护墙体1的内部空间分成若干开挖区，开挖区的内壁上设有多层平行设置的凹坑组，每一层凹坑组包括多个深度为1mm的凹坑3，围护墙体1的上表面设有起吊螺孔17。

经测定，基坑原型围护结构墙体厚度为800mm，内部分割地下连续墙墙体厚度为600mm，所以根据计算公式本实施例所用的围护墙体的厚度为6mm，分隔墙体的厚度为4mm。

其中，定位单元的结构如图5所示，定位单元包括螺纹杆11、通过钢绞线8与螺纹杆11底端连接的U型连接件10以及固定在U型连接件10底部的起吊螺杆9，螺纹杆11顶端通过调节螺帽12与反力支架7固定，螺纹杆11的底端设有通孔，钢绞线8穿过该通孔，且钢绞线8的两端分别与U型连接件10的两个顶端连接，起吊螺杆9与围护墙体1的上表面的螺孔42相匹配，起吊螺杆9的长度约为15cm。

支撑单元：其结构如图4所示，该支撑单元可拆卸的分层安装在开挖区内，并和开挖区的内壁抵接，具体形式如下：支撑单元包括井字形内部支架4和支撑端头5，井字形内部支架4的八个顶角均设有突出部件41，突出部件41的顶端设有螺孔42，支撑端头5的一端设有与螺孔42相匹配的螺杆51，支撑端头5的另一端设有与凹坑3相匹配的凸起，支撑端头5的中部设有锁定螺母6。安装时，将支撑端头5的螺杆51旋入突出部件41的螺孔42中，并调节旋入部分的长度，从而使支撑单元和开挖区内壁的形状相匹配，然后将支撑端头5的凸起嵌在凹坑中，最后通过锁定螺母6固定突出部件41和支撑端头5，使支撑单元水平安装在开挖区的内部。

测试单元：包括设置在围护墙体1外侧沿深度方向布置的孔压计、设置在围护墙体1内侧和外侧沿深度方向布置的土压计、设置在围护墙体1内侧和外侧在相对位置上设置的应变片、轴向设置在支撑单元上的应变片以及设置在实验区14底部及侧面的激光位移计；测试单元未在附图中体现。

围护墙体1和分隔墙体2通过螺钉固定，并在连接处涂抹防水胶，挡板13和模型箱16的连接处涂抹防水胶。

本实施例涉及一种全尺寸基坑开挖离心机实验方法，模拟现场基坑开挖过程。本实施例基坑原型开挖深度10m，地下连续墙入土深度20m，土体分三层开挖，开挖深度分别为2m、4.5m、3.5m。施加两道支撑，分别在第一层土体和第二层土体开挖完成之后。本实施例基坑开挖离心机实验方法流程包括以下步骤：

步骤1，将现场取回土样晒干、粉碎、筛分，按实际含水率加水搅拌制成重塑土样。

步骤2，将粘贴好透水石的挡板安装至试验模型箱，将模型箱分隔成实验区和排水箱两部分，并用止水胶密封挡板与试验模型箱间缝隙。

步骤3，在试验模型箱底部铺设10cm细砂，将制成的重塑土样装入试验模型箱，土样铺装厚度为35cm，并将表面抹平。

步骤4，试验模型箱吊装至离心机吊篮，启动离心机至预定离心加速度，待土体固结至一定程度后放入基坑围护结构，并利用吊装定位装置定位，并继续启动离心机直至土体固结完成。

步骤5，抽取水位控制箱中水位至第一层土开挖面以下2cm深度，启动离心机进行场地降水，待降水完成后开挖A区第一层土体(2cm深)并安装第一道支撑。启动离心机运行稳定运行一定时间，读取传感器示数。

步骤6，重复步骤5，直至各分区各层土体开挖完成并施加支撑，记录各次开挖以及施加支撑时传感器数据。

本实施例涉及的全尺寸基坑开挖岩土离心机试验装置及试验方法，适用于更为复杂的基坑模型试验，同时实验装置安装与拆卸方便，可重复循环利用，提高了材料的使用率，构件零件更换方便。本发明涉及的试验方法能准确模拟实际工程中基坑降水、土体开挖、支撑施加等过程，具有良好的使用和推广价值。