本发明涉及一种基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置及方法。
背景技术
随着社会生产的发展，越来越多的基坑开挖需要在市区或者居民区周围进行。尤其在我国上海，因其特有的历史成因，其地质主要以粘性土和砂、粉性土为主，且软粘性土分布较为广泛。具有高含水量、大孔隙比、低强度、高压缩性、低渗透性等特点，在附加荷载作用下易产生软土地基变形。在此情况下，基坑开挖将给周围建筑带来更大的影响。因此有必要针对基坑开挖对大底盘单塔楼的变形影响效应做更加深入的研究。
国内外相关学者针对基坑开挖对大底盘单塔楼的变形影响效应的研究方法主要是理论分析法、数值模拟法以及现场监测法。理论分析法是利用弹性理论，通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上不能准确考虑基坑开挖与单塔楼沉降的复杂关系，并且计算量大；数值模拟方法一般需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。此外，由于土工测试仪器设备的限制很难获得精确的土体物理力学参数，而土体参数的变化对数值模拟结果影响很大，因此容易造成计算结果的偏差。现场监测方法是获取基坑开挖时周围土体变形的手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差，同时现场监测需要投入一定量的人力物力，现场预埋测试元件非常容易在施工中受到破坏，从而延误监测乃至得到错误监测信息。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置及方法，能够解决现有的基坑开挖对大底盘单塔楼变形影响效应的研究方法存在复杂且计算耗时或计算结果偏差较大的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置，包括：
模型箱，所述模型箱包括底壁和与所述底壁连接的四个侧壁，所述模型箱的顶面设为开口；
设置于所述模型箱内左侧的大底盘单塔楼模型，所述大底盘单塔楼模型包括大底板、设置于所述大底板上的大底盘地下室结构和与所述地下室结构连接的单塔楼的地上结构；
圆筒形的地下连续墙模型，所述地下连续墙模型设置于所述模型箱内大底盘单塔楼模型的右侧；
设置于所述地下连续墙模型内侧壁依次连接的多层基坑环状支撑模型；
固定于所述地下连续墙模型底部的基坑底板模型；
设置于所述地下连续墙模型内部的基坑开挖施工模拟装置，包含多个填满砂土的塑料囊；
多个位移计，每个位移计通过固定在土体的上表面或者土体内部；
多个千分表，每个千分表固定在所述大底盘单塔楼模型的地上结构上；
多个应变计，每个应变计固定在所述大底盘单塔楼模型的大底板的底部。
进一步的，在上述装置中，所述大底盘单塔楼模型由铝合金材料制成。
进一步的，在上述装置中，所述箱体和圆筒形的地下连续墙模型，分别由铝合金材料制成。
进一步的，在上述装置中，还包括：
设置于所述模型箱的顶面上的位移计支架，所述位移计支架上设置有开口和通孔，所述地上结构从所述位移计支架上的开口中伸出，每个位移计通过位移计支架上的通孔固定在地下室结构周围的土体的上表面或者土体内部。
进一步的，在上述装置中，还包括：
固定在所述位移计支架上的千分表支架，每个千分表支架通过所述千分表支架固定在大底盘单塔楼模型的地上结构的表面。
进一步的，在上述装置中，所述模型箱的顶面四周的四个侧壁均设有固定所述位移计支架的锚孔。
进一步的，在上述装置中，所述位移计支架使每个位移计在水平方向被固定，并在竖直方向上可调。
进一步的，在上述装置中，每个填满砂土的塑料囊为封闭式圆柱体砂土囊，每个封闭式圆柱体砂土囊沿在地下连续墙模型内纵向逐层分布
进一步的，在上述装置中，每个基坑环状支撑模型包括上下两个圆环，上下两圆环由4根竖向弧条进行上下连接。
根据本发明的另一面，提供一种基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟方法，采用上述基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置，所述方法包括：
先向模型箱内填入淤泥质粘土，当土体厚度填至100mm，按既定位置放入地下连续墙模型，并用水准尺控制使所述地下连续墙模型的底面与土层保持水平；
将包含4层塑料囊的基坑开挖施工模拟装置放入地下连续墙模型，使基坑开挖施工模拟装置的底面与地下连续墙模型的底面相平；
继续向模型箱内填入淤泥质粘土，当土体厚度达到197mm时，按既定位置放入大底盘单塔楼模型；
继续向模型箱内填入粉质粘土，至土体厚度达到200mm时，开始向模型箱内填入砂土，填土过程中随时测量校准所述地下连续墙模型与模型箱中轴线之间的位置关系，直至土体厚度达到300mm，即填土完成，此时所述地下连续墙模型的入土深度为200mm；
首先取出所述地下连续墙模型内的第一层塑料囊，即完成右基坑第一阶段地基开挖模拟，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，同时安装第一层基坑环状支撑模型；
接着取出所述地下连续墙模型内的第二层塑料囊，即完成基坑第二阶段地基开挖模拟，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，同时安装第二层基坑环状支撑模型；
进而取出所述地下连续墙模型内的第三层塑料囊，即完成基坑第三阶段地基开挖模拟，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，同时安装第三层基坑环状支撑模型；
最后取出所述地下连续墙模型内的第四层塑料囊，即完成基坑第四阶段地基开挖模拟，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，同时安装第三层基坑环状支撑模型及基坑底板模型，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，最后得出周围地层的沉降情况以及邻近建筑物的变形受力情况。
本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：
1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到基坑群开挖对邻近大底盘单塔楼的变形影响研究中；
2、本发明的基坑开挖施工模拟装置可以较好模拟基坑开挖过程中引起的周围地层及邻近大底盘单塔楼建筑物的变形情况，并可以较为准确测出施工扰动对周围环境的影响；
3、本发明中通过控制基坑开挖施工模拟装置中各层砂土囊的不同取出顺序，可以实现不同施工顺序的基坑开挖模拟，在一次试验中获得一系列不同施工工况下的实验数据；
4、本发明将模拟箱内的填土进行分层，可对不同工程实例中的地质情况还原模拟，具有很强的工程适用性；
5、采用本套模拟测试装置进行基坑施工环境土工效应的试验研究，可为基坑工程现场施工提供良好的咨询与建议，对于制定基坑施工技术标准以及周围地层和邻近既有构筑物的安全保护措施提供一定的理论参考。
附图说明
图1是本发明一实施例的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置的示意图；
图2是本发明一实施例的模型箱内的基坑环状支撑模型的俯视图；
图3是本发明一实施例的的模型箱内基坑的基坑环状支撑模型侧视图；
图4是本发明一实施例的模型箱内大底盘单塔楼建筑物侧视图；
图5是本发明一实施例的位移计支架示意图；
图6是本发明一实施例的大底盘单塔楼建筑物的大底板底部应变计布置示意图；
图7是本发明一实施例的大底盘单塔楼的大底板底部桩布置示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置，包括：
模型箱，所述模型箱包括底壁和与所述底壁连接的四个侧壁，所述模型箱的顶面设为开口；
设置于所述模型箱内左侧的大底盘单塔楼模型，所述大底盘单塔楼模型包括大底板、设置于所述大底板上的大底盘地下室结构和与所述地下室结构连接的单塔楼的地上结构；
圆筒形的地下连续墙模型，所述地下连续墙模型设置于所述模型箱内大底盘单塔楼模型的右侧；
设置于所述地下连续墙模型内侧壁依次连接的多层基坑环状支撑模型；
固定于所述地下连续墙模型底部的基坑底板模型；
设置于所述地下连续墙模型内部的基坑开挖施工模拟装置，包含多个填满砂土的塑料囊；
多个位移计，每个位移计通过固定在土体的上表面或者土体内部；
多个千分表，每个千分表固定在所述大底盘单塔楼模型的地上结构上；
多个应变计，每个应变计固定在所述大底盘单塔楼模型的大底板底部。
在此，所述多个应变计贴在大底盘单塔楼模型的大底板底部，可实现基坑开挖对邻近大底盘单塔楼底板的内力、弯矩等影响效应。
本发明可用于模拟基坑开挖对基坑周围土体的影响效应；基坑可真实反映实际工程中土体初始应力不对称、土质不均匀、基坑周围环境复杂等情况。本发明可以实现基坑开挖对基坑周围土体的影响效应的施工行为模拟，准确测量基坑周围地层纵向沉降值以及邻近大底盘单塔楼变形量并进行分析。
本发明的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置一实施例中，所述大底盘单塔楼模型由铝合金材料制成。
本发明的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置一实施例中，所述箱体和圆筒形的地下连续墙模型，分别由铝合金材料制成。
在此，模型箱可为由铝合金材料制成的长方体箱，为整个实验装置的载体，分为左右两个部分，其顶面设为开口。地下连续墙模型为由铝合金材料围成的圆筒，放置于模型箱右侧，地下连续墙模型的内侧面开有若干螺栓孔便于固定所述基坑底板模型。
本发明的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置一实施例中，还包括：
设置于所述模型箱的顶面上的位移计支架，所述位移计支架上设置有开口和通孔，所述地上结构从所述位移计支架上的开口中伸出，每个位移计通过位移计支架上的通孔固定在地下室结构周围的土体的上表面或者土体内部。
在此，位移计通过位移计支架固定在土体的上表面以及土层内部，可以实现对地层纵向位移的测量。
本发明的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置一实施例中，所述模型箱的顶面四周的四个侧壁均设有固定所述位移计支架的锚孔，便于所述位移计支架固定。
本发明的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置一实施例中，所述位移计支架使每个位移计在水平方向被固定，并在竖直方向上可调。
从而，可以设计多组深入到土层不同深度的位移计来同时实现地表及地层内部的沉降测量。
本发明的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置一实施例中，还包括：
固定在所述位移计支架上的千分表支架，每个千分表支架通过所述千分表支架固定在大底盘单塔楼模型的地上结构的表面。
在此，所述千分表支架可使每个千分表固定在大底盘单塔楼模型的地上结构的表面，实现对大底盘单塔楼模型关键节点的水平位移观测。
具体的，本发明的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置可以包括：
模型箱；一个大底盘单塔楼模型，该大底盘单塔楼模型具有一个大底板、两层地下室结构和20层地上结构，均由铝合金材料制成，被放置于模型箱左侧；一个地下连续墙模型，该地下连续墙模型由铝合金材料制造围成圆筒，被放置于模型箱右侧；基坑环状支撑模型，其分层被固定于地下连续墙模型内部；基坑底板模型，其固定于地下连续墙模型底部；基坑开挖施工模拟装置，包含多个填满砂土的塑料囊；位移计支架，固定在模型箱顶面；以及多个位移计，每个位移计通过位移计支架固定在土体的上表面或者土层内部；千分表支架，固定在位移计支架上；以及多个千分表，每个千分表通过千分表支架固定在大底盘单塔楼模型的地上结构的表面；多个应变计，每个应变计固定在大底盘单塔楼模型底板底部。
本发明的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置一实施例中，每个填满砂土的塑料囊为封闭式圆柱体砂土囊，每个封闭式圆柱体砂土囊沿在地下连续墙模型内纵向逐层分布。
在此，在地下连续墙模型的筒体内部逐层形成若干个圆柱体砂土囊，从而可以通过各层砂土囊的取卸，模拟箱内的填土进行分层，可对工程实际中的地质情况还原模拟，方便实现土体开挖模拟。
另外，可拆卸塑料砂土囊及基坑环状支撑模型，可真实还原实际基坑开挖的标准工序，为试验数据增加了说服力，对实际工程也提供了指导意义。
本发明的基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置一实施例中，每个基坑环状支撑模型均由铝合金条材制成，所述基坑底板模型由铝合金板制成。
下面，结合附图，通过一个优选实例对本发明作进一步地详细说明。
首先，制作一个模型箱、一个大底盘单塔楼模型、一个地下连续墙模型、一组基坑开挖施工模拟装置、与所述基坑开挖施工模拟装置同规格的环状支撑模型共4个、一块铝合金的基坑底板模型、一个位移计支架、多个位移计、一个千分表支架、多个千分表、多个应变计。
图1为本发明在实施例中的模型箱内大底盘单塔楼及基坑布置示意图，如图1所示：
模型箱1外形呈长方体，内部空间尺寸为1360mm×840mm×400mm(长×宽×高)，由5个厚度为15mm的铝合金板拼接组成。
地下连续墙模型2半径为100mm，高为200mm，由厚度为8mm的铝合金板拼接组成，被放置于模型箱的右部。地下连续墙模型2(基坑)右端距离模型箱边缘200mm，基坑内放有四个塑料砂土囊4、5、6、7，其中，塑料砂土囊4的内部净高为49mm，塑料砂土囊5、6、7的内部净高均为48mm。
基坑内有四层基坑环状支撑模型8、9、10、11，其中，基坑环状支撑模型8上表面与地下连续墙模型的上表面相齐，基坑环状支撑模型8与9之间净高为44mm，基坑环状支撑模型，基坑环状支撑模型9与10之间净高为47mm，基坑环状支撑模型10与11之间净高为47mm。
另外，基坑底板模型12为半径为92mm，厚3mm的铝合金板。大底盘单塔楼模型被放置于模型箱左部，由大底盘地下室结构51和单塔楼的地上结构52组成，其中大底盘地下室结构为二层，单塔楼的地上结构为二十层结构，单塔楼的地上结构的右边缘(地下室底部有各方向延伸10mm的大底板，此处指的是非底板部分)与基坑左端水平间距为120mm。该大底盘单塔楼模型的框架结构均由9mm的铝合金板拼接组成，其中，单塔楼的地上结构52的投影尺寸为244×124mm(长×宽)，大底盘地下室结构51的投影尺寸为720mm×480mm(长×宽)，单塔楼的地上结构52高为700mm，大底盘地下室结构51的每层净高为40mm，地下室下的大底板的尺寸为740mm×500mm(长×宽)，大底板上有56个半径为4.5mm深3mm圆孔方便安装底部桩，每根桩长为100mm。
千分表支架52被固定在位移计支架3上，千分表29-50分别通过千分表支架53固定在单塔楼的地上结构52的表面。
图5为本发明在实施例中的位移计支架示意图。如图1和4、5所示，位移计支架3固定在模型箱1顶面，长度为1390mm，宽度为870mm，其中位移计支架3上开有16个外径为20mm的预留小孔，便于lvdt位移计的固定，其左端有254mm×134mm(长×宽)的矩形空洞方便单塔楼穿出。其中，小孔13-16中心位置位于位移计支架3竖直对称轴上，小孔13中心位置位于单塔楼结构52左侧60mm处，小孔14中心位置位于建筑结构与基坑之间中心处，小孔15-16中心位置位于基坑右侧，小孔15中心位置与右基坑右端距离60mm，小孔16孔中心位置与小孔15孔中心位置距离为60mm；小孔17孔中心位置与小孔13孔中心位置距离为230mm，小孔18孔中心位置与小孔13孔中心位置距离为230mm，小孔19孔中心位置与小孔14孔中心位置距离为230mm，小孔20孔中心位置与小孔14孔中心位置距离为230mm；小孔22、26中心位置分别位于距单塔楼结构、基坑的上边界中点60mm位置处，小孔21、25中心位置分别与小孔22、26中心位置距离为60mm；小孔23、27中心位置分别位于距单塔楼结构、基坑的下边界中点60mm位置处，小孔24、28中心位置分别与小孔23、27中心位置距离为60mm。(注：位移计个数可根据研究项目和精度进行调整)将13-20、21-22、25-26共14个孔处的lvdt位移计末端分别用胶布粘结于粉质粘土土体表面，23、27处的lvdt位移计末端深入土层100mm(即粉质粘土土体表面)，24、28处的lvdt位移计末端深入土层200mm(即淤泥质粘土土体表面)。在本实施例中，位移计用于基坑周围土体各特征点的纵向沉降变形测量，其具体量测数值可由外接位移数据采集仪获得。
图6为本发明在实施例中的大底盘单塔楼底板底部应变计布置示意图。如图5和6所示，应变计均匀布置在大底盘单塔楼底板底部，其中54-58系列、59-63系列、64-68系列、69-73系列以及74-78系列应变计中心间的竖直距离相等，均为115mm，54-58系列应变计中心距离底板上边缘为10mm，74-78系列应变计中心距离底板下边缘为10mm；在每一系列中，应变计中心之间的水平距离相等，均为157.5mm，应变计54、59、64、69、74中心距离底板左边缘为40mm，应变计58、63、68、73、78中心距离底板右边缘为40mm。其具体量测数值可由外接应变数据采集仪获得。
图2和3为模型箱内的基坑环状支撑俯视图，如图2和3所示，每个基坑环状支撑模型包括上下两个圆环，每个圆环的外围尺寸为半径为92mm，上下两圆环由4根竖向弧条进行上下连接，圆环由厚8mm的铝合金板制成，弧条由厚4mm的铝合金板制成。
图7为大底盘单塔楼建筑物的大底板的底部桩布置仰视图，如图7所示，桩半径为10mm，共56根桩，桩长100mm，大底板的底部桩位处内凹3mm，以便安装底部桩。
本发明上述实施例通过基坑开挖对邻近大底盘单塔楼变形影响的室内模型试验装置，可以获得基坑开挖施工对周围地层及邻近大底盘单塔楼的影响效应，从而达到准确测量基坑开挖施工引起的周围地层纵向位移值以及邻近大底盘单塔楼受力和变形情况的技术效果。
本发明还提供另一种基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟方法，采用上述基坑开挖对大底盘多塔楼变形影响的室内模拟装置，所述方法包括：
步骤s1，先向模型箱内填入淤泥质粘土，当土体厚度填至100mm，即填完地下连续墙模型(基坑)下卧层土时，按既定位置放入地下连续墙模型(基坑)，并用水准尺控制使所述地下连续墙模型的底面与土层保持水平；
步骤s2，将包含4层塑料囊的基坑开挖施工模拟装置放入地下连续墙模型，使基坑开挖施工模拟装置的底面与地下连续墙模型的底面相平；
步骤s3，继续向模型箱内填入淤泥质粘土，当土体厚度达到197mm时，按既定位置放入大底盘单塔楼模型；
步骤s4，继续向模型箱内填入粉质粘土，至土体厚度达到200mm时，开始向模型箱内填入砂土，填土过程中随时测量校准所述地下连续墙模型与模型箱中轴线之间的位置关系，直至土体厚度达到300mm，即填土完成，此时所述地下连续墙模型的入土深度为200mm；
步骤s5，首先取出所述地下连续墙模型内的第一层塑料囊，即完成右基坑第一阶段地基开挖模拟，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，同时安装第一层基坑环状支撑模型8；
步骤s6，接着取出所述地下连续墙模型内的第二层塑料囊，即完成基坑第二阶段地基开挖模拟，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，同时安装第二层基坑环状支撑模型9；
步骤s7，进而取出所述地下连续墙模型内的第三层塑料囊，即完成基坑第三阶段地基开挖模拟，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，同时安装第三层基坑环状支撑模型10；
步骤s8，最后取出所述地下连续墙模型内的第四层塑料囊，即完成基坑第四阶段地基开挖模拟，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，同时安装第三层基坑环状支撑模型11及基坑底板模型12，记录位移计读数、千分表读数以及应变计读数，最后得出周围地层的沉降情况以及邻近建筑物的变形受力情况。
以此，通过控制基坑开挖以及支撑模拟并同时进行外接位移数据采集仪、千分表以及外接应变数据采集仪数据的整理，我们可以很直观地观测基坑开挖及支撑情况对周围地层以及邻近大底盘单塔楼的变形受力的影响。
本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：
1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到基坑群开挖对邻近大底盘单塔楼的变形影响研究中；
2、本发明的基坑开挖施工模拟装置可以较好模拟基坑开挖过程中引起的周围地层及邻近大底盘单塔楼建筑物的变形情况，并可以较为准确测出施工扰动对周围环境的影响；
3、本发明中通过控制基坑开挖施工模拟装置中各层砂土囊的不同取出顺序，可以实现不同施工顺序的基坑开挖模拟，在一次试验中获得一系列不同施工工况下的实验数据；
4、本发明将模拟箱内的填土进行分层，可对不同工程实例中的地质情况还原模拟，具有很强的工程适用性；
5、采用本套模拟测试装置进行基坑施工环境土工效应的试验研究，可为基坑工程现场施工提供良好的咨询与建议，对于制定基坑施工技术标准以及周围地层和邻近既有构筑物的安全保护措施提供一定的理论参考。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。