一种基坑开挖过程土压力可视化的模拟实验装置的制作方法

本发明涉及一种基坑开挖过程土压力可视化的模拟实验装置。

背景技术：

在基坑开挖的过程中，支护桩外侧土体对桩体施加的土压力具体发展过程一直是困扰学者们的一大问题，如果能够清楚预测支护桩外侧土体对桩体施加的土压力，则可以清楚基坑开挖过程中支护桩的受力情况，有利于对支护桩和土体进行针对性加固维护，保证基坑开挖工程能够安全地顺利进行。目前，为了能清楚了解在开挖过程中支护桩上受到的土压力是如何发展和形成的，有的学者采用土压力盒来进行测试，但是土压力盒自身周围会有应力场，并不能准确测得土压力。而有的学者通过piv技术对土颗粒的位移来反算与压力的分布，但是这种方法很容易在反算土压力的过程中出现误差。

综上所述，本申请人认为为了能更清楚直观地观察支护桩上的土压力在开挖过程中的演化过程以及分布特点，有必要提供一种基坑开挖过程土压力可视化的模拟实验装置。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种基坑开挖过程土压力可视化的模拟实验装置，通过对基坑开挖过程中支护桩上的土压力进行实时模拟并监测，以能够获得基坑开挖过程中支护桩的受力情况，有利于对支护桩和土体进行针对性加固维护。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基坑开挖过程土压力可视化的模拟实验装置，包括透明的模型箱体和数码光弹仪，数码光弹仪包括计算机、摄像模块、光弹材料层、第一偏振镜、第二偏振镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片和光源；模型箱体为顶面敞开的箱体，模型箱体内填充有土颗粒，土颗粒中设有若干个支护桩，若干个支护桩将土颗粒分隔为开挖区域和土体区域，若干个支护桩与土体区域之间设有光弹材料层，模型箱体的一侧由内至外依次设有第一四分之一波片、第一偏振镜和摄像模块，模型箱体的另一侧由内至外依次设有第二四分之一波片、第二偏振镜和光源，光弹材料层、第一偏振镜、第二偏振镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、摄像模块和光源位于同一中轴线上，计算机与摄像模块通过数据线电连接。

由上可知，在使用时，本发明利用透明的模型箱体填充有土颗粒，然后将数码光弹仪布置好，在土颗粒的开挖区域挖坑，按照工况要求将开挖区域的土体逐层挖去，在开挖过程中，开挖区域上部分的土体被挖掉，则土体区域的土体会对支护桩产生土压力，土压力在开挖区域土体开挖的过程中会发生复杂的变化。

另外由于光弹材料是具有双折射性质的透明材料，这种材料在没有受力的状态下不具有双折射性，但当其受到应力作用是，其在偏振光场中会表现出光学的各向异性，出现双折射现象，产生彩色的干涉条纹图，而且彩色干涉条纹图的彩色梯度在不同受力状态下会发生变化，因此根据彩色梯度与受力之间的关系，就可以实现对光弹材料的标定；因此在开挖区域土体不断开挖的同时利用光源向光弹材料层发射光线，并用摄像模块记录光弹材料层图像，而得到变化的彩色干涉条纹图，并将一系列变化的彩色干涉条纹图传送至计算机，计算机对彩色干涉条纹图进行标定，根据标定的结果得到光弹材料层在开挖区域土体开挖过程中的应力场变化情况，也即是获得了基坑开挖过程中支护桩的受力情况，从而实现对基坑开挖过程中支护桩上的土压力进行实时模拟并监测，有利于对支护桩和土体进行针对性加固维护，而保障对支护桩和土体的安全，同时可以节省施工费用。

作为本发明的一种改进，所述土体区域与光弹材料层之间设有柔性塑料膜层。

与现有技术相比，本发明技术方案的创新点和有益效果在于：

本发明在开挖区域土体不断开挖的同时利用光源向光弹材料层发射光线，并用摄像模块记录光弹材料层图像，然后利用计算机对彩色干涉条纹图进行标定，根据标定的结果得到光弹材料层在开挖区域土体开挖过程中的应力场变化情况，也即是获得了基坑开挖过程中支护桩的受力情况，从而实现对基坑开挖过程中支护桩上的土压力进行实时模拟并监测，有利于对支护桩和土体进行针对性加固维护，而保障对支护桩和土体的安全，同时可以节省施工费用。

附图说明

图1为本发明基坑开挖过程土压力可视化的模拟实验装置的示意图；

图2为本发明基坑开挖过程土压力可视化的模拟实验装置模型箱体的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例

请参考图1和图2，一种基坑开挖过程土压力可视化的模拟实验装置，包括透明的模型箱体10和数码光弹仪，数码光弹仪包括计算机20、摄像模块30、光弹材料层90、第一偏振镜40、第二偏振镜70、第一四分之一波片50、第二四分之一波片60和光源80；

模型箱体10为顶面敞开的箱体，模型箱体10内填充有土颗粒11，土颗粒11中设有若干个支护桩14，若干个支护桩14将土颗粒分隔为开挖区域12和土体区域13；

若干个支护桩14与土体区域13之间设有光弹材料层90，模型箱体10的一侧由内至外依次设有第一四分之一波片50、第一偏振镜40和摄像模块30，模型箱体10的另一侧由内至外依次设有第二四分之一波片60、第二偏振镜70和光源80，光弹材料层90、第一偏振镜40、第二偏振镜70、第一四分之一波片50、第二四分之一波片60、摄像模块30和光源80位于同一中轴线上，计算机20与摄像模块30通过数据线电连接。

由上可知，在使用时，本发明利用透明的模型箱体填充有土颗粒，然后将数码光弹仪布置好，在土颗粒的开挖区域挖坑，按照工况要求将开挖区域的土体逐层挖去，在开挖过程中，开挖区域上部分的土体被挖掉，则土体区域的土体会对支护桩产生土压力，土压力在开挖区域土体开挖的过程中会发生复杂的变化。

另外由于光弹材料是具有双折射性质的透明材料，这种材料在没有受力的状态下不具有双折射性，但当其受到应力作用是，其在偏振光场中会表现出光学的各向异性，出现双折射现象，产生彩色的干涉条纹图，而且彩色干涉条纹图的彩色梯度在不同受力状态下会发生变化，因此根据彩色梯度与受力之间的关系，就可以实现对光弹材料的标定；因此在开挖区域土体不断开挖的同时利用光源向光弹材料层发射光线，并用摄像模块记录光弹材料层图像，而得到变化的彩色干涉条纹图，并将一系列变化的彩色干涉条纹图传送至计算机，计算机对彩色干涉条纹图进行标定，根据标定的结果得到光弹材料层在开挖区域土体开挖过程中的应力场变化情况，也即是获得了基坑开挖过程中支护桩的受力情况，从而实现对基坑开挖过程中支护桩上的土压力进行实时模拟并监测，有利于对支护桩和土体进行针对性加固维护。

在本实施例中，所述土体区域13与光弹材料层90之间设有柔性塑料膜层15。柔性塑料膜层位于土体区域与光弹材料层之间，既可以用于对光弹材料层进行辅助固定，同时能较好地传递土体对光弹材料层产生的土压力，而且柔性塑料膜层在变形过程中能跟随支护桩和光弹材料变形，可以保证实验的准确性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。