离心场基坑开挖支护模拟设备的制作方法
【专利摘要】一种离心场基坑开挖支护模拟设备，包括带有观察窗口的模型箱、位于模型箱内上部的包括挡土墙的支挡结构、向挡土墙施加水平压力的水平加载机构、向土体施加竖向压力的竖向加载机构以及控制水平加载机构水平运动和竖向加载机构竖向运动的控制模块，本发明实现了基坑离心模型试验过程中的基坑开挖和支护，及开挖与渗流耦合作用下基坑变形破坏的模拟，能够保持固结过程和开挖过程中模型地基的应力路径和侧压状态符合实际。
【专利说明】离心场基坑开挖支护模拟设备
【技术领域】
[0001]本发明主要应用于基坑土工离心模型试验中，模拟基坑开挖和支护，具体涉及一种离心场基坑开挖支护模拟设备。
【背景技术】
[0002]随着城市中高层建筑越来越多，深大基坑工程越来越常见。近年来我国在基坑工程方面事故频发，造成重大人员伤亡和财产损失。研究基坑围护设施的稳定性与基坑挡墙的破坏机理对预测工程潜在危险、避免事故具有重要意义。离心模型试验能够实现模型与原型应力应变相同，变形相似，在基坑工程问题中已经得到了较广泛的应用。在基坑开挖方面也有很多学者进行了研究。基坑开挖过程是基坑变形破坏的重要影响因素，为了保证固结过程和开挖过程中模型地基的应力路径和侧压状态与实际工程一致，需要在离心场条件下实现基坑的开挖。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种离心场基坑开挖支护模拟设备，支护形式包括有横向支撑挡墙和悬臂式挡墙两种，可以实现基坑离心模型试验中基坑的开挖和支护。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0005]一种离心场基坑开挖支护模拟设备，包括:
[0006]带有观察窗口的模型箱1，模型箱I内填装土体11 ;
[0007]位于模型箱I内上部的支挡结构，包括挡土墙12 ；
[0008]水平加载机构8，向挡土墙12施加水平压力；
[0009]竖向加载机构2，向土体11施加竖向压力；
[0010]以及
[0011]控制水平加载机构8水平运动和竖向加载机构2竖向运动的控制模块。
[0012]所述挡土墙12的上部通过X向的轴固定至模型箱I的侧壁，下部通过X向的导向轴15连接至模型箱I的侧壁。
[0013]所述水平加载机构8包括通过丝杆一 9连接X轴电机10的X轴压板14，X轴压板14连接在与导向轴15平行的X导向轴6的靠近挡土墙12的一端；
[0014]所述竖向加载机构2包括通过Z轴丝杆3连接Z轴电机13的Z轴压板16，Z轴压板16连接在与导向轴15垂直的Z导向轴5的底端且Z轴压板16上挂载有若干铅片17。
[0015]所述控制模块包括处理器，通过向X轴电机10和Z轴电机13输出控制信号带动X轴压板14和Z轴压板16运动。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0017]I)离心加速过程和基坑开挖过程保持模型地基的应力路径和侧压状态与实际相符。[0018]2)可以实现有横向支撑挡墙和悬臂式挡墙的基坑开挖和变形破坏的模拟。
[0019]3)可以实现开挖与渗流耦合作用下基坑变形破坏的模拟。
[0020]4)可以模拟不同的基坑深度和挡墙埋深比。
[0021]5)操作简单，可实时监控，材料安全，可靠性强。
[0022]6)适用性广，可用于粘土、粉土等多种土质基坑。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明结构示意图。
[0024]图2是本发明离心场基坑开挖支护模拟设备的原理示意图。其中图2(a)为支护示意图，图2(b)为加载示意图，空心箭头表示离心加速过程，实心箭头表示已达到实验加速度。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0026]如图1所示，一种离心场基坑开挖支护模拟设备，由如下单元模块组成:1)模型箱I及其必要的支架、2)支挡结构、3)水平加载机构、4)竖向加载机构、5)控制模块、6)测量模块。该设备能在离心场条件下模拟基坑开挖和支护过程，包括模型地基固结，基坑开挖，基坑支护，基坑变形和破坏。
[0027]其中，模型箱I与支架均由招合金制成，箱内尺寸为60cmX20cmX52cm,内部填装土体11，在模型箱I前端放置有机玻璃板作为观察窗口，以便实验中观察和记录模型的破坏过程。
[0028]支挡结构用于模拟有横向支撑型式的挡墙，位于模型箱I内上部，主要包括挡土墙12及其连接结构，连接结构为4根铰接的X向的轴。挡土墙12的上部通过2根轴用螺栓固定至模型箱I的侧壁，为挡墙提供横向支撑；下部通过2根导向轴15连接至模型箱I的侧壁，导向轴15可以在水平向自由移动，保证挡土墙12在上部有横向支撑的前提下可自
由转动。
[0029]水平加载机构8用于向挡土墙12施加水平压力，包括位于模型箱I左端的X轴电机10，X轴压板14通过丝杆一 9连接X轴电机10，X轴压板14同时连接在与导向轴15平行的X导向轴6的靠近挡土墙12的一端，X轴电机10通过丝杆一 9带动X轴压板14在X导向轴6上做X轴向的水平运动，对挡土墙12进行位移控制。X轴压板14可提供2t.Ν的压力，通过控制与挡土墙12的相对位置，来模拟基坑开挖前待开挖土体18对挡土墙12的压力。
[0030]竖向加载机构2用于向土体11施加竖向压力，包括位于模型箱I上端的Z轴电机13，Z轴压板16通过Z轴丝杆3连接Z轴电机13，Z轴压板16同时连接在与导向轴15垂直的Z导向轴5的底端,且Z轴压板16上挂载有若干铅片17。Z轴电机13通过Z轴丝杆3带动Z轴压板16做Z轴向的竖直运动，对土体施加压力。Z轴压板16和铅片17可自由下落，只受到Z轴电机13通过Z轴丝杆3施加的上提力，通过增减铅片17的数量可以调节Z轴可自由下落部分的重量，进而实现对基坑待开挖土体18的重力的模拟。
[0031]控制模块用于控制水平加载机构8水平运动和竖向加载机构2竖向运动，主要包含位于离心机室的下部控制箱和位于操控室的上部控制箱，主要通过处理器向X轴电机10和Z轴电机13输出控制信号带动X轴压板14和Z轴压板16运动，如图2(a)所示。其中，下部控制箱的4个旋钮2个一组，可分别控制X轴压板14的水平向移动和Z轴压板16的竖向移动，水平加载机构8上有限位机构一 7,竖向加载机构2上有限位机构二 4,2个按钮分别控制X轴和Z轴的限位(控制压板移动到指定位置时自动停止)开、关。下部控制箱有2个按钮，其一用于操控Z轴压板16的移动，目的是在达到试验设计离心加速度时，消除Z轴压板16与Z轴丝杆3单向联动的空隙，保证水平和竖向的2个压板同时瞬间撤离，其二用于同时启动X轴和Z轴电机，使得水平和竖向2个压板同时撤离，如图2(b)所示。
[0032]综上，本发明实现了基坑离心模型试验过程中的基坑开挖和支护，及开挖与渗流耦合作用下基坑变形破坏的模拟，能够保持固结过程和开挖过程中模型地基的应力路径和侧压状态符合实际。
[0033]该设备与传统基坑开挖模拟设备相比具有显著的优势。它采用离心场自动开挖模拟方式，比传统模拟方式，如重力场(Ig环境下)将拟开挖土体挖掉后再增大离心加速度进行试验的停机开挖模拟方式等，更好地模拟了基坑开挖过程中土体的应力和应变结果。
【发明者】以表格的形式，将该设备的离心自动开挖方式与两种较常用的传统开挖模拟方式进行了详细的比较，具体如下:
[0034]表1不同模拟开挖方法的比较
[0035]
【权利要求】
1.一种离心场基坑开挖支护模拟设备，其特征在于，包括: 带有观察窗口的模型箱(1)，模型箱(I)内填装土体(11); 位于模型箱(I)内上部的支挡结构，包括挡土墙(12)； 水平加载机构⑶，向挡土墙(12)施加水平压力； 竖向加载机构(2)，向土体(11)施加竖向压力； 以及 控制水平加载机构⑶水平运动和竖向加载机构⑵竖向运动的控制模块。
2.根据权利要求1所述的离心场基坑开挖支护模拟设备，其特征在于，所述挡土墙(12)的上部通过X向的轴固定至模型箱(I)的侧壁，下部通过X向的导向轴(15)连接至模型箱⑴的侧壁。
3.根据权利要求1所述的离心场基坑开挖支护模拟设备，其特征在于，所述水平加载机构⑶包括通过丝杆一(9)连接X轴电机(10)的X轴压板(14)，X轴压板(14)连接在与导向轴(15)平行的X导向轴(6)的靠近挡土墙(12)的一端； 所述竖向加载机构⑵包括通过Z轴丝杆(3)连接Z轴电机(13)的Z轴压板(16)，Z轴压板(16)连接在与导向轴(15)垂直的Z导向轴(5)的底端且Z轴压板(16)上挂载有若干铅片(17)。
4.根据权利要求3所述的离心场基坑开挖支护模拟设备，其特征在于，所述控制模块包括处理器，通过向X轴电机(10)和Z轴电机(13)输出控制信号带动X轴压板(14)和Z轴压板(16)运动。
【文档编号】E02D33/00GK104032776SQ201410310260
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】张嘎, 闫冠臣, 马昌慧, 王爱霞 申请人:清华大学