超深开挖离心模型试验模拟设备及其测试方法
【专利摘要】超深开挖离心模型试验模拟设备及其测试方法，本设备由两部分组成；开挖驱动部分和开挖模型部分，特征是开挖驱动部分的结构是，模型箱的顶部固定有支撑板，支撑板上固定有：由大功率单相电机通过减速机驱动的升降电机和线性轴承；开挖模型部分的结构是：导向杆穿过线性轴承并可在线性轴承内竖向自由移动；导向杆上端安装有提升横梁；提升横梁的下面固定有载荷传感器；导向杆下端固定有提升模型。本发明能在离心机高重力场下正常运行；能够模拟的开挖深度与开挖量较大；开挖型式的控制与变换方便；有利于土工离心模型的布置；本发明的操作十分安全；并能够实现精确控制。还可模拟多种型式的开挖工程（或填筑工程）。
【专利说明】超深开挖离心模型试验模拟设备及其测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于土工离心机上的辅助设备，具体涉及一种可用于模拟超深开挖工况离心模型试验的设备，特别适用于开展诸如超深挖方渠道、深基坑等挖深较大的工程试验模拟，以研究因深挖方引起的卸荷而导致的土体回弹变形机理。本设备通过控制驱动装置反向加载，也可以适用于超高填方工程的离心模型试验模拟，以研究因高填方引起的荷载而导致的土体压缩变形机理。
【背景技术】
[0002]随着中国社会经济的飞速发展，岩土工程遭遇到了越来越多的技术难题，其中超深开挖工程近年来越来越多，在南水北调中线工程的渠道施工中，就有挖深达到49 m的超深挖方渠道；在很多城市的建设中，也有大量的深基坑开挖工程，如地铁、高楼大厦的地下空间等，往往挖深达到2(T40 m，甚至超过40 m[l]。这样的超深开挖工程，对于下卧土层引起了较大的卸荷，将导致下卧土层的回弹变形。以往的开挖工程挖深较小，引起的卸荷量不大，产生的下卧土层回弹变形可以忽略；而对于超深开挖工程，已有的实测结果表明，开挖产生的隆起变形及其引起的支护结构和周围土体的附加变形较为显著，目前尚没有较好的、被广泛认同的回弹变形计算方法，急需开展试验研究超深开挖引起的卸荷而导致的土体回弹变形机理。
[0003]离心模型试验中模拟开挖卸荷目前主要有以下方法:
(I)排液法——该方法通过液体模拟被开挖的土体，在离心力场中排出液体即实现了模拟土体的挖除[2、3]。液体的密度需要等于或尽量接近挖除土体的密度，常采用氯化锌等盐溶液，但这些溶液往往具有强烈的腐蚀性甚至毒性，非常不安全，且容易腐蚀排液管路和阀门，试验中往往出现失控的情况。有时也采用熔蜡法模拟隧道的开挖，但蜡的本构关系与土差别很大，且熔化需要在蜡块中布置发热电阻，很难完全熔化，即使蜡熔化也不易排出。根据开挖型式，蜡块可以做成某种形状，液体则需制备相应型式的皮囊，但都无法做出精确的开挖土体的形状；而且排液法残留皮囊，熔蜡法残留发热电阻，均不理想。
[0004](2)采用离心机机器人系统一通过机器人系统，理论上可以在离心力场中实现开挖、填筑、测量等动作[4、5]，从原理上是最佳的在离心模型试验中模拟开挖的方法。但由于机器人系统的精度要求高，在高重力场下产生的系统挠曲变形对各种动作的实现影响很大，往往达不到要求的精度；另外机器人系统的机械臂出力较小，只能通过多次少量的方法模拟开挖，开挖的速度非常慢，而且开挖量小，试验耗时往往难以忍受。
[0005]参考文献:
[1]郑刚，焦莹.深基坑工程设计理论及工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社，
2010.[2]MARSHALL A M.Tunnelling in sand and its effect on pipelines and piles[D].London: University of Cambridge, 2009.[3]马险峰，陈斌，田小芳等.盾构隧道注浆对既有隧道影响的离心模拟研究[J].岩土力学.2012, 33(12): 3604-3610.[4]吴宏伟，徐光明.地基应力解除法纠偏机理的离心模型试验研究[J].岩土工程学报.2003, 25(3): 299-303.[5]任国峰.基于离心机机器人的港池开挖相似性研究[D].南京，南京水利科学研究院，2012.。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种超深开挖离心模型试验模拟设备，旨在解决离心机高重力加速度场下的以下关键问题:1，现有技术能够模拟的开挖深度较小、开挖量不大、开挖型式控制不便；2，现有技术不利于土工离心模型的布置；3，现有技术不安全；4，现有技术难以实现精确控制。本发明还将提供这种超深开挖离心模型试验模拟设备的测试方法。
[0007]完成上述发明任务的技术方案是:一种超深开挖离心模型试验模拟设备，本设备由两部分组成；开挖驱动部分和开挖模型部分，其特征在于，所述开挖驱动部分的结构是，模型箱的顶部固定有支撑板，该支撑板上固定有:由大功率单相电机通过减速机驱动的升降电机和线性轴承；所述开挖模型部分的结构是:所述导向杆穿过线性轴承并可在线性轴承内竖向自由移动；所述导向杆上端安装有提升横梁；该提升横梁的下面固定有载荷传感器；所述导向杆下端固定有提升模型。
[0008]以上设备的优化方案有:
所述的提升模型设有多种形状与规格；每种形状与规格与实验中需要挖除的土体采用符合开挖形状的提升模型相对应。每次实验中需要挖除的土体采用符合开挖形状的提升模型来替代。
[0009]所述多种形状与规格，图3列出了一些提升模型的型式，可以是:渠道开挖模型、基坑开挖模型或道路边坡开挖模型。
[0010]同时提升模型可视为一个容器，通过在提升模型内增减铁砂、砝码等配重，可以调整提升模型的质量，从而模拟需要的开挖量。
[0011]该提升模型与导向杆下端采用螺纹连接，可以根据不同试验需要进行更换不同形状的提升模型。
[0012]线性轴承是中间开孔的。
[0013]导向杆上端与提升横梁通过锁紧螺母相固定。
[0014]完成本申请第二个发明任务的技术方案是:使用上述超深开挖离心模型试验模拟设备的测试方法，其特征在于，步骤如下，
(1).首先确定需要挖除土体的开挖形状与开挖质量；
(2).将符合上述土体开挖形状的提升模型安装固定到导向杆下端；
⑶.在该提升模型内增减铁砂、砝码等配重，以调整提升模型的质量，从而模拟需要的开挖质量；
(4).将以上设备置于离心机高重力场下；
(5).接通电源，启动大功率单相电机，通过减速机驱动升降电机；
(6).升降电机向上顶起的提升横梁；
(7).提升横梁被顶起时，将通过导向杆带动提升模型一同被顶起，离开土体； (8).完成上述步骤时，提升横梁下面的荷载传感器输出测试数据；
(9).记录上述荷载传感器输出测试数据，并对该数据进行分析，即完成了开挖卸荷模拟。
[0015]上述方法的优化方案中，增加或替换有以下步骤:
CO).通过控制直流电机反转、配置相应形状和质量的提升模型(此时作为填筑模型使用)，可实现不同型式的高填方填筑工程离心模型试验模拟。
[0016]以上步骤(10)可以在步骤(9)以后进行，也可以是步骤(9)的替换步骤(g卩，不做步骤⑶，直接进行步骤(10))。
[0017]换言之，本项发明是通过以下关键技术得以实现(请参见图1):
1，本设备由2部分组成:开挖驱动部分和开挖模型部分。
[0018]2，开挖驱动部分包括附图1中的升降电机5、线性轴承6、支撑板7和图2中的减速机9、单相电机10。其中，其他各部件均固定安装在支撑板7上，而支撑板7则固定于图2中的模型箱11顶部。如图1、2所示，单相电机与减速机相连，再与升降电机相连接，线性轴承是中间开孔的。
[0019]3，开挖模型部分包括附图1中的锁紧螺母1、提升横梁2、载荷传感器3、导向杆4、提升模型8。其中，提升模型8与导向杆4下端相连，导向杆4穿过开挖驱动部分中的线性轴承6上的开孔，导向杆4上端与提升横梁2通过锁紧螺母I相固定，提升横梁2下方固定荷载传感器3。
[0020]4，试验时，在离心机高重力场下，接通电源，启动大功率单相电机10，通过减速机9驱动升降电机5，向上顶起附带荷载传感器3的提升横梁2，提升横梁被顶起时，将通过导向杆4带动提升模型8 一同被顶起，离开土体，即完成了开挖卸荷模拟。
[0021]5，需要挖除的土体采用符合开挖形状的提升模型来替代，提升模型与导向杆下端采用螺纹连接，可以根据不同试验需要进行更换不同形状的提升模型；同时提升模型可视为一个容器，通过在提升模型内增减铁砂、砝码等配重，可以调整提升模型的质量，从而模拟需要的开挖量，附图3列出了一些提升模型的型式，根据具体的工程研究需要，还可能有其他型式的提升模型。
[0022]6，通过控制直流电机反转、配置相应形状和质量的提升模型(此时作为填筑模型使用)，也可实现不同型式的高填方填筑工程离心模型试验模拟。
[0023]本发明的设备与方法具有以下特点:
1，能在离心机高重力场下正常运行。本发明能够模拟的开挖深度与开挖量都较大；开挖型式的控制与变换都很方便；本发明的设备与方法有利于土工离心模型的布置；本发明的操作十分安全；并能够实现精确控制。
[0024]2，采用大功率直流电机驱动，实现最大提升力250kN ;配备长1100 mm、宽200 mm的专用模型箱，能够模拟的卸荷量约1136 kPa，相当于约60 m深度的超深开挖量；反转电机可实现最大约60 m的超高填筑量。
[0025]3，通过更换不同形状和质量的提升模型(或作为填筑模型)，可模拟多种型式的开挖工程(或填筑工程)。
[0026]本发明能够模拟的开挖深度与开挖量都较大；开挖型式的控制方便；有利于土工离心模型的布置；本发明的操作十分安全；本发明能够实现精确控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为设备结构图的正视图；
图2为设备结构图的俯视图；
图3为提升模型的几种型式:其中a为渠道开挖模型，b为基坑开挖模型，c为道路边坡开挖模型。
【具体实施方式】
[0028]实施例1——渠道开挖离心模型试验研究。
[0029]请参见图1、2所示，本设备由2部分组成:开挖驱动部分和开挖模型部分。开挖驱动部分包括升降电机5、线性轴承6、支撑板7和图2中的减速机9、单相电机10。其他各部件均固定安装在支撑板7上，而支撑板7则固定于图2中的模型箱11顶部。单相电机与减速机相连，再与升降电机相连接，线性轴承是中间开孔的。开挖模型部分包括锁紧螺母1、提升横梁2、载荷传感器3、导向杆4、提升模型8。其中，提升模型8与导向杆4下端相连，导向杆4穿过开挖驱动部分中的线性轴承6上的开孔，导向杆4上端与提升横梁2通过锁紧螺母I相固定，提升横梁2下方固定荷载传感器3。
[0030]试验时，在离心机高重力场下，接通电源，启动大功率单相电机10，通过减速机9驱动升降电机5，向上顶起附带荷载传感器3的提升横梁2，提升横梁被顶起时，将通过导向杆4带动提升模型8 一同被顶起，离开土体，即完成了开挖卸荷模拟。
[0031]图中的提升模型即为渠道开挖断面以上的挖除部分。试验布置为:(1)制备模型渠道；(2)将提升模型(模拟开挖部分土体)置于渠道上，调节提升模型的质量等于开挖卸荷的土体质量；(3)将模型及该设备置于离心机中，升高离心加速度，施加超重力场；(4)启动该设备，单相电机通过减速机驱动升降电机、升降电机接触到安装有荷载传感器的提升横梁后，顶起横梁，通过导向杆和线性轴承顶起提升模型，提升模型脱离模型渠道即模拟了渠道的开挖卸荷；(5)通过其他辅助设备记录并分析渠道抬升变形机理。
[0032]实施例2，与实施例1基本相同，但通过控制直流电机反转，实现不同型式的高填方填筑工程模拟。
【权利要求】
1.一种超深开挖离心模型试验模拟设备，本设备由两部分组成；开挖驱动部分和开挖模型部分，其特征在于，所述开挖驱动部分的结构是，模型箱的顶部固定有支撑板，该支撑板上固定有:由大功率单相电机通过减速机驱动的升降电机和线性轴承；所述开挖模型部分的结构是:所述导向杆穿过线性轴承并可在线性轴承内竖向自由移动；所述导向杆上端安装有提升横梁；该提升横梁的下面固定有载荷传感器；所述导向杆下端固定有提升模型。
2.根据权利要求1所述的超深开挖离心模型试验模拟设备，其特征在于，所述的提升模型设有多种形状与规格；每种形状与规格与实验中需要挖除的土体采用符合开挖形状的提升模型相对应。
3.根据权利要求2所述的超深开挖离心模型试验模拟设备，其特征在于，所述多种形状与规格的提升模型是指:渠道开挖模型、基坑开挖模型或道路边坡开挖模型。
4.根据权利要求1所述的超深开挖离心模型试验模拟设备，其特征在于，所述的提升模型设计为一个容器，该提升模型容器内能够增减配重。
5.根据权利要求1所述的超深开挖离心模型试验模拟设备，其特征在于，所述的提升模型与导向杆下端采用螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的超深开挖离心模型试验模拟设备，其特征在于，所述的线性轴承中间开孔。
7.根据权利要求1-6之一所述的超深开挖离心模型试验模拟设备，其特征在于，所述的导向杆上端与提升横梁通过锁紧螺母相固定。
8.使用权利要求1所述的超深开挖离心模型试验模拟设备的测试方法，其特征在于，步骤如下， (1).首先确定需要挖除土体的开挖形状与开挖质量； (2).将符合上述土体开挖形状的提升模型安装固定到导向杆下端； ⑶.在该提升模型内增减铁砂、砝码等配重，以调整提升模型的质量，从而模拟需要的开挖质量； (4).将以上设备置于离心机高重力场下； (5).接通电源，启动大功率单相电机，通过减速机驱动升降电机； (6).升降电机向上顶起的提升横梁； (7).提升横梁被顶起时，将通过导向杆带动提升模型一同被顶起，离开土体； (8).完成上述步骤时，提升横梁下面的荷载传感器输出测试数据； (9).记录上述荷载传感器输出测试数据，并对该数据进行分析，即完成开挖卸荷模拟。
9.根据权利要求8所述的超深开挖离心模型试验模拟设备的测试方法，其特征在于，增加或替换有以下步骤: CO).通过控制直流电机反转、配置相应形状和质量的提升模型，实现不同型式的高填方填筑工程离心模型试验模拟。
【文档编号】G01N33/24GK104132833SQ201410333582
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】顾行文, 章为民, 茅加峰, 武颖利, 任国锋 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院