桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验装置的制作方法

本实用新型涉及建筑模拟工程技术领域，尤其涉及一种桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验装置。

背景技术：

随着城市化进程的不断加快，城市建设用地日趋紧张，与已有建(构)筑物距离非常近的建筑工程越来越多，由于基坑开挖对周围建(构)筑物的安全具有非常大的影响，因此，要求基坑开挖施工时不但要有安全的支护体系，而且施工速度要快，以尽可能减小基坑开挖施工引起的周围土体变形，保证周边建(构)筑物的安全。

目前，软土基坑支护一般采用重力式围护墙、桩+坑内水平支撑以及桩+钢管前撑的结构形式。重力式围护墙一般坑内无内支撑，可以进行快速挖土，但是位移控制能力较差，桩+坑内水平支撑以及桩+钢管前撑的结构形式位移控制能力较强，但是由于坑内有支撑，影响了施工进度。鉴于上述现象，既可以达到位移控制要求、又可以取消坑内支撑的桩-土-撑组合支护体系逐渐得到了推广应用。

桩-土-撑组合支护体系的作用效果，与前、后排桩的嵌固深度、二者的间距以及斜撑的注浆量有很大的关系。然而，目前为止，桩-土-撑组合支护体系的作用机理至今没有得到解决，设计时基本都是依靠工程经验。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术中存在或潜在的不足之处，本实用新型提供了一种桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验装置，运用该试验装置和方法，可以得到前、后排桩不同嵌固深度、不同间距以及斜撑不同注浆量情况下的桩-土-撑组合支护体系在基坑开挖过程中的位移变化规律，得到桩-土-撑组合支护体系的作用机理，从而获得最佳的前、后排桩的嵌固深度、间距和斜撑的注浆量，达到合理选择桩-土-撑设计和施工参数的目的。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验装置，其包括：

试验土箱，所述试验土箱中容置有试验土体；

前排桩模型，插设于模拟基坑边缘的所述试验土体中；

后排桩模型，插设于所述试验土体中，所述后排桩模型与所述前排桩模型通过连梁模型相连，所述后排桩模型上开设有注浆孔洞；

内部中空的斜撑模型，所述斜撑模型的第一端开口并连接于所述注浆孔洞，所述斜撑模型的第二端插入所述试验土体中并贯穿所述前排桩模型，所述斜撑模型的第二端设有出浆孔；

浆液供给系统，通过注浆管连接于所述注浆孔洞；

位移监测系统，包括相对设置的激光位移传感器和激光标靶，所述激光位移传感器固定于所述试验土箱的侧壁，所述激光标靶固定于所述前排桩模型或所述后排桩模型的顶部；以及

数据处理系统，包括连接于所述激光位移传感器的数据采集仪及连接于所述数据采集仪的数据处理器。

应用本实用新型所述的试验装置，可以模拟不同前、后排桩嵌固深度、间距以及斜撑不同注浆量情况下的桩-土-撑组合支护体系在基坑开挖过程中的位移变化规律，得到桩-土-撑组合支护体系的作用机理，从而获得最佳的前、后排桩嵌固深度、间距和注浆量，达到合理选择桩-土-撑设计和施工参数的目的。

所述桩-土-撑组合支护体系作用机理的模型试验装置进一步的改进在于，所述前排桩模型上开设有斜撑穿孔，所述斜撑模型的第二端穿设于所述斜撑穿孔中。

所述桩-土-撑组合支护体系作用机理的模型试验装置进一步的改进在于，所述浆液供给系统包括气压供给设备和浆液盛放容器，所述气压供给设备通过气管与所述浆液盛放容器相连，所述浆液盛放容器通过所述注浆管连接于所述后排桩模型的所述注浆孔洞。

所述桩-土-撑组合支护体系作用机理的模型试验装置进一步的改进在于，所述气管连接于所述浆液盛放容器的顶部，所述注浆管连接于所述浆液盛放容器的底部。

所述桩-土-撑组合支护体系作用机理的模型试验装置进一步的改进在于，所述气管上设有气压控制阀，所述注浆管上设有浆液控制阀。

所述桩-土-撑组合支护体系作用机理的模型试验装置进一步的改进在于，所述浆液盛放容器的顶部设有排气阀。

所述桩-土-撑组合支护体系作用机理的模型试验装置进一步的改进在于，所述试验土箱的侧壁距离所述前排桩模型或所述后排桩模型的距离至少为所述前排桩模型或所述后排桩模型中较大长度的两倍。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中的基坑开挖之前的桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验装置的示意图。

图2为本实用新型实施例中的基坑开挖之后的桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验装置的示意图。

图3为应用本实用新型实施例中的桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验装置进行模拟试验的流程图。

图中：1-试验土箱，2-试验土体，3-前排桩模型，4-后排桩模型，5-连梁模型，6-固定螺栓，7-斜撑模型，8-注浆体，9-试验桌，10-数据处理器，11-数据采集仪，12-激光位移传感器，13-激光标靶，14-数据传输线，15-气压供给设备，16-浆液盛放容器，17-浆液，18-气管，19-气压控制阀，20-浆液控制阀，21-排气阀，22—注浆管。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

桩-土-撑组合支护体系的作用效果，与前、后排桩的嵌固深度、二者的间距以及斜撑的注浆量有很大的关系。然而，目前为止，桩-土-撑组合支护体系的作用机理至今没有得到解决，设计时基本都是依靠工程经验。

为了深入开展桩-土-撑组合支护体系作用效果的研究，明确前、后排桩的嵌固深度、二者的间距以及斜撑的注浆量等因素对该支护体系的影响机理，从而获得最佳的前、后排桩嵌固深度、间距和斜撑注浆量，达到合理选择桩-土-撑设计和施工参数的目的，就必须具备一种室内模拟桩-土-撑组合支护体系作用机理的模型试验装置和试验方法，目前现有技术在这一领域中上属于空白。

首先，参阅图1和图2所示，本实用新型的实施例中提供了一种桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验装置，其主要由试验土箱1、前排桩模型3、后排桩模型4、连梁模型5、斜撑模型7、浆液供给系统、位移监测系统和数据处理系统各部分构成，具体包括：试验土箱1、试验土体2，前排桩模型3、后排桩模型4、连梁模型5、固定螺栓6、斜撑模型7、注浆体8、试验桌9、数据处理器10、数据采集仪11、激光位移传感器12、激光标靶13，数据传输线14、气压供给设备15、浆液盛放容器16、浆液17，气管18、气压控制阀19、浆液控制阀20、排气阀2、注浆管22。

试验土箱1为一顶部开口的长方体容器，其内部用于盛放试验土体2。

前排桩模型3位于待开挖的模拟基坑边缘，用来模拟实际桩-土-撑组合支护体系中的前排桩体。前排桩模型3上开有一圆形的斜撑穿孔，斜撑穿孔的直径与斜撑模型7的直径相等，可以让斜撑模型7刚好穿过。后排桩模型4远离模拟基坑边缘，用来模拟实际桩-土-撑组合支护体系中的后排桩体。后排桩模型4上开有一圆形的注浆孔洞，作为浆液17注入斜撑模型7的通道，注浆孔洞的外侧与注浆管22连接，内侧与斜撑模型7相连。

连梁模型5用于将前排桩模型2和后排桩模型3的顶部连接起来，组成一个门式结构，增强前排桩模型2和后排桩模型3的整体作用。连梁模型5的长度可以改变，如采用伸缩杆模型，或更换不同长度的连梁模型，用来模拟前排桩模型3和后排桩模型4之间的不同间距。

斜撑模型7为一上端开口的中空圆形管状结构，底部固定一圆锥形的盖帽(或其他形状的盖帽)，该盖帽及其附近的圆形管状结构(即斜撑模型7的下端)上开有出浆孔，作为浆液17进入试验土体2的通道孔。

试验桌9用来放置数据采集仪11和数据处理器10，其中，数据采集仪11和数据处理器10构成了本实用新型装置的数据处理系统，数据处理器进一步可采用电脑。

数据处理器10内装有数据监测平台，用于读取和处理数据采集仪11中采集的试验数据，通过数据传输线14与数据采集仪11相连。

数据采集仪11用于采集激光位移传感器12测量的数据，通过数据传输线14与激光位移传感器12相连。

激光位移传感器12安装在试验土箱1的侧壁上，用于测量激光标靶13的位移。激光标靶13固定在前排桩模型3或后排桩模型4的顶部；本实施例中，激光标靶13采用标杆，固定在前排桩模型3的顶部。激光标靶13与激光位移传感器12相对设置，用来作为激光位移传感器12的反射装置，用来反映前排桩模型3和后排桩模型4的位移。其中，激光位移传感器12和激光标靶13构成了本实用新型装置的位移监测系统。

气压供给设备15用于给浆液盛放容器16提供气压，气压供给设备15通过气管18与浆液盛放容器16连接，从而将浆液盛放容器16里面的浆液17通过注浆管22压入到斜撑模型7中，并进入试验土体2。其中，气压供给设备15和浆液盛放容器16构成了本实用新型的浆液供给系统。

浆液盛放容器16用于盛放浆液17，并在浆液盛放容器16一端安装气管18，另一端安装注浆管22。在浆液盛放容器16的上端和下端各开有一个孔，上端的孔用于安装气管18，下端的孔用于安装注浆管22，并在气管18和注浆管22上分别设置气压控制阀19和浆液控制阀20用于分别控制气体的进入和浆液17的流出。在浆液盛放容器16上端安装气管18的孔的旁边还开有一个孔用于安装浆液盛放容器的排气阀21，该排气阀21用于随时释放浆液盛放容器16内的气压，以利于浆液盛放容器16中的气压控制。

作为一优选的实施方式，试验土箱1左、右两侧边缘距离前排桩模型3和后排桩模型4的最近距离至少为前排桩模型3和后排桩模型4长度的2倍，以满足间距效应。

作为一优选的实施方式，前排桩模型3和后排桩模型4顶部以及连梁模型5两端开有孔洞，用来将连梁模型5与前排桩模型3和后排桩模型4连接固定，因此，前排桩模型3、后排桩模型4及连梁模型5可拆卸装配式相连，便于拆装、更换。

配合图2所示，本实用新型的实施例中还提供了一种桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验方法，其主要包括如下步骤：

步骤101：提供前排桩模型、后排桩模型及连梁模型，将前排桩模型和后排桩模型通过连梁模型相连，于后排桩模型上开设有注浆孔洞，于前排桩模型上开设有斜撑穿孔；

步骤102：提供斜撑模型，斜撑模型内部中空且第一端开口，将斜撑模型的第一端连接于注浆孔洞，将斜撑模型的第二端穿设于斜撑穿孔中，并于斜撑模型的第二端开设出浆孔，使得前排桩模型、后排桩模型、连梁模型及斜撑模型组合形成桩-土-撑组合支护体系模型；

步骤103：提供试验土箱，于试验土箱中置入桩-土-撑组合支护体系模型及试验土体，使前排桩模型、后排桩模型及斜撑模型插设于试验土体中；

步骤104：提供浆液供给系统，通过注浆管将浆液供给系统与注浆孔洞相连；

步骤105：开启浆液供给系统，利用注浆管向斜撑模型中注入浆液，浆液经由斜撑模型的出浆孔流入试验土体中；

步骤106：待达到设定注浆量时，关闭浆液供给系统，停止注浆；

步骤107：提供位移监测系统，将位移监测系统安装于桩-土-撑组合支护体系模型与试验土箱，采集桩-土-撑组合支护体系模型相对于试验土箱的位移数据；

步骤108：提供数据处理系统，将数据处理系统连接于位移监测系统，获取位移监测系统采集到的位移数据，作为位移初值；

步骤109：开挖前排桩模型的远离后排桩模型的一侧的试验土体，模拟基坑开挖，并利用位移监测系统实时采集开挖过程中的桩-土-撑组合支护体系模型相对于试验土箱的位移数据；以及

步骤110：利用数据处理系统根据位移初值和开挖过程中的位移数据制作开挖过程中的桩-土-撑组合支护体系模型的位移变化规律。

较佳地，在制作得到位移变化规律之后，还包括步骤：

改变前排桩模型和后排桩模型的嵌固深度、间距或斜撑模型的注浆量中的一种或多种；

得到不同情况下的桩-土-撑组合支护体系模型的位移变化规律；

从不同的位移变化规律中选择符合实际工况的位移变化规律，配置合理的桩-土-撑组合支护体系模型的设计和施工参数。

较佳地，在于试验土箱中置入桩-土-撑组合支护体系模型及试验土体的过程中，包括步骤：

于试验土箱中装入试验土体至前排桩模型和后排桩模型的设定底部位置；

将桩-土-撑组合支护体系模型放入试验土箱中的设定位置；

继续向试验土箱中添加试验土体，直至试验土体与连梁模型表面齐平。

具体到前述实施例中的桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验，如图2和图3所示，应用该装置，进行室内模拟桩-土-撑组合支护体系作用机理的试验的具体操作步骤如下：

1)将斜撑模型7穿过前排桩模型3上的斜撑穿孔，通过固定螺栓6连接到后排桩模型4上，使斜撑模型7上端开口与后排桩模型4上的圆孔对接在一起；

2)将连梁模型5通过固定螺栓6与前排桩模型3和后排桩模型4固定在一起，与斜撑模型7一起组成桩-土-撑组合支护体系模型；

3)在试验土箱1中装入试验土体2到前排桩模型3和后排桩模型4底部位置，然后将由前排桩模型3、后排桩模型4、连梁模型5和斜撑模型7组成的桩-土-撑组合支护体系模型放入试验土箱1中的预定位置；

4)继续向试验土箱1中添加试验土体2直到土体表面与连梁模型5上表面齐平；

5)通过注浆管22连接浆液盛放容器16和后排桩模型4上用于浆液17注入的圆孔；

6)关闭浆液盛放容器16上端的气压控制阀19和浆液盛放容器的排气阀21以及浆液盛放容器16下端的浆液控制阀20，在浆液盛放容器16中加入浆液17；

7)启动气压供给设备15，使气压达到试验需要大小；

8)打开浆液盛放容器16上端的气压控制阀19和浆液盛放容器16的下端的浆液控制阀20，使浆液17通过注浆管22进入到斜撑模型7中，并通过斜撑模型7下半部分的小孔注入到附近的试验土体2中；

9)当浆液17达到试验需要的注入量时，关闭浆液盛放容器16上端的气压控制阀19和浆液盛放容器16下端的浆液控制阀20，关闭气压供给设备15，打开浆液盛放容器16上端的浆液盛放容器排气阀21，释放浆液盛放容器16内部气压；

10)待浆液17达到凝固需要的时间形成完整的注浆体8以后，将标杆13固定到前排桩模型3的顶部，将激光位移传感器12安装到模型土箱1侧壁上；

11)通过数据传输线14连接激光位移传感器12与数据采集仪11，以及数据采集仪11与数据处理器10，接通数据采集仪11和数据处理器10的电源；

12)启动数据采集仪11和数据处理器10，开启数据处理器中的数据监测平台，开始采集激光位移传感器12的数据，并把此时的数据作为光位移传感器12的初值；

13)将前排桩模型3右侧的试验土体2挖出，模拟基坑开挖，一直挖到需要的位置，如图2所示；

14)继续采集激光位移传感器12的数据，直到数据稳定，通过与步骤12)中数据采集仪11采集到的初值进行对比，即得到基坑开挖过程中桩-土-撑组合支护体系模型的位移变化规律。

15)改变前排桩模型3和后排桩模型4嵌固深度、间距以及斜撑模型7注浆量，试验模拟不同前排桩模型3、后排桩模型4嵌固深度，不同前排桩模,3、后排桩模型4间距以及斜撑模型7不同注浆量情况下的桩-土-撑组合支护体系模型的位移变化规律，得到桩-土-撑组合支护体系的作用机理。

本实用新型的桩-土-撑组合支护体系作用机理的模拟试验装置及方法，可以模拟不同前、后排桩嵌固深度、间距以及斜撑不同注浆量情况下的桩-土-撑组合支护体系在基坑开挖过程中的位移变化规律，得到桩-土-撑组合支护体系的作用机理，从而获得最佳的前、后排桩嵌固深度、间距和注浆量，达到合理选择桩-土-撑设计和施工参数的目的。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。