模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法及装置

1.本发明属于建筑施工技术领域，涉及地下工程施工技术，具体为模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法及装置。


背景技术：

2.随着经济的发展以及城市人口的集中，城市内公共交通压力越来越大，为了使人们更加方便、快速的出行，地铁工程正在我国各大城市大量修建和快速发展，但是以往的地铁车站大多数只根据自身的需求来进行开发和建设，没有考虑到与其它的地下结构(例如：地下商场、地下停车场、原有的地下人行通道等)产生联系，失去了可以利用的商业价值。如今使原有的地铁车站与其它地下结构产生联系是许多工程师在设计的时候考虑的主要因素之一，地下空间连通就势必涉及到既有地下空间结构开口施工，而开口施工必然会导致既有结构的应力重分布，影响既有地下空间结构的安全性与稳定性；因此，在设计开口的时候就需要进行模型试验来模拟施工过程中的力学影响，从而不断完善设计，保证设计的安全性。
3.但是现有技术中并没有比较好的方法来模拟地下工程结构开口破除的模型试验，成为了目前地下结构开口破除设计方面的难题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中还没有比较好的方法来模拟地下工程结构开口破除的模型试验，导致目前地下结构开口破除设计方面存在难题的问题，本发明提出了模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法及装置。
5.模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法，包括以下步骤：
6.1)将标准块连接在车站模型的开口部位，使车站模型与标准块形成整体结构；
7.2)将连接好的车站模型和标准块一起置于模型箱内，使车站模型的开口部位与模型箱的开口部位对应设置；
8.3)向模型箱内填充土体，在填充土体的过程中从车站模型的开口部位向外延伸设置引出杆，在引出杆上连接测量设备；
9.4)穿过模型箱的开口部位破除车站模型开口部位的标准块；
10.所述车站模型6的开口部位表示将车站模型与原有的地下结构连通的部位；所述标准块表示设置在开口部位的障碍结构。
11.进一步限定，所述步骤还包括：
12.5)在车站模型的开口部位设置支撑结构。
13.进一步限定，所述车站模型的开口部位周围布置有多层应变花，多层应变花沿车站模型开口部位的径向分布；每层设置有多个应变花，同一层的多个应变花沿车站模型的径向分布。
14.进一步限定，最内层相邻两个应变花之间间隔90～100mm；最外层相邻两个应变花
之间间隔190～200mm。
15.进一步限定，所述步骤1)具体为：将标准块通过热熔胶连接在车站模型的开口部位，使车站模型与标准块形成整体结构。
16.进一步限定，所述步骤4)具体为：穿过模型箱的开口部位，利用泡沫电热刀切割车站模型开口部位与标准块之间的热熔胶，使得车站模型开口部位的标准块破除。
17.进一步限定，所述车站模型开口部位的标准块有多个，多个标准块拼接形成与车站模型开口部位形状吻合的结构，相邻两个标准块之间间隔4～5mm。
18.进一步限定，所述车站模型的开口部位的长高比为3:2-2.5；所述模型箱的开口部位的长度比车站模型的开口部位的长度长10～20mm，所述模型箱的开口部位的高度比车站模型的开口部位的高度高10～20mm。
19.基于上述模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法所形成的模拟地下工程结构开口破除的模型试验装置，包括车站模型、引出杆、测量设备、标准块和模型箱，所述车站模型和模型箱上均设置有开口部位，所述标准块设置在车站模型的开口部位处，所述标准块和车站模型均置于模型箱的内腔中，且所述车站模型的开口部位与模型箱的开口部位对应设置，所述引出杆从车站模型的开口部位处延伸至模型箱的外侧与测量设备连接。
20.进一步限定，所述车站模型包括顶板、中板、底板、侧板和立柱，所述立柱与侧板平行，所述立柱的底部和侧板的底部均与底板连接，所述立柱的顶部与侧板的顶部均与顶板连接，所述顶板为弧形板，所述立柱、底板、顶板和侧板共同围成拱形结构，所述中板设置在拱形结构的中部，且所述中板的面板与底板的面板平行，车站模型6的开口部位设置在侧板上。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.1、本发明模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法，其在车站模型的开口部位处设置有标准块，之后将连接好的车站模型和标准块一起置于模型箱内，使车站模型的开口部位与模型箱的开口部位对应设置，两者开口部位的位置对应，方便后续对车站模型的开口部位的标准块进行破除，使得车站模型与原有的地下结构连通；向模型箱内填充土体，从车站模型的开口部位向外延伸设置引出杆，在引出杆上连接测量设备，能够方便在破除过程中对开口部位的位移变化参数进行测量。本发明的模型试验方法思路简单、作用机理明确，试验操作安全可靠，为地下工程结构开口破除施工的模型试验提供了技术支撑，为地铁施工设计提供了有力的参考，解决了地下结构开口破除设计方面的难题，具有良好的应用前景。
23.2、本发明在车站模型的开口部位设置支撑结构。通过支撑结构对破除完的开口部位进行支撑，防止因位移变化出现塌陷。
24.3、本发明在车站模型的开口部位周围布置有多层应变花，多层应变花沿车站模型的开口部位的径向分布；每层设置有多个应变花，同一层的多个应变花沿车站模型的径向分布。通过应变花监测应变变化量及有机玻璃的弹性模量与泊松比计算出应力变化量，以反映车站模型开口部位处破除施工产生的应力变化情况。
25.4、本发明通过热熔胶将标准块连接到车站模型的开口部位，使车站模型与标准块形成整体结构；之后再通过泡沫电热刀对车站模型与标准块之间的热熔胶进行加热，使热熔胶熔化，将车站模型与标准块分离，使得车站模型与原有的地下结构之间连通；其能够有
效防止在破除的过程中产生扰动。
26.5、本发明的车站模型的开口部位的标准块有多个，多个标准块拼接形成与车站模型开口部位形状吻合的结构，多个标准块能够更好的模拟开口部位破除的过程，使得模拟过程更精确。
附图说明
27.图1为本发明模型试验箱的主视图；
28.图2为图1中开口部位的结构示意图；
29.图3为车站模型的示意图；
30.图4为应变花示意图；
31.图5为泡沫电热刀的结构示意图；
32.图6为热熔胶枪的结构示意图；
33.图7为数显千分表的结构示意图；
34.其中，1-顶板，2-中板，3-底板，4-侧板，5-立柱，6-车站模型，7-应变花，8-引出杆，9-数显千分表，10-标准块，11-热熔胶枪，12-热熔胶棒，13-热熔胶，14-泡沫电热刀，15-模型箱，16-土体。
具体实施方式
35.下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。
36.本发明模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法，包括以下步骤：
37.1)将标准块10连接在车站模型6的开口部位，使车站模型6与标准块10形成整体结构；
38.2)将连接好的车站模型6和标准块10一起置于模型箱15内，使车站模型6的开口部位与模型箱15的开口部位对应设置；3)向模型箱15内填充土体16，在填充土体16的过程中从车站模型6的开口部位向外延伸设置引出杆8，在引出杆8上连接测量设备；4)穿过模型箱15的开口部位破除车站模型6开口部位的标准块10；所述车站模型6的开口部位表示将车站模型6与原有的地下结构连通的部位；所述标准块10表示设置在开口部位的障碍结构。
39.所述步骤还包括：5)在车站模型6的开口部位设置支撑结构。
40.车站模型6的开口部位周围布置有多层应变花7，多层应变花7沿车站模型6开口部位的径向分布；每层设置有多个应变花7，同一层的多个应变花7沿车站模型6的径向分布。最内层相邻两个应变花7之间间隔90～100mm；最外层相邻两个应变花7之间间隔190～200mm。
41.步骤1具体为：将标准块10通过热熔胶13连接在车站模型6的开口部位，使车站模型6与标准块10形成整体结构。步骤4具体为：穿过模型箱15的开口部位，利用泡沫电热刀14切割车站模型6开口部位与标准块10之间的热熔胶13，使得车站模型6开口部位的标准块10破除。车站模型6开口部位的标准块10有多个，多个标准块10拼接形成与车站模型6开口部位形状吻合的结构，相邻两个标准块10之间间隔4～5mm。车站模型6的开口部位的长高比为3:2-2.5；模型箱15的开口部位的长度比车站模型6的开口部位的长度长10～20mm，模型箱
15的开口部位的高度比车站模型6的开口部位的高度高10～20mm。
42.基于上述模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法所形成的模拟地下工程结构开口破除的模型试验装置，包括车站模型6、引出杆8、测量设备、标准块10和模型箱15，车站模型6和模型箱15上均设置有开口部位，标准块10设置在车站模型6的开口部位处，标准块10和车站模型6均置于模型箱15的内腔中，且车站模型6的开口部位与模型箱15的开口部位对应设置，引出杆8从车站模型6的开口部位处延伸至模型箱15的外侧与测量设备连接。车站模型6包括顶板1、中板2、底板3、侧板4和立柱5，立柱5与侧板4平行，立柱5的底部和侧板4的底部均与底板3连接，立柱5的顶部与侧板4的顶部均与顶板1连接，顶板1为弧形板，立柱5、底板3、顶板1和侧板4共同围成拱形结构，中板2设置在拱形结构的中部，且中板2的面板与底板3的面板平行，车站模型6的开口部位设置在侧板4上。
43.实施例1
44.本实施例模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法，其包括以下步骤：
45.制作长宽高分别为6m、4m和5m的模型箱15，优选的，该模型箱15是由角钢构成的整体框架，其四周和底部是由40mm厚的有机玻璃板(弹性模量为2.8gpa～3.2gpa)构成，角钢框架与有机玻璃板通过螺栓连接；制作车站模型6，该车站模型的长宽高分别为1.2m、1.6m和0.8m，其是由顶板1、中板2、底板3、侧板4和立柱5拼接形成的两层三跨三连拱模型，均为有机玻璃材质，在最外侧的侧板4上设置有开口部位，该开口部位的长度为300
㎜
、高度为220
㎜
，在模型箱15上与车站模型6的开口部位对应的位置处也设置有开口部位，模型箱15上的开口部位的长度为310
㎜‑
320
㎜
、高度为230
㎜‑
240
㎜
；制作标准块10，参见图2，标准块10有三个，三个标准块10拼接形成与车站模型的开口部位相吻合的结构，相邻两个标准块10之间填充热熔胶13；标准块10与标准块10之间以及与车站模型的开口部位之间预留4～5mm的宽度，有助于热熔胶13进行热熔连接；既实现了分块破除标准块的目的，也保证了试验数据的准确性。
46.1)将标准块10连接在车站模型6的开口部位，使车站模型6与标准块10之间形成整体结构；
47.标准块10与车站模型6的开口部位之间的连接方式可采用水泥、黏土、胶棒等方式连接，优选地，其采用热熔胶13粘结，因为热熔胶13凝固之后其性能与有机玻璃类似；其步骤具体为：将标准块10通过热熔胶13与车站模型6的开口部位粘结在一起，使得车站模型6与标准块10形成整体结构；
48.2)将连接好的车站模型6与标准块10一起置于模型箱15内，使得车站模型6的开口部位与模型箱15的开口部位对应设置，即车站模型6的开口部位与模型箱15的开口部位正对；
49.3)向模型箱15内填充土体16，在填充土体15的过程中从车站模型6的开口部位向外延伸设置引出杆8，在引出杆8上连接测量设备；优选的，该引出杆8可并列设置多根，每根引出杆8上对应设置有一个测量设备，该引出杆8从车站模型6的开口部位向外延伸至模型箱15的外侧；
50.4)穿过模型箱15的开口部位破除车站模型6开口部位的标准块10；其步骤具体为：穿过模型箱15的开口部位，利用泡沫电热刀14切割车站模型6开口部位与标准块10之间的热熔胶13，使得车站模型6开口部位的标准块10破除。
51.优选的，参见图5，本实施例的泡沫电热刀14主要由手柄、刀座和刀片组成，其中刀片的厚度为3mm，切割4～5mm厚度热熔胶，其切割温度为500℃、切割速度为2.5mm/s；通过控制泡沫电热刀14来依次切割车站模型6开口部位与标准块10之间的热熔胶13来模拟开口破除施工的分块开挖过程。
52.车站模型6的开口部位表示将车站模型6与原有的地下结构连通的部位；标准块10表示设置在开口部位的障碍结构。
53.参见图6，优选的，本实施例的热熔胶13是由热熔胶枪11将热熔胶棒12熔解后形成的，热熔胶棒12的材质为eva树脂(弹性模量为2.1gpa～2.5gpa)，结构是直径为7mm的圆柱体。
54.优选的，参见图7，本实施例的测量设备为数显千分表9，数显千分表9的量程为25mm，精度为0.001mm。
55.本实施例的标准块10表示设置在车站模型6开口部位的障碍结构，破除该障碍结构就可使车站模型6与原有的地下结构连通。
56.本实施例中原有的地下结构包括地下商场、地下停车场以及原有的地下人行通道等可与地铁站连通并可商业化利用的地下结构。
57.实施例2
58.本实施例的模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法，在实施例1的基础上，其还包括步骤5)：在车站模型6的开口部位设置支撑结构。
59.优选的，该支撑结构由两个竖向的支柱和一个横梁构成，横梁的两端部连接在两个支柱的顶端部，横梁和支柱共同构成门字形结构，对车站模型6的开口部位进行支撑。
60.参见图4，本实施例在车站模型6的开口部位周围布置有多层应变花7，多层应变花7沿车站模型6的开口部位的径向分布；每层设置有多个应变花7，同一层的多个应变花7沿车站模型6的径向分布。
61.需要说明的是，本实施例应变花7层数可以是2层、3层、4层、5层，甚至更多层，每层应变花7的数量可以是2个、3个、4个、5个，甚至更多个，其具体的层数和个数根据车站模型6的开口部位的大小，具体的材质等而定；优选的，应变花7层数是2层，应变花7的数量是5个；应变花由三个不同方向(0
°
、45
°
、90
°
)的敏感栅(长度为2mm、宽度为1mm)与基底(长度和宽度均为9mm)组成，电阻值为120ω。
62.本实施例的最内层相邻两个应变花7之间间隔90～100mm，具体可以是90mm、95mm和100mm；最外层相邻两个应变花7之间间隔190～200mm，具体可以是190mm、195mm和200mm。
63.实施例3
64.本实施例模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法，在实施例2的基础上，车站模型6开口部位的标准块10有多个，多个标准块10拼接形成与车站模型6开口部位形状吻合的结构，相邻两个标准块10之间间隔4mm～5mm，具体可以是4mm、4.5mm和5mm。
65.优选的，本实施例的车站模型6的开口部位的长度还可以是280mm和330
㎜
，对应的车站模型6的开口部位的高度还可以200
㎜
和250
㎜
，模型箱15的开口部位的长度比车站模型6的开口部位的长度长10～20mm，模型箱15的开口部位的高度比车站模型6的开口部位的高度高10～20mm。
66.实施例4
67.参见图1，本实施例模拟地下工程结构开口破除的模型试验装置，其是基于实施例3中的模拟地下工程结构开口破除的模型试验方法所形成的，包括车站模型6、引出杆8、测量设备、标准块10和模型箱15，车站模型6和模型箱15上均设置有开口部位，标准块10设置在车站模型6的开口部位处，标准块10和车站模型6均置于模型箱15的内腔中，且车站模型6的开口部位与模型箱15的开口部位对应设置，引出杆8从车站模型6的开口部位处延伸至模型箱15的外侧与测量设备连接。
68.需要说明的是，本实施例的引出杆8可以是并列设置的多根，每根对应设置一个测量设备，优选的，参见图7，本实施例的测量设备为数显千分表9，数显千分表9的量程为25mm，精度为0.001mm。
69.参见图3，本实施例的车站模型6包括顶板1、中板2、底板3、侧板4和立柱5，其侧板4为4个，立柱5为8个、顶板1、中板2和底板3均为1个，立柱5的底部和侧板4的底部均与底板3连接，立柱5的顶部与侧板4的顶部均与顶板1连接，顶板1为弧形板，通过立柱5、底板3、顶板1和侧板4共同围成1个拱形结构，中板2设置在拱形结构的中部，被立柱5穿过，且中板2的面板与底板3的面板平行，车站模型6的开口部位设置在最外侧的一个侧板4上。