一种基坑变形智能监测与控制试验设备及方法

本公开的实施例涉及基坑工程，尤其涉及一种基坑变形智能监测与控制试验设备及方法。

背景技术：

1、基坑是建筑工程中，为了开挖建筑基础而挖掘的方形或矩形地面洞穴，包括开挖式基坑和支护式基坑。由于地表荷载、土体变形和地下水压等因素的影响，基坑周围的土体产生应力，土地发生位移破坏基坑结构。随着地铁、地下街道、大型管道等地下工程建设项目数量和规模的迅速扩大，基坑挖掘的深度越来越深，深层土体压力越来越大，土地位移容易超过基坑及周边地下设施的安全变形限值，导致严重的后果。因此对基坑进行的支护围护保障提出了更高的要求。

2、现有的支撑方式包括钢支撑、混凝土护壁、挖槽加钢架支撑等，不仅要能保证基坑的稳定性和坑内作业的安全性、方便性，还要使坑底和坑外的土体位移控制在一定范围内，确保邻近建筑物与设施正常使用。为了实时检测和控制基坑的变形程度，还需配备专有的智能监测与控制设备。但在实际应用过程中，不同的基坑深度、环境、支撑方式配合时会产生不同的效果，需要对他们的配合效果和对应关系进行一定的研究与总结，最大程度的保障基坑工程建设的安全稳定性。目前出于安全和成本考虑，难以实地进行基坑变形控制试验，限制了对基坑开挖过程中支护围护结构的变形规律的深入研究，因此，需要研究一种基坑变形智能监测与控制的试验设备及方法。

技术实现思路

1、本公开的实施例提供了一种基坑变形智能监测与控制试验设备及方法，旨在解决上述问题以及其他潜在的问题中的一个或多个。

2、为实现上述目的，提供以下技术方案：

3、根据本公开的第一方面，提供了一种基坑变形智能监测与控制试验设备，包括固定装置、基坑土体模拟装置、基坑围护模拟装置、基坑支护模拟装置、测量装置和控制中心；所述固定装置用于固定所述基坑土体模拟装置、所述基坑围护模拟装置和所述基坑支护模拟装置；所述基坑土体模拟装置设在所述基坑围护模拟装置外，用于向所述基坑围护模拟装置施加压力使其变形；所述基坑支护模拟装置设在所述基坑围护模拟装置内，用于产生支撑力控制所述基坑围护模拟装置的变形；所述测量装置检测所述基坑围护装置的变形、所述基坑土体模拟装置产生的压力和所述基坑支护模拟装置产生的支撑力；所述控制中心接收所述测量装置检测的数据，控制所述基坑土体模拟装置产生的压力大小和所述基坑支护模拟装置产生的支撑力大小。

4、本公开实施例的一种基坑变形智能监测与控制试验设备，分别对基坑的土体施压、围护变形和支护支撑过程进行模拟，对应的三个模拟装置相互配合互相作用，还原实际工程中基坑的变形和控制过程。并且检测和控制该过程中的各项数据，实现对设备各项参数的灵活调整，有效检验基坑变形智能检测与控制设备的具体使用效果，为基坑开挖过程中支护围护结构变形规律的研究提供数据保障。

5、在一些实施例中，所述固定装置为钢框架结构，包括底板、垂直设在所述底板上的若干钢柱和在顶面连接所述钢柱的钢梁；所述基坑土体模拟装置包括若干钢板和若干荷载模拟单元，若干所述钢板固定在所述钢柱上围成一个方柱体，所述基坑围护模拟装置设在方柱体内部，所述荷载模拟单元固定在所述钢板上向所述基坑围护模拟装置施加压力。

6、在一些实施例中，所述钢板上设有若干孔位，所述荷载模拟单元包括贯穿式步进电机、丝杆和接触底座；所述贯穿式步进电机固定在所述钢板的孔位中，所述丝杆穿过所述贯穿式步进电机一端向内朝向所述基坑围护模拟装置，所述接触底座安装在所述丝杆向内的一端；所述控制中心控制所述丝杆沿所述贯穿式步进电机移动，向所述基坑围护模拟装置施加压力。

7、在一些实施例中，所述接触底座上设有用于和所述基坑围护模拟装置进行接触以模拟基坑土体特性的弹性元件。

8、在一些实施例中，所述基坑围护模拟装置包括若干弹性板和连接件，所述弹性板通过所述连接件与所述底板和所述钢梁连接；若干所述弹性板围成一个小方柱体，小方柱体侧面与所述钢板围成的方柱体侧面一一对应，所述弹性板外侧面受到所述荷载模拟单元的压力产生变形。

9、在一些实施例中，所述基坑支护模拟装置包括网孔钢柱和若干支撑模拟单元，所述网孔钢柱侧面与所述弹性板围成的小方柱体侧面一一对应，所述网孔钢柱分别与所述底板和所述钢梁连接；所述支撑模拟单元设在所述网孔钢柱的孔位上，用于在所述弹性板内侧面产生支撑力控制其变形。

10、在一些实施例中，所述测量装置包括数据处理单元、若干个位移传感器和压力传感器；所述位移传感器设在所述弹性板上检测所述弹性板的变形，所述压力传感器分别设在所述荷载模拟单元和所述支撑模拟单元上，检测所述荷载模拟单元产生的压力和所述支撑模拟单元产生的支撑力；检测到的数据经所述数据处理单元发送给所述控制中心。

11、在一些实施例中，所述控制中心包括处理器和与其连接的驱动器，所述驱动器分别和所述荷载模拟单元、所述支撑模拟单元连接，所述处理器控制所述驱动器调节所述荷载模拟单元输出的压力大小和所述支撑模拟单元输出的支撑力大小。

12、根据本公开的第二方面，提供一种基坑变形智能监测与控制试验方法，采用上述基坑变形智能监测与控制试验设备，包括以下步骤：

13、所述控制中心根据压力设定值和围护形变范围，控制所述基坑土体模拟装置向所述基坑围护装置施加压力；

14、所述控制中心接收所述测量装置检测的所述基坑土体模拟装置产生的压力数据，判断压力数据是否满足压力设定值，如果不满足压力设定值，则所述控制中心调整所述基坑土体模拟装置产生的压力大小，直到满足压力设定值为止；

15、所述控制中心接收所述测量装置检测的所述基坑围护模拟装置的变形数据，并判断最大变形值是否超出围护形变范围，如果最大变形值超出围护形变范围，则根据变形数据计算输出压力，并下达指令，控制所述基坑支护模拟装置产生支撑力回顶所述基坑围护模拟装置；

16、所述控制中心根据新的压力设定值，重复以上过程，得到不同压力设定值下的各项数据。

17、在一些实施例中，所述基坑支护模拟装置产生支撑力回顶所述基坑围护模拟装置后，还包括以下步骤：

18、所述控制中心接收所述测量装置再次检测的所述基坑围护模拟装置的变形数据；

19、所述控制中心判断再次检测的所述基坑围护模拟装置的最大变形值是否超出围护形变范围，如果最大变形值超出围护形变范围，则所述控制中心调整所述基坑支护模拟装置产生的支撑力大小，直到检测到的最大变形值处于围护形变范围内。

技术特征：

1.一种基坑变形智能监测与控制试验设备，其特征在于，包括固定装置（1）、基坑土体模拟装置（2）、基坑围护模拟装置（3）、基坑支护模拟装置（4）、测量装置（5）和控制中心（6）；所述固定装置（1）用于固定所述基坑土体模拟装置（2）、所述基坑围护模拟装置（3）和所述基坑支护模拟装置（4）；所述基坑土体模拟装置（2）设在所述基坑围护模拟装置（3）外，用于向所述基坑围护模拟装置（3）施加压力使其变形；所述基坑支护模拟装置（4）设在所述基坑围护模拟装置（3）内，用于产生支撑力控制所述基坑围护模拟装置（3）的变形；所述测量装置（5）检测所述基坑围护装置（3）的变形、所述基坑土体模拟装置（2）产生的压力和所述基坑支护模拟装置（4）产生的支撑力；所述控制中心（6）接收所述测量装置（5）检测的数据，控制所述基坑土体模拟装置（2）产生的压力大小和所述基坑支护模拟装置（4）产生的支撑力大小。

2.根据权利要求1所述的一种基坑变形智能监测与控制试验设备，其特征在于，所述固定装置（1）为钢框架结构，包括底板（11）、垂直设在所述底板（11）上的若干钢柱（12）和在顶面连接所述钢柱（12）的钢梁（13）；所述基坑土体模拟装置（2）包括若干钢板（21）和若干荷载模拟单元（22），若干所述钢板（21）固定在所述钢柱（12）上围成一个方柱体，所述基坑围护模拟装置（3）设在方柱体内部，所述荷载模拟单元（22）固定在所述钢板（21）上向所述基坑围护模拟装置（3）施加压力。

3.根据权利要求2所述的一种基坑变形智能监测与控制试验设备，其特征在于，所述钢板（21）上设有若干孔位，所述荷载模拟单元（22）包括贯穿式步进电机（221）、丝杆（222）和接触底座（223）；所述贯穿式步进电机（221）固定在所述钢板（21）的孔位中，所述丝杆（222）穿过所述贯穿式步进电机（221）一端向内朝向所述基坑围护模拟装置（3），所述接触底座（223）安装在所述丝杆（222）向内的一端；所述控制中心（6）控制所述丝杆（222）沿所述贯穿式步进电机（221）移动，向所述基坑围护模拟装置（3）施加压力。

4.根据权利要求3所述的一种基坑变形智能监测与控制试验设备，其特征在于，所述接触底座（223）上设有用于和所述基坑围护模拟装置（3）进行接触以模拟基坑土体特性的弹性元件（224）。

5.根据权利要求2所述的一种基坑变形智能监测与控制试验设备，其特征在于，所述基坑围护模拟装置（3）包括若干弹性板（31）和连接件（32），所述弹性板（31）通过所述连接件（32）与所述底板（11）和所述钢梁（13）连接；若干所述弹性板（31）围成一个小方柱体，小方柱体侧面与所述钢板（21）围成的方柱体侧面一一对应，所述弹性板（31）外侧面受到所述荷载模拟单元（22）的压力产生变形。

6.根据权利要求5所述的一种基坑变形智能监测与控制试验设备，其特征在于，所述基坑支护模拟装置（4）包括网孔钢柱（41）和若干支撑模拟单元（42），所述网孔钢柱（41）侧面与所述弹性板（31）围成的小方柱体侧面一一对应，所述网孔钢柱（41）分别与所述底板（11）和所述钢梁（13）连接；所述支撑模拟单元（42）设在所述网孔钢柱（41）的孔位上，用于在所述弹性板（31）内侧面产生支撑力控制其变形。

7.根据权利要求6所述的一种基坑变形智能监测与控制试验设备，其特征在于，所述测量装置（5）包括数据处理单元（51）、若干个位移传感器（52）和压力传感器（53）；所述位移传感器（52）设在所述弹性板（31）上检测所述弹性板（31）的变形，所述压力传感器（53）分别设在所述荷载模拟单元（22）和所述支撑模拟单元（42）上，检测所述荷载模拟单元（22）产生的压力和所述支撑模拟单元（42）产生的支撑力；检测到的数据经所述数据处理单元（51）发送给所述控制中心（6）。

8.根据权利要求6所述的一种基坑变形智能监测与控制试验设备，其特征在于，所述控制中心（6）包括处理器（61）和与其连接的驱动器（62），所述驱动器（62）分别和所述荷载模拟单元（22）、所述支撑模拟单元（42）连接，所述处理器（61）控制所述驱动器（62）调节所述荷载模拟单元（22）输出的压力大小和所述支撑模拟单元（42）输出的支撑力大小。

9.一种基坑变形智能监测与控制试验方法，采用如权利要求1-8之一所述的一种基坑变形智能监测与控制试验设备，其特征在于，方法包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种基坑变形智能监测与控制试验方法，其特征在于，所述基坑支护模拟装置（4）产生支撑力回顶所述基坑围护模拟装置（3）后，还包括以下步骤：

技术总结
本公开涉及基坑工程技术领域，涉及一种基坑变形智能监测与控制试验设备及方法。设备包括固定装置、基坑土体模拟装置、基坑围护模拟装置、基坑支护模拟装置、测量装置和控制中心；所述固定装置用于固定所述基坑土体模拟装置、所述基坑围护模拟装置和所述基坑支护模拟装置；所述基坑土体模拟装置用于向内部的所述基坑围护模拟装置施加压力使其变形，所述基坑支护模拟装置用于控制所述基坑围护模拟装置的变形；所述测量装置和所述控制中心实现基坑变形的智能检测和控制。本公开的一种基坑变形智能监测与控制试验设备及方法，模拟实现不同压力下基坑围护的变形与恢复，为设计更加安全高效的变形控制方案提供了数据支持和实验依据。

技术研发人员：王哲,傅金波,陈博,李同祥,盛健超,姚王晶,吴雪桦,周阳敏
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22