離心場基坑開挖支護模擬設備的制作方法
【專利摘要】一種離心場基坑開挖支護模擬設備，包括帶有觀察窗口的模型箱、位于模型箱內(nèi)上部的包括擋土墻的支擋結構、向擋土墻施加水平壓力的水平加載機構、向土體施加豎向壓力的豎向加載機構以及控制水平加載機構水平運動和豎向加載機構豎向運動的控制模塊，本發(fā)明實現(xiàn)了基坑離心模型試驗過程中的基坑開挖和支護，及開挖與滲流耦合作用下基坑變形破壞的模擬，能夠保持固結過程和開挖過程中模型地基的應力路徑和側壓狀態(tài)符合實際。
【專利說明】離心場基坑開挖支護模擬設備
【技術領域】
[0001]本發(fā)明主要應用于基坑土工離心模型試驗中，模擬基坑開挖和支護，具體涉及一種離心場基坑開挖支護模擬設備。
【背景技術】
[0002]隨著城市中高層建筑越來越多，深大基坑工程越來越常見。近年來我國在基坑工程方面事故頻發(fā)，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。研究基坑圍護設施的穩(wěn)定性與基坑擋墻的破壞機理對預測工程潛在危險、避免事故具有重要意義。離心模型試驗能夠實現(xiàn)模型與原型應力應變相同，變形相似，在基坑工程問題中已經(jīng)得到了較廣泛的應用。在基坑開挖方面也有很多學者進行了研究?；娱_挖過程是基坑變形破壞的重要影響因素，為了保證固結過程和開挖過程中模型地基的應力路徑和側壓狀態(tài)與實際工程一致，需要在離心場條件下實現(xiàn)基坑的開挖。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種離心場基坑開挖支護模擬設備，支護形式包括有橫向支撐擋墻和懸臂式擋墻兩種，可以實現(xiàn)基坑離心模型試驗中基坑的開挖和支護。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0005]一種離心場基坑開挖支護模擬設備，包括:
[0006]帶有觀察窗口的模型箱1，模型箱I內(nèi)填裝土體11 ;
[0007]位于模型箱I內(nèi)上部的支擋結構，包括擋土墻12 ；
[0008]水平加載機構8，向擋土墻12施加水平壓力；
[0009]豎向加載機構2，向土體11施加豎向壓力；
[0010]以及
[0011]控制水平加載機構8水平運動和豎向加載機構2豎向運動的控制模塊。
[0012]所述擋土墻12的上部通過X向的軸固定至模型箱I的側壁，下部通過X向的導向軸15連接至模型箱I的側壁。
[0013]所述水平加載機構8包括通過絲桿一 9連接X軸電機10的X軸壓板14，X軸壓板14連接在與導向軸15平行的X導向軸6的靠近擋土墻12的一端；
[0014]所述豎向加載機構2包括通過Z軸絲桿3連接Z軸電機13的Z軸壓板16，Z軸壓板16連接在與導向軸15垂直的Z導向軸5的底端且Z軸壓板16上掛載有若干鉛片17。
[0015]所述控制模塊包括處理器，通過向X軸電機10和Z軸電機13輸出控制信號帶動X軸壓板14和Z軸壓板16運動。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0017]I)離心加速過程和基坑開挖過程保持模型地基的應力路徑和側壓狀態(tài)與實際相符。[0018]2)可以實現(xiàn)有橫向支撐擋墻和懸臂式擋墻的基坑開挖和變形破壞的模擬。
[0019]3)可以實現(xiàn)開挖與滲流耦合作用下基坑變形破壞的模擬。
[0020]4)可以模擬不同的基坑深度和擋墻埋深比。
[0021]5)操作簡單，可實時監(jiān)控，材料安全，可靠性強。
[0022]6)適用性廣，可用于粘土、粉土等多種土質(zhì)基坑。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明結構示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明離心場基坑開挖支護模擬設備的原理示意圖。其中圖2(a)為支護示意圖，圖2(b)為加載示意圖，空心箭頭表示離心加速過程，實心箭頭表示已達到實驗加速度。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明的實施方式。
[0026]如圖1所示，一種離心場基坑開挖支護模擬設備，由如下單元模塊組成:1)模型箱I及其必要的支架、2)支擋結構、3)水平加載機構、4)豎向加載機構、5)控制模塊、6)測量模塊。該設備能在離心場條件下模擬基坑開挖和支護過程，包括模型地基固結，基坑開挖，基坑支護，基坑變形和破壞。
[0027]其中，模型箱I與支架均由招合金制成，箱內(nèi)尺寸為60cmX20cmX52cm,內(nèi)部填裝土體11，在模型箱I前端放置有機玻璃板作為觀察窗口，以便實驗中觀察和記錄模型的破壞過程。
[0028]支擋結構用于模擬有橫向支撐型式的擋墻，位于模型箱I內(nèi)上部，主要包括擋土墻12及其連接結構，連接結構為4根鉸接的X向的軸。擋土墻12的上部通過2根軸用螺栓固定至模型箱I的側壁，為擋墻提供橫向支撐；下部通過2根導向軸15連接至模型箱I的側壁，導向軸15可以在水平向自由移動，保證擋土墻12在上部有橫向支撐的前提下可自
由轉動。
[0029]水平加載機構8用于向擋土墻12施加水平壓力，包括位于模型箱I左端的X軸電機10，X軸壓板14通過絲桿一 9連接X軸電機10，X軸壓板14同時連接在與導向軸15平行的X導向軸6的靠近擋土墻12的一端，X軸電機10通過絲桿一 9帶動X軸壓板14在X導向軸6上做X軸向的水平運動，對擋土墻12進行位移控制。X軸壓板14可提供2t.Ν的壓力，通過控制與擋土墻12的相對位置，來模擬基坑開挖前待開挖土體18對擋土墻12的壓力。
[0030]豎向加載機構2用于向土體11施加豎向壓力，包括位于模型箱I上端的Z軸電機13，Z軸壓板16通過Z軸絲桿3連接Z軸電機13，Z軸壓板16同時連接在與導向軸15垂直的Z導向軸5的底端,且Z軸壓板16上掛載有若干鉛片17。Z軸電機13通過Z軸絲桿3帶動Z軸壓板16做Z軸向的豎直運動，對土體施加壓力。Z軸壓板16和鉛片17可自由下落，只受到Z軸電機13通過Z軸絲桿3施加的上提力，通過增減鉛片17的數(shù)量可以調(diào)節(jié)Z軸可自由下落部分的重量，進而實現(xiàn)對基坑待開挖土體18的重力的模擬。
[0031]控制模塊用于控制水平加載機構8水平運動和豎向加載機構2豎向運動，主要包含位于離心機室的下部控制箱和位于操控室的上部控制箱，主要通過處理器向X軸電機10和Z軸電機13輸出控制信號帶動X軸壓板14和Z軸壓板16運動，如圖2(a)所示。其中，下部控制箱的4個旋鈕2個一組，可分別控制X軸壓板14的水平向移動和Z軸壓板16的豎向移動，水平加載機構8上有限位機構一 7,豎向加載機構2上有限位機構二 4,2個按鈕分別控制X軸和Z軸的限位(控制壓板移動到指定位置時自動停止)開、關。下部控制箱有2個按鈕，其一用于操控Z軸壓板16的移動，目的是在達到試驗設計離心加速度時，消除Z軸壓板16與Z軸絲桿3單向聯(lián)動的空隙，保證水平和豎向的2個壓板同時瞬間撤離，其二用于同時啟動X軸和Z軸電機，使得水平和豎向2個壓板同時撤離，如圖2(b)所示。
[0032]綜上，本發(fā)明實現(xiàn)了基坑離心模型試驗過程中的基坑開挖和支護，及開挖與滲流耦合作用下基坑變形破壞的模擬，能夠保持固結過程和開挖過程中模型地基的應力路徑和側壓狀態(tài)符合實際。
[0033]該設備與傳統(tǒng)基坑開挖模擬設備相比具有顯著的優(yōu)勢。它采用離心場自動開挖模擬方式，比傳統(tǒng)模擬方式，如重力場(Ig環(huán)境下)將擬開挖土體挖掉后再增大離心加速度進行試驗的停機開挖模擬方式等，更好地模擬了基坑開挖過程中土體的應力和應變結果。
【發(fā)明者】以表格的形式，將該設備的離心自動開挖方式與兩種較常用的傳統(tǒng)開挖模擬方式進行了詳細的比較，具體如下:
[0034]表1不同模擬開挖方法的比較
[0035]
【權利要求】
1.一種離心場基坑開挖支護模擬設備，其特征在于，包括: 帶有觀察窗口的模型箱(1)，模型箱(I)內(nèi)填裝土體(11); 位于模型箱(I)內(nèi)上部的支擋結構，包括擋土墻(12)； 水平加載機構⑶，向擋土墻(12)施加水平壓力； 豎向加載機構(2)，向土體(11)施加豎向壓力； 以及 控制水平加載機構⑶水平運動和豎向加載機構⑵豎向運動的控制模塊。
2.根據(jù)權利要求1所述的離心場基坑開挖支護模擬設備，其特征在于，所述擋土墻(12)的上部通過X向的軸固定至模型箱(I)的側壁，下部通過X向的導向軸(15)連接至模型箱⑴的側壁。
3.根據(jù)權利要求1所述的離心場基坑開挖支護模擬設備，其特征在于，所述水平加載機構⑶包括通過絲桿一(9)連接X軸電機(10)的X軸壓板(14)，X軸壓板(14)連接在與導向軸(15)平行的X導向軸(6)的靠近擋土墻(12)的一端； 所述豎向加載機構⑵包括通過Z軸絲桿(3)連接Z軸電機(13)的Z軸壓板(16)，Z軸壓板(16)連接在與導向軸(15)垂直的Z導向軸(5)的底端且Z軸壓板(16)上掛載有若干鉛片(17)。
4.根據(jù)權利要求3所述的離心場基坑開挖支護模擬設備，其特征在于，所述控制模塊包括處理器，通過向X軸電機(10)和Z軸電機(13)輸出控制信號帶動X軸壓板(14)和Z軸壓板(16)運動。
【文檔編號】E02D33/00GK104032776SQ201410310260
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權日:2014年7月1日
【發(fā)明者】張嘎, 閆冠臣, 馬昌慧, 王愛霞 申請人:清華大學