離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)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(jié)構(gòu)、向擋土墻施加水平壓力的水平加載機構(gòu)、向土體施加豎向壓力的豎向加載機構(gòu)以及控制水平加載機構(gòu)水平運動和豎向加載機構(gòu)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(hù)，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(jié)過程和開挖過程中模型地基的應(yīng)力路徑和側(cè)壓狀態(tài)符合實際。
【專利說明】離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要應(yīng)用于基坑土工離心模型試驗中，模擬基坑開挖和支護(hù)，具體涉及一種離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[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(hù)設(shè)施的穩(wěn)定性與基坑擋墻的破壞機理對預(yù)測工程潛在危險、避免事故具有重要意義。離心模型試驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)模型與原型應(yīng)力應(yīng)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(yīng)用。在基坑開挖方面也有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。基坑開挖過程是基坑變形破壞的重要影響因素，為了保證固結(jié)過程和開挖過程中模型地基的應(yīng)力路徑和側(cè)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(shù)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(hù)模擬設(shè)備，支護(hù)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(hù)。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)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(jié)構(gòu)，包括擋土墻12 ；
[0008]水平加載機構(gòu)8，向擋土墻12施加水平壓力；
[0009]豎向加載機構(gòu)2，向土體11施加豎向壓力；
[0010]以及
[0011]控制水平加載機構(gòu)8水平運動和豎向加載機構(gòu)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(cè)壁，下部通過X向的導(dǎo)向軸15連接至模型箱I的側(cè)壁。
[0013]所述水平加載機構(gòu)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(dǎo)向軸15平行的X導(dǎo)向軸6的靠近擋土墻12的一端；
[0014]所述豎向加載機構(gòu)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(dǎo)向軸15垂直的Z導(dǎo)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(shù)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(yīng)力路徑和側(cè)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(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)備的原理示意圖。其中圖2(a)為支護(hù)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(dá)到實驗加速度。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)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(hù)模擬設(shè)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(jié)構(gòu)、3)水平加載機構(gòu)、4)豎向加載機構(gòu)、5)控制模塊、6)測量模塊。該設(shè)備能在離心場條件下模擬基坑開挖和支護(hù)過程，包括模型地基固結(jié)，基坑開挖，基坑支護(hù)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，連接結(jié)構(gòu)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(cè)壁，為擋墻提供橫向支撐；下部通過2根導(dǎo)向軸15連接至模型箱I的側(cè)壁，導(dǎo)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(zhuǎn)動。
[0029]水平加載機構(gòu)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(dǎo)向軸15平行的X導(dǎo)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(dǎo)向軸6上做X軸向的水平運動，對擋土墻12進(jìn)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(gòu)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(dǎo)向軸15垂直的Z導(dǎo)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(jìn)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(gòu)8水平運動和豎向加載機構(gòu)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(gòu)8上有限位機構(gòu)一 7,豎向加載機構(gòu)2上有限位機構(gòu)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(guān)。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(dá)到試驗設(shè)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(hù)，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(jié)過程和開挖過程中模型地基的應(yīng)力路徑和側(cè)壓狀態(tài)符合實際。
[0033]該設(shè)備與傳統(tǒng)基坑開挖模擬設(shè)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(jìn)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(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。
【發(fā)明者】以表格的形式，將該設(shè)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(jìn)行了詳細(xì)的比較，具體如下:
[0034]表1不同模擬開挖方法的比較
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)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(jié)構(gòu)，包括擋土墻(12)； 水平加載機構(gòu)⑶，向擋土墻(12)施加水平壓力； 豎向加載機構(gòu)(2)，向土體(11)施加豎向壓力； 以及 控制水平加載機構(gòu)⑶水平運動和豎向加載機構(gòu)⑵豎向運動的控制模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)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(cè)壁，下部通過X向的導(dǎo)向軸(15)連接至模型箱⑴的側(cè)壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)備，其特征在于，所述水平加載機構(gòu)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(dǎo)向軸(15)平行的X導(dǎo)向軸(6)的靠近擋土墻(12)的一端； 所述豎向加載機構(gòu)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(dǎo)向軸(15)垂直的Z導(dǎo)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(quán)利要求3所述的離心場基坑開挖支護(hù)模擬設(shè)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(quán)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(xué)