CN105842421A - 一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置 - Google Patents

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魏骁
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Abstract

本发明公开了一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置。包括模型箱、若干对称面挡土单元、挡土墙、若干支撑单元和支撑反力架；模型箱包括模型箱框架、钢化玻璃和模型箱底板；对称面挡土单元为U型不锈钢条，用于临时支挡基坑被动侧未开挖土体，通过螺栓固定在模型箱框架上；挡土墙中部开有螺纹孔，通过螺纹孔螺纹连接安装支撑单元所需的固定螺栓；所述支撑反力架由前后两块梯形钢板、下部及左右三块矩形钢板焊接而成，设置在模型箱一侧。本发明装置可模拟实际基坑开挖工程的各个施工工况，确保了模拟试验的准确性。本发明能实现基坑开挖全过程的试验模拟，为基坑开挖问题的理论研究提供有效的试验数据支持，并为相关基坑工程的设计和施工提供一定参考意见。

Description

一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置
技术领域
本发明涉及一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，特别是涉及基坑开挖各个施工工况模拟的模型试验装置，可用于量测不同基坑开挖工况下基坑土压力和基坑变形问题。
背景技术
近年来，随着城市人口的急剧增长，城市建设快速发展，深基坑工程日趋增多，基坑工程面临深度深、平面规模大、周围环境复杂的新趋势。基坑开挖引起的基坑变形和失稳问题是深基坑设计和施工中被高度关注和重视的工程问题。采用室内土工模型试验的方法模拟基坑开挖，在岩土工程领域得到了广泛的应用。其中，如何通过基坑模型试验客观准确地模拟基坑开挖过程中的各个施工工况是迫切需要解决的问题。
在基坑模型试验中，大多数研究针对每一级开挖和加撑完成工况下的基坑受力和变形情况展开，未考虑基坑在开挖或加撑过程中基坑的受力和变形情况。在考虑基坑开挖过程的模型试验中，有研究采用卸载等体积等重量的土袋(Azevedo RF.Centrifuge and Analytical Modellingof Excavation in Sand.PhD thesis,University of Colorado,Boulder,CO,USA,1983.)或排放代土液体(Bolton MD and Powrie W.The collapse of diaphragm walls retaining clay.Géotechnique,1987,37(3):335-353.)等方法模拟土体开挖卸载，此类方法不能准确模拟基坑开挖引起的土体中应力场的改变，与实际基坑开挖引起的基坑受力和变形情况仍存在一定的差异。大量模拟基坑开挖的模型试验采用预先埋设安装好支撑的挡土墙的方法，直接开挖基坑土体，不需要再进行加撑操作，该方法较为简单，但预置的所有内支撑都将在整个开挖过程中受力，显然与实际工程的基坑受力情况不相符合，也无法准确模拟基坑开挖过程中未加撑情况下基坑的受力和变形情况。目前有研究采用液压千斤顶向挡土墙支架施加力的方法模拟支撑的安装，该方法采用液压装置较复杂，当基坑开挖宽度较大时该方法并不适用。另外绝大多数基坑开挖模型的开挖对称面是垂直固定的挡板，通过向下抓土或掏土实现基坑开挖，该方法不能清晰界定开挖土层，会扰动未开挖的土体；该方法繁琐，不易操作，特别是基坑开挖模型的尺寸较大或需要开挖的土体较多时，试验操作的工作量相当大。因此，如何实现准确地土体开挖和支撑安装是基坑开挖模型试验中需要解决的重点问题。
在实际工程中，当场地水文地质条件、基坑开挖深度和施工环境相同的情况下，设计的基坑挡土墙的厚度和入土深度一般是相同的，但根据建筑物规模所设计的基坑尺寸(基坑宽度)差异较大，为能够尽可能全面简便地通过同一土工模型试验实现对不同宽度基坑开挖的模拟，尽量减少对试验装置的改装，节约试验成本和模型制作时间，因此需要可调节长度的支撑来实现不同宽度基坑开挖全过程的模拟。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，解决了有效准确模拟基坑开挖各个施工工况，及量测各工况下基坑土压力、挡土墙位移和基坑变形，整理相关试验数据并确定基坑受力和变形发展规律等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，包括模型箱、若干对称面挡土单元、挡土墙、若干支撑单元和支撑反力架五个部分；所述模型箱包括模型箱框架、钢化玻璃和模型箱底板，所述模型箱框架的底部固定模型箱底板，前后两个侧面固定钢化玻璃，通过钢化玻璃可方便观测试验中挡土墙的位移和基坑变形；所述模型箱底板固定在模型箱底座上；所述对称面挡土单元为U型不锈钢条，用于临时支挡基坑被动侧未开挖土体，通过螺栓固定在模型箱框架上；所述挡土墙上部通过支架固定螺栓固定挡土墙支架，中部开有螺纹孔，通过螺纹孔螺纹连接安装支撑单元所需的固定螺栓；所述支撑反力架由前后两块梯形钢板、下部及左右三块矩形钢板焊接而成，设置在模型箱一侧，固定于模型箱底座上。
进一步地，所述支撑单元包括实心铝杆、伸缩杆和螺栓；所述实心铝杆上开有若干凹槽，一端具有内螺纹口；所述伸缩杆为空心铝管，伸缩杆上开有若干螺纹孔；所述螺栓穿过伸缩杆上的螺纹孔抵住实心铝杆的凹槽，使得实心铝杆和伸缩杆紧密连接。
进一步地，所述支撑单元包括第一支撑杆、第二支撑杆和套筒；所述第一支撑杆的一端具有外螺纹；所述第二支撑杆的一端具有内螺纹口，另一端具有外螺纹；所述套筒具有内螺纹通道，一端螺纹连接第一支撑杆，另一端螺纹连接第二支撑杆。
进一步地，所述挡土墙的两侧面粘贴软毛刷条并涂抹凡士林，对其与模型箱前后两侧的钢化玻璃之间缝隙进行密封和润滑。
进一步地，所述模型箱底板和支撑反力架均通过四周点焊固定于由工字钢焊接而成的模型箱底座上。
进一步地，所述模型箱框架和模型箱底板均为不锈钢板；所述挡土墙为铝板，其厚度由试验模拟的挡土墙刚度确定；所述挡土墙支架为不锈钢条。
进一步地，所述支撑反力架为空心箱体，可根据支撑传递力的大小向其中填充重物，保证足够的支反力。
进一步地，在模型箱内填筑通过砂雨法浇制得到的试验土体。
进一步地，所述挡土墙在整个试验过程中与模型箱两侧的钢化玻璃垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明可以同时模拟基坑开挖和加撑工序，得到基坑开挖和支撑安装过程中所引起的基坑应力场的变化，相比与传统基坑模型试验只考虑基坑开挖至某一深度或加撑完成的特定状态开展研究，更全面、准确地反映基坑开挖和支撑安装过程中基坑受力和基坑变形的响应情况。
2、本发明采用可拆卸的对称面挡土单元，临时支挡基坑被动区未开挖的土体，可在开挖每层土体前预先拆除对称面挡土单元，通过向基坑开挖对称面卸土的方法进行基坑开挖，相比与传统向下掏土取土的方法，本发明可明确每一层开挖土层不影响未开挖的，操作方便，大大减少了基坑开挖卸土的工作量。
3、本发明采用可伸缩支撑元件，可以模拟不同宽度的基坑开挖试验，相比与传统的基坑开挖模型试验采用固定长度的支撑或者可伸缩支撑仅用于实现支撑安装的实验思路，可采用同一套试验装置开展多组不同宽度的基坑开挖试验，减少了对试验装置的改装，节约了试验成本和模型制作时间，工作原理简单，操作方便，具有很大的实用性。
4、本发明可以准确模拟基坑开挖过程中的加撑工序，内支撑安装过程中不会对基坑未开挖的土体有扰动影响；内支撑与挡土墙之间通过螺纹固定连接，较之传统的基坑模型试验将内支撑架设在挡土墙上或者直接抵住挡土墙实现加撑的方法，更能客观地反映实际基坑工程开挖时的加撑情况；通过控制实心铝杆直径和空心铝杆壁厚来实现基坑内支撑刚度的模拟，更加客观地反映了内支撑对基坑开挖的工程影响。。
5、本发明可根据土工模型试验的需求，调整内支撑元件的数量，以及挡土墙上的内支撑固定螺栓的位置和数量，模拟不同基坑的开挖情况。
附图说明
图1(a)为采用第一类支撑的可模拟开挖过程的基坑模型试验装置侧视图。
图1(b)为采用第二类支撑的可模拟开挖过程的基坑模型试验装置侧视图。
图2(a)为采用第一类支撑的可模拟开挖过程的基坑模型试验装置俯视图。
图2(b)为采用第二类支撑的可模拟开挖过程的基坑模型试验装置俯视图。
图3为基坑开挖对称面示意图。
图4为挡土墙示意图。
图5(a)为挡土墙和第一类支撑的支撑安装示意图。
图5(b)为挡土墙和第二类支撑的支撑安装示意图。
图中：模型箱1；模型箱框架1-1；钢化玻璃1-2；模型箱底板1-3；模型箱底座1-4；对称面挡土单元2；固定对称面挡土单元的螺栓3；挡土墙4；软毛刷条4-1；挡土墙支架5；支架固定螺栓6；支撑固定螺栓7；支撑8；实心铝杆8-1；空心铝杆8-2；第一支撑杆8-4；第二支撑杆8-5；套筒8-6；支撑连接螺栓8-3；支撑反力架9；试验土体10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1(a)、图1(b)、图2(a)、图2(b)所示，本发明可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，包括模型箱1、若干对称面挡土单元2、挡土墙4、若干支撑单元8和支撑反力架9五个部分。
所述模型箱1包括模型箱框架1-1、钢化玻璃1-2和模型箱底板1-3，所述模型箱框架1-1由20mm厚的高强度不锈钢条和3mm厚的高强度不锈钢板焊接而成，在模型箱1前后两侧的不锈钢条上开槽，所述模型箱框架1-1的底部固定模型箱底板1-3，模型箱底板1-3为3mm厚的高强度不锈钢板；前后两个侧面嵌固20mm厚钢化玻璃1-2，通过钢化玻璃1-2可方便观测试验中挡土墙4的位移和基坑变形；所述挡土墙4在整个试验过程中与模型箱1两侧的钢化玻璃1-2垂直。所述模型箱底板1-3固定在模型箱底座1-4上；所述模型箱底座1-4由10#工字钢焊接而成，一是作为模型箱的底座承受上部荷载并均匀传递至地面，二是用于固定模型箱主体和支撑反力架9等上部构件；所述对称面挡土单元2为10mm厚的U型不锈钢条，用于临时支挡基坑被动侧未开挖土体，通过螺栓3固定在模型箱框架1-1上；所述挡土墙4上部通过支架固定螺栓6固定挡土墙支架5，中部开有螺纹孔，通过螺纹孔螺纹连接安装支撑单元8所需的固定螺栓7；所述支撑反力架9由前后两块梯形钢板、下部及左右三块矩形钢板焊接而成，撑反力架9为空心箱体，可根据支撑传递力的大小向其中填充重物，保证足够的支反力，支撑反力架9设置在模型箱1一侧，固定于模型箱底座1-4上。在模型箱1内填筑通过砂雨法浇制得到的试验土体10。
如图3所示，所述对称面挡土单元2的宽度可根据需要模拟的开挖土层厚度进行调整；所述固定对称面挡土单元2的螺栓3的尺寸为M8，焊接固定于模型箱框架1-1上；
如图4所示，所述挡土墙4为一定厚度的铝板，其厚度由试验模拟的挡土墙刚度计算得到；所述挡土墙4的上部为挡土墙支架5，中部设有安装支撑所需的固定螺栓7；所述挡土墙支架5为10mm厚的不锈钢条，通过尺寸为M8的支架固定螺栓6与挡土墙4连接；所述挡土墙4的左右两侧面可粘贴软毛刷条4-1并涂抹凡士林，对其与模型箱1的前后两侧钢化玻璃1-2之间缝隙进行密封和润滑。
如图5(a)、图5(b)所示，所述支撑固定螺栓7的尺寸为M8，通过挡土墙4上的螺纹孔，拧紧固定于挡土墙4上。所述支撑8可采用以下两种形式：
一、所述支撑单元8包括实心铝杆8-1、伸缩杆8-2和螺栓8-3；所述实心铝杆8-1上开有若干凹槽，一端具有内螺纹口；所述伸缩杆8-2为空心铝管，伸缩杆8-2上开有若干螺纹孔；所述螺栓穿过伸缩杆8-2上的螺纹孔抵住实心铝杆8-1的凹槽，使得实心铝杆8-1和伸缩杆8-2紧密连接。所述实心铝杆8-1的直径和空心铝杆8-2的厚度均由试验模拟的支撑刚度计算得到；所述螺栓8的尺寸可选择M6，通过空心铝杆8-2的螺纹孔进入实心铝杆8-1上的凹槽连接实心铝杆8-1和空心铝杆8-2，使之在试验过程中不发生滑动。
二、所述支撑单元8包括第一支撑杆8-4、第二支撑杆8-5和套筒8-6；所述第一支撑杆8-4的一端具有外螺纹；所述第二支撑杆8-5的一端具有内螺纹口，另一端具有外螺纹；所述套筒8-6具有内螺纹通道，一端螺纹连接第一支撑杆8-4，另一端螺纹连接第二支撑杆8-5。
本发明的工作过程如下：首先将挡土墙4和挡土墙支架5通过支架固定螺栓6连接组装好；而后在挡土墙4上安装好土压力盒，两侧粘贴软毛刷条4-1，在软毛刷条4-1上涂抹凡士林并覆盖上一层塑料薄膜；将组装好的挡土墙4通过挡土墙支架5架设在模型箱1内，保证挡土墙4与模型箱1两侧的钢化玻璃1-2垂直；在基坑开挖模型的对称面处安装对称面挡土单元2，通过固定对称面挡土单元的螺栓3固定于模型箱1上；采用砂雨法浇制试验土样10，通过控制落砂装置筛孔网片与试验土样表面的高差以获得模型试验所需的土体密实度；试验土样10浇制完成后，安装好监测挡土墙4位移和基坑变形的位移传感器；拆除第一节对称面挡土单元，通过向基坑开挖对称面卸土的方法缓慢开挖挡土墙4左侧的土体；开挖至第一道支撑设计位置下方时，安装第一道支撑，通过支撑8一端的内螺纹与挡土墙4上的支撑固定螺栓7连接，通过调整支撑8的长度使之顶紧反力架9，完成支撑8的安装。完成第一道支撑安装之后继续开挖土体，采用相同的方法安装支撑，直至基坑开挖完成。在整个基坑土体开挖和支撑安装过程中，监测基坑土压力、挡土墙位移和基坑变形情况，收集和整理试验数据，获得开挖全过程的基坑受力和基坑变形的规律。

Claims (9)

1.一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)、若干对称面挡土单元(2)、挡土墙(4)、若干支撑单元(8)和支撑反力架(9)五个部分；所述模型箱(1)包括模型箱框架(1-1)、钢化玻璃(1-2)和模型箱底板(1-3)，所述模型箱框架(1-1)的底部固定模型箱底板(1-3)，前后两个侧面固定钢化玻璃(1-2)，通过钢化玻璃(1-2)可方便观测试验中挡土墙(4)的位移和基坑变形；所述模型箱底板(1-3)固定在模型箱底座(1-4)上；所述对称面挡土单元(2)为U型不锈钢条，用于临时支挡基坑被动侧未开挖土体，通过螺栓(3)固定在模型箱框架(1-1)上；所述挡土墙(4)上部通过支架固定螺栓(6)固定挡土墙支架(5)，中部开有螺纹孔，通过螺纹孔螺纹连接安装支撑单元(8)所需的固定螺栓(7)；所述支撑反力架(9)由前后两块梯形钢板、下部及左右三块矩形钢板焊接而成，设置在模型箱(1)一侧，固定于模型箱底座(1-4)上。
2.根据权利要求1所述的一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，其特征在于，所述支撑单元(8)包括实心铝杆(8-1)、伸缩杆(8-2)和螺栓(8-3)；所述实心铝杆(8-1)上开有若干凹槽，一端具有内螺纹口；所述伸缩杆(8-2)为空心铝管，伸缩杆(8-2)上开有若干螺纹孔；所述螺栓穿过伸缩杆(8-2)上的螺纹孔抵住实心铝杆(8-1)的凹槽，使得实心铝杆(8-1)和伸缩杆(8-2)紧密连接。
3.根据权利要求1所述的一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，其特征在于，所述支撑单元(8)包括第一支撑杆(8-4)、第二支撑杆(8-5)和套筒(8-6)；所述第一支撑杆(8-4)的一端具有外螺纹；所述第二支撑杆(8-5)的一端具有内螺纹口，另一端具有外螺纹；所述套筒(8-6)具有内螺纹通道，一端螺纹连接第一支撑杆(8-4)，另一端螺纹连接第二支撑杆(8-5)。
4.根据权利要求1所述的一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，其特征在于，所述挡土墙(4)的两侧面粘贴软毛刷条(4-1)并涂抹凡士林，对其与模型箱(1)前后两侧的钢化玻璃(1-2)之间缝隙进行密封和润滑。
5.根据权利要求1所述的一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，其特征在于，所述模型箱底板(1-3)和支撑反力架(9)均通过四周点焊固定于由工字钢焊接而成的模型箱底座(1-4)上。
6.根据权利要求1所述的一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，其特征在于，所述模型箱框架(1-1)和模型箱底板(1-3)均为不锈钢板；所述挡土墙(4)为铝板，其厚度由试验模拟的挡土墙刚度确定；所述挡土墙支架(5)为不锈钢条。
7.根据权利要求1所述的一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，其特征在于，所述支撑反力架(9)为空心箱体，可根据支撑传递力的大小向其中填充重物，保证足够的支反力。
8.根据权利要求1所述的一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，其特征在于，在模型箱(1)内填筑通过砂雨法浇制得到的试验土体(10)。
9.根据权利要求1所述的一种可模拟开挖过程的基坑模型试验装置，其特征在于，所述挡土墙(4)在整个试验过程中与模型箱(1)两侧的钢化玻璃(1-2)垂直。
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