CN110805076B - 一种模拟基坑被动区加固的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟基坑被动区加固的试验装置及方法，包括试验箱、支撑构件、加固构件和测试单元；所述试验箱可以模拟土体结构；所述支撑构件可以对土体施加或卸除预应力；所述加固构件可以实现基坑被动区土体加固；所述测试单元设置在回填土表面、挡土墙表面、支撑构件上，用来监测地表沉降以及挡土墙侧向位移、开挖过程中挡土墙两侧土压力变化情况、挡土墙以及支撑构件的应力应变。本发明可以模拟基坑被动区加固后土体开挖和加撑过程，能够很好地模拟内支撑的支护作用和被动区加固的加固效能，通过监测得到支护结构和基坑周边环境应力与变形情况；本发明结构简单、操作方便，便于推广使用。

Description

一种模拟基坑被动区加固的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种模拟基坑被动区加固的试验装置及方法。

背景技术

近年来，随着城市地下空间的开发与利用，基坑工程向规模更大、深度更深、地质条件和施工环境更复杂的方向发展，基坑开挖对周边环境的影响范围、影响程度也越来越大，尤其在软弱富水地层中开挖深基坑。目前，基坑设计理念已明显地由强度控制转化为变形控制。如何控制基坑开挖引起的支护结构变形、降低环境影响是基坑工程实施过程中的首要内容。实践表明，在软土场地单纯依靠支护结构不能有效地控制基坑变形。由于土体加固可以显著改善软土的物理力学性质指标，从而达到控制支护结构变形和地面沉降目的，近年来被动区加固在基坑工程实践中得到了广泛运用，加固采用的主要型式有满堂加固、抽条加固、格栅加固等。但如何合理的确定加固范围、在设计计算中如何考虑加固土的作用等问题，现行规范和相关手册均没有明确的参考依据。为此，国内外研究人员对基坑被动区加固开展了大量的研究，采用的主要方法有数值计算、现场实测、理论分析等。由于软土基坑变形影响因素众多且关系复杂，被动区加固后对基坑的影响的理论还相当薄弱,同时数值分析中的计算参数难以准确选取，数值计算结果往往值得商榷。此外，现场监测难度较高，费用较大，且无法做到多种工况的实时对比分析。模型试验能够严格控制主要的试验参数、最大程度的模拟实际情况,是解决大型复杂岩土工程问题常用的手段。因此，有必要开发一种能模拟基坑被动区土体加固对支护结构及周边环境影响的模型试验装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟基坑被动区加固的试验装置及方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种模拟基坑被动区加固的实验装置，包括试验箱、支撑构件、加固构件和测试单元；

所述试验箱包括底座，底座上端面一侧依次设有第一立柱、第二立柱、第三立柱，另一侧对应的设有第四立柱、第五立柱、第六立柱，第一立柱和第二立柱间、第一立柱和第四立柱间、第四立柱和第五立柱间设有挡土板，第二立柱和第三立柱间、第五立柱和第六立柱间设有竖向层叠的挡土矮板，第二立柱和第五立柱间固定有挡土墙，挡土墙上均匀布置有若干第一螺纹通孔，第三立柱和第六立柱间设有竖向层叠的挡土梁，挡土梁上设有与螺纹通孔对应的第二螺纹通孔；挡土墙和挡土板构成第一腔体，挡土墙和挡土梁、挡土矮板构成第二腔体，第一腔体和第二腔体内均设有回填土；

所述支撑构件包括同轴且不相连的第一连接杆和第二连接杆，第一连接杆一端设置在第一螺纹通孔内，第一连接杆外沿远离第一螺纹通孔方向依次套设有预紧的弹簧、弹簧压块、限位螺母，弹簧压块外还套设有加载筒，加载筒末端与第二连接杆一端螺纹连接，第二连接杆末端设置在第二螺纹通孔内，旋转加载筒，加载筒带动弹簧压块沿第一连接杆滑动，使弹簧压块挤压或远离弹簧，改变弹簧预紧而对挡土墙形成的支撑力；

所述加固构件包括两端设有外螺纹的支撑杆，支撑杆两端分别设置在对应的第一螺纹通孔和第二螺纹通孔内，支撑杆靠近第一螺纹通孔一端外套设有传力板，支撑杆与传力板螺纹连接，通过传力板对挡土墙施加支撑力；

所述测试单元包括若干电子位移计、土压力盒、应变片，电子位移计分别布置在所述回填土表面、挡土墙表面，用来监测地表沉降以及挡土墙侧向位移；土压力盒分别设置在所述挡土墙两侧，用来监测开挖过程中挡土墙两侧土压力变化情况；应变片分别设置在所述挡土墙、第二连接杆上，用来监测基坑开挖过程中挡土墙以及支撑构件的应力应变。

进一步的，所述底座上设有凹槽，所述挡土板下端嵌置在凹槽内。

进一步的，所述挡土板采用钢化有机玻璃，且钢化有机玻璃上标记有土深刻度线。

进一步的，所述第二立柱和第五立柱内侧均设有竖向凹槽，所述挡土墙设置在第二立柱和第五立柱的竖向凹槽内。

进一步的，所述挡土墙采用微粒混凝土薄板；所述微粒混凝土薄板与所述第二立柱、第五立柱间的空隙用砂浆填充，模拟地下连续墙侧向边界条件。

进一步的，所述加载筒上设有把手。

一种模拟基坑被动区加固的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、试验箱安装

使底座处于水平，安装试验箱，并对构建连接位置进行密封处理；

S2、加固构件选择

根据实际工况，计算出单位加固区域的单根支撑杆的刚度K为：

K=( m₂-m₁) S

式中， m₁为加固前土体的弹性抗力系数的比例系数，m₂为加固后土体的弹性抗力系数的比例系数，S为单根支撑杆对应加固土体的截面面积；

根据计算出的刚度，选择支撑杆；

S3、土体回填

在挡土板的两侧均匀布置若干土压力盒、电子位移计、应变片，并在第一腔体、第二腔体内分别分层进行填筑土体并压实；当填筑至施工要求的加固区域时，先按施工要求将若干加固构件安装在挡土墙和挡土梁间，再填筑土体并采用振动密实的方式进行压实；逐层向上回填，待填筑完成后，在第一腔体内回填土的上表面布置若干电子位移计；在所述内支撑模拟单元上粘贴应变计。

S4、基坑开挖

将最上层挡土梁和挡土矮板拆除，排出该层回填土，并根据施工要求在支撑构件内设置电子位移计，并将安装好的支撑构件设置在挡土墙和挡土梁对应的螺纹通孔内，旋转加载筒，通过应变片检测支撑构件的支撑力大小，直至支撑力达到施工要求；重复上述土体开挖和支撑构件的安装步骤，逐层向下施工；当基坑开挖至加固区域时，先排出加固区域的土体，再根据施工要求拆除加固构件；待加固构件拆除完毕后，继续土体开挖和支撑构件的安装步骤，直至土体开挖完成。

S5、结果分析

在整个基坑开挖过程中，采用专用设备记录电子位移计、土压力盒、应变片监测数据，通过整理分析，获得被动区加固后基坑受力和变形规律。

本发明的有益效果是：本发明可以模拟基坑被动区加固后土体开挖和加撑过程，能够很好地模拟内支撑的支护作用和被动区加固的加固效能，通过监测得到支护结构和基坑周边环境应力与变形情况；内支撑模拟单元可实现自由加卸载支撑力，与工程实践情况更为接近；土体加固模拟单元可自由组合，可模拟加固深度、加固宽度、加固强度等不同参数对基坑的影响，且可以实现对加固区域开挖的准确控制；基坑内侧临时采用侧面挡土钢条挡土，在开挖时可预先拆除侧面挡土钢条，从侧面进行基坑开挖，操作方便，改变了传统的从土体上方掏土开挖方式，明显降低了操作强度。本发明结构简单、操作方便，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为底座的结构示意图；

图4为支撑构件的结构示意图；

图5为挡土墙的结构示意图；

图6为挡土墙的侧视图；

图中，100、试验箱；200、支撑构件；300、加固构件；400、测试单元；101、底座；102、第一立柱；103、第二立柱；104、第三立柱；105、第四立柱；106、第五立柱；107、第六立柱；108、挡土板；109、凹槽；110、挡土矮板；111、挡土墙；112、竖向凹槽；113、挡土梁；201、第一连接杆；202、第二连接杆；203、弹簧；204、弹簧压块；205、限位螺母；206、加载筒；207、把手；301、支撑杆；302、传力板；401、电子位移计；402、土压力盒；403、应变片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种模拟基坑被动区加固的实验装置，包括试验箱100、支撑构件200、加固构件300和测试单元400；

所述试验箱可以模拟土体结构，试验箱100包括底座101，底座101上端面一侧依次设有第一立柱102、第二立柱103、第三立柱104，另一侧对应的设有第四立柱105、第五立柱106、第六立柱107，第一立柱102和第二立柱103间、第一立柱102和第四立柱105间、第四立柱105和第五立柱106间设有挡土板108，底座101上设有凹槽109，挡土板108下端嵌置在凹槽109内；挡土板108采用钢化有机玻璃，且钢化有机玻璃上标记有土深刻度线；第二立柱103和第三立柱104间、第五立柱106和第六立柱107间设有竖向层叠的挡土矮板110，第二立柱103和第五立柱106间固定有挡土墙111，挡土墙111采用微粒混凝土薄板，第二立柱103和第五立柱106内侧均设有竖向凹槽112，挡土墙111设置在第二立柱103和第五立柱106的竖向凹槽112内，挡土墙111与所述第二立柱103、第五立柱106间的空隙用砂浆填充，模拟地下连续墙侧向边界条件；挡土墙111上均匀布置有若干第一螺纹通孔（图中未画出），第三立柱104和第六立柱107间设有竖向层叠的挡土梁113，挡土梁113上设有与螺纹通孔对应的第二螺纹通孔（图中未画出）；挡土墙111和挡土板108构成第一腔体，挡土墙111和挡土梁、挡土矮板110构成第二腔体，第一腔体和第二腔体内均设有回填土；

所述支撑构件可以对土体施加或卸除预应力，支撑构件200包括同轴且不相连的第一连接杆201和第二连接杆202，第一连接杆201一端设置在第一螺纹通孔内，第一连接杆201外沿远离第一螺纹通孔方向依次套设有预紧的弹簧203、弹簧压块204、限位螺母205，弹簧压块204外还套设有加载筒206，加载筒206末端与第二连接杆202一端螺纹连接，第二连接杆202末端设置在第二螺纹通孔内，加载筒206上设有把手207，旋转加载筒206，加载筒206带动弹簧压块204沿第一连接杆201滑动，使弹簧压块204挤压或远离弹簧203，改变弹簧203预紧而对挡土墙111形成的支撑力；

所述加固构件可以实现基坑被动区土体加固，加固构件300包括两端设有外螺纹的支撑杆301，支撑杆301两端分别设置在对应的第一螺纹通孔和第二螺纹通孔内，支撑杆301靠近第一螺纹通孔一端外套设有传力板302，支撑杆301与传力板302螺纹连接，通过传力板302对挡土墙111施加支撑力；

所述测试单元400包括若干电子位移计401、土压力盒402、应变片403，电子位移计401分别布置在所述回填土表面、挡土墙111表面，用来监测地表沉降以及挡土墙111侧向位移；土压力盒402分别设置在所述挡土墙111两侧，用来监测开挖过程中挡土墙111两侧土压力变化情况；应变片403分别设置在所述挡土墙111、第二连接杆202上，用来监测基坑开挖过程中挡土墙111以及支撑构件200的应力应变。

本发明可以模拟基坑被动区加固后土体开挖和加撑过程，能够很好地模拟内支撑的支护作用和被动区加固的加固效能，通过监测得到支护结构和基坑周边环境应力与变形情况；内支撑模拟单元可实现自由加卸载支撑力，与工程实践情况更为接近；土体加固模拟单元可自由组合，可模拟加固深度、加固宽度、加固强度等不同参数对基坑的影响，且可以实现对加固区域开挖的准确控制；基坑内侧临时采用侧面挡土钢条挡土，在开挖时可预先拆除侧面挡土钢条，从侧面进行基坑开挖，操作方便，改变了传统的从土体上方掏土开挖方式，明显降低了操作强度。本发明结构简单、操作方便，便于推广使用。

利用上述模拟基坑被动区加固的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、试验箱100安装

使底座101处于水平，安装试验箱100，并对构建连接位置进行密封处理；

S2、加固构件300选择

根据实际工况，计算出单位加固区域的单根支撑杆301的刚度K为：

K=( m₂-m₁) S

式中， m1为加固前土体的弹性抗力系数的比例系数，m2为加固后土体的弹性抗力系数的比例系数，S为单根支撑杆301对应加固土体的截面面积；

根据计算出的刚度，选择支撑杆301；

S3、土体回填

在挡土板108的两侧均匀布置若干土压力盒402、电子位移计401、应变片403，并在第一腔体、第二腔体内分别分层进行填筑土体并压实；当填筑至施工要求的加固区域时，先按施工要求将若干加固构件300安装在挡土墙111和挡土梁间，再填筑土体并采用振动密实的方式进行压实；逐层向上回填，待填筑完成后，在第一腔体内回填土的上表面布置若干电子位移计401；在所述内支撑模拟单元上粘贴应变计。

S4、基坑开挖

将最上层挡土梁和挡土矮板110拆除，排出该层回填土，并根据施工要求在支撑构件200内设置电子位移计401，并将安装好的支撑构件200设置在挡土墙111和挡土梁对应的螺纹通孔内，旋转加载筒206，通过应变片403检测支撑构件200的支撑力大小，直至支撑力达到施工要求；重复上述土体开挖和支撑构件200的安装步骤，逐层向下施工；当基坑开挖至加固区域时，先排出加固区域的土体，再根据施工要求拆除加固构件300；待加固构件300拆除完毕后，继续土体开挖和支撑构件200的安装步骤，直至土体开挖完成；

S5、结果分析

在整个基坑开挖过程中，采用专用设备记录电子位移计401、土压力盒402、应变片403监测数据，通过整理分析，获得被动区加固后基坑受力和变形规律。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

Claims (4)

1.一种模拟基坑被动区加固的试验装置，其特征在于，包括试验箱、支撑构件、加固构件和测试单元；

所述试验箱包括底座，底座上端面一侧依次设有第一立柱、第二立柱、第三立柱，另一侧对应的设有第四立柱、第五立柱、第六立柱，第一立柱和第二立柱间、第一立柱和第四立柱间、第四立柱和第五立柱间设有挡土板，第二立柱和第三立柱间、第五立柱和第六立柱间设有竖向层叠的挡土矮板，第二立柱和第五立柱间固定有挡土墙，挡土墙上均匀布置有若干第一螺纹通孔，第三立柱和第六立柱间设有竖向层叠的挡土梁，挡土梁上设有与螺纹通孔对应的第二螺纹通孔；挡土墙和挡土板构成第一腔体，挡土墙和挡土梁、挡土矮板构成第二腔体，第一腔体和第二腔体内均设有回填土；

所述支撑构件包括同轴且不相连的第一连接杆和第二连接杆，第一连接杆一端设置在第一螺纹通孔内，第一连接杆外沿远离第一螺纹通孔方向依次套设有预紧的弹簧、弹簧压块、限位螺母，弹簧压块外还套设有加载筒，加载筒末端与第二连接杆一端螺纹连接，第二连接杆末端设置在第二螺纹通孔内，旋转加载筒，加载筒带动弹簧压块沿第一连接杆滑动，使弹簧压块挤压或远离弹簧，改变弹簧预紧而对挡土墙形成的支撑力；

所述加固构件包括两端设有外螺纹的支撑杆，支撑杆两端分别设置在对应的第一螺纹通孔和第二螺纹通孔内，支撑杆靠近第一螺纹通孔一端外套设有传力板，支撑杆与传力板螺纹连接，通过传力板对挡土墙施加支撑力；

所述测试单元包括若干电子位移计、土压力盒、应变片，电子位移计分别布置在所述回填土表面、挡土墙表面，用来监测地表沉降以及挡土墙侧向位移；土压力盒分别设置在所述挡土墙两侧，用来监测开挖过程中挡土墙两侧土压力变化情况；应变片分别设置在所述挡土墙、第二连接杆上，用来监测基坑开挖过程中挡土墙以及支撑构件的应力应变；

所述底座上设有凹槽，所述挡土板下端嵌置在凹槽内；

所述挡土板采用钢化有机玻璃，且钢化有机玻璃上标记有土深刻度线；

所述第二立柱和第五立柱内侧均设有竖向凹槽，所述挡土墙设置在第二立柱和第五立柱的竖向凹槽内。

2.如权利要求1所述的一种模拟基坑被动区加固的试验装置，其特征在于，所述挡土墙采用微粒混凝土薄板;所述微粒混凝土薄板与所述第二立柱、第五立柱之间空隙用砂浆填充。

3.如权利要求1所述的一种模拟基坑被动区加固的试验装置，其特征在于，所述加载筒上设有把手。

4.一种如权利要求1-3中任一权利要求所述的一种模拟基坑被动区加固的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、试验箱安装

使底座处于水平，安装试验箱，并对构件连接位置进行密封处理；

S2、加固构件选择

根据实际工况，计算出单位加固区域的单根支撑杆的刚度K为：

K=( m₂-m₁) S

式中， m₁为加固前土体的弹性抗力系数的比例系数，m₂为加固后土体的弹性抗力系数的比例系数，S为单根支撑杆对应加固土体的截面面积；

根据计算出的刚度，选择支撑杆；

S3、土体回填

在挡土板的两侧均匀布置若干土压力盒、电子位移计、应变片，并在第一腔体、第二腔体内分别分层进行填筑土体并压实；当填筑至施工要求的加固区域时，先按施工要求将若干加固构件安装在挡土墙和挡土梁间，再填筑土体并采用振动密实的方式进行压实；逐层向上回填，待填筑完成后，在第一腔体内回填土的上表面布置若干电子位移计；

S4、基坑开挖

将最上层挡土梁和挡土矮板拆除，排出该层回填土，并根据施工要求在支撑构件内设置电子位移计，并将安装好的支撑构件设置在挡土墙和挡土梁对应的螺纹通孔内，旋转加载筒，通过应变片检测支撑构件的支撑力大小，直至支撑力达到施工要求；重复上述土体开挖和支撑构件的安装步骤，逐层向下施工；当基坑开挖至加固区域时，先排出加固区域的土体，再根据施工要求拆除加固构件；待加固构件拆除完毕后，继续土体开挖和支撑构件的安装步骤，直至土体开挖完成；

S5、结果分析

在整个基坑开挖过程中，采用专用设备记录电子位移计、土压力盒、应变片监测数据，通过整理分析，获得被动区加固后基坑受力和变形规律。