專利名稱：基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木工程土工試驗(yàn)領(lǐng)域，主要涉及基于土工離心機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的基坑支撐模擬 裝置，排液裝置以及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型，尤其是基于液壓自動(dòng)控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施 工全過(guò)程模擬系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
土工離心機(jī)試驗(yàn)是研究地下工程問(wèn)題的有效手段，但對(duì)于不同的研究對(duì)象需要有專門(mén)設(shè) 計(jì)的裝置。目前用于研究深基坑問(wèn)題的土工離心機(jī)試驗(yàn)裝置主要有以下幾種
(1) 根據(jù)剛度相似原則用金屬材料制作縮小的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)模型。該支 撐為具有一定軸向剛度的金屬桿件，與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)機(jī)械方式連接。試驗(yàn)時(shí)在重力場(chǎng)下
進(jìn)行手動(dòng)挖土以及支撐安裝，然后增大離心加速度來(lái)研究應(yīng)力提高的情況下土體或圍護(hù)結(jié)構(gòu) 的反應(yīng)。如張師德等進(jìn)行的基坑穩(wěn)定性狀模型試驗(yàn)中所采用裝置。(張師德，張惠甸，周順華,
等.徐家匯地鐵車(chē)站槽坑穩(wěn)定性研究[J].上海鐵道學(xué)院院報(bào)，1993, 14(3))但釆用這一裝置進(jìn) 行試驗(yàn)時(shí)，土體應(yīng)力路徑與實(shí)際情況不符合。
(2) 利用通過(guò)油源或電機(jī)控制的多維機(jī)械手，在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下分層完成水平刮土動(dòng) 作，實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程的模擬。如法國(guó)LCPC試驗(yàn)室與新加坡國(guó)立大學(xué)離心機(jī)試驗(yàn)室所進(jìn) 行的模擬基坑開(kāi)挖試驗(yàn)中采取了類似裝置。(C.Gaudinm, J.Garnier, P.Gaudicheau, G.Rault Use of a robot for in-flight excavation in front of an embedded wall. Laboratoire Central des Ponts et Chaussees，Nantes, France)但這一試驗(yàn)裝置對(duì)基坑內(nèi)存在支撐等干擾物的情況無(wú)法進(jìn)行模擬。
(3) 利用自動(dòng)控制的排液以及密封裝置，在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下排放與土體密度接近的液體 模擬基坑內(nèi)土體開(kāi)挖效果，如Powrie的試驗(yàn)排放與土體密度相同的氯化鋅液體。(PowrieW, Kantart iz C. Ground response during dia ph ragm w all installat ion in clay [ J ]. CentrifUge model tests geotechnique， 1996, 46 (4): 7252739.)但這一試驗(yàn)裝置同樣沒(méi)有解決對(duì)帶有支撐的基坑問(wèn) 題的模擬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)， 可以在離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)主機(jī)油源系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶有內(nèi)支撐的深基坑工程施工 全過(guò)程的模擬，從而為地下工程中的深基坑問(wèn)題提供有效的研究手段。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是
一種基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，其包括離心機(jī)模型箱、
支撐系統(tǒng)、排液系統(tǒng)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、剛性擋板。支撐系統(tǒng)與排液系統(tǒng)固定于剛性擋板上， 剛性擋板與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相貼合安裝于離心機(jī)模型箱內(nèi)。
進(jìn)一步，該支撐系統(tǒng)包括支撐桿、壓力傳感器、轉(zhuǎn)接頭、液壓鎖、直線軸承、電渦流位 移傳感器、位移傳感器護(hù)套、支撐安裝板。支撐桿從直線軸承及剛性擋板安裝孔穿過(guò)；壓力 傳感器前端與支撐桿尾部直接連接，后端通過(guò)轉(zhuǎn)接頭與液壓鎖中心滑動(dòng)部前端連接；電渦流 位移傳感器通過(guò)護(hù)套與液壓鎖套筒連接；該直線軸承固定在剛性擋板安裝孔前側(cè)(有圍護(hù)結(jié) 構(gòu)模型側(cè))，液壓鎖的外套筒固定在支撐安裝板上，支撐安裝板固定在剛性擋板安裝孔后側(cè)。
上述連接所用的連接件為螺釘與螺母。
該液壓鎖包括套筒、脹套、中心滑動(dòng)部，脹套設(shè)置在套筒內(nèi)，脹套與套筒間為環(huán)形液壓 腔；套筒一側(cè)設(shè)有與環(huán)形液壓腔相連通的進(jìn)液口和出液口，進(jìn)液口與出液口通過(guò)油管與離心 機(jī)主機(jī)相連。脹套內(nèi)為中心滑動(dòng)部，其前端與支撐桿相連。
該套筒與脹套之間為焊接連接。
該排液系統(tǒng)包括液控單向閥、壓力盒、管件。該單向閥有進(jìn)液孔、出液孔、進(jìn)油孔、出 油孔。其進(jìn)液孔通過(guò)進(jìn)液管與剛性擋板排液孔連接，進(jìn)油孔與出油孔通過(guò)進(jìn)油管、出油管與 離心機(jī)主機(jī)對(duì)應(yīng)端口連接，該單向闊固定于剛性擋板后側(cè)，壓力盒設(shè)置于剛性擋板前側(cè)，與排 液孔同一水平位置，采用高性能聚胺脂膠粘接。
該剛性擋板設(shè)有支撐系統(tǒng)安裝孔和排液孔，排液孔設(shè)置在支撐安裝孔的下方。剛性擋板 整體安放于模型箱內(nèi)，接觸面采用高性能聚胺脂膠粘接。
該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)高性能聚胺脂膠粘接于剛性擋板前側(cè)支撐桿件安裝位置，圍護(hù)結(jié)構(gòu) 內(nèi)表面與支撐桿前端接觸。
本發(fā)明(l)設(shè)計(jì)可以在高離心場(chǎng)下工作的鎖定裝置，可以通過(guò)主機(jī)油源控制系統(tǒng)對(duì)基坑支 撐桿模型進(jìn)行鎖定和放松操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐施工的模擬。(2)設(shè)計(jì)可以在高離心場(chǎng)下工作 的排液系統(tǒng)，可以通過(guò)主機(jī)油源控制系統(tǒng)分次分量排放基坑模型內(nèi)高密度代土液體來(lái)實(shí)現(xiàn)土 體的分層丌挖。
由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)①通過(guò)離心機(jī)不停機(jī)狀態(tài)下對(duì)具有多道 內(nèi)支撐的基坑施工全過(guò)程模擬，實(shí)現(xiàn)了采用小比尺模型還原基坑工程中高地應(yīng)力場(chǎng)下的結(jié)構(gòu) 與地層的力學(xué)性態(tài)。②提供了研究基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境以及結(jié)構(gòu)物的影響問(wèn)題的有效試驗(yàn)手 段。③具有良好的適用性 安裝和維修方便。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的模型平面布置示意圖。 圖2為沿圖1中A-A線的剖面示意圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為支撐系統(tǒng)、排液系統(tǒng)、剛性擋板位置關(guān)系圖。 圖5為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、剛性擋板位置關(guān)系圖。 圖6為支撐系統(tǒng)核心部構(gòu)成示意圖。
圖7為直線軸承示意圖。
圖8為電渦流位移傳感器與傳感器護(hù)套示意圖。
圖9為支撐液壓鎖示意圖。
圖IO為支撐安裝板示意圖。
圖11為支撐系統(tǒng)總體構(gòu)成示意圖。
圖12為排液系統(tǒng)總體構(gòu)成示意圖。
圖13為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖14為剛性擋板示意圖。
附圖標(biāo)記1、離心機(jī)模型箱，2、支撐系統(tǒng)，3、排液系統(tǒng)，4、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，5、剛性 擋板，6、 土體，21、支撐桿，22、壓力傳感器，23、轉(zhuǎn)接頭，24、液壓鎖，25、直線軸承, 26、電渦流位移傳感器，27、位移傳感器護(hù)套，28、支撐安裝板，31、液控單向閥，32、進(jìn) 液管，33、出液孔(也可根據(jù)需要接管)，34、進(jìn)油管，35、出油管，36、管接頭，51、安裝 孔，52、排液孔，241、套筒，242、脹套，243、進(jìn)液口， 244、液壓腔，245、出液口， 246、 中心滑動(dòng)部
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
試驗(yàn)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)4外側(cè)與離心機(jī)模型箱1之間裝填土體6，圍護(hù)結(jié)構(gòu)4內(nèi)側(cè)與剛性擋 板5之間，排液孔52以下空間裝填土體6，圍護(hù)結(jié)構(gòu)4內(nèi)側(cè)與剛性擋板5之間排液孔52以 上空間裝填代土液體。啟動(dòng)離心機(jī)主機(jī)，對(duì)試驗(yàn)裝置施加高離心場(chǎng)。
通過(guò)主機(jī)油源控制系統(tǒng)，開(kāi)啟液控單向閥31，代土液體的釋放使圍護(hù)結(jié)構(gòu)4內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生 壓力差，圍護(hù)結(jié)構(gòu)4因此發(fā)生朝向支撐系統(tǒng)2的位移。此時(shí)支撐系統(tǒng)2的液壓鎖24尚未鎖定， 支撐桿21可被圍護(hù)結(jié)構(gòu)推動(dòng)，并帶動(dòng)中心滑動(dòng)部246在液壓鎖24的脹套242內(nèi)發(fā)生自由移 動(dòng)。
當(dāng)液體釋放到指定高度后，通過(guò)主機(jī)油源控制系統(tǒng)，關(guān)閉液控單向閥。通過(guò)主機(jī)油源控 制系統(tǒng)，關(guān)閉控制支撐系統(tǒng)2位于液面高度以上的支撐桿21的液壓鎖24的出液口 245，打 開(kāi)其進(jìn)液口 243，高壓油進(jìn)入環(huán)型液壓腔244，脹套242薄壁發(fā)生均勻的彈性變形，產(chǎn)生很大 的夾緊力，從而緊緊抱住中心滑動(dòng)部246使其位置固定，模擬支撐施工工序。
上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，直至代土液體排放至剛性擋板5排液孔52位置，支撐系統(tǒng)2最低一 道支撐桿21完成鎖定。
支撐桿21所承受壓力通過(guò)壓力傳感器22直接測(cè)得。
每道支撐桿位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，通過(guò)電渦流位移傳感器26測(cè)得的中心滑動(dòng)部
246相對(duì)于液壓鎖套筒241的位移間接獲得。
液面高度通過(guò)排液系統(tǒng)3的壓力盒所測(cè)得的代土液體壓力換算而得。 試驗(yàn)結(jié)束關(guān)閉離心機(jī)主機(jī)高壓油源，然后打開(kāi)所有鎖定液壓鎖24的出液口 245，套筒241
薄壁因液壓腔244壓力降低而恢復(fù)變形，夾緊力消失。
試驗(yàn)過(guò)程中，所述支撐系統(tǒng)2的壓力傳感器22、電渦流傳感器26與排液系統(tǒng)3的壓力 盒壓力值通過(guò)離心機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明中的基坑支撐系統(tǒng)，由于增加了可以通過(guò)主機(jī)油源控制的液壓鎖24，因此可以在 離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，通過(guò)液壓鎖24的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑支撐施工的模擬，從而克服了傳統(tǒng) 的中途停機(jī)手動(dòng)安裝支撐模型的模擬方式下，模型土體產(chǎn)生應(yīng)力卸載的弊端，使試驗(yàn)更接近 于實(shí)際工程情況。其中采用環(huán)形脹套242設(shè)計(jì)的液壓鎖24可以至少承載2000N的軸向壓力， 同時(shí)可以在高達(dá)100倍重力場(chǎng)的離心場(chǎng)中完成預(yù)定動(dòng)作。本發(fā)明中的排液系統(tǒng)3，通過(guò)控制 液控單向閥的開(kāi)合，可以分時(shí)分量排放密封于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)4與剛性擋板5之間的代土液體。 代土液體的液面高度可以通過(guò)壓力盒實(shí)時(shí)檢測(cè)出的壓力值推算出，故可以方便地模擬深基坑 工程中土體分層開(kāi)挖的施工工況。本模擬裝置中，支撐系統(tǒng)2中的支撐桿21為可拆卸式設(shè)計(jì)， 對(duì)于不同剛度支撐的模擬可以通過(guò)替換不同截面的支撐桿21來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不同的支撐布置方 式的模擬，可以通過(guò)改變剛性擋板5上支撐安裝孔51的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此本試驗(yàn)裝置具有良 好的通用性。
上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉 本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng) 用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，其特征在于其包括離心機(jī)模型箱、支撐系統(tǒng)、排液系統(tǒng)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、剛性擋板，該支撐系統(tǒng)與排液系統(tǒng)固定于剛性擋板上，剛性擋板與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相貼合安裝于離心機(jī)模型箱內(nèi)。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，其特 征在于該支撐系統(tǒng)包括支撐桿、壓力傳感器、轉(zhuǎn)接頭、液壓鎖、直線軸承、電渦流位移傳 感器、位移傳感器護(hù)套、支撐安裝板，支撐桿從直線軸承及剛性擋板安裝孔穿過(guò)；壓力傳感 器前端與支撐桿尾部直接連接，后端通過(guò)轉(zhuǎn)接頭與液壓鎖中心滑動(dòng)部前端連接；電渦流位移 傳感器通過(guò)護(hù)套與液壓鎖套筒連接；該直線軸承固定在剛性擋板安裝孔前側(cè)，液壓鎖的外套 筒固定在支撐安裝板上，支撐安裝板固定在剛性擋板安裝孔后側(cè)。
3、 如權(quán)利要求2所述的基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，其特 征在于其連接所用的連接件為螺釘與螺母。
4、 如權(quán)利要求1所述的基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，其特 征在于該液壓鎖包括套筒、脹套、中心滑動(dòng)部，脹套設(shè)置在套筒內(nèi)，脹套與套筒間為環(huán)形 液壓腔；套筒一側(cè)設(shè)有與環(huán)形液壓腔相連通的進(jìn)液口和出液口，進(jìn)液口與出液口通過(guò)油管與 離心機(jī)主機(jī)相連；脹套內(nèi)為中心滑動(dòng)部，其前端與支撐桿相連。
5、 如權(quán)利要求4所述的基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，其特 征在于該套筒與脹套之間為焊接連接。
6、 如權(quán)利要求1所述的基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，其特 征在于該排液系統(tǒng)包括液控單向閥、壓力盒、管件，該單向閥有進(jìn)液孔、出液孔、進(jìn)油孔、 出油孔，其進(jìn)液孔通過(guò)進(jìn)液管與剛性擋板排液孔連接，進(jìn)油孔與出油孔通過(guò)進(jìn)油管、出油管 與離心機(jī)主機(jī)對(duì)應(yīng)端口連接；該單向閥固定于剛性擋板后側(cè)；壓力盒設(shè)置于剛性擋板前側(cè)， 與排液孔同一水平位置，采用高性能聚胺脂膠粘接。
7、 如權(quán)利要求1所述的基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，其特 征在于該剛性擋板設(shè)有支撐系統(tǒng)安裝孔和排液孔，排液孔設(shè)置在支撐安裝孔的下方；剛性 擋板整體安放于模型箱內(nèi)，接觸面采用高性能聚胺脂膠粘接。
8、 如權(quán)利要求l所述的基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，其特 征在于該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)高性能聚胺脂膠粘接于剛性擋板前側(cè)支撐桿件安裝位置，圍護(hù) 結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與支撐桿前端接觸。
全文摘要
本發(fā)明一種基于液壓控制的離心機(jī)內(nèi)支撐式基坑施工全過(guò)程模擬系統(tǒng)，屬于土木工程領(lǐng)域，其包括離心機(jī)模型箱、支撐系統(tǒng)、排液系統(tǒng)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、剛性擋板，其支撐系統(tǒng)與排液系統(tǒng)固定于剛性擋板上，剛性擋板與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相貼合安裝于離心機(jī)模型箱內(nèi)，在離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)主機(jī)油源系統(tǒng)控制，排液系統(tǒng)分層排放代土液體并逐級(jí)鎖定支撐桿，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶有內(nèi)支撐的深基坑工程施工全過(guò)程的模擬，進(jìn)而可對(duì)地下工程中的深基坑問(wèn)題進(jìn)行研究。且本發(fā)明具有良好的適應(yīng)性，安裝維修也方便。
文檔編號(hào)G09B25/00GK101350152SQ20081003996
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月1日
發(fā)明者嚴(yán)佳梁, 何之民, 冉光斌, 寧張偉, 洪建忠, 王新倫, 謝雄耀 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué);中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所