本發(fā)明涉及巖土工程離心機(jī)模型試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基坑開挖巖土離心機(jī)試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

巖土離心機(jī)采用不同加速度，能以較小尺寸的模型產(chǎn)生原型基坑的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，通過觀測模型基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍土體的變形狀態(tài)和破壞過程，為復(fù)雜條件下基坑工程性狀的深入研究提供了有效手段。然而目前開展的基坑開挖離心機(jī)試驗(yàn)存在兩個(gè)主要問題。一是基坑模型和支護(hù)形式簡單，大部分試驗(yàn)僅能對(duì)基坑局部進(jìn)行模擬，且內(nèi)部支撐形式僅限于單向的直桿支撐，同時(shí)由于是對(duì)基坑局部進(jìn)行模擬，就不可避免受到邊界效應(yīng)的影響，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果和工程實(shí)測數(shù)據(jù)有較大偏差。二是部分全尺寸的基坑模型試驗(yàn)不能很好的控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在土體中的下沉現(xiàn)象，由于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)要在土體未完全固結(jié)之前放入土體中，這就導(dǎo)致放入未完全固結(jié)土樣中的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在土體固結(jié)過程中由于密度大的原因而發(fā)生下沉現(xiàn)象，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。因此在解決上述兩個(gè)問題的基礎(chǔ)上，開展全尺寸復(fù)雜支護(hù)形式的基坑開挖離心試驗(yàn)，對(duì)研究復(fù)雜條件下基坑工程受力和變形特性有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、試驗(yàn)合理性好的基坑開挖巖土離心機(jī)試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基坑開挖巖土離心機(jī)試驗(yàn)裝置，包括：

模型箱：通過擋板將模型箱內(nèi)部空間分成實(shí)驗(yàn)區(qū)和水位控制箱，模型箱的上端設(shè)有反力支架；

圍護(hù)墻體：通過定位單元吊掛在所述實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，根據(jù)試驗(yàn)方案在所述圍護(hù)墻體的內(nèi)部設(shè)置分隔墻體，將圍護(hù)墻體的內(nèi)部空間分成若干開挖區(qū)；

支撐單元：可拆卸的分層安裝在所述開挖區(qū)內(nèi)，并和開挖區(qū)的內(nèi)壁抵接；

測試單元：包括孔壓計(jì)、土壓計(jì)、應(yīng)變片和激光位移計(jì)。

所述的圍護(hù)墻體的上表面設(shè)有起吊螺孔。

所述的定位單元包括螺紋桿、通過鋼絞線與螺紋桿底端連接的U型連接件以及固定在U型連接件底部的起吊螺桿，所述螺紋桿頂端通過調(diào)節(jié)螺帽與所述反力支架固定，螺紋桿的底端設(shè)有通孔，所述鋼絞線穿過該通孔，且鋼絞線的兩端分別與U型連接件的兩個(gè)頂端連接，所述起吊螺桿與圍護(hù)墻體的上表面的螺孔相匹配。

圍護(hù)墻體和分隔墻體均采用鋁合金，其厚度可通過以下方式計(jì)算得出：

式中：m₁為與原型相同的材料，

ν_m1＝ν_p，E_m1＝E_p，

p為原型材料，ν為材料泊松比，E為材料彈性模量，m₂為模型替代材料即鋁合金，d代表構(gòu)件厚度。由上式可計(jì)算得出d_m2為鋁合金板厚度。

所述的開挖區(qū)的內(nèi)壁上設(shè)有多層平行設(shè)置的凹坑組，即在圍護(hù)墻體和分隔墻體的每一層所述凹坑組包括多個(gè)凹坑。

所述的支撐單元包括內(nèi)部支架和支撐端頭，所述內(nèi)部支架設(shè)有多個(gè)位置與所述凹坑組相匹配的突出部件，所述突出部件的頂端設(shè)有螺孔，所述支撐端頭的一端設(shè)有與螺孔相匹配的螺桿，支撐端頭的另一端設(shè)有與凹坑相匹配的凸起，支撐端頭的中部設(shè)有鎖定螺母。安裝時(shí)，將支撐端頭的螺桿旋入突出部件的螺孔中，并調(diào)節(jié)旋入部分的長度，從而使支撐單元和開挖區(qū)內(nèi)壁的形狀相匹配，然后將支撐端頭的凸起嵌在凹坑中，通過鎖定螺母固定突出部件和支撐端頭，使支撐單元水平安裝在開挖區(qū)的內(nèi)部。

內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)截面積由下式計(jì)算得出：

E_m1A_m1＝E_m2A_m2

式中：m₁為與原型相同的材料，E為材料彈性模量，A桿件截面積，m₂為模型替代材料即鋁合金。

所述的內(nèi)部支架優(yōu)選呈井字形，內(nèi)部支架也可以是直線型，然后在直線的兩端連接支撐端頭，最終形成直線型的支撐單元。

所述的擋板上設(shè)有多個(gè)排水孔，并在擋板的實(shí)驗(yàn)區(qū)側(cè)通過透水石將排水孔堵住。位于實(shí)驗(yàn)區(qū)的水可以通過透水石滲入水位控制箱中，使兩邊的水位保持平衡。

所述的圍護(hù)墻體和分隔墻體通過螺釘固定，并在連接處涂抹防水膠，所述擋板和模型箱的連接處涂抹防水膠。

所述的測試單元包括設(shè)置在圍護(hù)墻體外側(cè)沿深度方向布置的孔壓計(jì)、設(shè)置在圍護(hù)墻體內(nèi)側(cè)和外側(cè)沿深度方向布置的土壓計(jì)、設(shè)置在圍護(hù)墻體內(nèi)側(cè)和外側(cè)在相對(duì)位置上設(shè)置的應(yīng)變片、軸向設(shè)置在支撐單元上的應(yīng)變片以及設(shè)置在實(shí)驗(yàn)區(qū)底部及側(cè)面的激光位移計(jì)。

一種采用如上所述裝置進(jìn)行的基坑開挖巖土離心機(jī)試驗(yàn)方法，該方法包括以下幾個(gè)步驟：

(1)將待測土樣曬干、粉碎、篩分，按實(shí)際含水率加水?dāng)嚢柚瞥芍厮芡翗樱?/p>

(2)將擋板安裝在模型箱中，形成實(shí)驗(yàn)區(qū)和水位控制箱，在實(shí)驗(yàn)區(qū)底部鋪設(shè)細(xì)砂，然后將步驟(1)所得重塑土樣放置在實(shí)驗(yàn)區(qū)，并將表面抹平；

(3)將模型箱吊裝至離心機(jī)上，啟動(dòng)離心機(jī)，待重塑土樣固結(jié)至一定程度后將圍護(hù)墻體通過定位單元吊掛在所述實(shí)驗(yàn)區(qū)中，繼續(xù)啟動(dòng)離心機(jī)直至重塑土樣完全固結(jié)；

(4)抽取水位控制箱中的水位直至第一層開挖面以下預(yù)定深度，啟動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行場地降水，待降水完成后開挖第一層土體并安裝支撐單元，啟動(dòng)離心機(jī)，讀取數(shù)據(jù)；

(5)重復(fù)步驟(4)，直至各層土體開挖完成并全部安裝支撐單元，記錄每次開挖及施加支撐單元時(shí)的數(shù)據(jù)。

步驟(5)中啟動(dòng)離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行一定時(shí)間為根據(jù)時(shí)間相似比換算得出的開挖以及施加一道支撐的實(shí)際時(shí)間。換算公式如下：

t_m1＝n²t_m2

式中：t為時(shí)間，n為試驗(yàn)比尺，m₁為工程原型，m₂為模型試驗(yàn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：適用于更為復(fù)雜的基坑模型試驗(yàn)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置安裝與拆卸方便，可重復(fù)循環(huán)利用，提高了材料的使用率，構(gòu)件零件更換方便。本發(fā)明涉及的試驗(yàn)方法能準(zhǔn)確模擬實(shí)際工程中基坑降水、土體開挖、支撐施加等過程，具有良好的使用和推廣價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明圍護(hù)墻體和支撐單元配合時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圍護(hù)墻體的俯視圖；

圖4為支撐單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為定位單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為圍護(hù)墻體，2為分隔墻體，3為凹坑，4為內(nèi)部支架，41為突出部件，42為螺孔，5為支撐端頭，51為螺桿，6為鎖定螺母，7為反力支架，8為鋼絞線，9為起吊螺桿，10為U型連接件，11為螺紋桿，12為調(diào)節(jié)螺帽，13為擋板，14為實(shí)驗(yàn)區(qū)，15為透水石，16為模型箱，17為起吊螺孔，18為凸起，19為水位控制箱。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

一種基坑開挖巖土離心機(jī)試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：

模型箱16：通過擋板13將模型箱16內(nèi)部空間分成實(shí)驗(yàn)區(qū)14和水位控制箱19，模型箱16的上端設(shè)有反力支架7，擋板13上設(shè)有多個(gè)排水孔，并通過透水石15將排水孔堵住。位于實(shí)驗(yàn)區(qū)14的水可以通過透水石15滲入水位控制箱19中，使兩邊的水位保持平衡，透水石的尺寸約為

圍護(hù)墻體1：其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，通過定位單元吊掛在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，根據(jù)試驗(yàn)方案在圍護(hù)墻體1的內(nèi)部設(shè)置分隔墻體2，將圍護(hù)墻體1的內(nèi)部空間分成若干開挖區(qū)，開挖區(qū)的內(nèi)壁上設(shè)有多層平行設(shè)置的凹坑組，每一層凹坑組包括多個(gè)深度為1mm的凹坑3，圍護(hù)墻體1的上表面設(shè)有起吊螺孔17。

經(jīng)測定，基坑原型圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體厚度為800mm，內(nèi)部分割地下連續(xù)墻墻體厚度為600mm，所以根據(jù)計(jì)算公式本實(shí)施例所用的圍護(hù)墻體的厚度為6mm，分隔墻體的厚度為4mm。

其中，定位單元的結(jié)構(gòu)如圖5所示，定位單元包括螺紋桿11、通過鋼絞線8與螺紋桿11底端連接的U型連接件10以及固定在U型連接件10底部的起吊螺桿9，螺紋桿11頂端通過調(diào)節(jié)螺帽12與反力支架7固定，螺紋桿11的底端設(shè)有通孔，鋼絞線8穿過該通孔，且鋼絞線8的兩端分別與U型連接件10的兩個(gè)頂端連接，起吊螺桿9與圍護(hù)墻體1的上表面的螺孔42相匹配，起吊螺桿9的長度約為15cm。

支撐單元：其結(jié)構(gòu)如圖4所示，該支撐單元可拆卸的分層安裝在開挖區(qū)內(nèi)，并和開挖區(qū)的內(nèi)壁抵接，具體形式如下：支撐單元包括井字形內(nèi)部支架4和支撐端頭5，井字形內(nèi)部支架4的八個(gè)頂角均設(shè)有突出部件41，突出部件41的頂端設(shè)有螺孔42，支撐端頭5的一端設(shè)有與螺孔42相匹配的螺桿51，支撐端頭5的另一端設(shè)有與凹坑3相匹配的凸起，支撐端頭5的中部設(shè)有鎖定螺母6。安裝時(shí)，將支撐端頭5的螺桿51旋入突出部件41的螺孔42中，并調(diào)節(jié)旋入部分的長度，從而使支撐單元和開挖區(qū)內(nèi)壁的形狀相匹配，然后將支撐端頭5的凸起嵌在凹坑中，最后通過鎖定螺母6固定突出部件41和支撐端頭5，使支撐單元水平安裝在開挖區(qū)的內(nèi)部。

測試單元：包括設(shè)置在圍護(hù)墻體1外側(cè)沿深度方向布置的孔壓計(jì)、設(shè)置在圍護(hù)墻體1內(nèi)側(cè)和外側(cè)沿深度方向布置的土壓計(jì)、設(shè)置在圍護(hù)墻體1內(nèi)側(cè)和外側(cè)在相對(duì)位置上設(shè)置的應(yīng)變片、軸向設(shè)置在支撐單元上的應(yīng)變片以及設(shè)置在實(shí)驗(yàn)區(qū)14底部及側(cè)面的激光位移計(jì)；測試單元未在附圖中體現(xiàn)。

圍護(hù)墻體1和分隔墻體2通過螺釘固定，并在連接處涂抹防水膠，擋板13和模型箱16的連接處涂抹防水膠。

本實(shí)施例涉及一種全尺寸基坑開挖離心機(jī)實(shí)驗(yàn)方法，模擬現(xiàn)場基坑開挖過程。本實(shí)施例基坑原型開挖深度10m，地下連續(xù)墻入土深度20m，土體分三層開挖，開挖深度分別為2m、4.5m、3.5m。施加兩道支撐，分別在第一層土體和第二層土體開挖完成之后。本實(shí)施例基坑開挖離心機(jī)實(shí)驗(yàn)方法流程包括以下步驟：

步驟1，將現(xiàn)場取回土樣曬干、粉碎、篩分，按實(shí)際含水率加水?dāng)嚢柚瞥芍厮芡翗印?/p>

步驟2，將粘貼好透水石的擋板安裝至試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?，將模型箱分隔成?shí)驗(yàn)區(qū)和排水箱兩部分，并用止水膠密封擋板與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溟g縫隙。

步驟3，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞撞夸佋O(shè)10cm細(xì)砂，將制成的重塑土樣裝入試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?，土樣鋪裝厚度為35cm，并將表面抹平。

步驟4，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞跹b至離心機(jī)吊籃，啟動(dòng)離心機(jī)至預(yù)定離心加速度，待土體固結(jié)至一定程度后放入基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并利用吊裝定位裝置定位，并繼續(xù)啟動(dòng)離心機(jī)直至土體固結(jié)完成。

步驟5，抽取水位控制箱中水位至第一層土開挖面以下2cm深度，啟動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行場地降水，待降水完成后開挖A區(qū)第一層土體(2cm深)并安裝第一道支撐。啟動(dòng)離心機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行一定時(shí)間，讀取傳感器示數(shù)。

步驟6，重復(fù)步驟5，直至各分區(qū)各層土體開挖完成并施加支撐，記錄各次開挖以及施加支撐時(shí)傳感器數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例涉及的全尺寸基坑開挖巖土離心機(jī)試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，適用于更為復(fù)雜的基坑模型試驗(yàn)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置安裝與拆卸方便，可重復(fù)循環(huán)利用，提高了材料的使用率，構(gòu)件零件更換方便。本發(fā)明涉及的試驗(yàn)方法能準(zhǔn)確模擬實(shí)際工程中基坑降水、土體開挖、支撐施加等過程，具有良好的使用和推廣價(jià)值。