研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，包括模型箱，在模型箱內(nèi)設(shè)有地基土，地基土內(nèi)豎直嵌有用于模擬支護(hù)樁的支護(hù)板，在模型箱內(nèi)支護(hù)板的一側(cè)豎直設(shè)有多個(gè)基樁模型樁，嵌有基樁模型樁的地基土頂部設(shè)置褥墊層，地基土、基樁模型樁和褥墊層共同形成復(fù)合地基，在支護(hù)板的另一側(cè)設(shè)置用于模擬開挖的開挖區(qū)，在基樁模型樁與支護(hù)板上分別布設(shè)有與計(jì)算機(jī)連接的測(cè)試裝置，在復(fù)合地基的上部設(shè)置荷載加壓裝置；整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)可根據(jù)需求設(shè)置用于測(cè)試在基坑開挖時(shí)，復(fù)合地基中地基土變形位移數(shù)據(jù)等的測(cè)試系統(tǒng)；這樣在開挖區(qū)進(jìn)行開挖時(shí)，研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力或者位移產(chǎn)生的變化，從而更好的指導(dǎo)實(shí)踐。
【專利說明】
研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及地基模型的試驗(yàn)，特別是研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)巖土工程室內(nèi)試驗(yàn)是在常重力條件下進(jìn)行的，由于無法或很難再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸條件，因此常為縮尺模型，依據(jù)土體自重應(yīng)力，縮尺模型帶來的是土體深度h的倍縮，進(jìn)而改變土體自重應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)以自重為主要荷載的結(jié)構(gòu)，不能反映原型應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致模型試驗(yàn)無法模擬原型所發(fā)生的現(xiàn)象。
[0003]土工離心模型試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)模擬重力場(chǎng)的存在，再現(xiàn)工程實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，被廣大學(xué)者公認(rèn)是目前進(jìn)行巖土工程技術(shù)研究中最先進(jìn)、最有效的試驗(yàn)方法，土工離心模型試驗(yàn)相對(duì)于原型觀測(cè)、室內(nèi)常重力場(chǎng)試驗(yàn)機(jī)數(shù)值分析模擬方法具有不可替代和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
[0004]隨復(fù)合地基理論日漸成熟，大量多高層建筑采用了CFG粧復(fù)合地基。目前，國(guó)內(nèi)外缺乏針對(duì)側(cè)向開挖條件下對(duì)既有復(fù)合地基力學(xué)性狀及其基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的研究，使工程界缺乏正確進(jìn)行此類基坑工程設(shè)計(jì)的理論和方法，設(shè)計(jì)人員一般忽略既有復(fù)合地基增強(qiáng)體，無視既有群粧能夠減少支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的有利作用，而把復(fù)合地基看成原狀土，保守的進(jìn)行基坑工程設(shè)計(jì)，造成了大量的資源浪費(fèi)，同時(shí)，這樣的設(shè)置所測(cè)得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，不能更為實(shí)際地反映實(shí)際工程問題;此外，現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)中荷載系統(tǒng)比較復(fù)雜，開挖裝置及模擬開挖區(qū)的土層通常也較為復(fù)雜，不能有效快速地實(shí)現(xiàn)側(cè)向開挖。
[0005]測(cè)量裝置是試驗(yàn)取得成功的前提保證，其工作狀態(tài)和性能直接關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，甚至決定一次試驗(yàn)的成敗，量測(cè)儀器的發(fā)展除了表現(xiàn)為功能的增強(qiáng)外，還表現(xiàn)為體積和質(zhì)量的減少，這些發(fā)展大大地降低了其自身對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
[0006]綜上所述，隨著地下工程的大型化、復(fù)雜化，以往依賴工程經(jīng)驗(yàn)的做法將不能滿足設(shè)計(jì)、施工要求，開展基坑工程離心模型試驗(yàn)?zāi)苡行У匮芯炕庸こ虇栴}，促進(jìn)基坑工程理論和數(shù)值模擬的完善。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的是提供了研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，通過設(shè)置模型裝置以及測(cè)試系統(tǒng)，用于對(duì)臨近復(fù)合地基基坑開挖力學(xué)性能的研究，對(duì)建立以保證復(fù)合地基安全為目標(biāo)的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)理論和方法，具有緊迫的工程價(jià)值和長(zhǎng)遠(yuǎn)的理論意義。
[0008]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模型箱，在模型箱內(nèi)設(shè)有地基土，地基土內(nèi)豎直嵌有用于模擬支護(hù)粧的支護(hù)板，在模型箱內(nèi)支護(hù)板的一側(cè)豎直設(shè)有多個(gè)基粧模型粧，嵌有基粧模型粧的地基土頂部設(shè)置墊層，地基土、基粧模型粧和墊層共同形成復(fù)合地基，由此復(fù)合地基與支護(hù)板共同存在更加符合實(shí)際施工環(huán)境，在支護(hù)板的另一側(cè)設(shè)置用于模擬開挖的開挖區(qū)，在基粧模型粧與支護(hù)板上分別布設(shè)有與計(jì)算機(jī)連接的測(cè)試裝置，在復(fù)合地基的上部設(shè)置荷載加壓裝置;整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)可根據(jù)需求設(shè)置用于測(cè)試在基坑開挖時(shí)，復(fù)合地基中地基土變形位移數(shù)據(jù)等的測(cè)試系統(tǒng);這樣在開挖區(qū)進(jìn)行開挖時(shí)，研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力或者位移產(chǎn)生的變化，從而更好的指導(dǎo)實(shí)踐。
[0010]進(jìn)一步地，所述測(cè)試裝置包括在基粧模型粧上設(shè)置的用于輔助獲得荷載施加過程中基粧模型粧軸力分布和地基土荷載分擔(dān)的軸力應(yīng)變片和用于輔助獲得基粧模型粧彎矩分布及變化規(guī)律的彎矩應(yīng)變片，還包括在支護(hù)板中間位置地正反兩側(cè)設(shè)置的彎矩應(yīng)變片；通過布置在基粧模型粧上的軸力應(yīng)變片，獲得荷載施加過程中粧軸力分布和粧土荷載分擔(dān)，基坑開挖引起的復(fù)合地基基粧模型粧軸力變化，研究開挖對(duì)復(fù)合地基承載力影響;通過布置在基粧模型粧上的彎矩應(yīng)變片，獲得基坑開挖引起的基粧模型粧彎矩分布及變化規(guī)律，進(jìn)而分析基粧模型粧隨開挖的變形規(guī)律;通過布置在支護(hù)板上的應(yīng)變片，獲得基坑開挖引起的擋墻內(nèi)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，并可推導(dǎo)支護(hù)板后土壓力分布規(guī)律。
[0011 ]此外，軸力應(yīng)變片在基粧模型粧兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置，彎矩應(yīng)變片布置在基粧模型粧粧身兩側(cè)。
[0012]進(jìn)一步地，所述測(cè)試裝置還包括在所述的地基土中設(shè)置的多個(gè)用于測(cè)量地基土壓力值的土壓力傳感器;所述土壓力傳感器為T型土壓力傳感器，在地基土分層澆置過程中根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮托枰砸欢ㄩg距豎直布置于復(fù)合地基中間位置處和靠近支護(hù)板處各一排，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮托枰_定T型土壓力傳感器的朝向以便測(cè)得試驗(yàn)需要方向的土壓力值。
[0013]進(jìn)一步地，為了便于觀察，模型箱為透明材料制成，模型箱厚度為3?5mm，所述基粧模型粧的底部呈圓錐狀，為配合CFG粧，墊層為褥墊層。
[0014]進(jìn)一步地，在模型箱的外側(cè)設(shè)置多個(gè)用于提供定位參考的PIV標(biāo)記點(diǎn)，便于分析照相片中土顆粒像素的實(shí)際位置，還包括安裝于離心機(jī)大梁和模型箱內(nèi)開挖區(qū)的多個(gè)攝像機(jī)，根據(jù)攝像裝置所得照片像素分析即可得出土體的位移情況。
[0015]進(jìn)一步地，所述褥墊層為粗砂層。
[0016]進(jìn)一步地，在基粧模型粧的表面涂覆有增加摩擦系數(shù)的環(huán)氧涂層，環(huán)氧涂層中帶有砂子，為了增加基粧模型粧表面的摩擦系數(shù)，需要在其表面涂一層厚度在0.5mm左右厚度的環(huán)氧涂層，在環(huán)氧涂層干凝前灑上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系數(shù)，其間距根據(jù)實(shí)際間距按照加速度比例系數(shù)確定或根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要確定，加速度比例系數(shù)就是離心機(jī)加速度值，試驗(yàn)前綜合考慮后確定的離心機(jī)加速度值，確定這個(gè)加速度值后模型試驗(yàn)中的各個(gè)單位需按照規(guī)定以這個(gè)比例縮小，比如加速度大小為40，模型長(zhǎng)度尺寸單位就應(yīng)該是原型的I /40大小。
[0017]進(jìn)一步地，用于模擬開挖的開挖區(qū)為內(nèi)部裝有土的土袋，土袋外表面設(shè)有便于移出土袋的吊環(huán)，這樣的設(shè)置大大方便了開挖裝置對(duì)土層的開挖。
[0018]進(jìn)一步地，所述支護(hù)板為鋁板，根據(jù)抗彎剛度等效原則制作，用于模擬支護(hù)粧。
[0019]進(jìn)一步地，所述基粧模型粧為CFG粧，由鋁合金管按照抗壓剛度等效制成。
[0020]進(jìn)一步地，所述基粧模型粧的底部呈圓錐狀，便于插入地基土中，上端封口，其長(zhǎng)度根據(jù)離心機(jī)離心加速度比例大小確定。
[0021]所述荷載加壓系統(tǒng)包括加載氣囊，加載氣囊的充氣孔外露與充氣裝置連接，充氣裝置安裝有氣壓傳感器通過控制氣壓大小實(shí)現(xiàn)控制均布載荷的大小。
[0022]所述的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，具體步驟如下:
[0023]I)制備復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)裝置，制備的同時(shí)布設(shè)測(cè)量裝置；
[0024]2)安裝試驗(yàn)加載系統(tǒng)及基坑開挖裝置；
[0025]3)對(duì)步驟I)中離心模型試驗(yàn)裝置、步驟2)中基坑開挖裝置進(jìn)行稱重；
[0026]4)將步驟I)中離心模型試驗(yàn)裝置吊裝至離心機(jī)吊籃，安裝攝像機(jī)與步驟I)中測(cè)量裝置連接；
[0027]5)啟動(dòng)離心機(jī)，由測(cè)試系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)；
[0028]6)分級(jí)施加荷載，逐層進(jìn)行開挖并采集每次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；
[0029]7)荷載穩(wěn)定后，基坑開挖裝置開始開挖，逐次進(jìn)行多次開挖并采集每次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；
[0030]8)試驗(yàn)完成后，進(jìn)行試驗(yàn)加載系統(tǒng)、基坑開挖裝置的逐個(gè)拆除。
[0031]進(jìn)一步地，所述步驟I)中復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)裝置的制備方法如下:
[0032]1-1)在模型箱內(nèi)采用砂雨法設(shè)置設(shè)定厚度的地基土；
[0033]1-2)在地基土中豎直設(shè)置支護(hù)板，在支護(hù)板的一側(cè)繼續(xù)設(shè)置地基土到設(shè)定的厚度；
[0034]1-3)在地基土中設(shè)置多根基粧模型粧并繼續(xù)采用砂雨法至地基土高度與基粧模型粧的頂端齊平；
[00；35] 1-4)在步驟I)至步驟3)進(jìn)行的同時(shí)，根據(jù)挖斗土方制作土袋；
[0036]1-5)將土袋放置于支護(hù)板的另一側(cè)作為開挖區(qū)；
[0037]1-6)在步驟3)完成后或者在步驟5)完成后，嵌有基粧模型粧的地基土頂部采用砂雨法設(shè)置粗砂作為褥墊層。
[0038]進(jìn)一步地，所述步驟2)中加載系統(tǒng)的安裝方法的具體步驟如下:
[0039]2-1)將加載氣囊置于褥墊層的上方來對(duì)基粧模型粧施加均布荷載；
[°04°] 2-2)將反力板固定在加載氣囊上方對(duì)加載氣囊進(jìn)行約束，反力板上方固定支架，且支架與離心機(jī)固定；
[0041 ] 2-3)加載氣囊與充氣裝置固定。
[0042]進(jìn)一步地，所述步驟7)中基坑開挖裝置的具體工作步驟是:
[0043]3-1)開挖裝置即吊機(jī)，吊機(jī)主次梁旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主次梁上螺母前進(jìn)或者后退，螺母進(jìn)而帶動(dòng)滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與滑塊連接的電動(dòng)葫蘆移動(dòng)至土袋上方；
[0044]3-2)打開電動(dòng)葫蘆開關(guān)，電動(dòng)葫蘆的吊鉤通過土袋上的吊環(huán)將土袋移出模型箱；
[0045]3-3)關(guān)閉主次梁的電機(jī)，打開電動(dòng)葫蘆開關(guān)，電動(dòng)葫蘆的吊鉤向下運(yùn)動(dòng)，土袋的吊環(huán)與吊鉤脫離；
[0046]3-4)打開電動(dòng)葫蘆開關(guān)，再次升起電動(dòng)葫蘆；
[0047]3-5)重復(fù)步驟3-1)至步驟3-4)，直至基坑開挖完成。
[0048]本發(fā)明的有益效果是:
[0049]I)本發(fā)明中的試驗(yàn)裝置原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)構(gòu)造清晰，便于安裝制造，造價(jià)低廉。
[0050]2)通過地基土、基粧模型粧和褥墊層共同形成復(fù)合地基作為實(shí)際工況的施工環(huán)境，與實(shí)際施工工況一致，符合地基土實(shí)際應(yīng)力變化，通過整個(gè)試驗(yàn)裝置的研究，獲得的數(shù)據(jù)具有實(shí)際研究意義。
[0051]3)根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境制作的試驗(yàn)裝置，利用基粧模型裝代替實(shí)際中的基粧、土袋代替要開挖的土層、支護(hù)板模擬支護(hù)粧，雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但實(shí)用性高，有利于實(shí)際工況的研究。
[0052]4)本發(fā)明提出的試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠很好的和用于模擬和追溯復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心模型試驗(yàn)相匹配，測(cè)試裝置中PIV標(biāo)記點(diǎn)、應(yīng)變片的設(shè)置位置，能較為準(zhǔn)確地測(cè)量基坑開挖時(shí)，基粧模型粧和支護(hù)板處的軸力與彎矩等分布規(guī)律，更好地指導(dǎo)實(shí)踐工作。
[0053]5)本發(fā)明提出的試驗(yàn)方法，合理且簡(jiǎn)單方便，測(cè)量的結(jié)果有助于后續(xù)對(duì)復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形狀的研究。
【附圖說明】
[0054]圖1是本發(fā)明的俯視圖；
[0055]圖2是本發(fā)明圖1的面圖；
[0056]圖3是本發(fā)明圖2的2-2剖面圖；
[0057]圖4是本發(fā)明中軸力應(yīng)變片在基粧模型粧的布置圖；
[0058]圖5是本發(fā)明中彎矩應(yīng)變片在基粧模型粧的布置圖；
[0059]圖6是本發(fā)明中彎矩應(yīng)變片在支護(hù)板的布置圖；
[0060]圖7是本發(fā)明中應(yīng)變片在基粧模型粧的布置俯視圖；
[0061 ]圖8是本發(fā)明中應(yīng)變片在基粧模型粧的布置側(cè)視圖；
[0062]圖9是本發(fā)明中應(yīng)變片的布置結(jié)構(gòu)圖；
[0063]圖中:丨、模型箱;2、地基土;3、基粧模型粧;4、褥墊層;5、加載氣囊;6、反力板;7、支架;8、支護(hù)板;9、土袋;10、L型錯(cuò)動(dòng)板;11、充氣孔;12、開口； 13、連接管；14、氣壓傳感器;15、充氣閥；16、軸力應(yīng)變片，17、彎矩應(yīng)變片；
[0064]R1、R2、R3、R4 均為應(yīng)變片。
【具體實(shí)施方式】
[0065]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0066]如圖1-圖2所示，復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模型箱I，為了便于觀察，模型箱I為透明材料制成，模型箱I厚度為3?5mm，所述基粧模型粧3的底部呈圓錐狀。在模型箱I內(nèi)設(shè)有地基土2，地基土2內(nèi)豎直嵌有用于模擬支護(hù)粧3的支護(hù)板8，在模型箱I內(nèi)支護(hù)板8的一側(cè)豎直設(shè)有多個(gè)基粧模型粧3，嵌有基粧模型粧3的地基土頂部設(shè)置褥墊層4，地基土 2、基粧模型粧3和褥墊層4共同形成復(fù)合地基，由此復(fù)合地基與支護(hù)板8共同存在更加符合實(shí)際施工環(huán)境，在支護(hù)板8的另一側(cè)設(shè)置用于模擬開挖的開挖區(qū)，通過基坑開挖裝置模擬復(fù)合地基基坑側(cè)向開挖，在基粧模型粧3與支護(hù)板8上分別布設(shè)有與計(jì)算機(jī)連接的測(cè)試裝置;整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)可根據(jù)需求設(shè)置用于測(cè)試在基坑開挖時(shí)，通過加載氣囊5膨脹擠壓對(duì)復(fù)合地基施加載荷，得出復(fù)合地基中地基土 2變形位移等數(shù)據(jù);這樣在開挖區(qū)進(jìn)行開挖時(shí)，研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力或者位移產(chǎn)生的變化，從而更好的指導(dǎo)實(shí)踐。
[0067]褥墊層也可以是剛性的，剛性墊層一般是C7.5-C10的混凝土搗成，它適用于薄而大的整體面層和塊狀面層;柔性墊層(褥墊層)一般是用各種散材料，如砂、爐渣、碎石、灰土等加以壓實(shí)而成，它適用于較厚的塊狀面層。
[0068]如圖4?圖8所示，測(cè)試裝置包括在基粧模型粧3上設(shè)置的用于輔助獲得荷載施加過程中基粧模型粧3軸力分布和地基土荷載分擔(dān)的軸力應(yīng)變片10和用于輔助獲得基粧模型粧3彎矩分布及變化規(guī)律的彎矩應(yīng)變片11，還包括在支護(hù)板8中間位置地正反兩側(cè)設(shè)置的彎矩應(yīng)變片11;通過布置在基粧模型粧3上的軸力應(yīng)變片10，獲得荷載施加過程中粧軸力分布和粧土荷載分擔(dān)，基坑開挖引起的復(fù)合地基基粧模型粧3軸力變化，研究開挖對(duì)復(fù)合地基承載力影響;通過布置在基粧模型粧3上的彎矩應(yīng)變片11，獲得基坑開挖引起的基粧模型粧3彎矩分布及變化規(guī)律，進(jìn)而分析基粧模型粧3隨開挖的變形規(guī)律;通過布置在支護(hù)板8上的應(yīng)變片，獲得基坑開挖引起的擋墻內(nèi)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，并可推導(dǎo)支護(hù)板8后土壓力分布規(guī)律。
[0069]此外，軸力應(yīng)變片10在基粧模型粧3兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置，如圖1所示，應(yīng)變片裝于多個(gè)基粧模型粧3的中間幾根粧上，如圖1中布置有軸力應(yīng)變片的CFG粧13，彎矩應(yīng)變片11布置在基粧模型粧3粧身兩側(cè)，所有應(yīng)變片均以全橋方式布置，如圖9所示，此外，結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康暮托枰_定彎矩應(yīng)變片朝向以測(cè)得需要方向的彎矩應(yīng)變值。
[0070]測(cè)試裝置還包括在所述的地基土中設(shè)置的多個(gè)用于測(cè)量地基土壓力值的土壓力傳感器;所述土壓力傳感器8為T型土壓力傳感器，在地基土2分層澆置過程中根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮托枰砸欢ㄩg距豎直布置于復(fù)合地基中間位置處和靠近支護(hù)板8處各一排，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮托枰_定T型土壓力傳感器的朝向以便測(cè)得試驗(yàn)需要方向的土壓力值。
[0071]在模型箱I的外側(cè)設(shè)置多個(gè)PIV標(biāo)記點(diǎn)，PIV標(biāo)記點(diǎn)與至少一個(gè)用于記錄開挖過程中地基土2位移的攝像裝置連接，多個(gè)攝像機(jī)分別安裝在離心機(jī)大梁上和模型箱I內(nèi)開挖區(qū)。
[0072]在基粧模型粧3表面涂覆有增加摩擦系數(shù)的環(huán)氧涂層12，環(huán)氧涂層12中帶有砂子；為了增加基粧模型粧3表面的摩擦系數(shù)，需要在其表面涂一層厚度在0.5_左右厚度的環(huán)氧涂層12，在環(huán)氧涂層12干凝前灑上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系數(shù)，其間距根據(jù)實(shí)際間距按照加速度比例系數(shù)確定或根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要確定。
[0073]用于模擬開挖的開挖區(qū)為多個(gè)堆疊在一起的內(nèi)部裝有土的土袋9，來模擬每層土體的開挖，土袋9外表面設(shè)有便于移出土袋9的吊環(huán)，這樣的設(shè)置大大方便了開挖裝置對(duì)土層的開挖。
[0074]為符合實(shí)際施工環(huán)境，所述基粧模型粧3為CFG粧，由鋁合金管按照抗壓剛度等效制成，所述基粧模型粧3的底部呈圓錐狀，便于插入地基土2中，上端封口，其長(zhǎng)度根據(jù)離心機(jī)離心加速度比例大小確定，離心加速度在試驗(yàn)前根據(jù)試驗(yàn)需要確定，一般綜合考慮場(chǎng)地面積、支護(hù)粧和CFG粧粧長(zhǎng)、地層條件、室內(nèi)模型試驗(yàn)比尺、離心機(jī)參數(shù)等因素，選定離心模型試驗(yàn)比尺為，即離心機(jī)設(shè)定速度，確定離心機(jī)加速度后試驗(yàn)中的各項(xiàng)單位需要按規(guī)定進(jìn)行折減換算，這里的長(zhǎng)度單位換算為:模型中的長(zhǎng)度尺寸=實(shí)際長(zhǎng)度尺寸/離心加速度。
[0075]所述的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，具體步驟如下:
[0076]I)制備復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)裝置，制備的同時(shí)布設(shè)測(cè)量裝置；
[0077]2)安裝試驗(yàn)加載系統(tǒng)及基坑開挖裝置；
[0078]3)對(duì)步驟I)中離心模型試驗(yàn)裝置、步驟2)中基坑開挖裝置進(jìn)行稱重;并對(duì)測(cè)量裝置及其他設(shè)備檢查是否正常工作；
[0079]4)將步驟I)中離心模型試驗(yàn)裝置吊裝至離心機(jī)吊籃，安裝攝像機(jī)與步驟I)中測(cè)量裝置連接；
[0080]5)設(shè)定加速度值，啟動(dòng)離心機(jī)，由應(yīng)力片及土壓力傳感器開始采集數(shù)據(jù);待離心加速度值達(dá)到設(shè)定g值后穩(wěn)定運(yùn)行30min至地基沉降趨于穩(wěn)定，即各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定，并觀察試驗(yàn)中地基土層變形情況；
[0081]6)分級(jí)施加荷載，各級(jí)荷載穩(wěn)定時(shí)間大約為5min，每次加載到預(yù)設(shè)荷載并穩(wěn)定后進(jìn)行下一次荷載加載，并在相應(yīng)值采集試驗(yàn)數(shù)據(jù);荷載達(dá)到設(shè)定荷載時(shí)，穩(wěn)定荷載，開始基坑開挖過程，進(jìn)行第一層土體開挖；
[0082]7)荷載穩(wěn)定后，基坑開挖裝置開始開挖，逐層進(jìn)行開挖并采集每次的試驗(yàn)數(shù)據(jù);開挖之前及開挖各土層過程中觀察傳感器采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，并進(jìn)行初步分析;土層全部開挖完成、或者地基土變形較大、或者擋墻變形較大時(shí)，基坑開挖不再進(jìn)行，則整個(gè)基坑開挖試驗(yàn)完成
[0083]8)試驗(yàn)完成后，氣壓釋放，停機(jī)，待離心機(jī)完全停止后，數(shù)采停止后，進(jìn)行裝置拆卸。
[0084]其中，所述步驟I)中復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)裝置的制備方法如下:
[0085]1-1)在模型箱內(nèi)采用砂雨法設(shè)置設(shè)定厚度的地基土；
[0086]1-2)在地基土中豎直設(shè)置支護(hù)板，在支護(hù)板的一側(cè)繼續(xù)設(shè)置地基土到設(shè)定的厚度；
[0087]1-3)在地基土中設(shè)置多根基粧模型粧并繼續(xù)采用砂雨法至地基土高度與基粧模型粧的頂端齊平;基粧模型粧3為CFG粧，根據(jù)加速度比例系數(shù)，預(yù)先計(jì)算好CFG粧高度h2，取地基土高度hi+CFG粧高度h2*CFG高度的兩倍左右，即取hi = h2，并在模型箱壁對(duì)應(yīng)位置In、h2處標(biāo)記刻度，將預(yù)先制備好的地基土 2用砂雨法置入模型箱I內(nèi)，在地基土高度In略高處后停止砂雨法置砂，利用水平細(xì)線找齊CFG粧上端，布置各個(gè)CFG粧于地基土2中，水平細(xì)線齊平預(yù)定位置h3下端處，再次利用砂雨法在復(fù)合地基區(qū)澆砂于模型箱I中至高度h3下端處;在安裝CFG粧的同時(shí)，基粧模型粧兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置軸力應(yīng)變片10，在基粧模型粧3粧身兩側(cè)布置彎矩應(yīng)變片11，并在地基土2中設(shè)置土壓力傳感器8;
[0088]1-4)在步驟I)至步驟3)進(jìn)行的同時(shí)，根據(jù)挖斗土方折算制作土袋9，通過基坑開挖裝置移出土袋9，實(shí)現(xiàn)基坑模型開挖。土袋9采用高強(qiáng)度布料制作，根據(jù)開挖需要進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)并縫合，保留頂蓋不縫合；
[0089]1-5)將土袋9放置于支護(hù)板8的另一側(cè)作為開挖區(qū)；
[0090]1-6)在步驟3)完成后或者在步驟5)完成后，在嵌有基粧模型粧3的地基土 2頂部采用砂雨法設(shè)置粗砂作為褥墊層4，通過控制落距、出砂孔尺寸和出砂頭總流量以達(dá)到目標(biāo)相對(duì)密實(shí)度，褥墊層厚度根據(jù)離心加速度比例系數(shù)確定。
[0091 ]所述步驟2)中加載系統(tǒng)的安裝方法的具體步驟如下:
[0092]2-1)將加載氣囊5置于褥墊層的上方來對(duì)基粧模型粧施加均布荷載；
[0093]2-2)將反力板固定在加載氣囊(橡膠充氣囊)5上方對(duì)加載氣囊5進(jìn)行約束，反力板6上方固定支架，且支架7與離心機(jī)固定，反力板6呈倒L型，由剛性金屬板制成，在加載氣囊5和反力板6接角處安裝L型錯(cuò)動(dòng)板10，反力板6、支架7及L型錯(cuò)動(dòng)板10三者共同組成反力架裝置;反力板通過耳板固定在模型箱I上，加載氣囊5的充氣孔從反力板及支架露出并外接充氣裝置；
[0094]其中，支架7由剛性金屬制作，一般為鋼鐵或者鋁合金，下部與反力板6固定，上方與離心機(jī)固定，所述L型錯(cuò)動(dòng)板10由剛性金屬制作，一般為鋼鐵或者鋁合金，防止加載氣囊5膨脹后擠出。
[0095]2-3)加載氣囊5與充氣裝置固定，充氣裝置為帶有氣壓傳感器14的充氣箱，通過向加載氣囊5充氣來模擬對(duì)復(fù)合地基施加的均布荷載，控制加載氣囊5中氣壓的大小來調(diào)節(jié)均布荷載的大小，氣壓傳感器14與計(jì)算機(jī)連接，用于顯示對(duì)加載氣囊5施加的壓力值。
[0096]其中，充氣箱上開有開口 12通過連接管13與加載氣囊5上的充氣孔11連通，并且在充氣箱上設(shè)有充氣閥15。
[0097]所述步驟7)中基坑開挖裝置的具體工作步驟是:
[0098]3-1)開挖裝置即吊機(jī)，吊機(jī)主次梁旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主次梁上螺母前進(jìn)或者后退，螺母進(jìn)而帶動(dòng)滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與滑塊連接的電動(dòng)葫蘆移動(dòng)至土袋上方；
[0099]3-2)打開電動(dòng)葫蘆開關(guān)，電動(dòng)葫蘆的吊鉤通過土袋上的吊環(huán)將土袋移出模型箱；
[0100]3-3)關(guān)閉主次梁的電機(jī)，打開電動(dòng)葫蘆開關(guān)，電動(dòng)葫蘆的吊鉤向下運(yùn)動(dòng)，土袋的吊環(huán)與吊鉤脫離；
[0101]3-4)打開電動(dòng)葫蘆開關(guān)，再次升起電動(dòng)葫蘆；
[0102]3-5)重復(fù)步驟3-1)至步驟3-4)，直至基坑開挖完成。
[0103]離心模型試驗(yàn)裝置的制造方法，具體步驟如下:
[0104]I)在模型箱I內(nèi)采用砂雨法設(shè)置設(shè)定厚度的地基土 2;
[0105]2)在地基土 2中豎直設(shè)置支護(hù)板8，在支護(hù)板8的一側(cè)繼續(xù)設(shè)置地基土 2到設(shè)定的厚度；
[0106]3)在地基土 2中設(shè)置多根基粧模型粧3，基粧模型粧3為CFG粧，根據(jù)加速度比例系數(shù)，預(yù)先計(jì)算好CFG粧高度h2，取地基土高度lu+CFG粧高度h2*CFG高度的兩倍左右，即取In= h2，并在模型箱壁對(duì)應(yīng)位置In、h2處標(biāo)記刻度，將預(yù)先制備好的地基土 2用砂雨法置入模型箱I內(nèi)，在地基土高度In略高處后停止砂雨法置砂，利用水平細(xì)線找齊CFG粧上端，布置各個(gè)CFG粧于地基土2中，水平細(xì)線齊平預(yù)定位置h3下端處，再次利用砂雨法在復(fù)合地基區(qū)澆砂于模型箱I中至高度h3下端處;在安裝CFG粧的同時(shí)，基粧模型粧3兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置軸力應(yīng)變片10，在基粧模型粧3粧身兩側(cè)布置彎矩應(yīng)變片11，并在地基土 2中設(shè)置土壓力傳感器8;
[0107]其中，離心加速度在試驗(yàn)前根據(jù)試驗(yàn)需要確定，一般綜合考慮場(chǎng)地面積、支護(hù)粧和CFG粧粧長(zhǎng)、地層條件、室內(nèi)模型試驗(yàn)比尺、離心機(jī)參數(shù)等因素，選定離心模型試驗(yàn)比尺為，即離心機(jī)設(shè)定速度，確定離心機(jī)加速度后試驗(yàn)中的各項(xiàng)單位需要按規(guī)定進(jìn)行折減換算，這里的長(zhǎng)度單位換算為:模型中的長(zhǎng)度尺寸=實(shí)際長(zhǎng)度尺寸/離心加速度。
[0?08] 4)在步驟I)至步驟3)進(jìn)行的同時(shí)，根據(jù)挖斗土方折算制作土袋9，通過基坑開挖裝置移出土袋9，實(shí)現(xiàn)基坑模型開挖。土袋9采用高強(qiáng)度布料制作，根據(jù)開挖需要進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)并縫合，保留頂蓋不縫合；
[0109]5)將土袋9放置于支護(hù)板8的另一側(cè)作為開挖區(qū)；
[0110]6)在步驟3)完成后或者在步驟5)完成后，在嵌有基粧模型粧3的地基土 2頂部采用砂雨法設(shè)置粗砂作為褥墊層4，通過控制落距、出砂孔尺寸和出砂頭總流量以達(dá)到目標(biāo)相對(duì)密實(shí)度，褥墊層厚度根據(jù)離心加速度比例系數(shù)確定。
[0111]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.研究復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括模型箱，在模型箱內(nèi)設(shè)有地基土，地基土內(nèi)豎直嵌有用于模擬支護(hù)粧的支護(hù)板，在模型箱內(nèi)支護(hù)板的一側(cè)豎直設(shè)有多個(gè)基粧模型粧，嵌有基粧模型粧的地基土頂部設(shè)置墊層，地基土、基粧模型粧和墊層共同形成復(fù)合地基，在支護(hù)板的另一側(cè)設(shè)置用于模擬開挖的開挖區(qū)，在基粧模型粧與支護(hù)板上分別布設(shè)有與計(jì)算機(jī)連接的測(cè)試裝置，還包括設(shè)于復(fù)合地基的上部的荷載加壓系統(tǒng)。2.如權(quán)利要求1所述的離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述測(cè)試裝置包括在基粧模型粧上設(shè)置的用于輔助獲得荷載施加過程中基粧模型粧軸力分布和地基土荷載分擔(dān)的軸力應(yīng)變片和用于輔助獲得基粧模型粧彎矩分布及變化規(guī)律的彎矩應(yīng)變片，還包括在支護(hù)板中間位置地正反兩側(cè)設(shè)置的彎矩應(yīng)變片。3.如權(quán)利要求1或2所述的離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述測(cè)試裝置還包括在所述的地基土中設(shè)置的多個(gè)用于測(cè)量地基土壓力值的土壓力傳感器，所述墊層為褥墊層。4.如權(quán)利要求1所述的離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，在模型箱的外側(cè)設(shè)置多個(gè)用于提供定位參考的PIV標(biāo)記點(diǎn)，還包括安裝于離心機(jī)大梁和模型箱內(nèi)開挖區(qū)的多個(gè)攝像機(jī)。5.如權(quán)利要求1或2所述的離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，用于模擬開挖的開挖區(qū)為內(nèi)部裝有土的土袋，土袋外表面設(shè)有便于移出土袋的吊環(huán)。6.如權(quán)利要求1或2所述的離心模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述荷載加壓系統(tǒng)包括加載氣囊，加載氣囊的充氣孔外露與充氣裝置連接，充氣裝置安裝有氣壓傳感器用于控制均布載荷的大小。7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，其特征在于，具體步驟如下: 1)制備復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)裝置，制備的同時(shí)布設(shè)測(cè)量裝置； 2)安裝試驗(yàn)加載系統(tǒng)及基坑開挖裝置； 3)對(duì)步驟I)中離心模型試驗(yàn)裝置、步驟2)中基坑開挖裝置進(jìn)行稱重； 4)將步驟I)中離心模型試驗(yàn)裝置吊裝至離心機(jī)吊籃，安裝攝像機(jī)與步驟I)中測(cè)量裝置連接； 5)啟動(dòng)離心機(jī)，由測(cè)試系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)； 6)分級(jí)施加荷載，逐層進(jìn)行開挖并采集每次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)； 7)荷載穩(wěn)定后，基坑開挖裝置開始開挖，逐次進(jìn)行多次開挖并采集每次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)； 8)試驗(yàn)完成后，進(jìn)行試驗(yàn)加載系統(tǒng)、基坑開挖裝置的逐個(gè)拆除。8.如權(quán)利要求7所述的離心模型試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟I)中復(fù)合地基與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同性狀的離心模型試驗(yàn)裝置的制備方法如下: 1-1)在模型箱內(nèi)采用砂雨法設(shè)置設(shè)定厚度的地基土； 1-2)在地基土中豎直設(shè)置支護(hù)板，在支護(hù)板的一側(cè)繼續(xù)設(shè)置地基土到設(shè)定的厚度； 1-3)在地基土中設(shè)置多根基粧模型粧并繼續(xù)采用砂雨法至地基土高度與基粧模型粧的頂端齊平； 1-4)在步驟I)至步驟3)進(jìn)行的同時(shí)，根據(jù)挖斗土方制作土袋； 1-5)將土袋放置于支護(hù)板的另一側(cè)作為開挖區(qū)； 1-6)在步驟3)完成后或者在步驟5)完成后，嵌有基粧模型粧的地基土頂部采用砂雨法設(shè)置粗砂作為褥墊層。9.如權(quán)利要求7所述的離心模型試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟2)中加載系統(tǒng)的安裝方法的具體步驟如下: 2-1)將加載氣囊置于褥墊層的上方來對(duì)基粧模型粧施加均布荷載； 2-2)將反力板固定在加載氣囊上方對(duì)加載氣囊進(jìn)行約束，反力板上方固定支架，且支架與離心機(jī)固定； 2-3)加載氣囊與充氣裝置固定。10.如權(quán)利要求7所述的離心模型試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟7)中基坑開挖裝置的具體工作步驟是: 3-1)開挖裝置即吊機(jī)，吊機(jī)主次梁旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主次梁上螺母前進(jìn)或者后退，螺母進(jìn)而帶動(dòng)滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與滑塊連接的電動(dòng)葫蘆移動(dòng)至土袋上方； 3-2)打開電動(dòng)葫蘆開關(guān)，電動(dòng)葫蘆的吊鉤通過土袋上的吊環(huán)將土袋移出模型箱； 3-3)關(guān)閉主次梁的電機(jī)，打開電動(dòng)葫蘆開關(guān)，電動(dòng)葫蘆的吊鉤向下運(yùn)動(dòng)，土袋的吊環(huán)與吊鉤脫離； 3-4)打開電動(dòng)葫蘆開關(guān)，再次升起電動(dòng)葫蘆； 3-5)重復(fù)步驟3-1)至步驟3-4)，直至基坑開挖完成。
【文檔編號(hào)】E02D33/00GK105926686SQ201610285207
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月30日
【發(fā)明人】李連祥, 黃佳佳, 符慶宏, 胡峰
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)