本發(fā)明涉及一種基坑工程的室內(nèi)模型試驗系統(tǒng)與測試方法，具體的，涉及一種圓形基坑分層開挖過程中支護結(jié)構(gòu)上側(cè)壓力測試的模型試驗系統(tǒng)與測試方法。

背景技術(shù)：

基坑逐步開挖卸荷，支護結(jié)構(gòu)上土壓力的變化等特點與分布規(guī)律是基坑工程研究的重要內(nèi)容，也是支護結(jié)構(gòu)安全性與支護方案選擇的依據(jù)，矩形基坑的研究較多，圓形基坑分層卸荷工況及沿深度非均勻位移工況的土壓力研究較少，由于圓形基坑環(huán)向楔緊作用的存在，側(cè)壓力的分布規(guī)律及側(cè)壓力隨逐步卸荷導(dǎo)致徑向位移的變化規(guī)律尚不明了。因此，展開上述兩種工況下的土壓力規(guī)律的室內(nèi)模型試驗尤為必要。

但是目前，國內(nèi)外關(guān)于圓形基坑側(cè)壓力測試的模型試驗裝置并不多見，主要問題是圓形結(jié)構(gòu)各弧段徑向位移的均勻性難以控制和保證。圓筒結(jié)構(gòu)側(cè)壓力裝置以下文獻(xiàn)與專利中有記載，現(xiàn)有的圓形基坑室內(nèi)模型實驗裝置相對較少，且缺陷明顯，主要表現(xiàn)為：圓筒分塊較少，對稱性較差；分層較少，難以模擬多層分步開挖工況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種圓形基坑分層開挖支護側(cè)壓力測試的模型試驗系統(tǒng)與方法，該系統(tǒng)和方法的徑向位移均勻性好，位移控制與讀數(shù)裝置原理先進(jìn)，精度高、讀取方便；分層數(shù)多，使用操作簡單。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種圓形基坑分層開挖支護側(cè)壓力測試的模型試驗系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括整體定位架、數(shù)套徑向收縮裝置、橡皮套筒、微型土壓力傳感器和模型箱；

所述整體定位架設(shè)有一個圓形基座、一根中心柱和數(shù)根螺紋柱，其中：中心柱的柱端固定于圓形基座的中心，數(shù)根螺紋柱的柱端固定于圓形基座的圓周上，且中心柱和數(shù)根螺紋柱的柱體均貫穿數(shù)套徑向收縮裝置，并在中心柱的頂端設(shè)有螺栓加載板與標(biāo)尺讀數(shù)板；

數(shù)套所述徑向收縮裝置從下往上逐層疊放，每套徑向收縮裝置均設(shè)有位移定向盤、中心控制軸與拼接圓筒，其中：數(shù)套徑向收縮裝置的位移定向盤均被中心柱與數(shù)根螺栓柱貫穿，并通過螺栓緊固件固定在數(shù)根螺栓柱上；數(shù)套徑向收縮裝置的中心控制軸均由牢固粘結(jié)一體的中心圓柱管與倒置圓臺構(gòu)成，中心柱貫穿中心圓柱管，下層徑向收縮裝置的中心圓柱管分別從內(nèi)部穿過上層各套徑向收縮裝置的中心圓柱管，且相鄰層的兩個中心圓柱管沿中心柱方向豎向自由滑動；數(shù)套徑向收縮裝置的拼接圓筒分別固定在其套內(nèi)的位移定向盤上，每個拼接圓筒均由等分的t形弧片以拼接構(gòu)成，每個t形弧片均由微弧片和內(nèi)撐板組成t型結(jié)構(gòu)，且內(nèi)撐板的內(nèi)側(cè)邊緣上部均為楔坡形；位移定向盤與每個t形弧片的內(nèi)撐板之間均設(shè)有彈簧連接件，中心控制軸向上移動與彈簧連接件收縮以共同實現(xiàn)拼接圓筒的徑向收縮；

多個所述微型土壓力傳感器分為數(shù)列，并分別設(shè)置在數(shù)套徑向收縮裝置的拼接圓筒層疊形成的整體柱筒的等弧間距位置的t形弧片列上；

所述橡皮套筒覆蓋在數(shù)套徑向收縮裝置的拼接圓筒層疊形成的整體柱筒的最外側(cè)表面上；

所述模型箱為一個圓柱筒結(jié)構(gòu)，用于盛放與承載整體定位架、數(shù)套徑向收縮裝置及實驗用松散介質(zhì)。

優(yōu)選地，每套所述的徑向收縮裝置還進(jìn)一步包括讀數(shù)標(biāo)尺、加載螺栓；

所述加載螺栓包括螺絲桿與螺帽，其中：螺絲桿貫穿螺栓加載板；螺帽露在螺栓加載板的頂面上。

所述讀數(shù)標(biāo)尺設(shè)置在各套徑向收縮裝置中心圓柱管的頂端與加載螺栓的底端之間，讀數(shù)標(biāo)尺與螺絲桿下端采用銷釘牢固連接、與中心圓管柱頂端采用卡環(huán)緊固件牢固連接。

更優(yōu)選的，所述的螺帽的直徑大于5cm～10cm，其尺寸以便于旋擰。

更優(yōu)選的，所述的讀數(shù)標(biāo)尺采用鋼質(zhì)材質(zhì)，以承受豎向加載力。

更優(yōu)選地，所述卡環(huán)緊固件由開口卡環(huán)與螺栓構(gòu)成，開口卡環(huán)套在中心圓柱管的圓周外側(cè)并通過螺栓緊固。

優(yōu)選地，所述的整體定位架中：

所述螺紋柱的數(shù)量不少于三根；

所述螺栓加載板與中心柱的頂端牢固連接，并在螺栓加載板的邊緣附近設(shè)有螺絲孔，加載螺栓的螺絲桿貫穿于螺栓加載板上的螺絲孔，且螺絲孔的孔數(shù)與徑向收縮裝置的套數(shù)相等；

所述標(biāo)尺讀數(shù)板設(shè)置于螺栓加載板的下方，并在標(biāo)尺讀數(shù)板上與螺栓加載板的螺絲孔對應(yīng)位置分別開有用于安裝讀數(shù)標(biāo)尺的矩形孔。

更優(yōu)選的，所述的螺栓加載板為圓形厚板構(gòu)件，其半徑不小于最上層徑向收縮裝置的卡環(huán)緊固件外徑與讀數(shù)標(biāo)尺寬度之和，其厚度依據(jù)懸臂板的剛度條件確定并同時滿足構(gòu)造要求。

更優(yōu)選的，所述的標(biāo)尺讀數(shù)板與螺栓加載板的凈間距不小nmax*sa，其中：sa是按全高估算的主動極限位移值，sa取2.5％*rw與0.2％*hw的較大值，rw為拼接圓筒半徑，hw為數(shù)套徑向收縮裝置的總高度；nmax是數(shù)套徑向收縮裝置中心控制軸的倒置圓臺坡率最大值。

更優(yōu)選的，所述的矩形孔的尺寸大于讀數(shù)標(biāo)尺的截面尺寸。

更優(yōu)選地，所述的圓形基座的半徑等于拼接圓筒的半徑rw；

所述的中心柱的半徑不超過3厘米，材質(zhì)采用鋼材、鋁合金；

三根所述的螺紋柱的直徑均不超過1.5厘米，材質(zhì)采用鋼材、鋁合金。

優(yōu)選地，各套所述的徑向脹縮裝置中的拼接圓筒的半徑rw均相等，rw取值為10cm～100cm，各拼接圓筒的高度由實際工程經(jīng)相似模擬確定其中：rw為拼接圓筒半徑，ri為實際圓形基坑的半徑，hi為分層開挖的實際土層厚度，hwi對應(yīng)實際開挖土層厚度的各套徑向收縮裝置的拼接圓筒高度，i＝1,2,3,4…。

優(yōu)選地，所述的模型箱的高度不低于數(shù)套徑向收縮裝置的總高，模型箱的半徑不小于其中：rw為拼接圓筒半徑，hw為數(shù)套徑向收縮裝置的總高，π為圓周率，為實驗用松散介質(zhì)的內(nèi)摩擦角。

優(yōu)選地，所述的橡皮套筒的半徑小于拼接圓筒半徑rw。

優(yōu)選地，所述的拼接圓筒中：

所述t形弧片中的微弧片是由一個半徑為rw的完整圓筒經(jīng)ns等分剖切、并考慮剖切造成的弧度損失值d后形成的弧段，其中：ns不小于18，ns取24～36；剖切造成的弧度損失值d不小于2πsa/ns、不大于4πsa/ns，取3πsa/ns；微弧片的弧度為2π/ns-d/ro、弧長為2πro/ns-d，微弧片的厚度tw根據(jù)懸臂弧長滿足局部穩(wěn)定要求確定；

所述t形弧片中的內(nèi)撐板厚度tb不小于微弧片的厚度tw，內(nèi)撐板的內(nèi)側(cè)邊緣整體輪廓呈切角矩形：其上部切角坡度大于45度，坡率n取值范圍為5～20，其下部設(shè)有一個內(nèi)凹的矩形缺口，矩形缺口的高度大于彈簧連接件的外徑，內(nèi)凹寬度為內(nèi)撐板總體寬度b的1/4～1/3，且在內(nèi)凹側(cè)豎邊中點處開有孔作為設(shè)置彈簧連接件的拉孔，矩形缺口下側(cè)的內(nèi)撐板殘余高度不小于內(nèi)撐板的厚度tb。

優(yōu)選地，所述的中心控制軸中：

所述中心圓柱管的內(nèi)外表面光滑；相鄰層徑向收縮裝置的中心圓柱管：半徑尺寸，上層的中心圓柱管內(nèi)徑等于下層的中心圓柱管外徑加0.5mm富余值，以保證下層的中心圓柱管順利且恰好從內(nèi)側(cè)穿過上層的中心圓柱管，且無晃動；高度尺寸，下層的中心圓柱管高出上層的中心圓柱管n'*sa高度，其中n'為上層的徑向收縮裝置的內(nèi)撐板的內(nèi)側(cè)邊緣上部均為楔坡形上傾坡度，以保證上層的徑向收縮裝置的中心控制軸有使拼接圓筒產(chǎn)生徑向收縮位移量即主動極限位移值sa的足夠的豎向位移空間；

所述倒置圓臺的下傾坡度與t形弧片中的內(nèi)撐板上部的切角坡度即楔坡嚴(yán)格相同；倒置圓臺的下端截面半徑rn不小于最小徑縮半徑rcr與主動極限位移sa之和，最小徑縮半徑rcr為：根據(jù)ns個厚度為tb的內(nèi)撐板徑向收縮至各內(nèi)端棱線相接時，正ns變形周長近似等于最小徑縮圓的周長，求得的近似極限半徑，rcr＝ns*tw/2π。

優(yōu)選地，所述的位移定向盤包括底板、豎向定向筒、凸形輪蓋和徑向滑道盤；

豎向定向筒位于底板上，凸形輪蓋位于豎向定向筒的頂部，且三者同軸線牢固粘結(jié)一體，并串穿在最下層的徑向收縮裝置的中心圓柱管上；徑向滑道盤是由ns個弧邊梯形在底板上等間距拼接而成的放射狀徑向槽陣，t形弧片中的ns個內(nèi)撐板分別對應(yīng)插入徑向滑道盤的放射狀徑向槽陣內(nèi)；底板與豎向定向筒的中心開孔用于分別插入各自套內(nèi)中心控制軸的中心圓柱管；底板上還開設(shè)有用于螺紋柱貫穿的圓孔，螺紋柱上貫穿各層徑向收縮裝置的底板上、下表面處分別設(shè)置有緊固螺栓；凸形輪蓋的外側(cè)邊緣設(shè)有凸出部分，凸出部分開有ns個孔以供彈簧連接件勾拉，孔的位置和數(shù)量與徑向滑槽盤的放射狀徑向槽、各t形弧片的內(nèi)撐板一一對應(yīng)。

更優(yōu)選地，所述底板為圓形薄板，其半徑不大于拼接圓筒半徑rw減去拼接圓筒主動極限位移估算值sa；

所述底板與豎向定向筒的中心孔孔徑相同且均大于本套內(nèi)的中心圓柱管外徑，中心孔孔徑取本套內(nèi)的中心圓柱管外徑加0.5mm富余尺寸；

所述倒置圓臺的上端截面與上層的徑向收縮裝置中的位移定向盤底板距離不小于n*sa，其中n為本層徑向收縮裝置中的倒置圓臺下傾坡度。

所述豎向定向筒的高度hz大于t形弧片的內(nèi)撐板下部內(nèi)凹的矩形缺口高度與內(nèi)凹的矩形缺口下部殘余高度的和；

所述徑向滑道盤的放射狀徑向槽的寬度大于t形弧片中的內(nèi)撐板厚度tb，取內(nèi)撐板厚度tb加0.5mm富余尺寸；

所述凸形輪蓋的半徑不小于倒置圓臺的下端半徑，凸形輪蓋外側(cè)邊緣的凸出部分尺寸不小于1cm。

優(yōu)選地，所述的彈簧連接單元的一端連接在拼接圓筒中內(nèi)撐板上的內(nèi)凹矩形缺口內(nèi)側(cè)邊上的小孔上、另一端連接在位移定向盤中凸形壓蓋外側(cè)邊緣凸出部分對應(yīng)的小孔上；所述彈簧連接單元的直徑為0.5cm～1.5cm。

優(yōu)選地，所述的微型土壓力傳感器的半徑為1cm～2cm、厚度為4mm～8mm。

本發(fā)明中：所述位移定向盤的底板只固定在螺紋柱上，底板的中心位置設(shè)有孔，被下層徑向脹縮裝置的中心控制軸的中心圓柱管穿過而與中心柱隔離開；設(shè)置螺絲柱和螺栓緊固件的目的為了通過固定位移定向盤的底板而間接固定各套徑向收縮裝置；中心柱的作用是引導(dǎo)個中心控制軸豎沿豎向自由滑動，實現(xiàn)豎向準(zhǔn)確加載，并為頂端的螺栓加載板提供反力；位移定向盤的底板上設(shè)置豎向定向筒是為了固定凸形輪蓋，凸形輪蓋上開設(shè)有連接彈簧連接件的拉孔，為彈簧連接件產(chǎn)生徑向拉力拉動t形弧片的內(nèi)撐板提供基礎(chǔ)，只要中心控制軸有豎向位移，彈簧連接件拉動內(nèi)撐板就可以產(chǎn)生徑向位移，從而實現(xiàn)徑向收縮的目的，同時依據(jù)中心控制軸的豎向位移與t形弧片徑向位移之間滿足楔坡比例n倍關(guān)系的原理，通過讀取豎向位移實現(xiàn)對微小徑向位移量的精確讀數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種上述系統(tǒng)的拼裝方法，步驟如下：

(1)需要布設(shè)微型土壓力傳感器的各層徑向收縮裝置的t形弧片分別完成布設(shè)；

(2)先將圓形基座固定在模型箱的中心位置，然后將中心柱與數(shù)根螺紋柱分別固定在圓形基座的中心位置和圓周位置上；

(3)將最下層徑向收縮裝置的位移定向盤貫穿在步驟(1)的中心柱與數(shù)根螺紋柱上，并將螺栓緊固件套在螺紋柱上旋至位移定向盤的頂面，底層徑向收縮裝置的位移定向盤安裝就位；

(4)將各彈簧連接件的一端分別安裝在最下層位移定向盤中的凸形輪蓋的孔上；

(5)將最下層徑向收縮裝置中各t形弧片的內(nèi)撐板逐個徑向插入徑向滑道盤的放射狀徑向槽陣中，并將步驟(4)中的彈簧連接件另一端分別安裝到對應(yīng)的t形弧片內(nèi)撐板下部矩形缺口開設(shè)的孔上，底層徑向收縮裝置的拼接圓筒安裝就位；

(6)將底層徑向收縮裝置的中心控制軸套在步驟(2)的中心柱外、步驟(3)的底層位移定向盤的中心柱管內(nèi)的二者間隙里，至此，底層徑向收縮裝置安裝就位；

(7)先將固定倒數(shù)第二層徑向收縮裝置的位移定向盤的底部螺栓緊固件套在螺紋柱上，旋至第一層徑向收縮裝置頂部適當(dāng)位置，流高差余地以確保底層徑向收縮裝置的t形弧片能夠徑向自由滑動；然后將倒數(shù)第二層徑向收縮裝置的位移定向盤對準(zhǔn)孔位貫穿在步驟(1)的中心柱與數(shù)根螺紋柱上；再將固定倒數(shù)第二層徑向收縮裝置的位移定向盤的頂部螺栓緊固件套在螺紋桿上，旋至位移定向盤的上表面處，倒數(shù)第二層徑向收縮裝置的位移定向盤安裝就位；

(8)重復(fù)步驟(4)，單側(cè)安裝彈簧連接件，將各彈簧連接件的一端分別安裝在最下層位移定向盤的凸形輪蓋孔上；

(9)重復(fù)步驟(5)，安插t形弧片與安裝彈簧連接件，完成倒數(shù)第二層徑向收縮裝置的拼接圓筒安裝；

(10)重復(fù)步驟(6)，安裝中心控制軸，完成倒數(shù)第二層徑向脹縮裝置安裝；

(11)重復(fù)步驟(7)～(10)，直至頂層的徑向收縮裝置完成安裝后，再將橡皮套筒套在各層徑向收縮裝置的拼接圓筒層疊形成的整體柱筒的最外側(cè)表面上；

(12)將各套徑向收縮裝置的讀數(shù)標(biāo)尺分別連接固定在各套內(nèi)的中心圓柱管的頂端位置，旋動中心圓柱管，使讀數(shù)標(biāo)尺正對或者穿過標(biāo)尺讀數(shù)板上的各個矩形孔；

(13)將各加載螺栓從頂部的螺栓加載板的螺絲孔中旋入，并與步驟(12)中安裝的讀數(shù)標(biāo)尺上端頭牢固連接；

至此，圓形基坑分層開挖支護側(cè)壓力測試的模型試驗系統(tǒng)安裝完畢。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種圓形基坑分層開挖工況的支護結(jié)構(gòu)土壓力測試方法，包括如下步驟：

(1)選定模型試驗半徑rw，依據(jù)實際工程的基坑半徑r0，分層開挖深度hi換算模型試驗的分層開挖深度值hwi，以確定徑向收縮裝置的套數(shù)，并計算各套的高度hwi；

(2)完成采用圓形基坑分層開挖支護側(cè)壓力測試的模型試驗系統(tǒng)的組裝，并旋動各套徑向收縮裝置頂部的加載螺栓，將讀數(shù)標(biāo)尺和中心控制軸推至最底端，并記錄此時的刻度值；

(3)選擇摩擦角與實際工程接近的松散砂，向模型箱內(nèi)均勻填裝填至所需高度；

(4)向上旋出第一層徑向收縮裝置的加載螺栓，旋處位移不小于n1*sa1，其中sa1＝max{2.5％*rw，0.2％*hw1}，記錄并采集各微型土壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)，即得第一層開挖卸荷時圓形基坑支護側(cè)壁上的土壓力分布值；

(5)向上旋出第一層、第二層徑向收縮裝置的加載螺栓，旋處位移不小于sa2*max{n1,n2}，其中sa2＝max{2.5％*rw，0.2％*(hw1+hw2)}，記錄并采集各微型土壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)，即得第一層、第二層開挖卸荷時圓形基坑支護側(cè)壁上的土壓力分布值；

(6)向上旋出第一層、第二層、…、第i層徑向收縮裝置的加載螺栓，旋處位移不小于sai*max{n1,n2,…,ni}，其中sai＝max{2.5％*rw，0.2％*(hw1+hw2+…+hwi)}，記錄并采集各微型土壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)，即得第一層、第二層、…、第i層開挖卸荷時圓形基坑支護側(cè)壁上的土壓力分布值；

直至i＝n時，分層開挖完畢，實驗結(jié)束。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明采用徑向收縮裝置，徑向位移均勻性好，進(jìn)一步的，位移控制與讀數(shù)裝置原理先進(jìn)，精度高、讀取方便；分層數(shù)多，使用操作簡單；

本發(fā)明可以模擬圓形基坑分層開挖過稱，并測取支護結(jié)構(gòu)側(cè)壓力；

本發(fā)明可以模擬圓形基坑沿深度不均勻位移工況支護結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力，為工程設(shè)計與支護提供依據(jù)。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一實施例的三維視圖；

圖2為本發(fā)明一實施例的三維視圖(無模型箱)；

圖3為本發(fā)明一實施例的立面圖；

圖4為圖3立面圖的a部分放大圖；

圖5為圖3立面圖的b部分放大圖；

圖6為本發(fā)明一實施例的整體定位架的三維視圖；

圖7為本發(fā)明一實施例的第一套徑向收縮裝置三維視圖(從下往上)；

圖8為本發(fā)明一實施例的第二套徑向收縮裝置三維視圖(從下往上)；

圖9為本發(fā)明一實施例的第三套徑向收縮裝置三維視圖(從下往上)；

圖10為本發(fā)明一實施例的第四套徑向收縮裝置三維視圖(從下往上)；

圖11為本發(fā)明一實施例的第四套(從下往上)徑向收縮裝置的位移定位盤三維視圖；

圖中：1—整體定位架，2—徑向收縮裝置，3—圓形橡膠薄膜套筒，4—微型土壓力傳感器，5—模型箱；6—圓形基座，7—中心柱，8—螺紋柱，9—標(biāo)尺讀數(shù)板，10—螺栓加載板，11—中心控制軸，12—拼接圓筒，13—位移定向盤，14—回復(fù)彈簧，15—讀數(shù)標(biāo)尺，16—加載螺栓，17—螺栓緊固件；18—t形弧片，19—微弧片，20—內(nèi)撐板，21—中心圓柱管，22—倒置圓臺，23—定向盤底板，24—徑向滑道盤，25—豎向定向筒，26—凸形壓蓋；27—卡環(huán)緊固件。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1-5所示，為一種圓形基坑分層開挖支護側(cè)壓力測試的模型試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)可以用于圓形基坑分層開挖工況與沿深度非均勻徑向位移工況支護結(jié)構(gòu)土壓力測試，圖1是三維視圖的240度范圍部分。

如圖所示，所述系統(tǒng)包括：整體定位架1，四套徑向收縮裝置2，圓形橡膠薄膜套筒3，微型土壓力傳感器4，模型箱5；

所述整體定位架1設(shè)有中心柱7，所述中心柱7的頂端設(shè)有螺栓加載機構(gòu)(包括螺栓加載板10)和標(biāo)尺讀數(shù)板9，所述中心柱7的中部連接四套徑向收縮裝置2；

四套所述徑向收縮裝置2從下往上依次放置，并連接所述中心柱7；每套徑向收縮裝置2均設(shè)有拼接圓筒12和中心控制軸11，所述拼接圓筒12由等分的t形弧片18間隔拼接構(gòu)成，t形弧片18由微弧片19和內(nèi)撐板20組成t型結(jié)構(gòu)；所述中心控制軸11由牢固粘結(jié)一體的中心圓柱管21與倒置圓臺22構(gòu)成，放置于下部的各套徑向收縮裝置2的中心圓柱管21分別從內(nèi)部穿過上部的徑向收縮裝置2中的中心圓柱管21，相鄰層的兩個中心圓柱管21間能夠豎向自由滑動，從而實現(xiàn)徑向收縮；

多個所述微型土壓力傳感器4分別設(shè)置在四套所述徑向收縮裝置2的拼接圓筒12的等弧間距位置的t形弧片18上；

所述圓形橡膠薄膜套筒3覆蓋在四套所述徑向收縮裝置2的拼接圓筒12拼接后的整體柱筒的最外側(cè)；

所述模型箱5為一個圓柱筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)部用于承載整體定位架1、四套徑向收縮裝置2及實驗用松散介質(zhì)。

如圖6所示，在部分優(yōu)選實施例中，所述的整體定位架1包括：圓形基座6、中心柱7、三根螺紋柱8、標(biāo)尺讀數(shù)板9、螺栓加載板10；

所述圓形基座6為圓形臺座結(jié)構(gòu)，在圓形臺座的中心位置開有用于安裝中心柱7的孔，中心柱7安插在中心孔中；在圓形基座6的1/2半徑的圓周上三等分點位置上分別設(shè)置一個螺紋孔，用于安裝三根螺紋柱8；螺栓加載板10設(shè)置在中心柱7的頂端且與中心柱7牢固連接，并在靠近螺栓加載板10的邊緣處開有四個螺栓孔用于安裝加載螺栓16；標(biāo)尺讀數(shù)板9設(shè)置在螺栓加載板10的下方，并在標(biāo)尺讀數(shù)板9邊緣處設(shè)置有與螺栓加載板10上四個螺栓孔位置一一對應(yīng)的矩形槽用于安裝讀數(shù)標(biāo)尺15；所述螺紋柱8上套有螺栓緊固件17，并緊貼每套徑向收縮裝置2的位移定向盤13的上、下面。

進(jìn)一步的，在一優(yōu)選實施例中，所述圓形基座6優(yōu)選為有機玻璃材質(zhì)，其厚為2cm、半徑為50cm；所述圓形基座6上開設(shè)的中心孔的直徑為3cm、三個螺紋孔的直徑均為1.5cm；

所述中心柱7為直徑3cm的鋁合金圓柱；

所述螺紋柱8為直徑1.5cm的鋼質(zhì)螺桿；

所述標(biāo)尺讀數(shù)板9為鋁合金圓環(huán)板；

所述螺栓加載板10為鋼質(zhì)環(huán)板；

所述螺栓緊固件17為鋼質(zhì)圓形螺栓。

進(jìn)一步的，在一優(yōu)選實施例中，所述標(biāo)尺讀數(shù)板9與螺栓加載板10間隔不小于n*sa，其中：n為徑向收縮裝置2的拼接圓筒12中的內(nèi)撐板20坡率；sa為拼接圓筒12主動極限位移估算值，按照拼接圓筒12半徑rw與拼接圓筒12高度hw估算，優(yōu)選的sa取2.5％*rw與0.2％*hw的較大值。

如圖1、圖2所示，在部分實施例中，所述的徑向收縮裝置2，從下往上共有四套，每套徑向收縮裝置2均包括：中心控制軸11、拼接圓筒12、位移定向盤13、回復(fù)彈簧14、讀數(shù)標(biāo)尺15、加載螺栓16和卡環(huán)緊固件27；整體定位架1中的中心柱7插在中心控制軸11內(nèi)，通過中心控制軸11給四套徑向收縮裝置2定位，保證四套徑向收縮裝置2豎向?qū)R。

如圖3、圖4、圖7、圖8、圖9、圖10所示，四套徑向收縮裝置2共四個中心控制軸11，每個中心控制軸11均由牢固粘結(jié)成一體的中心圓柱管21與倒置圓臺22構(gòu)成；其中：下部各套徑向收縮裝置2的中心圓柱管21分別從內(nèi)部穿過上部各套徑向收縮裝置2的中心圓柱管21，由下往上的四套徑向收縮裝置2的中心圓柱管21外半徑分別為3.0cm、3.5cm、4.0cm、4.5cm，四個中心圓柱管21的厚度均為4.5mm、管間空隙均為0.5mm，相鄰層兩個中心圓柱管21的頂端高度相差10cm；四個中心圓柱管21均為有機玻璃材質(zhì)且其內(nèi)、外表面光滑；四個倒置圓臺22均為有機玻璃材質(zhì)且其外表面光滑，高均為10cm；四個倒置圓臺22的下端半徑均為7cm，倒置圓臺22下端距本套徑向收縮裝置2的位移定向盤13中的定向盤底板23高度均為5cm。

四套徑向收縮裝置2共四個拼接圓筒12，四個拼接圓筒12的半徑均為50cm、高度均為25cm；每個拼接圓筒12均由30個等分的t形弧片18間隔2mm拼接構(gòu)成，每個t形弧片18均由微弧片19、內(nèi)撐板20組成t型結(jié)構(gòu)，其中：微弧片19的厚為1.5cm、弧長為10.4cm；內(nèi)撐板20的厚為1cm、高為24cm、寬度b為39.5cm；內(nèi)撐板20的內(nèi)側(cè)邊緣上部的內(nèi)傾坡度1:5、下部的矩形缺口寬度為9cm、高度為1.5cm，矩形缺口內(nèi)側(cè)豎邊中點位置距離邊1cm處開有直徑為5mm的孔作為設(shè)置回復(fù)彈簧14的拉孔，矩形缺口下部內(nèi)凸部分高度為2.5cm。

四套徑向收縮裝置2共四個位移定向盤13，四個位移定向盤13均包括：定向盤底板23、徑向滑道盤24、豎向定向筒25和凸形壓蓋26(如圖11所示)，其中：四個定向盤底板23均為厚1cm、半徑40cm的圓形薄板，四個定向盤底板23的中心分別開孔，從下往上四個中心孔的半徑依次為3.0cm、3.5cm、4.0cm、4.5cm，定向盤底板23中心孔用于分別插入各自套內(nèi)的中心圓柱管21，并在每個定向盤底板23上與圓形基座6對應(yīng)的三個螺栓孔位置處分別開有相同半徑的螺栓孔，用于分別插入整體定位架1的三根螺紋柱8，各套徑向收縮裝置2的定向盤底板23位于其下層徑向收縮裝置2的頂部并分別通過螺栓緊固件17牢固固定在整體定位架1的中心柱7與三根螺紋柱8上；

四套徑向收縮裝置2共四個徑向滑道盤24，四個徑向滑道盤24均由30個弧邊梯形間隔1.05cm拼接而成，30個弧邊梯形間的間隔形成滑槽，30個等分的t形弧片18的內(nèi)撐板20分別徑向插入在徑向滑道盤24的各個滑槽內(nèi)；

四套徑向收縮裝置2共四個豎向定向筒25，四個豎向定向筒25的高均為5cm，從下往上的半徑依次為3.0cm、3.5cm、4.0cm、4.5cm；

四套徑向收縮裝置2共四個凸形壓蓋26，四個凸形壓蓋26的厚均為2cm，其外側(cè)邊緣凸出部分徑向?qū)挾染鶠?cm、厚度均為1cm，外側(cè)邊緣凸出部分的1cm位于凸形輪蓋26的2cm厚度中間部分，且每個凸形壓蓋26的外側(cè)邊緣凸出部分均開有30個直徑為5mm的孔以供回復(fù)彈簧14勾拉，且孔的位置與徑向滑道盤24的各滑槽、各t形弧片18的內(nèi)撐板20一一對應(yīng)。

如圖2、圖3、圖4所示，四套徑向收縮裝置2的回復(fù)彈簧14數(shù)量與每套徑向收縮裝置2內(nèi)的t形弧片18數(shù)量相同，回復(fù)彈簧14的作用是拉動各個t形弧片18徑向移動，以實現(xiàn)徑向收縮的效果；每套徑向收縮裝置2內(nèi)的回復(fù)彈簧14的一端連接在該套內(nèi)的拼接圓筒12中內(nèi)撐板20的下部矩形缺口內(nèi)側(cè)豎邊中點位置的孔上、另一端連接在位移定向盤13中凸形壓蓋26的外側(cè)邊緣凸出部分的孔上；每個回復(fù)彈簧14的直徑均為1.2cm。

如圖2、圖3、圖5、圖7、圖8、圖9、圖10所示，所述加載螺栓16有四個并分別插入在螺栓加載板10邊緣上開的四個螺栓孔內(nèi)，加載螺栓16的上端為螺帽、下端為螺絲桿，螺絲桿與讀數(shù)標(biāo)尺15的上端連接固定，卡環(huán)緊固件27用于讀數(shù)標(biāo)尺15的下端與中心圓柱管21之間的連接；

所述讀數(shù)標(biāo)尺15有四個并分別插入在標(biāo)尺讀數(shù)板9邊緣處設(shè)置的四個矩形槽內(nèi)；

所述卡環(huán)緊固件27有四個，四個卡環(huán)緊固件27分別連接四個讀數(shù)標(biāo)尺15的下端并分別固定在四個中心控制軸11的中心圓柱管21的圓周外側(cè)。

所述的圓形橡膠薄膜套筒3(如圖1、圖2所示)，覆蓋在四套徑向收縮裝置2的拼接圓筒12拼接后的整體柱筒的最外側(cè)表面上，圓形橡膠薄膜套筒3用于隔離實驗用松散介質(zhì)與各t形弧片18之間的縫隙；所述圓形橡膠薄膜套筒3的半徑為48cm。

所述的微型土壓力傳感器4(如圖1、圖2所示)，有多個并分別設(shè)置在弧度近似120度的每套徑向收縮裝置2中的三條微弧片19上，微型土壓力傳感器4用于記錄實驗用松散介質(zhì)對拼接圓筒12筒壁(即t形弧片18)產(chǎn)生的壓力；多個微型土壓力傳感器3的半徑均為1.5cm、厚度均為5mm。

所述的模型箱5(如圖1所示)，用于盛放徑向收縮裝置2與實驗用松散介質(zhì)，所述圓形基座6置于模型箱5的正中間并由螺栓固定；

所述模型箱5為有機玻璃材質(zhì)的圓柱筒狀結(jié)構(gòu)，模型箱5的壁厚為1.5cm、高度為100cm、半徑為50cm。

所述的系統(tǒng)組裝過程為：各套徑向收縮裝置2依次串在中心柱7上，然后將圓形橡膠薄膜套筒3套在各套徑向收縮裝置2的拼接圓筒12拼接后組成的整體柱筒外側(cè)表面上。

所述的系統(tǒng)工作過程為：

向上擰出加載螺栓16，加載螺栓16下端的螺絲桿帶動讀數(shù)標(biāo)尺15向上移動，讀數(shù)標(biāo)尺15又帶動中心控制軸11上移，由于中心控制軸11的倒置圓臺22向上產(chǎn)生位移后，并與各t形弧片18產(chǎn)生徑向間距，各t形弧片18便在回復(fù)彈簧14的拉力作用下向中心產(chǎn)生徑向位移，整個徑向收縮裝置2便徑向收縮，徑向收縮裝置2外的砂土向中心流動，從而對t形弧片18產(chǎn)生新的壓力值，設(shè)置在t形弧片18上的微型土壓力傳感器4測得的壓力值即為待測取的卸荷壓力。

圖4、圖5中：

各套所述徑向收縮裝置2的中心控制軸11的倒置圓臺22的頂面與其上層徑向收縮裝置2的中心控制軸11的頂端距離不小于按照各套徑向收縮裝置2按全高估算的主動極限位移值sa與本套徑向收縮裝置2的中心控制軸11的倒置圓臺22坡率的乘積；

各套所述徑向收縮裝置2的中心控制軸11的倒置圓臺22的頂截面與上層徑向收縮裝置2的定向盤底板23之間的間距不小于按照各套徑向收縮裝置2按全高估算的主動極限位移值sa與本套徑向收縮裝置2的中心控制軸11的倒置圓臺22坡率的乘積；

所述sa滿足：sa＝max{2.5％*rw,0.2％*(hw1+hw2+hw3+hw4)}，其中：rw拼接圓筒2半徑，hw1，hw2，hw3，hw4分別為各套徑向收縮裝置2的高度。

所述的系統(tǒng)適用工況包括：圓形基坑分層開挖與圓形基坑支護結(jié)構(gòu)徑向位移沿豎向呈非均勻分布；包括兩個方面：

一、圓形基坑分層開挖工況的支護結(jié)構(gòu)土壓力測試方法，要點為：

逐個向上擰出第一套、第二套、第三套、第四套徑向收縮裝置2(對應(yīng)第一、二、三、四層徑向收縮裝置2)對應(yīng)的加載螺栓16，并記錄各次卸載時各個微型土壓力傳感器4的信息。

具體包括：

(1)向上擰動第四層徑向收縮裝置2的加載螺栓16，向上位移不小于n4*sa4，其中：

sa4是按照第四層徑向收縮裝置2的高度估算的極限位移值，sa4＝max{2.5％*rw,0.2％*hw4}，n4為第四層徑向收縮裝置2的中心控制軸11的倒置圓臺22坡率；

各層徑向收縮裝置2的t形弧片18上的微型土壓力傳感器4記錄的壓力值，即為第一層開挖卸荷時的土壓力值；

(2)向上擰動第三、四層徑向收縮裝置2的加載螺栓16，向上位移分別不小于n3*sa3，n4*sa3，其中：

sa3是按照第三、四層徑向收縮裝置2高度估算的極限位移sa3＝max{2.5％*rw,0.2％*(hw3+hw4)}，n3、n4分別為第三、四層徑向收縮裝置2的中心控制軸11的倒置圓臺22坡率；

各層徑向收縮裝置2的t形弧片18上的微型土壓力傳感器4記錄的壓力值，即為上二層開挖卸荷時的土壓力值；

(3)向上擰動第二、三、四層徑向收縮裝置2的加載螺栓16，向上位移分別不小于n2*sa2，n3*sa3，n4*sa4，其中：

sa2是按照第二、三、四層徑向收縮裝置2高度估算的極限位移sa2＝max{2.5％*rw,0.2％*(hw2+hw3+hw4)}，n2、n3、n4分別為第二、三、四層徑向收縮裝置2的中心控制軸11的倒置圓臺22坡率；

各層徑向收縮裝置2的t形弧片18上的微型土壓力傳感器4記錄的壓力值，即為上三層開挖卸荷時的土壓力值；

(4)向上擰動第一、二、三、四層徑向收縮裝置2的加載螺栓16，向上位移分別不小于n1*sa1，n2*sa1，n3*sa1，n4*sa1，其中：

sa1是按照第一、二、三、四層徑向收縮裝置2高度估算的極限位移sa1＝max{2.5％*rw,0.2％*(hw1+hw2+hw3+hw4)}，n1、n2、n3、n4分別為第一、二、三、四層徑向收縮裝置2的中心控制軸11的倒置圓臺22坡率；

各層徑向收縮裝置2的t形弧片18上的微型土壓力傳感器4記錄的壓力值，即為全部四層開挖卸荷時的土壓力值。

二、圓形基坑沿豎向非均勻徑向位移工況的支護結(jié)構(gòu)土壓力測試方法，要點為：

按照設(shè)定的位移要求，一次性擰動四套徑向收縮裝置2對應(yīng)的加載螺栓16到設(shè)定位移要求，各加載螺栓16設(shè)置完成后再讀取各個微型土壓力傳感器4的信息。

具體的：

按照預(yù)設(shè)的圓形基坑側(cè)壁徑向位移曲線，逐個擰動各層徑向收縮裝置2的加載螺栓16以設(shè)置各層徑向收縮裝置2的徑向位移值；設(shè)置完成后，讀取各層徑向收縮裝置2的t形弧片18上的微型土壓力傳感器4記錄的壓力值，即為設(shè)定的非均勻徑向位移模式對應(yīng)的土壓力值。

以上實施例是以四套徑向收縮裝置為例，在其他實施例里徑向收縮裝置的數(shù)量可以根據(jù)需要設(shè)定，其他組成部件的設(shè)置只需做相應(yīng)的調(diào)整即可。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。