CN101787714A - 离心场中微型基坑自动加支撑系统 - Google Patents

Abstract

本发明属岩土及地下工程中的基坑工程领域，具体涉及一种离心场中微型基坑自动加支撑系统。由基坑模型系统、基坑开挖系统、基坑支撑系统构成。模型箱为长条形，一侧有机玻璃，可拆卸；挡墙采用铝合金薄板模拟，其上留有凹槽与凸起；隔板由固定部和分离部构成。分离部由四排挡片构成，每排两块。基坑开挖系统由刮刀、定制的牵引装置及开挖油路构成。刮刀呈倒T型，下部为刀片；定制的牵引装置主要为竖向千斤顶和水平向千斤顶，由开挖油路提供动力；基坑支撑系统由油缸、支架、支撑油路构成，每个水平支撑件由一个水平向油缸进行控制，利用油缸的活塞杆来模拟支撑，油缸利用电磁阀及油路实现支撑顶进与回撤过程。本发明可在高速离心场中实现基坑自动开挖并加支撑模拟过程，在实验室中较好地再现实际土体应力水平及基坑工程施工流程，能够得出符合实际的工程规律。

Description

离心场中微型基坑自动加支撑系统

技术领域

本发明属岩土及地下工程中的基坑工程领域，具体涉及一种在离心场中微型基坑自动加支撑系统。

背景技术

软土地层中的基坑工程施工技术复杂、风险性大。特别是近些年随着地铁建设及高层建筑的发展，基坑开挖深度越来越深，与临近建筑物间距越来越小，对基坑工程本身的安全和对环境的影响提出了更高要求。控制基坑对周围影响的关键因素之一为基坑支撑对挡墙及墙后土体的变形控制作用。实际工程中基坑支撑的作用机理及对支撑设计的优化得到了越来越高的重视。离心模型试验是一种岩土工程领域先进的物理模拟手段，能够真实再现现场的土体应力水平，非常适用于基坑工程研究，可以为实际工程建设提供重要依据，并可以通过离心试验分析变形机理，提高基坑工程的理论研究水平。但是现有的离心场中基坑施工模拟方式的土体的应力水平及应力路径与实际工程均存在着一定的差别，并且难以在高g值的离心场下模拟基坑的施工过程，使试验结果产生很大误差，因此亟需开发出一套新型的基坑自动加支撑的模拟方式来再现实际基坑工程施工情况。

国内外关于离心试验模拟基坑加支撑的方式主要有停开机加支撑方式和排放高密度液体方式两种。停开机方式是预先制作好模型，安装后施加离心力，待稳定后停机，在常规重力场内实施开挖及加支撑的操作，达到预定的深度后重新开机施加离心力，待稳定后再重复该动作进行下一步开挖及支撑，直至到达基底标高。这种方法操作简单直观，但存在的不足之处为：由于停机，对整个模型有个卸载再加载的过程，土体应力路径与实际有所差别。另一种模拟方式是排放高密度液体模拟基坑开挖，即在预先挖好的空间内注入密度相当于土的容重的高密度溶液，在稳定的离心场中通过将溶液抽出模拟基坑开挖的卸载效用。该方法的优点是简化基坑施工的复杂过程，可以反映基坑开挖卸载过程，试验较为简单，易于控制，存在的不足之处为不能模拟基坑加支撑过程，并且土体的侧压力系数与实际土体情况有差异。

发明内容

本发明的目的在于提出一种离心场中微型基坑自动加支撑系统，以实现在高度稳定的离心场中完成基坑内土体的分层开挖后对挡墙进行加支撑的过程。

本发明提出的离心场中微型基坑自动加支撑系统，由基坑模型系统、基坑开挖系统和基坑支撑系统构成，其中：

基坑模型系统由模型箱1、挡墙2与隔板3构成，模型箱1为中部空心的长方体结构，挡墙2垂直位于模型箱1内，挡墙2上设有挡墙凹槽5，顶端设有挡墙凸起6，隔板3固定于模型箱1内，隔板3由固定部7和分离部8构成，固定部7底部与底板40一侧垂直焊接，底板40另一侧与侧向铁板41垂直焊接，呈U字形结构，起稳定作用；分离部8由8块挡片9构成，每排两块，共四排，相邻的挡片9间的接触面处设有凹凸榫10，同一行的挡片9通过固定杆11相连，在土层制备时用固定杆11将分离部8固定住；

基坑开挖系统由刮刀12、牵引装置13及开挖油路14构成，刮刀12呈倒T型，下部为刀片15，刮刀12与牵引装置13连接，牵引装置13包括竖向千斤顶16和水平向千斤顶17，竖向千斤顶16和水平向千斤顶17均连接开挖油路14，由开挖油路14提供动力并进行控制，开挖油路14由离心机总系统控制；

支撑系统由油缸18、支撑支架19、支撑件21和支撑油路构成，支撑油路包括支撑顶进油路和支撑回撤油路，支撑支架19为两个，两个支撑支架19的一端分别固定于支架底板28两端，支架底板28位于模型箱1内底部一侧，油缸18的两端分别固定于两个支撑支架19上，支撑件21通过油缸18的活塞杆连接油缸18，油缸18两侧分别设有顶进压力进口31和回撤压力进口32，顶进压力进口31连接顶进支油管22，顶进支油管22通过电磁阀23连接顶进分油管33，顶进分油管33连接总油管24，总油管24通过针型阀25、压力测量计26连接支撑顶进油路，回撤压力进口32通过回撤支油管连接支撑回撤油路。

本发明中，支撑件21沿基坑深度方向分布有4道，每道由水平方向并行的2个支撑件21构成，每个支撑件21均连接相应的油缸18的活塞杆。

本发明中，支撑顶进油路27及支撑回撤油路分别连接离心机总系统控制器。

本发明中，固定部7、支架底板28、挡墙一侧的支撑支架19以及模型箱两侧面形成一长方体区域为集土阁30，开挖的土在刮刀作用下落入集土阁30内。

本发明中，模型箱1前侧面采用有机玻璃面4，便于标注与摄像，其余5个面均可拆卸，6个面的连接处采用密封条密封。

本发明中，刮刀12在千斤顶引导下进行水平和竖直运动，从而对土体进行分层开挖。刮刀12采用不锈钢材质，试验时在刀片15处涂抹凡士林，防止土粒粘在刮刀12上。

本发明中，以第一层为例支撑的顶进与回撤过程如下：第一层两个支撑件21的前进是通过在离心机控制室中增加支撑顶进油路27的油压并打开对应层支撑件21的电磁阀23来实现的。支撑件21推进力量可以通过调整支撑顶进油路油压27进行控制。电磁阀23关闭后由于油的不可压缩性支撑仍然保持刚性。第一层支撑的回撤需要在离心机控制室中减少支撑顶进油路27油压并增加第一支撑回撤油路35的油压来实现。

本发明的工作过程如下：

在模型箱1四周涂抹硅油，有利于减小模型箱1与试验土20间的摩擦。安装固定好隔板3、支架底板28、支撑支架19及八个油缸18。并将四对油缸活塞杆顶至相应四道分离式隔板3上。在隔板3另一侧加入调制好的试验土20，在离心场中进行初步固结。在隔板的填土一侧50mm处开挖土槽，安放挡墙2使之竖直，继续固结试验土20，控制试验土20的固结度达到90％以上。

开挖试验开始前油缸18及各根油管内均充满机油，所有电磁阀23均处于关闭状态。在离心场中正式进行开挖试验时，将固定杆11抽出，打开第一层电磁阀23，通过减少支撑顶进油路27油压并增加第一支撑回撤油路35油压，使得第一道支撑件21回缩至底部。第一层支撑件21回缩后隔板3最上部第一层挡片9处于在一个不稳定的状态，刮刀12在水平向千斤顶17的牵引下很容易将第一排的一对挡片9推倒。接着控制竖向千斤顶16缓慢下移刮刀12，使得刮刀12每次切土深度约为5mm，控制水平向千斤顶17从近挡墙2侧开始刮土，使刮刀12水平向运行速率小于2mm/s，通过刮刀12水平向的运动将土体刮出。刮出的土沿着隔板3的外侧在自重的作用下进入集土阁30中。当5mm深度土体刮完后，停止刮土，刮刀12由水平向千斤顶17控制返回初始位置。刮刀由竖向千斤顶16控制下移5mm，进行下一层5mm的刮土，刮土过程同上一层相同，直至开挖深度达到第二层临时挡板的顶面。紧接着打开控制第一道油缸18的电磁阀23，增大支撑顶进油路27油压使得第一层支撑件21向前伸长，直接将支撑件21的端头顶至挡墙2即停止。至此，完成开挖第一层土并加第一道支撑件21的过程，称之为开挖步一。在开挖过程中，支撑件21的轴力可通过安装在支撑件21头部的轴力计39进行量测。

重复上述回缩第二道支撑件21，利用刮刀12将第二排挡片9推掉，并刮除第二层土，接着伸长第二道油缸支撑至挡墙2，完成开挖步二。同样重复以上过程，完成开挖步三和开挖步四，直至开挖至预定最终基坑底面，试验结束。

本发明的有益效果：

本发明的离心场中微型基坑自动开挖系统，可提供在高速离心场中在狭小空间里对基坑施工过程进行较高程度的模拟。这种系统：1)可承受最大离心加速度100g；2)功能与构造紧密结合，占用空间小，可实现实际基坑施工的主要动作；3)可以通过离心机中油路对开挖及支撑进行精确控制；4)在离心场中可实现对基坑的开挖和支撑等一系列连续动作；5)本发明所需的设备均可以直接定制或购买得到，设备加工精度也能够达到要求，因此本发明可以较易实现并应用于相关科研中。

附图说明

图1为基坑自动加支撑系统示意图。

图2为基坑自动加支撑系统A-A截面右视图。

图3为隔板挡片连接示意图。其中：(a)为垂直放置，(b)为水平放置。

图4为挡墙构造示意图。其中：(a)为主视图，(b)为左视图。

图5为基坑支撑系统工作原理图。

图中标号：1为模型箱；2为挡墙；3为隔板；4为有机玻璃面；5为挡墙凹槽；6为挡墙凸起；7为固定部；8为分离部；9为挡片；10为凹凸榫；11为固定杆；12为刮刀；13为牵引装置；14为开挖油路；15为刀片；16为竖向千斤顶；17为水平向千斤顶；18为油缸；19为支撑支架；20为试验土；21为支撑；22为顶进支油管；23为电磁阀；24为总油管；25为针型阀；26为压力测量计；27为支撑顶进油路；28为支架底板；29为支架圆孔；30为集土阁；31为顶进压力进口；32为回撤压力进口；33为顶进分油管；34为回撤支油管；35为第一支撑回撤油路；36为第二支撑回撤油路；37为第三支撑回撤油路；38为第四支撑回撤油路；39为轴力计；40为底板；41为侧向铁板。

具体实施方式

下面通过实施例结合实施例进一步说明本发明。

实施例1：本离心场中微型基坑自动开挖系统，由基坑模型系统、基坑开挖系统、基坑支撑系统构成。

基坑模型系统由模型箱1、挡墙2与隔板3构成。模型箱1为中部空心的长方体结构，净尺寸为800×160×500mm(长×宽×高)，前侧面为30mm厚有机玻璃面4，长800mm，宽500mm。模型箱其余5个面由硬质合金铝制作而成，壁厚30mm，均可拆卸，所有接缝用密封条密封。挡墙2位于模型箱宽度方向200mm处，采用铝合金薄板模拟，长160mm，高360mm，厚度6mm，挡墙上预留有挡墙凹槽5，直径15mm，用来安装土压与孔压传感器。位于挡墙上端的挡墙凸起6，长50mm，高50mm，可供非接触式位移计测量其顶部位移。隔板3位于模型箱宽度方向150mm处，主要由固定部7和分离部8构成。固定部7下端与一个铁质底板40垂直焊接，铁质底板40长160mm，宽144mm，厚3mm；铁质底板40另一侧与一个侧向铁板41垂直焊接，侧向铁板41长160mm，高400mm，厚3mm。固定部为矩形薄板，长160mm，高200mm，厚3mm，分离部8由8块矩形挡片9构成，挡片为斜长方体形状，每排两块，共四排，每个挡片9长80mm，高40mm，垂直厚度3mm。挡片9间的接触面处加工有1mm宽的凹凸榫10，同一行的挡片9通过固定杆11相连，在土层制备时用固定杆11将分离部8固定住。隔板3在试验土层制备时对土体提供临时支护。

基坑开挖系统由刮刀12、定制的牵引装置13及开挖油路14构成。刮刀呈倒T型，由铁质圆柱轴与铁质刀片15构成，圆柱轴直径为4mm，下部为刀片15，刀片15长130mm，高20mm。刮刀12与定制的牵引装置13连接，定制的牵引装置主要包括竖向千斤顶16和水平向千斤顶17及千斤顶支架，每只千斤顶分别用一支开挖油路14提供动力并进行控制。开挖油路14由离心机总系统控制。刮刀12在千斤顶引导下进行水平和竖直运动，从而对土体进行分层开挖。刮刀12采用不锈钢材质，试验时在刀片15处涂抹凡士林，防止土粒粘在刮刀12上。

基坑支撑系统主要由油缸18、支撑支架19、支撑油路构成。每个水平支撑件21由一个水平向油缸18进行控制，油缸为铝合金制成，油缸外径25mm，壁厚2mm，活塞杆直径10mm，有效长度200mm。利用油缸18的的活塞杆来模拟支撑件21。支撑件21沿基坑深度方向按一定的间距布置4层，4层支撑轴心分别位于基坑顶面下20mm，60mm，100mm，140mm处，每层由水平方向并行的2只油缸支撑件21构成，同一层支撑轴心分别位于模型箱宽度方向40mm，120mm处。支撑油路包括支撑顶进油路27、第一支撑回撤油路35；第二支撑回撤油路36；第三支撑回撤油路37；第四支撑回撤油路38，连同2个开挖油路，本发明共需离心机上的7个油路。

其中每道支撑件21的油缸18两侧分别有两个开孔2mm的进油口，分别称为顶进压力进口31和回撤压力进口32，顶进压力进口31位于挡墙2一侧，每个顶进压力进口31分别与一根顶进支油管22相连，顶进支油管22为塑料制成，直径2mm，同一层引出的两根顶进支油管22通过T形接头连接在每层的顶进分油管33上，顶进分油管33为塑料制成，直径4mm，每根顶进分油管33分别与电磁阀23相连并单独使用电磁阀23控制，四层电磁阀23引出的顶进分油管33然后汇在一起，通过五孔接头连接在总油管24上，总油管24为塑料制成，直径16mm，总油管24串接在针型阀25和压力测量计26上，由压力测量计26引出的总油管24最后与支撑顶进油路27相连。每层两个回撤压力进口32分别通过一根直径为4mm塑料油管连接到T形接头上，4个T形接头引出的回撤支油管34连接分别连接在第一支撑回撤油路35、第二支撑回撤油路36、第三支撑回撤油路37、第四支撑回撤油路38上，回撤支油管34塑料制成，直径为4mm。支撑顶进油路27及每个支撑回撤油路分别独立由离心机总系统控制。

油缸18由一对支撑支架19进行固定。两个支撑支架19下端与支架底板28垂直焊接，呈U字形；支架底板为铝合金制成，厚度3mm，长度97mm，宽160mm。支撑支架19为一铝合金板，厚度5mm，长度160mm，高397mm，板上沿纵向中心轴对称刻有八个直径为25mm的支架圆孔29，中心分别位于支架顶面下20mm，60mm，100mm，140mm处，长度方向分别位于40mm，120mm处。每个油缸18的底面一侧通过对应位置的圆孔29并焊接在支撑支架19上。固定部7、支架底板28、挡墙一侧的支撑支架19以及模型箱两侧面形成一长方体区域，净尺寸为160×47×194mm(长×宽×高)，称为集土阁30，开挖的土在刮刀作用下落入集土阁30内。

以第一层为例，支撑的顶进与回撤过程如下：第一层两个支撑件21的前进是通过在离心机控制室中增加支撑顶进油路27的油压并打开对应层支撑件21的电磁阀23来实现的。支撑件21推进力量可以通过调整支撑顶进油路油压27进行控制。电磁阀23关闭后由于油的不可压缩性支撑仍然保持刚性。第一层支撑的回撤需要在离心机控制室中减少支撑顶进油路27油压并增加第一支撑回撤油路35的油压来实现。

以上实施例是对此类系统的一般性描述，也是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对本系统做出各种修改或进行调整，并把在此说明的一般构造原理应用到其他模型中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里所介绍的系统，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的修改都应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种离心场中微型基坑自动加支撑系统，由基坑模型系统、基坑开挖系统和基坑支撑系统构成，其特征在于：

基坑模型系统由模型箱(1)、挡墙(2)与隔板(3)构成，模型箱(1)为中部空心的长方体结构，挡墙(2)垂直位于模型箱(1)内，挡墙(2)上设有挡墙凹槽(5)，顶端设有挡墙凸起(6)，隔板(3)固定于模型箱(1)内，隔板(3)由固定部(7)和分离部(8)构成，固定部(7)底部与底板(40)一侧垂直焊接，底板(40)另一侧与侧向铁板(41)垂直焊接，呈U字形结构；分离部(8)由8块挡片(9)构成，每排两块，共四排，相邻的挡片(9)间的接触面处设有凹凸榫(10)，同一行的挡片(9)通过固定杆(11)相连，在土层制备时用固定杆(11)将分离部(8)固定住；

基坑开挖系统由刮刀(12)、牵引装置(13)及开挖油路(14)构成，刮刀(12)呈倒T型，下部为刀片(15)，刮刀(12)与牵引装置(13)连接，牵引装置(13)包括竖向千斤顶(16)和水平向千斤顶(17)，竖向千斤顶(16)和水平向千斤顶(17)均连接开挖油路(14)，由开挖油路(14)提供动力并进行控制，开挖油路(14)由离心机总系统控制；

支撑系统由油缸(18)、支撑支架(19)、支撑件(21)和支撑油路构成，支撑油路包括支撑顶进油路和支撑回撤油路，支撑支架(19)为两个，两个支撑支架(19)的一端分别固定于支架底板(28)两端，支架底板(28)位于模型箱(1)内底部一侧，油缸(18)的两端分别固定于两个支撑支架(19)上，支撑件(21)通过油缸(18)的活塞杆连接油缸(18)，油缸(18)两侧分别设有顶进压力进口(31)和回撤压力进口(32)，顶进压力进口(31)连接顶进支油管(22)，顶进支油管(22)通过电磁阀(23)连接顶进分油管(33)，顶进分油管(33)连接总油管(24)，总油管(24)通过针型阀(25)、压力测量计(26)连接支撑顶进油路，回撤压力进口(32)通过回撤支油管连接支撑回撤油路。

2.根据权利要求1所述的离心场中微型基坑自动加支撑系统，其特征在于支撑件(21)沿基坑深度方向分布有4道，每道由水平方向并行的2个支撑件(21)构成，每个支撑件(21)均连接相应的油缸(18)的活塞杆。

3.根据权利要求1所述的离心场中微型基坑自动加支撑系统，其特征在于支撑顶进油路(27)及支撑回撤油路分别连接离心机总系统控制器。

4.根据权利要求1所述的离心场中微型基坑自动加支撑系统，其特征在于固定部(7)、支架底板(28)、挡墙一侧的支撑支架(19)以及模型箱两侧面形成一长方体区域为集土阁(30)。

5.根据权利要求1所述的离心场中微型基坑自动加支撑系统，其特征在于模型箱(1)前侧面采用有机玻璃面(4)，其余5个面均可拆卸，6个面的连接处采用密封条密封。

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