CN103728146A

CN103728146A - 基于简易土工离心机的模拟基坑开挖内支撑实验方法及其专用夹具

Info

Publication number: CN103728146A
Application number: CN201310625958.5A
Authority: CN
Inventors: 崔凯; 吕和林; 周庆; 黄邦文; 黄辉; 杨烨; 李欢欢
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明公开了一种基于简易土工离心机的模拟基坑开挖内支撑实验方法及其专用夹具。竖向分层逐层开挖左部土体,并逐层调节支撑机构使之顶紧支撑板,并由置于下一级土体层内的位移检测装置采集支撑板的位移，开始离心机试验直至位移稳定后停止试验，将模型箱取出;然后进行第二层土体的开挖，并进行第二层土体开挖后的离心机试验;如此往复，直至开挖至最后一层土体。能够精确测量基坑开挖过程中各工况阶段的侧向位移，此测量能用于指导实际的基坑开挖。此发明用于模拟基坑开挖工况与实际工况相同，这确保了模拟试验的准确性；工作原理简单，装置简易，安装操作方便，可依据不同的模型箱尺寸和不同的工程实例制造内支撑螺杆焊接位置不同的夹具。

Description

基于简易土工离心机的模拟基坑开挖内支撑实验方法及其专用夹具

技术领域

本发明涉及土工离心机模型试验和深基坑工程，特别是土工离心机模型试验模拟深基坑开挖的内支撑夹具。

背景技术

深基坑是深基础和地下建筑物施工前在拟建场地开挖的大型零时结构物。在基坑开挖的过程中，由于地基土体影响范围内的应力重分布，坑壁发生向坑内的侧向位移。侧向位移过大可能导致坑壁坍塌或者影响周围建筑物的正常使用。在城市大型地下空间结构物，如地铁车站、地下停车场、地下商场等的施工过程中，受场地面积的限制，放坡开挖以控制侧向位移难以实现。因此，采用一定的基坑支护形式是保证基坑开挖安全的必要手段。

在深基坑工程中，常用的支护形式有：钢板桩支护、土钉墙支护、预应力锚索支护、钢梁或者混凝土梁支护、地下连续墙等。采用钢横梁或者钢筋混凝土横梁作为内支撑的支护形式常用于大断面深基坑开挖，这种支护形式能够很好的控制横向位移的发展，保证周围临近建筑物的横向位移在允许范围内。因此，合理的计算侧向土压力作用下横向位移是内支撑支护设计的关键。

土工离心模型试验作为一种可再现土体原始应力状态的试验方法，能够模拟各种岩土工程工况，已在土力学和岩土工程的各个领域得到广泛的应用。国内运用离心模型模拟基坑开挖时，一般都在重力场下开挖，与实际工况不符。同济大学地下建筑与工程系岩土工程重点实验室^[1]等单位开发研制了基于液压自动控制的内支撑基坑全过程施工模拟开挖系统，通过分时排放规定高度的代土液体来模拟土体分层开挖，并通过支撑杆锁定装置模拟对挡土墙进行适时支撑。该套系统采用代土液体代替现场土体，不能很好的模拟和反映现场的开挖工况；支撑结构采用液压装置，装置较复杂，而且液压系统在高离心力作用下可能发生漏液，影响试验结果。

发明内容

鉴于目前所运用的离心模型开挖技术的不准确性和复杂性，本发明的目的是提出一种能模拟采用内支撑结构作为支护方式的试验方法，并提出提出一种简易土工离心机模型试验模拟深基坑开挖的内支撑夹具。

本发明解决技术问题的具体技术方案是

基于简易土工离心机的模拟基坑开挖内支撑实验方法，在土工离心机上模拟基坑开挖内支撑工况,模型箱由支撑板将未开挖的土体分为左右两部分,采用如下的手段模拟实验条件:

实验开始前:在左部分未开挖的基坑场地内土体分层设置支撑机构,位移检测装置,同一水平面的支撑元件构成一道支撑元件,两相邻水平面的两道支撑元件间的土体构成一被测土体层,如此通过设置多层的支撑元件而构成多个土体层;

实验开始后,竖向分层逐层开挖左部土体,并逐层调节支撑机构使之顶紧支撑板,同时由置于下一级土体层内的位移检测装置采集支撑板的位移，开始离心机试验直至位移稳定后停止试验，将模型箱取出;然后进行第二层土体的开挖，并将第二道内支撑元件调节支撑元件使之顶紧支撑，然后进行第二层土体开挖后的离心机试验;如此往复，直至开挖至最后一层土体。

与以上实验方法相配合的装置是：

简易土工离心机的模拟基坑开挖内支撑夹具,置于模型箱内支撑板（7）与支模型箱（8）的箱璧之间，由可调节支撑机构及位移检测装置组成,所述可调节支撑机构由固定板1和置于固定板上的多道内支撑螺杆组成,每道内支撑螺杆具有由同一水平面设置的多个可调节支撑螺杆;所述可调节支撑螺杆具有置于固定板上的内支撑螺杆2和套置在其端头的外旋螺母3；固定板的相邻两道内支撑螺杆间设置了位移检测装置。

采用本发明基于简易土工离心机的模拟基坑开挖内支撑实验方法及其专用夹具。实验操作性强，拆装方便，能够模拟现场的开挖工况，为深基坑基坑开挖的现场施工提供可靠的试验依据。本发明用于模拟深基坑的开挖，与现有的模拟技术相比，其优点在于：能够精确测量基坑开挖过程中各工况阶段的侧向位移，此测量能用于指导实际的基坑开挖。此发明用于模拟基坑开挖工况与实际工况相同，这确保了模拟试验的准确性；工作原理简单，装置简易，安装操作方便，可依据不同的模型箱尺寸和不同的工程实例制造内支撑螺杆焊接位置不同的夹具。

附图说明

图1是本发明的侧立面图。

图2是本发明的左立面图。

图3是本发明实施例中和模型箱的安装示意图。

图中：1-固定板；2-内支撑螺杆；3-外旋螺母；4-位移计支撑螺杆；5-激光位移计；6-固定用螺栓孔；7-支撑板；8-模型箱；9-固定螺栓；10-土体材料。

简易土工离心机试验的模拟基坑开挖内支撑夹具由固定板、内支撑螺杆、外旋螺母、位移计支撑螺杆、激光位移计、支撑板和模型箱组成。固定板端焊接用于模拟内支撑的内支撑螺杆，内支撑螺杆的焊接点位置尺寸依据具体的施工方案和模型试验相似比制定；内支撑螺杆自由端套有外旋螺母，外旋螺母可旋出至支撑板,与支撑板顶紧，使内支撑螺杆和外旋螺母共同发挥支撑作用。

固定板为一块和模型箱内壁尺寸大小相同、厚度为8mm厚钢板，固定板表面焊接内支撑螺杆和位移计支撑螺杆。固定板上端焊一块用于和模型箱固定用的翼缘板，翼缘板上开与模型箱预留相同直径的螺孔，两者用螺栓连接并拧紧。

内支撑螺杆截面面积根据模拟的实际工况所用材料(钢筋混凝土或者型钢)的抗压刚度(EA)换算成所选钢材的抗压刚度，再除以钢材的弹性模量而得。

内支撑螺杆上攻丝长度等于外旋螺母长度，外旋螺母长度以能旋出并接触至支撑板为宜。螺杆自由端开M10螺孔，螺孔内置激光位移计。位移计用于测量记录支撑板的位移，是主要的量测数据。位移计支撑螺杆在固定板中央按一定深度间距布置一列即可。支撑板为一块和模型箱内壁尺寸相同、具有一定厚度的混凝土板或者钢板。支撑板的作用是模拟实际工况中的支撑板，用于隔开开挖空间和为被开挖的土体。

具体下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

具体实施方式

图1～3给出了本发明的一种具体实施方式。根据图1，一种土工离心机试验的模拟基坑开挖内支撑夹具，其组成为：固定板1、内支撑螺杆2、外旋螺母3、位移计支撑螺杆4、激光位移计5等。固定板由一块钢板组成，右端外伸一段预留一排固定螺孔6，用于与模型箱8起固定作用。要求固定螺孔6应与模型箱8上的螺孔大小一致，并用螺栓9连接两者，如图2所示。内支撑螺杆2按一定的间距布置成四行五列，每一行的钢筋截面面积是相同的，（该面积根据模拟的实际工况所用材料(钢筋混凝土或者型钢)的抗压刚度(EA)换算成所选钢材的抗压刚度，再除以钢材的弹性模量而得），内支撑螺杆焊接在固定板上，内支撑螺杆右端攻丝，并将外旋螺母拧进；位移计支撑螺杆4也是由一段钢筋制成，焊接在固定板的中央，其分布位置如图3中的4所示，位移计支撑螺杆4右端开M10内螺纹螺孔，将激光位移计5装入其中，位移计与外部数据采集系统相连以采集实验过程中支撑板7的位移变化。

本实施例的具体工作工程和原理是：试验前将内支撑夹具内支撑螺杆上2的外旋螺母3全部旋至最左端，并且将固定板1与模型箱8用螺栓9连接、固定；将支撑板7安放在预定位置后，开始往模型箱8内填充土体材料10，制成未开挖前的基坑场地模型，如图2所示。为方便叙述，将两道内支撑螺杆之间的土体称为一层土体，本实施例中共有五层开挖土体。试验开始时，将第一层土体挖除，并将第一道内支撑螺杆2上的外旋螺母3旋出，并使外旋螺母3与支撑板7顶紧，使内支撑螺杆和外旋螺母共同发挥支撑作用。试验开始后，通过激光位移计5开始采集支撑板的位移，直至位移稳定后停止试验，将模型箱取出。

取出模型箱后进行第二层土体的开挖，并将第二道内支撑螺杆上的外旋螺母旋出，使之发挥支撑作用，然后可进行第二层土体开挖后的离心机试验。试验过程中，每开挖一层土体，就向外旋出一个螺母，相当于模拟安装一道横撑。如此往复，直至开挖至最后一层土体。

Claims

1.基于简易土工离心机的模拟基坑开挖内支撑实验方法，在土工离心机上模拟基坑开挖内支撑工况,模型箱由支撑板将未开挖的土体分为左右两部分,采用如下的手段模拟实验条件:

2.一种实现权利要求1方法的简易土工离心机的模拟基坑开挖内支撑夹具,其特征在于,置于模型箱内支撑板（7）与支模型箱（8）的箱璧之间，由可调节支撑机构及位移检测装置组成,所述可调节支撑机构由固定板（1）和置于固定板上的多道内支撑螺杆组成,每道内支撑螺杆具有由同一水平面设置的多个可调节支撑螺杆;所述可调节支撑螺杆具有置于固定板上的内支撑螺杆（2）和套置在其端头的外旋螺母（3）；固定板的相邻两道内支撑螺杆间设置了位移检测装置。

3.根据权利要求2所述之简易土工离心机的模拟基坑开挖内支撑夹具，其特征在于,所述位移检测装置为激光位移计。