CN107119731A - 基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置，模型箱左部放置一个多层框架建筑物模型，模型箱中部和右部各放置一个地下连续墙模型，地下连续墙模型内部固定有横向支撑模型，底部固定有基坑底板模型，内部装有基坑群开挖施工模拟装置，模型箱顶面固定连接有位移计支架，位移计支架上面装有多个位移计和多个百分表支架，每个位移计通过位移计支架固定在土体的上表面或者土层内部，每个百分表通过百分表支架固定在多层框架建筑物模型表面，多层框架建筑物模型底板底部贴有多个应变计。本发明对城市基坑群开挖施工引起的周围地层沉降以及邻近建筑物变形进行模拟，对于制定基坑群施工标准及周围地层和邻近既有构筑物的安全保护具有重要价值。

Description

基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置

技术领域

本发明属于一种城市地下空间开发以及地下建筑工程中的基坑工程领域，具体涉及一种基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置。

背景技术

随着我国城市化的进一步发展，地下空间的开发和利用越来越为人们所重视，基坑也逐渐向大、深发展，由此带来的问题也越来越突出，尤其在上海、北京等一线城市，基坑更是密集，基坑群施工工况大量出现，基坑的开挖顺序以及工序直接影响了周边地层及邻近建筑物的变形。然而现有研究主要集中在单个基坑的开挖对地层沉降的影响研究，较少涉及到基坑群情况。因此，如何预估基坑群开挖对周围地层及邻近建筑物影响并进行超前控制是基坑施工中的一个核心问题。

国内外相关学者针对基坑开挖对周围地层沉降及邻近建筑物变形影响的研究方法主要是理论分析法、数值模拟法以及现场监测法。理论分析法是利用弹性理论，通过假定对研究模型进行简化，但在一定程度上不能准确考虑基坑与土之间的复杂关系，并且计算量大；数值模拟方法一般需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。此外，由于土工测试仪器设备的限制很难获得精确的土体物理力学参数，而土体参数的变化对数值模拟结果影响很大，因此容易造成计算结果的偏差。现场监测方法是获取基坑开挖时周围地层沉降的手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差，同时现场监测需要投入一定量的人力物力，现场预埋测试元件非常容易在施工中受到破坏，从而延误监测乃至得到错误监测信息。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的室内模型试验装置，实现对基坑群的不同开挖顺序以及不同支撑情况的施工行为模拟，准确测量基坑群周围地层纵向沉降值以及邻近建筑物变形量并进行分析。

本发明为解决其技术问题而采用以下技术方案，一种基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置，用于模拟两基坑间位移、受力复杂耦合效应，以及相邻不同支撑条件下的基坑之间相互影响效应，该装置具有一个模型箱，模型箱左部放置一个多层框架建筑物模型，该多层框架建筑物模型具有一个底板、一层地下室结构和三层地上结构， 模型箱中部和右部各放置一个地下连续墙模型，地下连续墙模型内部固定有与地下连续墙模型底面平行的横向支撑模型，地下连续墙模型底部固定有基坑底板模型，地下连续墙模型内部装有基坑群开挖施工模拟装置，模型箱顶面固定连接有位移计支架，位移计支架上面装有多个位移计和多个百分表支架，每个位移计通过位移计支架固定在土体的上表面或者土层内部，用于基坑群周围土体各特征点的纵向沉降变形测量；每个百分表通过百分表支架固定在多层框架建筑物模型表面，实现对多层框架建筑物模型关键节点的水平位移观测；多层框架建筑物模型底板底部贴有多个应变计，实现基坑开挖对邻近多层框架建筑物底板的内力、弯矩的影响效应的测量。

所述地下连续墙模型由铝合金材料围成的长方体筒构成，所述基坑群开挖施工模拟装置包含多个填满砂土的塑料囊，塑料囊沿地下连续墙模型纵向分层，在长方体筒内部形成若干个封闭式长方体砂土囊，从而可以通过砂土囊的取卸，方便地实现土体开挖模拟。

所述位移计支架使每个位移计在水平方向被固定，在竖直方向上可调，从而可以使多组位移计深入到土层不同深度同时实现地表及地层内部的沉降测量。

所述横向支撑模型由三道横向支撑或四道横向支撑构成，且均由铝合金条材制成，所述基坑底板模型由铝合金板制成。

所述模型箱为由铝合金材料制成的长方体箱，其顶面设为开口，顶面四周均设有锚孔便于固定位移计支架。

所述模型箱内放置分层的填土，用于对工程实际中的地质情况还原模拟。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：1、本试验测试装置可以手工制作，在相关科研中广泛性良好，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到基坑群开挖顺序及支撑情况对邻近桩基的变形影响研究中；2、本试验的基坑群开挖施工模拟装置可以较好模拟基坑群开挖过程中引起的周围地层及邻近建筑物的变形情况，并可以较为准确测出施工扰动对周围环境的影响；3、本试验中通过控制基坑群开挖施工模拟装置中各层砂土囊的不同取出顺序，可以实现不同施工顺序的基坑群开挖模拟，在一次试验中获得一系列不同施工工况下的实验数据；4、本试验将模拟箱内的填土进行分层，可对不同工程实例中的地质情况还原模拟，具有很强的工程适用性。5、采用本套模拟测试装置进行基坑群施工环境土工效应的试验研究，可为基坑群工程现场施工提供良好的咨询与建议，对于制定基坑群施工技术标准以及周围地层和邻近既有构筑物的安全保护措施提供一定的理论参考。

附图说明

图1为本发明在实施例中的模型箱内建筑物及基坑群布置示意图；

图2为本发明在实施例中的位移计支架示意图；

图3为本发明在实施例中的多层框架建筑物底板底部应变计布置示意图；

图4为本发明在实施例中的模型箱内左基坑横向支撑俯视图；

图5为本发明在实施例中的模型箱内右基坑横向支撑俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，通过一个优选实例对本发明作进一步地详细说明。

首先，制作一个模型箱、一个多层框架建筑物模型、两个地下连续墙模型、两组基坑开挖施工模拟装置、两种规格的横向支撑模型共7个、两块铝合金底板、一个位移计支架、多个位移计、一个百分表支架、多个百分表、多个应变计。

如图1所示，模型箱可为由铝合金材料制成的长方体箱，为整个实验装置的载体，分为左中右三个部分，其顶面设为开口，顶面四周均设有锚孔便于固定位移计支架。

模型箱1外形呈长方体，内部空间尺寸为1194 mm×600 mm×400 mm（长×宽×高），由5个厚度为15 mm的铝合金板拼接组成。地下连续墙模型可为由铝合金材料围成的两个相同的长方体筒，分别放置于模型箱中部及右部，内侧面开有若干螺栓孔便于固定横向支撑及底板模型。两个地下连续墙模型外部体积均为200 mm×180 mm×200 mm（长×宽×高），由4块厚度为8 mm的铝合金板拼接组成基坑，被放置于模型箱的中部和右部。右基坑右端距离模型箱边缘200 mm，且两基坑水平间距为100 mm。左基坑内放有三个塑料砂土囊5、6、7，其内部净高均为65 mm，壁厚为1 mm；右基坑内放有四个塑料砂土囊8、9、10、11，其中塑料砂土囊8的内部净高为49 mm，塑料砂土囊9、10、11的内部净高均为48 mm。另外，左基坑内有三道横向支撑12、13、14，其中支撑12上表面与地下连续墙上表面相齐，支撑12与支撑13之间净高为60 mm，支撑13与支撑14之间净高为64 mm。右基坑内有四道横向支撑16、17、18、19，其中支撑16上表面与地下连续墙上表面相齐，支撑16与支撑17之间净高为44 mm，支撑17与支撑18之间净高为47 mm，支撑18与支撑19之间净高为47 mm（净高即为上部支撑的下表面与下部支撑的上表面之间的距离）。另外，左右基坑底板均为184 mm×164 mm×3 mm（长×宽×厚）的铝合金板。多层框架建筑物模型被放置于模型箱左部，由底板44和建筑结构45组成，其中建筑结构包括地下一层地下室结构和地上三层结构，其右边缘与左基坑左端水平间距为120 mm。该建筑物模型的框架结构均由9 mm的铝合金板拼接组成，其中建筑结构45的投影尺寸为200 mm×180 mm（长×宽），地上结构净高均为60 mm，地下室净高为46mm，底板44的尺寸为240 mm×180 mm（长×宽）。百分表支架46被固定在位移计支架4上，百分表41、42、43分别通过百分表支架46固定在建筑结构45中地上结构每一层横梁的左端。

如图2所示，位移计支架4固定在模型箱1顶面，长度为1224 mm，宽度为630 mm，其中位移计支架4上开有20个外径为20 mm的预留小孔，便于LVDT位移计的固定。其中，小孔21-24中心位置位于位移计支架4竖直对称轴上，小孔21中心位置位于建筑结构45与左基坑之间中心处，小孔22中心位置位于左基坑与右基坑之间中心处，小孔23，24中心位置位于右基坑右侧，小孔23中心位置与右基坑右端距离60 mm，小孔24孔中心位置与小孔23孔中心位置距离为60 mm；小孔25孔中心位置与小孔21孔中心位置距离为75 mm，小孔26孔中心位置与小孔21孔中心位置距离为75 mm，小孔27孔中心位置与小孔22孔中心位置距离为75 mm，小孔28孔中心位置与小孔22孔中心位置距离为75 mm；小孔29、34、38中心位置分别位于距建筑结构、左基坑、右基坑的上边界中点60 mm位置处，小孔30、33、37中心位置分别与小孔29、34、38中心位置距离为60 mm；小孔31、35、39中心位置分别位于距建筑结构、左基坑、右基坑的下边界中点60 mm位置处，小孔32、36、40中心位置分别与小孔31、35、39中心位置距离为60 mm。（注：位移计个数可根据研究项目和精度进行调整）将小孔21-30、33-34、37-38共14个孔处的LVDT位移计末端分别用胶布粘结于粉质粘土土体表面，小孔31、35、39处的LVDT位移计末端深入土层100 mm（即粉质粘土土体表面），小孔32、36、40处的LVDT位移计末端深入土层200 mm（即淤泥质粘土土体表面）。在本实施例中，位移计用于基坑群周围土体各特征点的纵向沉降变形测量，其具体量测数值可由外接位移数据采集仪获得。

如图3所示，应变计均匀布置在多层框架建筑物底板44底部，其中应变计47-51系列、应变计52-56系列、应变计57-61系列、应变计62-66系列以及应变计67-71系列中心间的竖直距离相等，均为40 mm，应变计47-51系列中心距离底板44上边缘为10 mm，应变计67-71系列中心距离底板44下边缘为10 mm；在每一系列中，应变计中心之间的水平距离相等，均为40 mm，应变计47、52、57、62、67中心距离底板44左边缘为40 mm，应变计51、56、61、66、71中心距离底板44右边缘为40 mm。其具体量测数值可由外接应变数据采集仪获得。

如图4所示，左基坑支撑外围尺寸为184 mm×164 mm（长×宽），将截面为3 mm×3mm的铝合金条横向三根纵向三根均匀地放置并固定好，制成井字横向支撑。

如图5所示，右基坑支撑外围尺寸为184 mm×164 mm（长×宽），将截面为3 mm×3mm的铝合金条横向两根纵向两根均匀地放置并固定好，制成井字横向支撑。

开始向模型箱内填入淤泥质粘土，当土层厚度填至100 mm，即填完基坑下卧层土时，按既定位置放入左右基坑的地下连续墙模型，并用水准尺控制使地下连续墙底面与土层保持水平。将两组基坑群开挖施工模拟装置分别放入左右基坑，使其底面相平。

将填满砂土的七个塑料砂土囊放入地下连续墙模型。继续填入粉质粘土，至土体厚度达到200 mm时，开始填入砂土，填土过程中随时测量校准两地下连续墙模型与模型箱中轴线之间的位置关系，当填土深度达到236 mm时，按既定位置放入多层框架建筑物模型。直至土体厚度达到300 mm，即填土完成。此时地下连续墙模型入土深度为200 mm。

下面列出利用本发明的模型箱进行模拟的几种情况。

模拟一：首先取出左基坑中的第一层砂土囊，即完成左基坑第一阶段地基开挖模拟，记录外接位移数据采集仪读数、百分表读数以及外接应变数据采集仪读数，同时安装横向支撑12；接着取出左基坑第二层砂土囊，即完成左基坑第二阶段地基开挖模拟，记录各测量仪器读数，同时安装横向支撑13；进而取出左基坑第三层砂土囊，即完成左基坑第三阶段地基开挖模拟，记录各测量仪器读数，同时安装横向支撑14及底板15。左侧基坑开挖模拟完成之后以相同的步骤对右基坑进行四阶段开挖模拟，记录数据，最后得出先将左侧深基坑开挖支护完成后再对右侧基坑开挖支护的情况下，周围地层的沉降情况以及邻近建筑物的变形受力情况。

模拟二：首先取出右基坑第一层砂土囊，即完成右基坑第一阶段地基开挖模拟，记录外接位移数据采集仪读数、百分表读数以及外接应变数据采集仪读数，同时安装横向支撑16；接着取出右基坑第二层砂土囊，即完成右基坑第二阶段地基开挖模拟，记录各测量仪器读数，同时安装横向支撑17；进而取出右基坑第三层砂土囊，即完成右基坑第三阶段地基开挖模拟，记录各测量仪器读数，同时安装横向支撑18；最后取出右基坑第四层砂土囊，即完成右基坑第四阶段地基开挖模拟，记录各测量仪器读数，同时安装横向支撑19及底板20。右侧基坑开挖模拟完成之后以相同的步骤对左基坑进行三阶段开挖模拟，记录数据，最后得出先将右侧深基坑开挖支护完成后再对左侧基坑开挖支护的情况下，周围地层的沉降情况以及邻近建筑物的变形受力情况。

模拟三：首先取出左基坑第一层砂土囊，即完成左基坑第一阶段地基开挖模拟，记录外接位移数据采集仪读数、百分表读数以及外接应变数据采集仪读数，同时安装横向支撑12；接着对右基坑进行第一阶段开挖，记录各测量仪器读数，同时安装横向支撑16；再对左基坑进行第二阶段开挖模拟，记录数据，安装第二层横向支撑13；以此类推，便可以得到两基坑分阶段相继开挖支护（右滞后）对周围地层沉降以及邻近建筑物的变形受力的影响情况。

模拟四：首先取出右基坑第一层砂土囊，即完成右基坑第一阶段地基开挖模拟，记录外接位移数据采集仪读数、百分表读数以及外接应变数据采集仪读数，同时安装横向支撑16；接着对左基坑进行第一阶段开挖，记录各测量仪器读数，同时安装横向支撑12；再对右基坑进行第二阶段开挖模拟，记录数据，安装第二层横向支撑17；以此类推，便可以得到两基坑分阶段相继开挖支护（左滞后）对周围地层沉降以及邻近建筑物的变形受力的影响情况。

模拟五：同时对左右基坑分阶段进行开挖支护模拟，记录外接位移数据采集仪读数、百分表读数以及外接应变数据采集仪读数，并安放横向支撑，即可得到左右基坑同时开挖对周围地层沉降以及邻近建筑物的变形受力的影响情况。

通过控制左右基坑开挖以及支撑模拟并同时进行外接位移数据采集仪、百分表以及外接应变数据采集仪数据的整理，我们可以很直观地对比观测基坑群开挖顺序及支撑情况对周围地层以及邻近建筑物的变形受力的影响。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明的要点的范围内进行适当变更。

本发明上述实施例通过基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的室内模型试验装置，可以获得基坑群在不同开挖顺序以及不同支撑情况下，开挖施工对周围地层及邻近建筑物的影响效应，从而达到准确测量基坑群开挖施工引起的周围地层纵向位移值以及邻近建筑物受力和变形情况的技术效果。

Claims (6)

1. 一种基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置，用于模拟两基坑间位移、受力复杂耦合效应，以及相邻不同支撑条件下的基坑之间相互影响效应，其特征在于：该装置具有一个模型箱，模型箱左部放置一个多层框架建筑物模型，该多层框架建筑物模型具有一个底板、一层地下室结构和三层地上结构， 模型箱中部和右部各放置一个地下连续墙模型，地下连续墙模型内部固定有与地下连续墙模型底面平行的横向支撑模型，地下连续墙模型底部固定有基坑底板模型，地下连续墙模型内部装有基坑群开挖施工模拟装置，模型箱顶面固定连接有位移计支架，位移计支架上面装有多个位移计和多个百分表支架，每个位移计通过位移计支架固定在土体的上表面或者土层内部，用于基坑群周围土体各特征点的纵向沉降变形测量；每个百分表通过百分表支架固定在多层框架建筑物模型表面，实现对多层框架建筑物模型关键节点的水平位移观测；多层框架建筑物模型底板底部贴有多个应变计，实现基坑开挖对邻近多层框架建筑物底板的内力、弯矩的影响效应的测量。

2.根据权利要求1所述的基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置，其特征在于：所述地下连续墙模型由铝合金材料围成的长方体筒构成，所述基坑群开挖施工模拟装置包含多个填满砂土的塑料囊，塑料囊沿地下连续墙模型纵向分层，在长方体筒内部形成若干个封闭式长方体砂土囊，从而可以通过砂土囊的取卸，方便地实现土体开挖模拟。

3.根据权利要求1所述的基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置，其特征在于，所述位移计支架使每个位移计在水平方向被固定，在竖直方向上可调，从而可以使多组位移计深入到土层不同深度同时实现地表及地层内部的沉降测量。

4.根据权利要求1所述的基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置，其特征在于：所述横向支撑模型由三道横向支撑或四道横向支撑构成，且均由铝合金条材制成，所述基坑底板模型由铝合金板制成。

5.根据权利要求1所述的基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱为由铝合金材料制成的长方体箱，其顶面设为开口，顶面四周均设有锚孔便于固定位移计支架。

6.根据权利要求1所述的基坑群开挖对邻近建筑物变形影响的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱内放置分层的填土，用于对工程实际中的地质情况还原模拟。