CN108612107B - 一种悬臂式支挡结构基坑开挖过程的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种设计合理、使用灵活、成本低的悬臂式支挡结构基坑开挖过程的模拟方法；对模拟装置中一侧的最顶层加载装置a₁的加载把手进行旋转，使该加载装置的传力杆向所在侧梁外侧移动，实现卸载，完成第一层土体开挖，布置在模型桩右侧的对称加载装置的套数b₁对模拟桩继续作用，模拟桩顶部向左弯曲变形，随之右侧的加载装置b₁中弹簧伸长，由静止土压力转化为主动土压力，沿模拟桩桩长其他部位都会发生相应的弯曲变形，直至最后重新达到力的平衡状态，如此循环，直至完成基坑开挖侧所有范围内土体卸载，并记录每一步开挖土体后对应支档桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移，从而实现基坑悬臂式支挡结构模拟。

Description

一种悬臂式支挡结构基坑开挖过程的模拟方法

技术领域

本发明一种悬臂式支挡结构基坑开挖过程的模拟方法，属于土木工程设计和施工技术领域。

背景技术

现代城市在不断发展过程中，建筑物趋于密集化，高层建筑及地下设施增多，在建筑密集区高层建筑下部结构施工中将存在着深基坑开挖及稳定问题。由于支护工程计算随土层的变化而更趋复杂，设计过程中常将多个土层简化，而且深基坑施工和支护往往以经验和工程类比法为主，尤其对支护方案的优选和支护构件的优化研究的并不深入系统。

实际上，在基坑悬臂支挡结构内力计算中，首先需要确定支护结构的计算简化模型、支护结构外侧土压力的假定、基坑开挖过程中土压力的变化，现有的《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120)在计算悬臂支档结构和锚拉式支档结构时，把支护桩外侧的土压力看作是主动土压力，把基坑内侧土反力采用线弹性模型，支护桩看着弹性梁进行计算，在计算中也没有考虑土压力是动态变化。如何采用物理模型直观地、可视化地表现这种计算过程中，而且合理的考虑基坑悬臂支挡结构开挖过程土压力的变化，是土木工程教学和工程计算必须面对的问题。

发明内容

本发明针对目前基坑支护桩的问题，为了实现更好的理论分析和模拟教学，也为了完成合理支护设计和最优的经济效益，公开一种设计合理、使用灵活、成本低的悬臂式支挡结构基坑开挖过程的模拟方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种悬臂式支挡结构基坑开挖过程的模拟方法，按下述步骤实施：

第一步：安装反力框架；

将反力框架固定于地面，确保底部横梁水平布置，侧梁垂直布置；

第二步：模型桩参数的确定；

确定模型桩的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为支护桩的桩顶到桩底之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩的宽度、桩侧土层开挖前的沿计算桩长侧向土压力曲线形态和静止土压力的形态；

第三步：安装定位调节组件；

支撑板布置于顶部横梁和底部横梁之间，且支撑板的上、下端均固定于凹槽内，并确保支撑板的竖向轴线与铅垂线重合；在每个横梁槽口内的插孔内安装调节杆，调节杆穿过调节螺母，调节杆上端固定在定位横梁上，通过旋转调节螺母使同一高度的所有定位横梁在同一水平面；

第四步：在模型桩侧安装施压组件和传压组件；

预先加工施压组件，把套筒两端穿过反力框架的侧梁，定位杆外置弹簧，且定位杆一端依次与活塞和传力杆连接，传力杆穿过限位板插入连接板的U型槽内，且与U型槽底平面接触，并通过连接销与连接板固定，定位杆另一端插入空心螺纹杆中，且空心螺纹杆通过丝扣与套筒连接，并在外端加装加载把手；在传压组件的承压板几何中心预留位置安装压力传感器，压力传感器面向模型桩表面与承压板表面齐平，然后在承压板面向模型桩一侧表面安装垫块，把每一个传压组件均通过定位板连接在相应的定位横梁上；

第五步：模型桩的制作与安装；

在反力框架的底孔填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩通过顶部横梁预留的送桩孔吊入反力框架内，模型桩底端插入底孔中，并根据模型桩嵌固条件，确定模型桩插入底孔的深度，调节模型桩的垂直度使模型桩纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔与模型桩之间的空隙；

第六步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；

确保分布在模型桩两侧对称布置的承压板的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，通过确定每一套传压组件左右对称的两块承压板水平轴线与传力杆水平向轴线之间的高度偏差，确定每一套传压组件左右对称两块承压板的偏心距，然后调整传力杆端部在U型槽的竖向位置，使两侧对称传力杆轴线重合，通过连接销贯穿定位孔和传力杆的连接通孔将传力杆固定在连接板上，确保可靠连接，这样就完成一套桩侧施压组件和传压组件的水平调节，如此循环，直至完成所有计算桩长范围内的桩侧施压组件和传压组件的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，对施压组件的加载把手进行旋转对模型桩桩侧施加初始土压力；

第七步：根据基坑开挖实际工况开挖第一层土体，也就是对模拟装置中一侧的最顶层的加载装置a₁的加载把手进行旋转，使该加载装置的传力杆向所在侧梁外侧移动，随之拖拽传压组件的传力板脱离模拟桩，这样原先作用在模拟桩上的反力F₁＝0，相当于第一层土层被开挖，由于原先的对称受力平衡状态被破坏，布置在模型桩右侧的对称加载装置的套数b₁对模拟桩继续作用，相当于基坑外侧土体的主动土压力作用在支护桩上，模拟桩顶部向左弯曲变形，随之右侧的加载装置b₁中弹簧伸长，由静止土压力转化为主动土压力，沿模拟桩桩长其他部位都会发生相应的弯曲变形，直至最后重新达到力的平衡状态，从而完成基坑开挖工况一的模拟；

第八步：记录沿桩长范围两侧的位移传感器的读数和压力传感器的读数，并对数据进行处理，就可以得出该开挖工况支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移；

第九步：重复第七步和第八步，如此循环，直至完成基坑开挖侧所有范围内土体卸载，并记录每一步开挖土体后对应支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明把基坑支档结构简化为平面应变情况，把支档结构两侧土压力均简化为弹簧，在基坑开挖前对支档结构两侧按假定为静止土压力，然后卸载一侧最上层弹簧，相当于桩侧土层开挖，随之，支护结构两侧静力平衡被破坏，支护桩未开挖一侧土压力由静止土压力转化为主动土压力，随支护桩的变形，以支护桩为对象重新建立新的平衡，从而实现了基坑开挖模拟和桩侧外侧土压力的动态变化模拟，如此循环，直至完成基坑开挖侧所有范围内土体卸载，通过弹簧的自动伸缩变形建立基坑分布开挖后支护桩内外侧的静力平衡，实现桩侧内、外侧土压力变化的动态变化模拟。因此，该模拟装置实现了对基坑支档结构受力过程的物理模拟和可视化，同时可以实现土压力动态变化，与基坑实际受力情况更加接近，对基坑工程研究具有一定的指导意义。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中由施压组件和传压组件组成的加载装置示意图。

图3为图1中A-A截面的剖视图。

图4为本发明中定位调节组件的结构示意图。

图5为本发明中施压组件的结构示意图。

图中：1为反力框架、11为顶部横梁、12为底部横梁、13为侧梁、14为凹槽、15为送桩孔、16为底孔、2为施压组件、21为空心螺纹杆、22为弹簧、23为套筒、24为传力杆、25为限位板、26为活塞、27为加载把手、28为定位杆、3为传压组件、31为承压板、32为连接板、33为传力板、34为U型槽、35为垫块、36为定位孔、37为连接销、4为定位调节组件、41为定位板、42为支撑板、43为预留孔、44为定位横梁、45为调节螺母、46为调节杆、47为插孔、5为模型桩、6为测试系统、61为压力传感器、62为位移传感器、63为压力传感器控制系统，64位移传感器控制系统。

具体实施方式

如图1～图5所示，本发明涉及一种悬臂式支档结构基坑开挖过程模拟装置，包括反力框架1、施压组件2、传压组件3、定位调节组件4、模型桩5和测试系统6；多个所述施压组件2对称设置在反力框架1的两侧侧面上，所述传压组件3和定位调节组件4对应施压组件2且均位于反力框架1内，所述施压组件2和传压组件3对应连接在一起对设置在反力框架1内的模型桩5施加载荷，所述测试系统6用于测试模型桩5侧面受到的压力及偏移的位移；

所述反力框架1为矩形封闭框架，且所述反力框架1包括顶部横梁11、底部横梁12和侧梁13，所述顶部横梁11和底部横梁12均水平设置，两个所述侧梁13竖直设置在顶部横梁11和底部横梁12之间，与顶部横梁11和底部横梁12配合形成矩形框体结构，所述顶部横梁11和底部横梁12的内侧均设置有凹槽14，且所述凹槽14相对设置，所述顶部横梁11的中部在竖直方向设置有送桩孔15，所述送桩孔15为通孔，所述送桩孔15正下方对应的底部横梁12上设置有底孔16，所述底孔16为盲孔；

所述施压组件2的结构为：包括空心螺纹杆21、弹簧22、套筒23、传力杆24、限位板25、活塞26、加载把手27和定位杆28，所述套筒23横向贯穿反力框架1一侧的侧梁13，且所述套筒23的两端均设置有内螺纹，所述套筒23相对侧梁13的外端连接有空心螺纹杆21，所述套筒23相对侧梁13的内端设置有限位板25，所述空心螺纹杆21的一端通过螺纹连接在套筒23上，所述空心螺纹杆21的另一端设置有加载把手27，所述套筒23内设置有定位杆28，所述定位杆28的一端插入空心螺纹杆21内，所述定位杆28的另一端连接在位于套筒23内的活塞26上，且所述活塞26能随定位杆28一起在套筒23内移动，所述活塞26和空心螺纹杆21之间的定位杆28上套装有弹簧22，所述传力杆24贯穿限位板25设置，所述传力杆24的一端与活塞26连接，所述传力杆24的另一端与传压组件3连接，且所述传力杆24与传压组件3连接处杆端侧面设置有连接通孔；

所述传压组件3的结构为：包括承压板31、连接板32、传力板33、U型槽34、垫块35、定位孔36和连接销37，所述承压板31对称设置在模型桩5左右侧，且所述承压板31和模型桩5之间设置有垫块35，所述承压板31和连接板32之间通过两个传力板33连接在一起，两个所述传力板33呈“八”字排列，所述连接板32上竖向设置有U型槽34，所述传力杆24插入U型槽34内，所述U型槽34的两侧面竖向开设有定位孔36，并通过连接销37贯穿定位孔36和传力杆24的连接通孔将传力杆24固定在连接板32上；

所述定位调节组件4的结构为：包括定位板41和支撑板42，两块所述支撑板42分别设置在模型桩5的前后侧，且所述支撑板42的上下端对应设置在顶部横梁11和底部横梁12的凹槽14内，所述支撑板42上纵向等距设置有两列预留孔43，所述预留孔43包括横梁槽口和测试槽口，且所述横梁槽口和测试槽口上下间隔设置，所述横梁槽口内设置有定位横梁44，所述测试槽口用于安装桩侧位移传感器，两块所述支撑板42上对应的定位横梁44之间均设置有两根定位板41，两根所述定位板41的一端设置在定位横梁44上，两根所述定位板41的另一端分别设置在承压板31和连接板32上；

所述测试系统6的结构为：包括压力传感器61、位移传感器62、压力传感器控制系统63和位移传感器控制系统64，多个所述压力传感器61分别对应设置在每个承压板31面向模型桩5所在表面的几何中心处，多个所述位移传感器62分别对应设置在支撑板42的测试槽口内，所述压力传感器61和位移传感器62分别与设置在反力框架1外的压力传感器控制系统63和位移传感器控制系统64连接。

所述定位横梁44底侧竖向设置有调节杆46，所述调节杆46外侧设置有螺纹，所述调节杆46的下端对应插入设置于横梁槽口底边的插孔47中，并安装调节螺母45，所述插孔47的深度大于调节杆46的长度，所述调节螺母45的内螺纹的与调节杆46的外螺纹相匹配，通过旋转调节螺母45定位调节杆46的上下位置，使定位横梁44达到对应高度并保持水平。

所述传力杆24在U型槽34内只能上下调节且在竖直平面内能小角度转动，可实现对承压板轴心或小偏心加载。

本发明一种悬臂式支挡结构基坑开挖过程的模拟方法，按下述步骤实施：

第一步：安装反力框架1；

将反力框架1固定于地面，确保底部横梁12水平布置，侧梁13垂直布置；

第二步：模型桩5参数的确定；

确定模型桩5的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为工程桩的桩顶到桩底之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩的宽度、桩侧土层开挖前的沿计算桩长侧向土压力曲线形态和静止土压力的形态；

第三步：安装定位调节组件4；

支撑板42布置于顶部横梁11和底部横梁12之间，且支撑板42的上、下端均固定于凹槽14内，并确保支撑板42的竖向轴线与铅垂线重合；在每个横梁槽口内的插孔47内安装调节杆46，调节杆46穿过调节螺母45，调节杆46上端固定在定位横梁44上，通过旋转调节螺母45使同一高度的所有定位横梁44在同一水平面；

第四步：在模型桩5侧安装施压组件2和传压组件3；

预先加工施压组件2，把套筒23两端穿过反力框架1的侧梁13，定位杆28外置弹簧22，且定位杆28一端依次与活塞26和传力杆24连接，传力杆24穿过限位板25插入连接板32的U型槽34内，且与U型槽34底平面接触，并通过连接销与连接板32固定，定位杆28另一端插入空心螺纹杆21中，且空心螺纹杆21通过丝扣与套筒23连接，并在外端加装加载把手27；在传压组件3的承压板31几何中心预留位置安装压力传感器，压力传感器面向模型桩5表面与承压板31表面齐平，然后在承压板31面向模型桩5一侧表面安装垫块35，把每一个传压组件3均通过定位板41连接在相应的定位横梁44上；

第五步：模型桩的制作与安装；

在反力框架1的底孔16填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩5通过顶部横梁11预留的送桩孔15吊入反力框架1内，模型桩5底端插入底孔16中，并根据模型桩5嵌固条件，确定模型桩5插入底孔16的深度，调节模型桩5的垂直度使模型桩5纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔16与模型桩5之间的空隙；

第六步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；

确保分布在模型桩5两侧对称布置的承压板31的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，通过确定每一套传压组件3左右对称的两块承压板31水平轴线与传力杆24水平向轴线之间的高度偏差，确定每一套传压组件3左右对称两块承压板31的偏心距，然后调整传力杆24端部在U型槽34的竖向位置，使两侧对称传力杆24轴线重合，通过连接销37贯穿定位孔36和传力杆24的连接通孔将传力杆24固定在连接板32上，确保可靠连接，这样就完成一套桩侧施压组件2和传压组件3的水平调节，如此循环，直至完成所有计算桩长范围内的桩侧施压组件2和传压组件3的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，对施压组件2的加载把手27进行旋转对模型桩5桩侧施加初始土压力；

第七步：根据基坑开挖实际工况开挖第一层土体，也就是对模拟装置中一侧的最顶层的加载装置a₁的加载把手27进行旋转，使该加载装置的传力杆24向所在侧梁13外侧移动，随之拖拽传压组件3的传力板33脱离模拟桩5，这样原先作用在模拟桩5上的反力F₁＝0，相当于第一层土层被开挖，由于原先的对称受力平衡状态被破坏，布置在模型桩5右侧的对称加载装置的套数b₁对模拟桩5继续作用，相当于基坑外侧土体的主动土压力作用在支护桩上，模拟桩5顶部向左弯曲变形，随之右侧的加载装置b₁中弹簧22伸长，由静止土压力转化为主动土压力，沿模拟桩5桩长其他部位都会发生相应的弯曲变形，直至最后重新达到力的平衡状态，从而完成基坑开挖工况一的模拟；

第八步：记录沿桩长范围两侧的位移传感器62的读数和压力传感器61的读数，并对数据进行处理，就可以得出该开挖工况支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移；

第九步：重复第七步和第八步，如此循环，直至完成基坑开挖侧所有范围内土体卸载，并记录每一步开挖土体后对应支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移。

下面对本发明模拟过程进行详细的阐述。

1、安装反力框架。将反力框架的底部横梁固定于地面，并使底部横梁顶面水平，依次组装两侧的侧梁和顶部横梁，使两侧的侧梁轴线保持在铅垂线上，同时确保顶部横梁和底部横梁轴线与两侧的侧梁轴线垂直，完成反力框架的安装。

2、确定模拟桩的桩长(桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为工程桩的桩顶到桩端之间的距离按相似比确定的长度)和施加侧向土压力面的桩的宽度(B)以及桩侧土层开挖前的沿计算桩长侧向土压力曲线形态(及静止土压力的形态)，把侧向土压力曲线沿计算桩长等间距划分为n等分，n≥6，一般可取6～10，然后确定各段的中点坐标(i)，以各段中点坐标(i)为基点，计算上下L/2(L为承压板的长度)所对应点处侧向土压力曲线的p_i上和p_i下，p_i上和p_i下之间的土反力近似线性确定，则该段承压板需施加的力F_i为：

F_i＝(p_i上+p_i下)BL/2

对应的偏心距e_i为：

e_i＝(L/6)×(p_i下-p_i上)/(p_i上+p_i下)。

由此，也就确定了桩侧加载装置的套数a_i(b_j，i＝j)，其中任意1套桩侧加载装置a_i(b_j)包括1组桩侧施压组件和传压组件。

3、安装定位调节组件。前支撑板和后支撑板关于侧梁轴线对称布置于顶部横梁和底部横梁之间，且上下固定于对应横梁的凹槽内，并确保前支撑板和后支撑板竖向轴线与铅垂线重合。在每个横梁槽口内的插孔内安装调节杆，调节杆穿过调节螺母，上端固定在定位横梁上，旋转调节螺母使定位横梁水平，这样就完成定位横梁安装。前支撑板和后支撑板上的横梁槽口的个数均为2n，且横梁槽口的高度与侧向土压力曲线各分段的中点坐标(i)相匹配。

4、安装桩侧加载装置。承压板、连接板、传力板及前、后定位板为一整体构件，预先加工完成，并在承压板几何中心预留位置安装压力传感器，传感器面向模拟桩表面与承压板表面齐平，然后在承压板面向模型桩一侧表面安装垫块。把每一个传压组件通过定位板放置在相应的定位横梁22的长孔中，承压板和连接板左右两个侧边中心分别引出一个连接杆，承压板两侧的连接杆为前定位板，连接板两侧的连接杆为后定位板，承压板和连接板一侧的前、后定位板安装在前支撑板某个测试槽口的定位横梁的长孔中时，承压板和连接板另一侧的前、后定位板就安装在与前支撑板相同高度处对应后支撑板测试槽口的定位横梁的长孔中。然后安装与之想配套的施压组件。把1组施压组件的套筒固定于反力框架的侧梁预留孔洞内，两端穿过侧梁。定位杆外置弹簧依次与活塞和传力杆连接，传力杆穿过限位板插入连接板的U型槽与槽底平面接触，并通过连接销与连接板固定。管中定位杆另一端套入空心螺纹杆中，螺纹杆通过丝扣与套筒连接，并在外端加装加载把手。由此完成1组桩侧施压组件和传压组件。重复以上过程完成与之对称的另1组桩侧施压组件和传压组件，这样就完成任一套桩侧加载装置。然后按上述安装程序安装完成所有桩侧加载装置，并把每一压力传感器的连接线与传感器控制系统连接。

5、模型桩制作与安装。在底孔填入适量填土，并按一定密实度击实，然后把预制完成的模型桩通过顶部横梁预留的送桩孔吊入模拟装置，模型桩底端插入底孔中，并根据模拟嵌固条件(自由或嵌固)确定模型桩插入底孔的深度，调节模型桩的垂直度是桩纵向轴线与铅垂线重合，用填土充填并密实底孔桩周空隙。

6、调节桩侧加载装置，使桩长范围内每1套左右完全相同、对称布置的桩侧加载装置传力板通过垫块与模型桩侧面密贴，同时根据步骤2中，由侧向土压力曲线确定的各组桩侧加载装置对应的e_i，调整与该套桩侧加载装置相关的4套定位横梁的调节螺母，当p_i下≥p_i上时，使传压组件的对称轴在施压组件的对称轴之上距离为e_i，反之亦然。同时确保模型桩两侧定位横梁上的所有水平管和传压组件上的水平圆水准居中，也即确保分布在模型桩两侧对称布置的传力板法线同一水平直线上，对称布置的施压组件的对称轴也在同一水平直线上，然后旋转连接销上的螺母固定传力杆在U型槽的竖向位置，实现传力杆与连接板之间的可靠连接，这样就完成1套桩侧加载装置的水平调节。如此循环，完成所有桩长范围内的桩侧加载装置的调节。

7、基坑开挖前桩侧土压力施加。根据步骤2确定的各组桩侧加载装置对应的F_i，同时转动两侧的加载把手，通过调节弹簧的长短达到预先计算各个分段i的施加力F_i，施加力F_i的大小根据压力传感器的读数确定，这样在模型桩两侧就施加了对称分布的侧向土压力曲线，也即实现基坑开挖前支护桩桩侧土压力的加载。此时由于模型桩的两侧土压力是对称施加，模型桩的纵向轴线是垂直地面的。

8、在模型桩安装传力板的间隙的中心点沿桩长对称安装位移传感器，并把位移计固定到位移支撑架上。调节传感器，并记下每个传感器的初读数。这样就完成了基坑开挖模拟装置的安装和静止土压力的加载。

9、基坑内侧第一层土体开挖卸载。假定模拟桩侧面静止土压力为三角形分布，桩侧土压力分段长度L代表1层土体及相应的基坑每次开挖1层土的厚度，从桩顶开始，根据基坑开挖实际工况开挖第一层土体，也就是对模拟装置中一侧的最顶层的加载装置a₁的加载把手进行旋转，使该加载装置的传力杆向所在侧梁外侧移动，随之拖拽传压组件的传力板脱离模拟桩，这样原先作用在模拟桩上的反力F₁＝0，相当于第一层土层被开挖。由于原先的对称受力平衡状态被破坏，布置在模型桩(支护桩)右侧的对称加载装置的套数b₁对模拟桩继续作用，相当于基坑外侧土体的主动土压力作用在支护桩上，模拟桩顶部向左弯曲变形，随之右侧的加载装置b₁中弹簧伸长，由静止土压力转化为主动土压力，沿模拟桩桩长其他部位都会发生相应的弯曲变形，直至最后重新达到力的平衡状态，从而完成基坑开挖工况一的模拟。

10、记录沿桩长范围两侧的位移计的读数和压力传感器的读数，并对数据进行处理，就可以得出该开挖工况支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移；

11、重复上述第9和第10，如此循环，直至完成基坑开挖侧所有范围内土体卸载，并记录每一步开挖土体后对应支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移。

其中，本发明的反力框架为矩形封闭框架，顶部横梁中部设置送桩孔，底部横梁中心设置底孔，送桩孔和底孔的几何中心在同一竖向垂线上。送桩孔尺寸大于模拟桩，通过送桩孔可以把模拟桩放入模拟装置内。模拟桩安放在模拟装置对称中心。底孔垂直于横梁轴线方向等于B，平行于横梁轴线方向为L，桩端进入孔深不小于B且不小于100mm(B和L分别为模型桩的截面宽度和长度)，底孔内可根据需要填充一定厚度和密实度的填土，填土的厚度可用于确定模拟桩嵌固条件。反力框架的刚度要求相对其提供的反力较大，在提供反力的过程中变形可以忽略不计，质材可以选用钢筋混凝土预制或钢板制作。

本发明中模型桩的截面为矩形、方形或“工”字型等形状的杆件，质材可以选用钢筋混凝土、钢材、木材等材料。

本发明中涉及的加载装置包括施压组件和传压组件，且加载装置从上到下依次对称布置至少6组以上，每组加载装置为左右两套，对称布置在模型桩两侧，加载装置从上之下进行编号，由前视，左侧编号为a_i(i＝1,2，…n)，右侧编号为a_j(j＝1,2，…n)。同组加载装置左右两套系统规格、型号均相同，不同组中的两套加载弹簧系统规格、型号可以相同或者不同，但其组成构件均应保持一致。所述加载装置左右两侧加载板规格、刚度、质材均相同。任一套桩侧加载装置包括桩侧施压组件和传压组件。

本发明任意一套桩侧加载装置a_i(或a_j)中的施压组件中，套筒固定于侧梁的预留孔洞内，两端穿过侧梁，套筒两端设置内螺纹，中部内壁光滑，套筒外端安装空心螺纹杆，空心螺纹杆端部安装加载把手，另一端外管壁为螺纹，螺纹丝扣与套筒内螺纹相匹配，并与套筒外端螺纹连接，空心螺纹杆内壁光滑，管中套入定位杆，定位杆外置弹簧且依次与活塞和传力杆连接，并安装在套筒内，传力杆在套筒另一端穿过限位器与传压组件的连接板连接，限位器通过丝扣与套筒连接。定位杆外径与加载把手内径、活塞外径与套筒内径、传力杆外径与限位器内径之间相互匹配，并涂抹润滑油，可光滑移动。施压组件通过加载把手旋转空心螺纹杆控制弹簧的伸缩从而改变输出力的大小为桩侧提供反力。弹簧的材质及弹性模量根据土体力学特性确定，控制误差在合理范围内。弹簧型号与规格根据模型桩的规格及需提供的反力大小确定。

本发明任意一套桩侧加载装置a_i(或a_j)中的传压组件包括承压板、连接板、传力板、凹槽、前定位杆、后定位杆、定位孔、水平圆水准、连接销和垫块。承压板对称安装在模型桩的两侧，为矩形厚板，宽度与模型桩相同，高度根据模型桩长度和桩侧加载板的个数确定，质材选用钢板或高分子复合材料，厚度可根据加载反力大小选用，确保加载过程板对桩施加的反力为线性荷载。承压板一侧通过垫块与模型桩侧面接触，另一侧依次通过2块“八”字型排列的传力板和连接板连接，并与施压组件的传力杆连接，传力杆插入连接板的U型槽与槽底平面接触，并通过连接销与连接板固定。传力杆在U型槽只可上下调节和在竖直平面内小角度转动。连接板上、下面为平面，上平面安装水平圆水准，连接板面向传力杆的一侧为两竖直面封闭的U型槽，U型槽底部为平面，槽口宽度与传力杆端部尺寸匹配，槽口长度为1/3L+D，L为承压板的长度，D为油缸顶柱端部直径。U型槽的两竖直面竖向开长条状定位孔，定位孔长度为1/3L+d₁，d₁为连接销的直径。承压板和连接板左右2个侧边中心分别引出一个连接杆，承压板两侧的连接杆为前定位杆，连接板两侧的连接杆为后定位杆，前定位杆和后定位杆均为圆柱形，直径相同，大小为d₂，定位杆支撑在定位调节系统定位横梁之上传压组件除垫块以外可选择不锈钢、钢材和高强度塑料，垫块可选择橡胶、软木等柔性材料。

本发明中定位调节装置与包括支撑架和定位横梁。支撑架包括前支撑架和后支撑架，前支撑架和后支撑架关于立柱轴线对称布置于上下横梁之间，上下固定于横梁的卡槽内。前支撑架和后支撑架规格、尺寸、材料、样式等完全相同。支撑架为上部预留多组孔洞的板状构件，预留孔洞为两列，且沿支撑架竖向中线对称布置，每列预留孔洞包括横梁槽口和测试槽口，横梁槽口和测试槽口沿竖直线交替布置，横梁槽口的组数和竖向位置与加压装置的组数和竖向位置相匹配。测试槽口竖向位置为两组加压板之间的间隙相应的高度。横梁槽口用于安装定位横梁，测试槽口用于安装桩侧位移传感器。支撑架材料为钢材。

本发明任意一套桩侧加载装置a_i(或a_j)中配套安装2套定位横梁，1套定位横梁安装在前支撑架内与桩侧加载装置a_i(或a_j)对应的高度横梁槽口中，另一套定位横梁安装在后支撑架内与桩侧加载装置a_i(或a_j)对应的高度横梁槽口中，前后2套定位横梁的组件规格、型号和调节方式均相同，这样前支撑架和后支撑架上横梁槽口20的个数相同，均为2n个(n加载装置的套数)。

本发明任意一套定位横梁包括U型凹槽、定位横梁、水平管、调节杆，插孔，调节螺母和长孔。定位横梁就安装在该横梁槽口位置内，定位横梁轴线与对应加压装置传力杆水平轴线平行，初始位置低于对应位置加压装置传力杆水平轴线1/2d₂(d₂为此处前定位杆或后定位杆的直径)。定位横梁为矩形截面的杆件，截面长边方向平行于竖直方向，沿杆件轴线垂直于截面长边开长孔，长孔短边长度为d2，定位板安装在定位横梁的长孔中。定位横梁两端安装在支撑架横梁槽口侧壁竖向U型凹槽内，向外的侧面中部安装水平管，靠近定位横梁两端底边安装2根竖向调节杆，连接杆外表刻有螺纹，下端插入横梁槽口底边的对应插孔中，并安装扁圆型调节螺母，插孔的深度大于调节杆的长度，螺母的内螺纹的与调节杆的外螺纹相匹配，旋转螺母定位调节杆上下位置，使定位横梁达到对应高度并保持水平。工作前可以通过调整前后支撑架对应高度的4套定位横梁，使定位横梁水平管和位于连接板上平面的水平圆水准居中，这样就可以分别实现对统一位置处相对的一组桩侧加载系统的轴线在同一直线上，是相对的2块承压板的法线位于同一直线且与桩侧平面垂直。也可根据试验要求，确定每一套加载系统左右对称两块加载板水平轴线与传力杆水平向轴线之间的高度偏差，从而确定每一套加载系统左右对称两块加载承压板的偏心距，进而确定桩侧土压力的分布形式。

本发明测试系统包括位移传感器和位移传感器控制系统、位移支撑架、压力传感器和压力传感器控制系统。桩侧压力传感器安装在每个承压板面向模型桩所在表面几何中心，并与传感器控制系统连接，用于测试加载过程中模型桩的侧面压力。位移传感器可以选用百分表或其他电子位移传感器，位移传感器的安装在相邻的承压板之间的空隙处，从测试槽口伸出，并把基座固定于框架两侧的位移支撑架之上，在模型桩的每组测量断面对称布置，测量断面的个数为n+1(n加载装置的套数)。位移传感器用于测试加载过程中模型桩不同截面侧向位移，位移传感器控制系统用于采集各个测试截面位移数据。

本发明对任意高度位置卸载，其他位置通过加载弹簧自动实现相应的应力及位移变化，实时模拟基坑土体开挖过程，不再进行人工调节。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种悬臂式支挡结构基坑开挖过程的模拟方法，其特征在于，按下述步骤实施：

第一步：安装反力框架（1）；

将反力框架（1）固定于地面，确保底部横梁（12）水平布置，侧梁（13）垂直布置；

第二步：模型桩（5）参数的确定；

确定模型桩（5）的桩长，其中桩长=桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为支护桩的桩顶到桩端之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩的宽度、桩侧土层开挖前的沿计算桩长侧向土压力曲线形态，即为静止土压力的形态；

第三步：安装定位调节组件（4）；

支撑板（42）布置于顶部横梁（11）和底部横梁（12）之间，且支撑板（42）的上、下端均固定于凹槽（14）内，并确保支撑板（42）的竖向轴线与铅垂线重合；在每个横梁槽口内的插孔（47）内安装调节杆（46），调节杆（46）穿过调节螺母（45），调节杆（46）上端固定在定位横梁（44）上，通过旋转调节螺母（45）使同一高度的所有定位横梁（44）在同一水平面；

第四步：在模型桩（5）侧安装施压组件（2）和传压组件（3）；

预先加工施压组件（2），把套筒（23）两端穿过反力框架（1）的侧梁（13），定位杆（28）外置弹簧（22），且定位杆（28）一端依次与活塞（26）和传力杆（24）连接，传力杆（24）穿过限位板（25）插入连接板（32）的U型槽（34）内，且与U型槽（34）底平面接触，并通过连接销与连接板（32）固定，定位杆（28）另一端插入空心螺纹杆（21）中，且空心螺纹杆（21）通过丝扣与套筒（23）连接，并在外端加装加载把手（27）；在传压组件（3）的承压板（31）几何中心预留位置安装压力传感器，压力传感器面向模型桩（5）表面与承压板（31）表面齐平，然后在承压板（31）面向模型桩（5）一侧表面安装垫块（35），把每一个传压组件（3）均通过定位板（41）连接在相应的定位横梁（44）上；

第五步：模型桩的制作与安装；

在反力框架（1）的底孔（16）填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩（5）通过顶部横梁（11）预留的送桩孔（15）吊入反力框架（1）内，模型桩（5）底端插入底孔（16）中，并根据模型桩（5）嵌固条件，确定模型桩（5）插入底孔（16）的深度，调节模型桩（5）的垂直度使模型桩（5）纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔（16）与模型桩（5）之间的空隙；

第六步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；

确保分布在模型桩（5）两侧对称布置的承压板（31）的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，调整传力杆（24）端部在U型槽（34）的竖向位置，使两侧对称传力杆（24）轴线重合，通过连接销（37）贯穿定位孔（36）和传力杆（24）的连接通孔将传力杆（24）固定在连接板（32）上，确保可靠连接，这样就完成一套桩侧施压组件（2）和传压组件（3）的水平调节，如此循环，直至完成所有计算桩长范围内的桩侧施压组件（2）和传压组件（3）的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，对施压组件（2）的加载把手（27）进行旋转对模型桩（5）桩侧施加初始土压力；

第七步：根据基坑开挖实际工况开挖第一层土体，也就是对模拟装置中一侧的最顶层的加载装置a₁的加载把手（27）进行旋转，使该加载装置的传力杆（24）向所在侧梁（13）外侧移动，随之拖拽传压组件（3）的传力板（33）脱离模拟桩（5），这样原先作用在模拟桩（5）上的反力F₁=0，相当于第一层土层被开挖，由于原先的对称受力平衡状态被破坏，布置在模型桩（5）右侧的对称加载装置的套数b ₁ 对模拟桩（5）继续作用，相当于基坑外侧土体的主动土压力作用在支护桩上，模拟桩（5）顶部向左弯曲变形，随之右侧的加载装置b ₁ 中弹簧（22）伸长，由静止土压力转化为主动土压力，沿模拟桩（5）桩长其他部位都会发生相应的弯曲变形，直至最后重新达到力的平衡状态，从而完成基坑开挖工况一的模拟；

第八步：记录沿桩长范围两侧的位移传感器（62）的读数和压力传感器（61）的读数，并对数据进行处理，就可以得出该开挖工况支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移；

第九步：重复第七步和第八步，如此循环，直至完成基坑开挖侧所有范围内土体卸载，并记录每一步开挖土体后对应支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移；

所述反力框架为矩形封闭框架，反力框架包括顶部横梁、底部横梁和侧梁，所述顶部横梁和底部横梁均水平设置，两个所述侧梁竖直设置在顶部横梁和底部横梁之间，与顶部横梁和底部横梁配合形成矩形框体结构，所述顶部横梁和底部横梁的内侧均设置有凹槽，且所述凹槽相对设置，所述顶部横梁的中部在竖直方向设置有送桩孔，所述送桩孔为通孔，所述送桩孔正下方对应的底部横梁上设置有底孔，所述底孔为盲孔；

所述施压组件的结构为：包括空心螺纹杆、弹簧、套筒、传力杆、限位板、活塞、加载把手和定位杆，所述套筒横向贯穿反力框架一侧的侧梁，且所述套筒的两端均设置有内螺纹，所述套筒相对侧梁的外端连接有空心螺纹杆，所述套筒相对侧梁的内端设置有限位板，所述空心螺纹杆的一端通过螺纹连接在套筒上，所述空心螺纹杆的另一端设置有加载把手，所述套筒内设置有定位杆，所述定位杆的一端插入空心螺纹杆内，所述定位杆的另一端连接在位于套筒内的活塞上，且所述活塞能随定位杆一起在套筒内移动，所述活塞和空心螺纹杆之间的定位杆上套装有弹簧，所述传力杆贯穿限位板设置，所述传力杆的一端与活塞连接，所述传力杆的另一端与传压组件连接，且所述传力杆与传压组件连接处杆端侧面设置有连接通孔；

所述传压组件的结构为：包括承压板、连接板、传力板、U型槽、垫块、定位孔和连接销，所述承压板对称设置在模型桩左右侧，且所述承压板和模型桩之间设置有垫块，所述承压板和连接板之间通过两个传力板连接在一起，两个所述传力板呈“八”字排列，所述连接板上竖向设置有U型槽，所述传力杆插入U型槽内，所述U型槽的两侧面竖向开设有定位孔，并通过连接销贯穿定位孔和传力杆的连接通孔将传力杆固定在连接板上；

所述定位调节组件的结构为：包括定位板和支撑板，两块所述支撑板分别设置在模型桩的前后侧，所述支撑板上纵向等距设置有两列预留孔，所述预留孔包括横梁槽口和测试槽口，且所述横梁槽口和测试槽口上下间隔设置，所述横梁槽口内设置有定位横梁，所述测试槽口用于安装桩侧位移传感器，两块所述支撑板上对应的定位横梁之间均设置有两根定位板，两根所述定位板的一端设置在定位横梁上，两根所述定位板的另一端分别设置在承压板和连接板上；

还包括测试系统，所述测试系统的结构为：包括压力传感器、位移传感器、压力传感器控制系统和位移传感器控制系统，多个所述压力传感器分别对应设置在每个承压板面向模型桩所在表面的几何中心处，多个所述位移传感器分别对应设置在支撑板的测试槽口内，所述压力传感器和位移传感器分别与设置在反力框架外的压力传感器控制系统和位移传感器控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种悬臂式支挡结构基坑开挖过程的模拟方法，其特征在于，通过确定每一套传压组件（3）左右对称的两块承压板（31）水平轴线与传力杆（24）水平向轴线之间的高度偏差，确定每一套传压组件（3）左右对称两块承压板（31）的偏心距，从而确定支护桩开挖前桩侧土压力的初始分布形式。

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