CN113089624A - 相邻基坑异步开挖模拟试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及相邻基坑异步开挖模拟试验装置和试验方法。包括模型试验箱、导轨、量测系统和基坑支护结构；模型试验箱为开口方向竖直向上的箱体；导轨设置在箱体顶端；基坑支护结构放置在箱体内，箱体分隔成若干区域以模拟基坑；量测系统设置在箱体外侧，用于实时测量数据。将两个基坑的围护结构模型放置于箱体内，根据实际工程尺寸选取合适材料做为模型结构材料，通过设置模拟相邻基坑开挖，能够有效的模拟相邻基坑工程开挖的各种工况，实现同种装置不同开挖工况下对试验模型变形和土压力进行测量，为相邻基坑工程开挖研究提供室内试验数据，使模型试验更加符合实际工程中的变化，从而使模型试验更加符合科学性和具有可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及基坑技术领域，特指一种相邻基坑异步开挖模拟试验装置和试验方法。
背景技术
当多个相邻基坑同时开挖时，由于基坑间相隔距离较小，相邻基坑施工会产生叠加效应，这就使得相邻基坑的开挖变形与单独开挖基坑时不一致。将相邻开挖与单独开挖对比研究，发现相邻基坑在2.5至3倍基坑开挖深度范围内开挖会影响围护结构内力并对变形位移产生叠加影响。
在相邻基坑开挖时造成基坑围护结构变形，当变形过大时会产生结构破坏，造成生命财产的损失。围护结构深入地下，为了研究结构的变形特性通常采用现场监测和数值模拟，但是基坑工程情况复杂、影响因素众多，导致其施工过程具有较高的风险性和不确定性，传统的方法无法解决复杂地下工程难题，监测资料只能反映特定的基坑的变形情况，无法系统的研究基坑在某一类的工况下的变形；同时由于土体的复杂物理性质，利用数值模拟也不能模拟实际情况，因此研究者们通过室内试验可以通过建立实际的缩尺室内模型，根据研究内容改变模型工况和材料参数，在使用较少的人力物力时间的情况下完成研究。常规的室内模型试验装置通常只适用于一个开挖区域，在开挖区域内进行土体的开挖卸载、支撑加固等操作，不能模拟两个相邻的基坑异步开挖等复杂施工情形的问题。
发明内容
为了进行相邻基坑的开挖试验研究，弥补现有技术上的不足，本发明提供了一种专门用于模拟相邻基坑异步开挖的模型试验装置和试验方法，可以较好的模拟相邻基坑不同开挖顺序工况，并对试验模型的变形和土压力进行测量，研究在相邻基坑开挖对基坑周边土压力和围护结构应力应变的影响等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种相邻基坑异步开挖模拟试验装置，包括模型试验箱、导轨、量测系统和基坑支护结构；模型试验箱为开口方向竖直向上的箱体；导轨设置在箱体顶端；基坑支护结构放置在箱体内，箱体分隔成若干区域以模拟基坑；量测系统设置在箱体外侧，用于实时测量数据。
所述的模型试验箱由模型箱外框架、透明材料固定侧板和模型箱底板组成；模型箱外框架的底部通过焊接固定在模型箱底板上，将透明材料固定侧板安装在所述模型箱外框架上；模型试验箱固定在模型箱底座上。
所述的量测系统包括刻度尺、应力应变采集系统、传感器；刻度尺粘贴在透明材料固定侧板上；应力应变采集系统与传感器通过导线相连水平放置在模型箱外。
所述的导轨由滑轨和若干可滑动螺栓组成，滑轨通过焊接在模型箱外框架顶端上面，滑动螺栓放置在滑轨上。
所述的可滑动螺栓为中间带有螺纹开口的铁质结构。
所述的基坑支护结构包括挡土结构和支撑结构，挡土结构连接在滑动螺栓上使其固定在试验箱上。
所述的传感器包括应变片、压力传感器和距离传感器，应变片均匀布设在挡土结构两侧，压力传感器均匀布设在挡土结构侧面，距离传感器按照安装在模型箱外框架顶端。
所述的导轨上自由移动可滑动螺栓至所需位置；将试验所用的挡土结构与可滑动螺栓侧面通过胶水连接，利用滑轨将其运送到设计位置后将螺丝拧入可滑动螺栓开口中利用滑轨与可滑动螺栓之间的摩擦力固定。
所述的挡土结构宽度与模型箱内侧宽度相同，并采用止砂条沿挡土结构和模型箱间的缝隙粘贴。
利用本发明装置进行相邻基坑异步开挖模拟试验方法，包括如下步骤：
1)将试验所用的挡土结构安装在可滑动螺栓上，利用滑轨将其运送到设计位置并使用螺丝拧入可滑动螺栓预留开口位置；
2)将现场土样经晒干碾碎处理后按照实际含水率配比分层压实均匀填入模型箱内使土体强度固结至试验标准；
3)在基坑的开挖前，连接测量仪器，获取应变片、土压力传感器、千分表的读数，作为基坑开挖的初始值；
4)从挡土结构间分层取土，模拟实际基坑工程中的开挖过程；模拟相邻基坑在不同开挖工况下地下连续墙变形，所受土压力以及沉降的变化。
进一步地，传感器包括应变片、压力传感器和距离传感器，应变片按照一定间距均匀布设在挡土结构两侧，压力传感器按照一定间距均匀布设在挡土结构侧面，距离传感器按照一定间距安装在模型箱外框架顶端；
进一步地，导轨上可以自由移动滑块至所需位置；
进一步地，所述模型箱外框架由钢条和钢板焊接而成；
进一步地，所述模型箱底板和反力板为钢板；
进一步地，所述顶框由钢条焊接而成；
进一步地，所述模型箱底座由工字钢和钢条焊接拼成；
进一步地，所述挡土结构宽度与模型箱内侧宽度相同，并采用止砂条沿挡土结构和模型箱间的缝隙粘贴；
本发明申请实施例中提供的一种相邻基坑开挖模型试验的模型箱，将两个基坑的围护结构模型放置于箱体内，根据实际工程尺寸选取合适材料做为模型结构材料，按照实际地质情况，填筑实际土体于模型箱内，使得围护结构完全埋置于土体内
本发明的有益效果在于：本发明的相邻基坑异步开挖模拟试验装置和试验方法，通过设置模拟相邻基坑开挖，能够有效的模拟相邻基坑工程开挖的各种工况，使模型试验更加符合实际工程中的变化，从而使模型试验更加符合科学性和具有可操作性
本发明可以较好的模拟相邻基坑不同开挖工况下基坑变形和对周边土体的影响，实现同种装置不同开挖工况下对试验模型变形和土压力进行测量，为相邻基坑工程开挖研究提供室内试验数据，并为相关工程设计和施工提供一定参考意见。
附图说明
图1为本发明实施例的一种结构示意图；
图2为本发明实施例可进行相邻基坑异步开挖的模拟试验装置左侧侧视图；
图3为本发明实施例可进行相邻基坑异步开挖的模拟试验装置俯视图；
图4为本发明实施例中支护结构中挡土结构与支撑结构连接结构示意图；
图5为本发明实施例中导轨系统中滑轨与可滑动螺栓位置和结构示意图。
图6为本发明实施例中刻度尺与透明材料固定侧板位置示意图；
图7(a)可滑动螺栓俯视图；
图7(b)可滑动螺栓侧视图。
图中各部件描述如下，模型箱1；模型箱外框架1-2；模型箱底板1-3；透明材料固定侧板1-4；挡土结构2；支撑结构3；应力应变采集系统4；距离传感器5-1；应变传感器5-2；土压力传感器5-3；滑轨6-1；可滑动螺栓6-2；土体7；刻度尺8。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。在本申请的描述中方位术语仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或在暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本发明实施例的一方面，提供一种如图1和图2所示的相邻基坑开挖试验模型箱，在模型箱体1安装时将模型箱外框架(1-2)与底板(1-3)焊接，如图6所示，将透明材料固定侧板(1-4)安装在模型箱外框架(1-2)侧面，确保框架整体的承载稳定性。具体的，所述透明材料固定侧板(1-4)选择钢化玻璃作为透明材料固定侧板(1-4)的材料，模型箱外框架(1-2)和底板(1-3)使用8mm钢板制成，通过焊接连接，实施例中外框架由50mm×50mm×5mm的方钢焊接，框架尺寸为2.5m×1.5m×0.7m，钢化玻璃尺寸为2500mm×1500mm×10mm。如图4和图5所示，导轨与模型箱顶部通过焊接连接，在导轨上安装有可滑动的螺栓(6-2)。所述滑轨(6-1)采用6mm钢材制成凹槽状，如图5所示，可以将可滑动螺栓(6-2)放进滑轨(6-1)中卡住并使用螺丝固定在滑轨上。实施例中挡土结构(2)选用有机玻璃，挡土结构(2)的宽度与模型箱内侧宽度相同，具体尺寸为700mm×1000mm×10mm。
在一实施例中，可滑动螺栓(6-2)如图7所示，可滑动螺栓顶面中间开口带有螺纹，可以将螺丝拧入。具体的，可滑动螺栓(6-2)长为6mm，宽为10mm，顶面中间的螺纹开口直径为4.8mm。
在一实施例中，如图2中所示，挡土结构(2)与可滑动的螺栓(6-2)相连接可在滑轨(6-1)中自由滑动，可以依据实际基坑工程的基坑间距调整挡土结构(2)间距并且调整两个基坑模型间的距离，提高了模型试验材料的重复利用率。具体的，在一实施例中的模型箱内放置四块挡土结构(2)，挡土结构(2)之间间距42cm，两基坑模型间距22cm。
在一实施例中，两挡土结构(2)之间通过支撑结构模型连接，连接结构如图4所示，支撑结构(3)模型的长度与两挡土结构(2)间的距离一致，同时支撑结构的尺寸需满足对实际工程支撑的反算，即支撑结构必须能够与挡土结构(2)连接牢固起到与实际支撑相同的作用，因此采用胶接的方式进行连接。支撑结构(3)具体的尺寸为10mm×10mm×420mm。
在一实施例中，如图6所示，刻度尺(8)安装在透明材料固定侧板(1-4)上，以达到可通过透明材料固定侧板(1-4)观察箱体内土体(7)和挡土结构(2)的变化情况。具体的，刻度尺长1.5m，可测量范围为0至1.5m，最小测量单位1mm。
结合上述试验装置本实施例中的另一方面，提供的一种相邻基坑开挖模拟试验方法作进一步详细说明。本实施例的相邻基坑同步和异步开挖模拟试验方法，包括如下步骤：
在模型箱内壁贴聚乙烯薄膜，聚乙烯薄膜一方面可以减少土体与模型箱箱壁的摩擦以及边界效应，另外在聚乙烯薄膜上清晰地标注填土高度，便于准确确定填土密度。
在一实施例中，传感器应具备实时测量功能，能够准确及时测量试验数据，在安装布设传感器时根据模型尺寸均匀布置，具体的，如图3所示，安装距离传感器(5-1)在模型箱上方，间隔20cm；如图2所示，沿地连墙模型中心每5cm布置一组应变传感器(5-2)在挡土结构(2)上，共布置一列；在挡土结构(2)的开挖区域外侧竖向间隔10cm布置一列土压力传感器(5-3)在土体(7)中；，应力应变采集系统(4)与距离传感器(5-1)、应变传感器(5-2)，土压力传感器(5-3)通过导线连接。
将挡土结构(2)与可滑动的螺栓连接，保证挡土结构竖直，使用止水橡胶带将缝隙封死，将现场土样晒干粉碎，配制与场地相近的含水率向模型箱中填土，每填100mm压实一遍。填土完成后在上面用湿布覆盖待土体在模型箱中固结，试验时取土体进行室内试验，测试并控制其黏聚力，含水量，内摩擦角等指标使这些指标与现场情况相近。结束后取土样测试，分析其指标是否达到本次室内模型试验的相关要求。
在基坑的开挖前，连接测量仪器，获取应变片、土压力传感器、千分表的读数，作为基坑开挖的初始值。
开挖基坑时，使用开挖设备进行小心开挖，尽量减少对土层的产生的扰动。按照基坑开挖设计步骤依次开挖，当实际工程是相邻基坑同步开挖时，在模型箱中的两开挖区域也同时进行开挖，当相邻基坑异步开挖时，先开挖一个基坑，在先基坑开挖底部与后开挖基坑形成一定的开挖高度差时开挖后开挖基坑，并保持开挖高度差至开挖结束。相邻基坑开挖时严格控制开挖高度，使用距离传感器(5-1)测量开挖高度，在达到预计高度时停止开挖，将支撑结构(3)安装在挡土结构(2)上，保证支撑结构(3)与挡土结构(2)紧密接触。使用以上开挖-支撑的步骤依次开挖相邻基坑，同时注意两者开挖高度差在开挖过程中保持一致。通过应变传感器(5-2)采集挡土结构的弯矩变化、土压力传感器(5-3)采集土体土压力变化、距离传感器采集挡土结构的位移变化和周边地表沉降，使用应力应变采集系统(4)记录基坑变形数据。
本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (9)
1.一种相邻基坑异步开挖模拟试验装置，其特征是，包括模型试验箱、导轨、量测系统和基坑支护结构；模型试验箱为开口方向竖直向上的箱体；导轨设置在箱体顶端；基坑支护结构放置在箱体内，箱体分隔成若干区域以模拟基坑；量测系统设置在箱体外侧，用于实时测量数据。
2.如权利要求1所述的试验装置，其特征是，模型试验箱由模型箱外框架、透明材料固定侧板和模型箱底板组成；模型箱外框架的底部通过焊接固定在模型箱底板上，将透明材料固定侧板安装在所述模型箱外框架上；模型试验箱固定在模型箱底座上。
3.如权利要求1所述的试验装置，其特征是，量测系统包括刻度尺、应力应变采集系统、传感器；刻度尺粘贴在透明材料固定侧板上；应力应变采集系统与传感器通过导线相连水平放置在模型箱外。
4.如权利要求1所述的试验装置，其特征是，导轨由滑轨和若干滑动螺栓组成，滑轨通过焊接在模型箱外框架顶端上面，滑动螺栓放置在滑轨上。
5.如权利要求1所述的试验装置，其特征是，基坑支护结构包括挡土结构和支撑结构，挡土结构连接在滑动螺栓上使其固定在试验箱上。
6.如权利要求3所述的试验装置，其特征是，传感器包括应变片、压力传感器和距离传感器，应变片均匀布设在挡土结构两侧，压力传感器均匀布设在挡土结构侧面，距离传感器按照安装在模型箱外框架顶端。
7.如权利要求1所述的试验装置，其特征是，导轨上自由移动滑动螺栓至所需位置；将试验所用的挡土结构与滑动螺栓侧面通过胶水连接，利用滑轨将其运送到设计位置后将螺丝拧入滑动螺栓开口中利用滑轨与滑动螺栓之间的摩擦力固定。
8.如权利要求1所述的试验装置，其特征是，挡土结构宽度与模型箱内侧宽度相同，并采用止砂条沿挡土结构和模型箱间的缝隙粘贴。
9.利用权利要求1的装置进行相邻基坑异步开挖模拟试验方法，其特征是：
1)将试验所用的挡土结构安装在可滑动螺栓上，利用滑轨将其运送到设计位置并使用螺丝拧入可滑动螺栓预留开口位置；
2)将现场土样经晒干碾碎处理后按照实际含水率配比分层压实均匀填入模型箱内使土体强度固结至试验标准；
3)在基坑的开挖前，连接测量仪器，获取应变片、土压力传感器、千分表的读数，作为基坑开挖的初始值；
4)从挡土结构间分层取土，模拟实际基坑工程中的开挖过程；模拟相邻基坑在不同开挖工况下地下连续墙变形，所受土压力以及沉降的变化。
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