CN207703643U - 深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置 - Google Patents

Abstract

一种深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置，装置框架包括矩形开口、弹簧支座滑道和弧形沟槽，矩形开口位于装置主体左右两侧，每侧各有上下设置至少两个矩形开口；管道滑动平台包括滑槽、管道支架和套筒，滑槽位于矩形开口上下端，管道支架可滑动地位于滑槽内，套筒内嵌入管道支架所设圆环内，埋地管道的两端分别位于左右套筒内；弹簧支座滑道位于装置框架前端中间部位，弧形沟槽设在装置框架底端中间；支护结构包括弹簧支座、弹簧和挡土板。本实用新型可模拟在深基坑失稳的情况，对邻近不同位置、不同直径的埋地管道所造成的影响，测量、分析埋地管道在试验过程中的应变特征和破坏过程，为埋地管道破坏成因提供试验依据。

Description

深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种管道运输行业中的模拟试验装置，具体的说是一种模拟深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置。

背景技术

管土相互作用物理模型试验属于岩土工程模型试验的范畴，其理论起源于20世纪初期建立的结构模型试验，目前已逐渐发展并延伸出管土相互作用现场模型试验、管土相互作用框架式模型试验、管土相互作用离心模型试验和管土相互作用综合模型试验等诸多研究方向。其中，管土相互作用框架模型试验是指在通常的重力场内，通过在框架模型槽内采用满足相似判据的相似材料制作模型，在模型满足主要边界条件相似的情况下测量其变形和各力学特性参数。该试验既能直观地观察到滑体在滑动过程中的运动特征，也能定量的获得管道与土体的应力、应变、位移等参数，可从定性和定量的角度阐明管土相互作用的机制。

在管土相互作用框架式模型试验情况下，管土相互作用一般是在外力条件下发生的现象。外力作用的方式主要有：机械振动或爆破形式模拟的地震波；降雨模拟器模拟降雨条件下的渗流作用；人工堆载的方式在武力模型顶端提供土体重力。

根据以上技术背景，本实用新型模拟深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的过程主要存在如下局限和缺陷：

(1)现在位置控制系统无法达到明确控制效果，且结构复杂、成本高、操作繁琐，难以满足快速、精确的管道位置控制的要求；

(2)土体内部应力、应变复杂，因各种因素而导致基坑失稳的情况不易模拟；

(3)模拟深基坑失稳过程存在尺寸效应和边界效应。

发明内容

为了克服已有技术中无法模拟深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的不足，本实用新型提供一种能够模拟深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置。利用这种装置，可模拟在深基坑失稳的情况，对邻近不同位置、不同直径的埋地管道所造成的影响，测量、分析埋地管道在试验过程中的应变特征和破坏过程，为埋地管道破坏成因提供试验依据。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置，包括装置框架和支护结构，所述装置框架包括用于安装管道滑动平台的矩形开口、弹簧支座滑道和用于安装挡土板的弧形沟槽，所述矩形开口位于装置主体左右两侧，每侧各有上下设置至少两个矩形开口；所述管道滑动平台包括滑槽、管道支架和套筒，所述滑槽位于矩形开口上下端，所述管道支架可滑动地位于滑槽内，所述套筒内嵌入管道支架所设圆环内，埋地管道的两端分别位于左右套筒内；所述弹簧支座滑道位于装置框架前端中间部位，所述弧形沟槽设在装置框架底端中间；所述支护结构包括弹簧支座、弹簧和挡土板，所述弹簧支座安装入弹簧支座滑道中，可沿弹簧支座滑道滑动，所述弹簧的一端安装在弹簧支座上，所述弹簧的另一端顶触在所述挡土板上，所述挡土板底端与弧形沟槽相贴合，所述挡土板竖立在装置框架中间。

进一步，所述支护结构还包括滑片，所述滑片位于弹簧支座上，可沿弹簧滑槽上下滑动，所述弹簧安装在滑片上。

再进一步，所述管道支架置于管道滑动平台中，管道支架下端与轴承相切。

更进一步，所述试验装置还包括位置控制系统，所述位置控制系统包括卡锁，管道支架上端设有等距圆孔，作为控制位置的尺寸孔，所述卡锁可插入管道滑动平台上端滑槽中间留置的圆孔中，连接尺寸孔，起到固定管道支架和控制管道位置的作用。

所述试验装置还包括移动装置，所述移动装置由轮台和滑轮组装而成，四个轮台分别位于装置框架底端的四个角端，滑轮安装在轮台中。

所述管道滑动平台中，上、下端滑槽相距距离接近管道支架的高度。

所述手推杆设在装置框架后端。

本实用新型的有益效果主要表现在：

(1)该试验装置可应用于管土相互作用框架式模型试验，通过挡土板的不同拆卸方式来模拟深基坑失稳，引起管土相互作用；

(2)该试验装置结构简单，易于操作，可在深基坑物理模型顶端放置轻质板，在轻质板上叠加适量的砝码，以达到试验对荷载要求；

(3)该试验装置的位置控制系统构造简易，在一定程度上可精准控制埋地管道的位置；

(4)该试验装置不但可以模拟深基坑失稳对邻近埋地管道造成的影响，还可以模拟深基坑开挖对邻近埋地管道造成的影响，也可以研究深基坑失稳的情况下，管径、管道位置等因素对试验结果的影响；

(5)该试验装置构件强度高、刚度大，构件出现破坏的可能性很低，即便出现损坏，也易于修理或更换；

(6)该试验装置的支护结构能够高度模拟深基坑的支护结构，通过更换不同弹簧来改变支护力度和改变弹簧的高度，可以模拟不同的基坑支护方式。

(7)该试验装置的挡土板被四个螺母固定，拆卸下端螺母，可以模拟支护结构下端首先被破坏的过程。拆下上端螺母，可以模拟支护结构上端首先被破坏的过程。完全拆卸挡土板，可以模拟深基坑完全失稳的过程。

(8)该试验装置可作为岩土工程模型试验的参考对象，成本低，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的立体结构示意图

图2为图1的左视图

图3为图1的俯视图

图4为图1的仰视图

图5为装置框架构造图

图6为管道承载平台构造图

图7为弹簧支座构造图

图8为管道支架构造图

图中：1—装置框架，2—手推杆，3、8—螺母，4—套筒，5—卡锁，6—埋地管道，7—管道支架，9—弹簧，10—弹簧支座，11—螺钉，12、16、19、20、21、25—螺孔，13—轴承，14—轮台，15—滑轮，17—上端滑槽，18—下端滑槽，22—弧形沟槽，23—滑片，24—弹簧滑槽，26—挡土板，27—尺寸孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图8，一种深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置，包括装置框架、位置控制系统、支护结构和移动装置。

为充分利用试验装置的空间，装置框架1设计三层管道滑动平台，三层管道滑动平台相距300mm，宽度为400mm，可保证埋地管道6在试验装置内具备足够的移动空间，能够最大化实现埋地管道6的不同位置。

管道支架7安装在管道滑动平台中，被上端滑槽17和下端滑槽18限制自由度，通过轴承13的滑动作用，可沿着滑槽17、18实现左右水平滑动。管道支7中间设有直径为140mm的圆环，套筒4可嵌入圆环中，套筒4具有多种型号，每种型号的外径都为140mm，内径接近埋地管道6的外径，便于埋地管道6的插入。以上操作完成后，可以实现埋地管道在管道滑动平台中滑动。管道支架7上部设有15个圆孔，间距为20mm，可作为尺寸孔27，上端滑槽17中间位置设有圆孔，卡锁5可通过圆孔，插入尺寸孔27中，实现固定埋地管道，并较精准地确定埋地管道的位置，避免肉眼定位的弊端，减小误差，让实验结果更具说服力。

本实用新型主要针对于单侧深基坑失稳的模拟，单侧深基坑失稳的形式主要包括：圆弧滑动、顶部倾倒、底部向外移动、墙体平移。为更加真实模拟基坑失稳过程中所受到支护强度的变化，本实用新型引入弹簧的弹性力，针对深基坑失稳的不同形式，具体操作如下：

(1)圆弧滑动：在深基坑物理模型顶部后缘部位放置轻质板，轻质板上叠加适量砝码。使用螺钉11插入螺孔25、12，在合适位置固定弹簧支座10。采用弹性系数适宜的弹簧9安装在滑片23上，移动滑片23，将弹簧9调节至较低位置，抵触挡土板26的下缘部位，卸除螺孔19、21处的螺母，挡土板26上端被螺母固定，下端失稳，在后缘砝码的压力下，将发生圆弧滑动。

(2)顶部倾倒：使用螺钉11插入螺孔25、12，在合适位置固定弹簧支座10。采用弹性系数适宜的弹簧9安装在滑片23上，移动滑片23，将弹簧9调节至弹簧支座10的中间位置，抵触挡土板26的中间部位。卸除螺孔16、20处的螺母，挡土板26下端被螺母固定，上端失稳，将发生顶部倾倒。

(3)底部向外移动：使用螺钉11插入螺孔25、12，在合适位置固定弹簧支座10。采用弹性系数适宜的弹簧9安装在滑片23上，移动滑片23，将弹簧9调节至弹簧支座10的上端位置，抵触挡土板26的中间部位。卸除螺孔19、21处的螺母，挡土板26上端被螺母固定，下端失稳，将发生底部向外移动。

(4)墙体平移：使用螺钉11插入螺孔25、12，在合适位置固定弹簧支座10。采用弹性系数适宜的弹簧9安装在滑片23上，移动滑片23，将弹簧9调节至弹簧支座10的中间位置，抵触挡土板26的中间部位。卸除螺孔16、19、20、21处的螺母，除了弹簧力和土体产生的侧向压力，挡土板26不受任何约束，将发生墙体移动。

本实用新型模拟深基坑失稳(顶部倾倒)情况下对邻近管道造成影响的试验过程大致如下：

第一部分、前期准备

1、针对研究需求，依据相似原理，拟定概化后的管土相似模型；以相似材料试验结果为标准，配制土体相似材料；

2、采购管道、应变片传感器、应变片等材料。

第二部分、装置的调节与固定

3、管道支架7安装在管道滑动平台中，套筒4嵌入管道支架7留置的圆环中；

4、将植入应变片的埋地管道6安装入相应型号的套筒4中，确定埋地管道6的位置后，用卡锁5插入上端滑槽留置的圆孔和尺寸孔13中，固定埋地管道6；

5、没有安装埋地管道的管道滑动平台暂时安装长宽厚规格与管道支架相同的挡土板；

6、按下轮台14中的轮刹，固定试验装置。

7、使用螺母，通过螺孔16、19、20、21固定挡土板26。

8、将弹簧支座10安装入弹簧支座滑道中，滑片23安装在弹簧支座10上，弹簧9安装在滑片23上，调节弹簧9的位置，令弹簧9抵触在挡土板26的中间位置。

9、使用螺母，将弹簧支座10固定在弹簧支座滑道中的合适位置。

10、在装置管道滑动平台和挡土板26之间的封闭空间抹润滑油，减少边界效应，将配制好的土体分层(厚度50mm)填入其中，每填入一层，使用标配的夯板轻微夯实土体，直到土体厚度满足试验要求，在填入土体的过程中尽量不扰动埋地管道6。

第三部分、试验监测

11、埋地管道6内部植入的应变片连接应变片传感器，主要收集管道变形数据。

12、卸除螺孔16、20处的螺母，令挡土板26上端部位失去约束。

13、土体产生侧压力，发生变形，引发管土相互作用。

14、记录埋地管道6位置，收集应变片传感器数据，留作分析。

四、试验结束

15、依次卸除弹簧支座10、弹簧9、滑片23、挡土板26，便于清理土体。

16、依次卸除埋地管道6、管道支架7、套筒4。

17、清洗试验装置零部件，使用干燥抹布擦干，保持清洁。

18、将试验装置推到适宜环境存放，有条件的情况下，宜抹油防锈。

本实用新型的核心在于埋地管道的位置控制系统和支护结构，可以实现埋地管道6置于基坑土体内部不同的位置，便于研究在深基坑失稳的情况下，埋地管道6的位置对其的影响。除此之外，也可以研究在深基坑失稳的情况下，埋地管道6的管径对其的影响，实现多功能化。结合现场深基坑的失稳形式，本实用新型使用挡土板、弹簧支座、弹簧构造成的简单结构，基本能够模拟单侧深基坑失稳的四种形式，既高效，成本低，使用范围广泛，可以应用于模拟多种基坑失稳等情况。

Claims (6)

1.一种深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置，其特征在于：包括装置框架和支护结构，所述装置框架包括用于安装管道滑动平台的矩形开口、弹簧支座滑道和用于安装挡土板的弧形沟槽，所述矩形开口位于装置主体左右两侧，每侧各有上下设置至少两个矩形开口；所述管道滑动平台包括滑槽、管道支架和套筒，所述滑槽位于矩形开口上下端，所述管道支架可滑动地位于滑槽内，所述套筒内嵌入管道支架所设圆环内，埋地管道的两端分别位于左右套筒内；所述弹簧支座滑道位于装置框架前端中间部位，所述弧形沟槽设在装置框架底端中间；所述支护结构包括弹簧支座、弹簧和挡土板，所述弹簧支座安装入弹簧支座滑道中，可沿弹簧支座滑道滑动，所述弹簧的一端安装在弹簧支座上，所述弹簧的另一端顶触在所述挡土板上，所述挡土板底端与弧形沟槽相贴合，所述挡土板竖立在装置框架中间。

2.如权利要求1所述的深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置，其特征在于：所述支护结构还包括滑片，所述滑片位于弹簧支座上，可沿弹簧滑槽上下滑动，所述弹簧安装在滑片上。

3.如权利要求1或2所述的深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置，其特征在于：所述管道支架置于管道滑动平台中，管道支架下端与轴承相切。

4.如权利要求3所述的深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括位置控制系统，所述位置控制系统包括卡锁，管道支架上端设有等距圆孔，作为控制位置的尺寸孔，所述卡锁可插入管道滑动平台上端滑槽中间留置的圆孔中，连接尺寸孔，起到固定管道支架和控制管道位置的作用。

5.如权利要求1或2所述的深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括移动装置，所述移动装置由轮台和滑轮组装而成，四个轮台分别位于装置框架底端的四个角端，滑轮安装在轮台中。

6.如权利要求1或2所述的深基坑失稳对邻近埋地管道造成影响的物理模型试验装置，其特征在于：手推杆设在装置框架后端。