CN207998878U - 离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统，包括模型箱、隧道模型组件以及驱动该组件的第一步进电机；模型箱顶部通过撑板、侧板安装有一组线性滑台，线性滑台上安装有滚珠丝杆、第二步进电机和行星减速机，滚珠丝杆上套装有螺母滑块，螺母滑块内端固定有立轴安装块，立轴两端分别插装在立轴安装块中和撑板内端，缓冲弹簧套装在立轴上部；撑板内端下方安装有位移测量仪，立轴下端固定连接有力传感器，力传感器下端固定连接有单桩；第一、第二步进电机以及位移测量仪、力传感器分别与数据采集控制仪连接，数据采集控制仪与控制电脑连接。本实用新型真实模拟隧道开挖土层损失对群桩基础的影响，从而预测和分析隧道开挖过程中对邻边桩基础结构的影响。

Description

离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统

技术领域：

本实用新型属于隧道开挖对桩基础影响模拟技术领域，具体涉及一种离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统。

背景技术：

随着经济发展，很多城市都面临着地上交通拥堵的情况，为了缓解地上交通拥堵所带来的压力，地下空间的利用就显得尤为重要，其中被广泛采用的解决方法是开挖地铁。地铁隧道的开挖不可避免的会产生隧道周围地层的损失，所谓底层损失就是在隧道开挖过程中对开挖前方的土层造成的扰动以及开挖结束以后隧道支护的形变和土层长期固结所带来的土层的沉降。特别是在城市地铁施工过程中，由于受到地下空间开挖的限制，很多地铁开挖不得不穿越高层桩基础结构的下方或者邻边。隧道开挖所造成的土层沉降，也就不可避免的会对上层桩基础或者邻边桩基础产生或多或少的影响。因此，研究隧道开挖对桩基础的影响对于评估隧道开挖安全以及高层建筑的安全是非常重要的。在所有研究方法中(数值模拟，现场检测，土工离心机)，土工离心机技术已经被广泛应用在很多高校和研究所，也是被广泛认可的一种研究方法。其原理是通过离心机加速使得模型的重度变大，这样就可以用模型模拟原型的应力分布从而实现与原型相似的应力应变变化。其优点相比于数值模拟是可以更准确的模拟真实复杂的土层结构，相比于现场检测可以更高效更快捷的进行数据采集和分析。

现阶段在土工离心机的模拟中，对桩基础的模拟很少考虑到上层结构刚度对桩土相互作用的影响，对上层结构的模拟主要以刚性连接(桩之间紧密连接，相互之间无法产生形变)独立安装(桩之间没有连接)柔性连接(桩之间用铝板连接，通过变换铝板的厚度实现对上层结构刚度的模拟)为主要方法。

发明内容：

本实用新型提供一种离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统，真实模拟上层结构的形变与隧道开挖导致的土层损失这两个因素对于群桩基础应力应变的影响，从而预测和分析隧道开挖过程中对邻边桩基础结构的影响，对于研究和预测隧道开挖对邻边建筑物结构安全的影响提供了新的研究方法。

本实用新型的技术解决方案是：一种离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统，包括由安装在离心机上的模型箱，模型箱中设有的隧道模型组件以及驱动隧道模型组件工作的第一步进电机构成的离心场中隧道地层损失模拟系统，其特征在于：所述模型箱的顶部水平固定有撑板，撑板的外端固定有侧板，所述侧板的内侧并排垂直安装有一组线性滑台，所述线性滑台上均垂直安装有滚珠丝杆，所述线性滑台的顶端均安装有第二步进电机和行星减速机，所述第二步进电机通过行星减速机驱动滚珠丝杆旋转；所述滚珠丝杆上套装有螺母滑块，通过滚珠丝杆带动螺母滑块沿线性滑台上的直线导轨上下运动；所述螺母滑块的内端固定有立轴安装块，中部带有环形凸台的立轴的上部插装在立轴安装块中，立轴的下部插装在撑板内端设有的直线轴承中，缓冲弹簧套装在立轴的上部，且缓冲弹簧的两端分别抵在环形凸台和立轴安装块上；所述撑板内端的下方安装有位移测量仪，且位移测量仪的下端连接有伸长片；所述立轴的下端固定连接有力传感器，力传感器的下端固定连接有单桩，所述伸长片与单桩顶端的基准面平齐固定连接；所述第一步进电机、第二步进电机、位移测量仪、力传感器分别与数据采集控制仪连接，所述数据采集控制仪与外部控制电脑连接。

相比于现有技术，本实用新型具有以下优点和效果：

1、自由度高，可以根据试验需求改变群桩基础数量和相对位置。

2、上层结构刚度通过计算机模拟，相对于传统改变铝合金板厚度的方法可以更加快捷便利的对结构刚度进行改变和设定。

附图说明

图1显示本实用新型后部结构的立体示意图，

图2显示本实用新型前部结构的立体示意图，

图3显示本实用新型单桩模型组件整体结构的前视图，

图4显示本实用新型单桩模型组件整体结构的侧面剖视图，

图5显示本实用新型模拟过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、2、3、4、5和具体实施例对本实用新型进行详细说明

一种离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统，包括由安装在离心机上的模型箱1，模型箱1中设有的隧道模型组件2以及驱动隧道模型组件2工作的第一步进电机3构成的离心场中隧道地层损失模拟系统。所述模型箱1的顶部水平固定有撑板4，撑板4的外端固定有侧板5，所述侧板5的内侧并排垂直安装有四个线性滑台9，所述线性滑台9上均垂直安装有滚珠丝杆6，所述线性滑台9的顶端均安装有第二步进电机7和行星减速机8，所述第二步进电机7通过行星减速机8驱动滚珠丝杆6旋转；所述滚珠丝杆6上套装有螺母滑块10，通过滚珠丝杆6带动螺母滑块10沿线性滑台9上的直线导轨上下运动；所述螺母滑块10的内端固定有立轴安装块11，中部带有环形凸台13的立轴12的上部插装在立轴安装块11中，立轴12的下部插装在撑板4内端设有的直线轴承14中，缓冲弹簧15套装在立轴12的上部，且缓冲弹簧15的两端分别抵在环形凸台13和立轴安装块11上；所述撑板4内端的下方安装有位移测量仪16，且位移测量仪16的下端连接有伸长片19；所述立轴12的下端固定连接有力传感器17，力传感器17的下端固定连接有单桩18，所述伸长片19与单桩18顶端的基准面平齐固定连接；所述第一步进电机3、第二步进电机7、位移测量仪16、力传感器17分别与数据采集控制仪20连接，所述数据采集控制仪20与外部控制电脑21连接。

所述离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统的模拟方法，包括四个阶段，分别是土层固结阶段，单桩预先施加应力阶段，群桩基础与隧道地层损失相互作用(桩土相互作用)阶段以及后期数据处理阶段。具体步骤如下：

第一步：将实验所需要的土样放入模型箱内部，离心机开始转动加速时保持第一步进电机3、第二步进电机7供电但不输入任何信号确保所有步进电机不发生任何转动；当离心机转速达到实验所要求转速时，通过停止增加离心机转速，等待一定时间后，再降低离心机转速，再等待一定时间后，重新让离心机加速到实验所要求转速，完成土层固结阶段的模拟；

第二步：当模型箱内加速度再次达到实验要求后，通过外部控制电脑21控制数据采集控制仪20第一次向第二步进电机7发出脉冲信号，第二步进电机7转动通过滚珠丝杆6带动螺母滑块10沿线性滑台9上的直线导轨向下运动压缩缓冲弹簧15驱使每个单桩18深入土层中，随着单桩向下运动的位移增加，土层施加的反向压力也会随之增加，当单桩18底部土层向单桩施加的反向压力通过力传感器17检测达到实验设定的压力后，外部控制电脑21控制数据采集控制仪20停止向第二步进电机7发出脉冲信号，第二步进电机7停止转动，与此同时，外部控制电脑21通过数据采集控制仪20和位移测量仪16记录单桩18竖直方向的位移，从而单桩预先施加应力步骤结束，此步骤的目的是模拟真实桩基础的应力分布；

第三步：外部控制电脑21通过数据采集控制仪20向第一步进电机3发出脉冲信号，使第一步进电机3转动一定角度，第一步进电机3带动隧道模型组件2工作导致隧道模型收缩，从而驱使隧道模型周围土层向隧道模型附近收缩靠拢，单桩18底部土层向单桩施加的反向压力也会随之减小，为了重新达到应力的平衡，外部控制电脑21控制数据采集控制仪20第二次向第二步进电机7发出脉冲信号，从而驱使单桩18再次向下移动增加单桩底部的反作用力直至通过力传感器17检测达到应力平衡，与此同时，通过离心场中隧道地层损失模拟系统计算得出隧道模型周围土层损失数据，通过位移测量仪16、力传感器17测量出由于隧道模型收缩所导致的单桩的位移数据以及应力数据，此位移数据立即输入外部电脑21中；在此过程中，由于群桩基础的每一根单桩18的位移和应力都受到了上层结构刚度的影响，所以每一根独立的单桩18所受到的应力会通过上层结构相互传递从而产生相应的位移和应力变化，外部电脑21通过数值模拟分析计算出由群桩上层结构引起的重新分配后的每一根独立单桩所需要再次施加的压力，此上层结构数值模拟，通过有限元软件ABAQUS进行分析，上层结构的刚度刚性以及尺寸大小几何结构可根据实验需要在有限元软件中进行修改；

外部电脑21通过控制数据采集控制仪20第三次向第二步进电机7发出脉冲信号，驱使单桩18再次向下移动，直至所需施加应力通过力传感器17检测达到外部电脑21通过数值模拟分析计算出由群桩上层结构引起的重新分配后的每一根独立单桩所需要再次施加的应力为止；与此同时，单桩18又会产生相应的位移，外部控制电脑21通过数据采集控制仪20和位移测量仪16、记录单桩18的竖直方向的位移，此位移数据会再次通过外部控制电脑21导入到原先建立好的数值模拟上层机构当中去，从而计算出由群桩上层结构引起的重新分配后的每一根独立单桩所需要再次施加的应力；外部电脑21通过控制数据采集控制仪20第四次向第二步进电机7发出脉冲信号，驱使单桩18再次向下移动，直至所需施加应力达到外部电脑21通过数值模拟分析计算出由群桩上层结构引起的重新分配后的每一根独立单桩所需要再次施加的应力为止；

如上往复循环，直至通过力传感器17测量得到的每一根单桩18的应力与有限元分析计算的应力差值小于设定值为止；至此桩土相互作用模拟阶段结束，得到第一组桩土相互作用模拟数据；

第四步：外部控制电脑21通过数据采集控制仪20向第一步进电机3再次发出脉冲信号，使第一步进电机3再次转动一定角度，第一步进电机3带动隧道模型组件2工作导致隧道模型进一步收缩，从而驱使隧道模型周围土层向隧道模型附近进一步收缩靠拢；重复第三步循环过程，得到第二组桩土相互作用模拟数据；此过程会随着隧道模型周围土层收缩的增加往复循环，直至实验所需要的地层损失达到为止。

第五步：通过对实验得到的隧道模型周围土层损失数据，桩土相互作用模拟数据进行后期处理分析，从而预测和分析隧道开挖过程中对邻边桩基础结构的影响。

所述离心场中隧道地层损失模拟系统的具体使用方法和详细说明参见之前的专利申请(CN201610780577.8)。

由于群桩基础的每一根单桩都与上层结构相连接，其应力应变的变化也会受到上层结构的影响。所以当每一根独立的单桩由于受到土层损失所造成的应力应变的变化也会传递给上层结构，从而通过上层结构的应力相互传递而达到新的平衡。这一过程将通过图5进行详细描述。当每一步隧道地层损失模拟未开始时，预先加载在单桩上的应力(P1-P4)没有发生变化，但是当地层损失模拟结束时，施加在单桩底部的反作用力由于受到地层损失造成的土体位移而减小了，相应的会产生单桩的下沉(单桩应力应变的变化)，为了重新达到应力的平衡，外部控制电脑会再次通过数据采集控制仪器向和四个第二步进电机发出脉冲信号，从而驱使四根单桩向下移动增加单桩底部的反作用力直至与P1-P4相等。在此过程中每一根单桩会产生U1-U4的位移。外部控制电脑通过数据采集控制仪器和位移测量仪记录了四根单桩竖直方向的位移(U1-U4)。记录的位移(U1-U4)会通过外部控制电脑导入到原先建立好的数值模拟的上层机构当中去。此上层结构数值模拟是通过有限元软件ABAQUS进行分析和建模的。假设上层结构为二维框架结构模型，结构刚度假设为弹塑形变，单元结构选择设定为CPS4R.由于实验过程中桩只能进行垂直方向的位移，水平方向被约束，因此在ABAQUS分析中结构支撑节点进行了左右位移的约束，保留垂直方向的自由度。上层结构的刚度刚性以及尺寸大小几何结构可根据实验需要在有限元软件中进行修改。此有限元对上层结构的模拟可根据真实研究情况进行修改，例如ABAQUS可以实现对高层建筑结构，框架结构的模拟。测量到的位移(U1-U4)通过外部电脑施加到有限元模型当中后，通过数值模拟上层结构计算得到重新分配好的每一根单桩上所需施加的应力(P’1-P’4)。在模拟过程中，外部控制电脑通过数据采集控制仪器再次发送脉冲信号给四个第二步进电机驱使四根单桩向下或者向上移动，从而增加或减少单桩底部的反作用力直至与有限元计算的得到的(P’1-P’4)相等。在此过程中，四根单桩又会产生相应的位移(U’1-U’4)。与此同时，外部控制电脑通过数据采集控制仪器和位移测量仪记录了四根单桩竖直方向的位移(U’1-U’4)。记录的位移(U’1-U’4)会再次通过外部控制电脑导入到原先建立好的数值模拟上层机构当中去，从而得到新的应力(P’1-P’4)。在有限元分析中，ΔP被设定为测量得到的每一根单桩的应力(P1-P4)与有限元分析计算得到的应力(P’1-P’4)的差值(ΔP＝P-P’)。随着上述过程循环次数的增加，实际测量得到的每一根单桩的应力(P1-P4)会越来越接近有限元分析得到的应力(P’1-P’4)，即ΔP的值会越来越小，当差值小于设定值后，上述循环过程停止。此设定值(ΔP)可根据实验需要自行修改，至此，群桩基础与隧道地层损失相互作用模拟步骤结束。在此过程中，群桩基础的应力应变受到了两个方面的影响：上层结构和隧道收缩导致的土层位移。此实验步骤，可以真实的模拟这两个因素对于群桩基础应力应变的影响。从而可以预测和分析在隧道开挖过程中对邻边桩基础结构的影响，对于研究和预测隧道开挖对建筑物(群桩)安全的影响提供了新的研究方法。

上述实施例，只是本实用新型的较佳实施例，并非用来限制本实用新型实施范围，故凡以本实用新型权利要求所述内容所做的等同变化，均应包括在本实用新型权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统，包括由安装在离心机上的模型箱(1)，模型箱(1)中设有的隧道模型组件(2)以及驱动隧道模型组件(2)工作的第一步进电机(3)构成的离心场中隧道地层损失模拟系统，其特征在于：所述模型箱(1)的顶部水平固定有撑板(4)，撑板(4)的外端固定有侧板(5)，所述侧板(5)的内侧并排垂直安装有一组线性滑台(9)，所述线性滑台(9)上均垂直安装有滚珠丝杆(6)，所述线性滑台(9)的顶端均安装有第二步进电机(7)和行星减速机(8)，所述第二步进电机(7)通过行星减速机(8)驱动滚珠丝杆(6)旋转；所述滚珠丝杆(6)上套装有螺母滑块(10)，通过滚珠丝杆(6)带动螺母滑块(10)沿线性滑台(9)上的直线导轨上下运动；所述螺母滑块(10)的内端固定有立轴安装块(11)，中部带有环形凸台(13)的立轴(12)的上部插装在立轴安装块(11)中，立轴(12)的下部插装在撑板(4)内端设有的直线轴承(14)中，缓冲弹簧(15)套装在立轴(12)的上部，且缓冲弹簧(15)的两端分别抵在环形凸台(13)和立轴安装块(11)上；所述撑板(4)内端的下方安装有位移测量仪(16)，且位移测量仪(16)的下端连接有伸长片(19)；所述立轴(12)的下端固定连接有力传感器(17)，力传感器(17)的下端固定连接有单桩(18)，所述伸长片(19)与单桩(18)顶端的基准面平齐固定连接；所述第一步进电机(3)、第二步进电机(7)、位移测量仪(16)、力传感器(17)分别与数据采集控制仪(20)连接，所述数据采集控制仪(20)与外部控制电脑(21)连接。