CN209703582U - 一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统，方法包括以下步骤：试验模型的制作，模型卸载、加载系统，模型监测系统。模型制作系统包括高边坡、基坑、锚碇混凝土相似材料和试验模型箱；模型试验的卸载、加载系统包括基坑模型开挖卸载、锚碇浇筑加载顺序，模型应力应变、位移监测系统包括使用应变片、土压力盒、激光位移传感器对高边坡、基坑在卸载加载过程中的应力应变、位移变化特性进行监测。本实用新型的特点是：能客观有效的反应基坑开挖、锚碇浇筑过程中邻近高边坡与基坑的相互作用。

Description

一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统

技术领域

本实用新型涉及锚锭基坑开挖过程、锚锭浇筑过程等岩土工程物理模型试验，具体涉及研究一种邻近高边坡锚锭基坑开挖、锚锭浇筑过程中基坑及边坡应力应变，位移等规律的试验系统。

背景技术

现阶段，对基坑开挖过程研究较多的是基坑施工工艺，自身的稳定性，支护结构的设计，基坑降水以及基坑开挖对周边环境的影响。基坑开挖对周边环境的影响研究较多的对象主要是基坑附近建筑物，管线，既有隧道等，但紧邻基坑高边坡的工程研究相对较少，邻近岩质边坡可能会因基坑开挖卸荷等影响导致边坡稳定性发生变化，最终可能发生滑坡，从而影响基坑开挖施工安全。

锚锭基坑施工包括基坑开挖以及基坑锚锭浇筑过程，这两个阶段卸载、加载过程对于基坑和边坡周边岩土体应力重分布影响较大，监测此阶段施工中基坑与边坡应力、应变及位移变化并找出边坡与基坑相互影响规律对于基坑开挖施工安全具有重要意义。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统；其模型浇筑采用分步浇筑法，使得模型结构完整、整体性好、模型形貌易于控制、制作过程简单高效。整个应力应变监测过程采用静态测试系统，灵敏度、采样率高，可准确的测量并记录各种模型的应变应力值。位移监测采用非接触测量的激光位移传感器，高频高精度，操作简便，能直接反应邻近高边坡基坑开挖过程中两者相互作用影响的规律。

为解决上述问题所采用的技术方案是：一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统，其特征在于；具有锚锭基坑，激光位移传感器，应变片，土压力盒；将应变片、土压力盒布置在基坑边坡顶部到边坡底部、坡脚、基坑周边地表及岩体中；将多个激光位移传感器安装在整个模型的外围，并将激光位移传感器固定，保持激光位移传感器在加载卸载过程中与模型之间的相对位置不变。

根据本实用新型所述一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统，其特征在于；整个基坑长约90m，宽约65m，深约20m，则整个基坑应力重分布影响范围长210m，宽为185m，按照模型试验长度相似比，取1:100，整个实验模型的基坑长为90cm，宽为65cm，模型总长为210cm，宽为185cm，模型边坡局部高度为80cm，基坑局部高度为50cm。

根据本实用新型所述一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统，其特征在于；根据设计及边坡防护要求，基坑竖向共分6层；基坑长边方向上锚锭浇筑分为左右两部分，中间设置2m宽的后浇带。

该试验系统对应的试验方法，包括以下步骤：

1）制作实验模型：基于现场边坡与基坑之间的空间相对关系，并考虑模型试验相似理论和模型试验的可操作性，得出模型相似材料以及基本物理量相似比。根据所研究基坑开挖工程应力重分布影响范围，通过模型相似理论确定模型箱的规格与尺寸，并依据模型箱使用相似材料模拟岩土体来制作高边坡与基坑的三维物理模型。

2）模型的卸载、加载系统主要分为两个部分：基坑开挖与锚锭浇筑过程，这两部分为邻近高边坡工程实际开挖过程中周边岩土体应力重分布变化最大的两个过程。

3）模型监测系统：通过应变片、土压力盒、激光测距仪，布置在邻近边坡、已开挖完成的基坑内壁以及基坑附近地表，对试验模型在卸载、加载过程中持续监测边坡、基坑岩土体的宏观变形及局部位移、应力应变特性。

4）通过步骤1~3最终得出存在邻近边坡的基坑开挖、锚碇浇筑过程中边坡与基坑的相互作用规律。

根据本实用新型所述一种研究锚碇基坑开挖过程中邻近高边坡与基坑相互作用机制的模型试验方法，其特征在于；在所述步骤1）试验模型制作阶段包括以下几工序：

据所研究的邻近高边坡锚碇基坑开挖工程实例，以第一、第二相似理论为基础，计算实验模型相似材料配比，配比主要材料有重晶石粉、石英砂、石膏等。其中，重要的相似物理力学参数有重度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、模型的长度相似比等等。

根据岩石力学与土力学相关理论，计算基坑开挖卸载、锚锭浇筑过程中基坑与邻近边坡岩土体应力重分布的范围，根据相似理论计算所需模型的实际大小来制作模型箱，模型箱的主要材料包括钢板、螺栓。

基于在制作完成的模型箱，整体分层浇筑三维试验模型，按照配比试验确定的配比方案称取每层模型的相似材料混合料，将混合料搅拌均匀后，倒入模具中捣实，养护完成后按照此步骤继续下一步的浇筑，直至整个模型浇筑完毕。

根据本实用新型所述一种研究锚碇基坑开挖过程中邻近高边坡与基坑相互作用机制的模型试验方法，其特征在于；在所述步骤2）模型的开挖卸载、锚锭浇筑加载过程中，主要包括以下工序：

a.基坑开挖卸荷：模型制作、养护完成后，参照基坑开挖设计步骤，计算模型试验一次分步开挖的尺寸与土方量，使用锋利的铲子将基坑底部岩土体逐步铲出，直至完成整个基坑模型的开挖，来模拟实际工程基坑开挖卸载的过程。

b.锚碇浇筑过程对基坑的加载：按照实际工程中锚碇浇筑施工方案中分步浇筑不同尺寸与顺序的混凝土锚碇的要求，基于相似理论计算模型试验中分步浇筑锚锭的尺寸，并使用相似材料预制模型试验中的锚碇试块，并按锚锭浇筑顺序逐步加载到基坑中，来模拟实际工程中锚碇浇筑过程。

根据本实用新型所述一种研究锚碇基坑开挖过程中邻近高边坡与基坑相互作用机制的模型试验方法，其特征在于；在步骤3）模型的监测系统中，主要包括以下几个步骤：

将应变片、土压力盒布置在边坡坡顶到边坡底部、坡脚、基坑周边地表及岩体（土体）中，应变监测点的布置在模型分层浇筑的时候，粘结在分层界面上，土压力盒的布置在模型浇筑的时候，直接浇筑在局部的分层模型中，整个监测点埋置过程在模型浇筑制作阶段完成。

将多个激光位移传感器安装在整个模型的外围，并将激光位移传感器固定，保持激光位移传感器在加载卸载过程中与模型之间的相对位置不变。将需监测的边坡及基坑变形的监测点在模型制作阶段标记清晰，并将激光位移传感器对准位移监测点。

在模型基坑分步开挖过程中，将开挖后显露出来的基坑内壁纳入位移监测的范围，每一次开挖后，立即在基坑内壁标记所需监测的位移点，并及时将激光位移传感器对准新的位移监测点，记录基坑内壁位移变化。

在模型卸载、加载阶段之前，打开所有监测点的记录仪器，记录初始监测点的数据，并保持所有监测记录仪器的开启，持续监测整个模型基坑开挖卸载，锚锭浇筑加载过程，直至所有监测数据稳定后，结束整个监测过程。

根据本实用新型所述一种研究锚碇基坑开挖过程中邻近高边坡与基坑相互作用机制的模型试验方法，其特征在于；在所述步骤4）中，数据的对比分析主要包括以下几点：

对比分析基坑开挖、锚锭浇筑过程中，不同尺寸，土方量基坑开挖后，基坑、边坡周边监测点应力、应变、位移的变化规律。

基坑开挖、锚锭浇筑过程中，相同开挖步骤后，对比分析基坑周边监测点应力、应变、位移变化与边坡周边监测点的变化，并以此找到两者相互影响、作用的规律。

本实用新型具有以下有益效果：通过将配比试验确定的混合料主图按模型尺寸制作的模型箱中，整体振捣、拆模养护后制作出来的模型具有整体性好，模型形貌易于控制、能准确反映实际工程中基坑及边坡的形貌特征，制作过程简单高效等优点。

应力应变监测系统、非接触激光位移传感器精度大，采样频率高，能叫客观准确的记录卸载、加载过程中边坡及基坑应力应变、位移的变化规律。

基坑开挖、锚锭浇筑过程中临近边坡与基坑相互影响规律的研究相对较少，本试验方法及实用新型填补了这一领域的空白。

附图说明

图1是本实用新型实施例试验装置的立体结构示意图；

图2是本实用新型实施例试验装置的基坑开挖顺序与监测点布置剖视图；

图3是本实用新型实施例试验装置的锚碇浇筑顺序与监测点布置剖视图；

图4是本实用新型实施例试验装置的俯视图。

图中：1-激光位移传感器，2-应变片，3-土压力盒。

具体实施方式

下面将结合附图1-图4对本实用新型进行详细说明，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型实施例所述的一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统，包括模型制作系统，模型卸载、加载系统以及模型监测系统：

整个锚锭基坑开挖边坡防护工程，基坑开挖导致岩土体应力重分布的范围约为基坑长边与短边加上基坑开挖深度的3倍，整个基坑长约90m，宽约65m，深约20m，则整个基坑应力重分布影响范围长210m，宽为185m，按照模型试验长度相似比，取1:100，整个实验模型的基坑长为90cm，宽为65cm，模型总长为210cm，宽为185cm，模型边坡局部高度为80cm，基坑局部高度为50cm。

根据设计及边坡防护要求，基坑竖向共分6层，每层在具体开挖时，可结合具体情况分成不同厚度的小块，方便开挖，基坑模型开挖分层尺寸及顺序Ⅰ~Ⅵ，如图2所示

基坑锚锭浇筑因混凝土体积较大，采用分块浇筑的方法，基坑长边方向上锚锭浇筑分为左右两部分，中间设置2m宽的后浇带，模型中锚锭混凝土预制尺寸及浇筑顺序如图3所示

1、制作试验模型：

根据第一、第二相似理论进行参数设计，确定实际工程中原型几何尺寸和装置几何尺寸的几何相似比为L=100，根据几何相似比，基坑截面尺寸和埋深按原型尺寸的1/100进行设计；重力加速度相似比Cg=1，密度相似比Cρ=1，容重相似比Cγ=1，基坑岩土体结构参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按照原型岩体弹性模量的L=100进行设计；同时根据量纲关系保证基坑、岩土体和静力响应相似，具体设计原则如下：

确定基坑岩土体相似比如下：

几何相似比：CL=100；

弹性模量相似比：CE=1；

容重相似比：Cγ=1；

泊松比、摩擦角相似比：Cμ=Cϕ=1；

进一步，相似比、相似材料及相关参数确定后，计算出模型箱尺寸，整个模型箱底部面积为210cm×185cm，边坡部分高度为80cm，基坑部分模型高度为50cm，基坑开挖面积为90cm×65cm，基坑开挖深度为20cm。

进一步，基坑地层状况分比为粉质黏土，强风化泥质砂岩，中风化泥质砂岩。模型岩土体相似材料以配放量混合石英砂，重晶石粉，石膏和水得到，将不同地层相似材料分步放入提前预制的磨具中振捣压实成型，并按照锚锭浇筑尺寸大小与顺序，预先预制号锚锭的试块。

2、模型卸载，加载系统：

包括对基坑分层开挖，锚锭分步浇筑两个部分，待到模型整体浇筑养护完成，监测点布置完毕之后，参照基坑开挖设计步骤，计算模型试验一次分步开挖的尺寸与土方量，使用锋利的铲子将预定范围内基坑岩土体逐步铲出，直至完成整个基坑模型的开挖，来模拟实际工程基坑开挖卸载的过程，具体开挖顺序如图二所示，由上至下，分六层开挖。

进一步，锚锭浇筑过程对基坑的加载，按照实际工程中锚碇浇筑施工方案中分步浇筑不同尺寸与顺序的混凝土锚碇的要求，基于相似理论计算模型试验中分步浇筑锚锭的尺寸，并使用相似材料预制模型试验中的锚碇试块，并按锚锭浇筑顺序逐步加载到基坑中，来模拟实际工程中锚碇浇筑过程，锚锭具体加载尺寸及顺序如图三所示

3、模型监测系统：

在边坡及基坑模型分步浇筑的过程中，将应变片2、土压力盒3布置在边坡顶部到边坡底部、坡脚、基坑周边地表及岩体（土体）中，应变监测点的布置在模型分层浇筑的时候，粘结在分层界面上，土压力盒的布置在模型浇筑的时候，直接浇筑在局部的分层模型中。

进一步，将多个激光位移传感器1安装在整个模型的外围，并将激光位移传感器1固定，保持激光位移传感器1在加载卸载过程中与模型之间的相对位置不变。将需监测的边坡及基坑变形的监测点在模型制作阶段标记清晰，并将激光位移传感器对准位移监测点。

进一步，模型基坑分步开挖过程中，将开挖后显露出来的基坑内壁及边坡纳入位移监测的范围，每一次开挖后，立即在基坑内壁标记所需监测的位移点，并及时将激光位移传感器对准新的位移监测点，记录基坑内壁位移变化。

在模型卸载、加载阶段之前，打开所有监测点的记录仪器，记录初始监测点的数据，并保持所有监测记录仪器的开启，持续监测整个模型基坑开挖卸载，锚锭浇筑加载过程，直至所有监测数据稳定后，结束整个监测过程。

4、通过1~3阶段的试验过程，得到基坑开挖、锚锭浇筑过程中临近边坡与基坑相互影响规律。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统，其特征在于；具有锚锭基坑，激光位移传感器（1），应变片（2），土压力盒（3）；将应变片（2）、土压力盒（3）布置在基坑边坡顶部到边坡底部、坡脚、基坑周边地表及岩体中；将多个激光位移传感器（1）安装在整个模型的外围，并将激光位移传感器固定，保持激光位移传感器在加载卸载过程中与模型之间的相对位置不变。

2.根据权利要求1所述一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统，其特征在于；整个基坑长约90m，宽约65m，深约20m，则整个基坑应力重分布影响范围长210m，宽为185m，按照模型试验长度相似比，取1:100，整个实验模型的基坑长为90cm，宽为65cm，模型总长为210cm，宽为185cm，模型边坡局部高度为80cm，基坑局部高度为50cm。

3.根据权利要求1所述一种高边坡与锚碇基坑开挖相互影响机制的模型试验系统，其特征在于；基坑竖向共分6层；基坑长边方向上锚锭浇筑分为左右两部分，中间设置2m宽的后浇带。