CN212001309U - 隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及隧道‑基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，包括模型箱、模型桩、模型隧道、模型基坑、模型用土、重液、桩头约束装置、横向支架、加载系统、控制系统及测量系统；所述模型箱通过隔板和横向支撑分隔为主体试验箱和附属试验箱，所述模型桩包括桩身和设置于桩身顶部的桩帽，模型桩位于所述模型隧道和模型基坑的主要影响区内，所述模型隧道包括衬砌和分节设置于衬砌外围的环形橡胶袋，所述模型基坑包括支护结构和敞口橡胶袋。本实用新型的有益效果是：本实用新型中的桩头约束装置采用可伸缩立杆和桩头夹具，可有效约束桩头的侧向变形，灵活调节桩头约束的位置，模拟高低承台、桩筏基础等多种桩基型式，适用范围广泛。

Description

隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及土工离心模型试验领域，具体涉及隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置。

背景技术

土与结构的相互作用问题一直是岩土工程研究领域中一个复杂的课题，其复杂性主要体现在研究对象岩土本身属于多相组成的不连续介质，具有重力依赖和应力路径依赖等特性。因此，岩土体与建(构)筑物之间的相互作用是一个复杂的非线性或动态的结构力学问题。隧道和基坑的开挖卸荷方式不同，引起土体变形的因素不同，土体变形模式和大小也就不同，进而表现为对近接既有桩基的影响也不一样。现有关于开挖卸荷对近接桩基的影响研究，主要集中体现为单一的隧道开挖对桩的影响问题或基坑开挖对桩的影响问题。然而，随着城市地下空间利用率的提高，既有桩基周围存在隧道和基坑依次开挖的工况也经常发生。而且，伴随“地铁热”和建筑基坑的密集化趋势，这种情况也会越来越普遍，但隧道-基坑多重开挖卸荷对近接既有桩基的影响研究还较为滞后。

针对土与结构的相互作用问题，目前最常采用的试验手段包括现场试验、缩尺模型试验和离心机模型试验等。其中，现场试验可以体现土体的真实应力特性，但试验工作量大，成本昂贵，影响因素复杂导致难以分析试验结果的内在机理。尽管缩尺模型试验成本相对较低，但其无法或很难再现现场实际环境条件，不能反映原型应力状态。作为目前公认的最先进、最有效的试验方法，土工离心模型试验能够真实模拟重力场的存在，再现工程实际应力状态，已经越来越广泛地被应用于岩土工程的科学研究中。因此，针对现场试验和缩尺模型试验的不足，有必要研发一种隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，能够采用缩尺模型在超高重力状态下还原真实的应力状态，模拟结果更加可靠。

这种隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，包括模型箱、模型桩、模型隧道、模型基坑、模型用土、重液、桩头约束装置、横向支架、加载系统、控制系统及测量系统；所述模型箱通过隔板和横向支撑分隔为主体试验箱和附属试验箱，所述模型桩包括桩身和设置于桩身顶部的桩帽，模型桩位于所述模型隧道和模型基坑的主要影响区内，所述模型隧道包括衬砌和分节设置于衬砌外围的环形橡胶袋，所述模型基坑包括支护结构和敞口橡胶袋，所述重液与所述模型用土密度一致，模型桩顶端设置桩头约束装置，所述桩头约束装置包括固定在垫板上的可伸缩立杆和设有半圆弧开口的桩头夹具，所述横向支架沿箱壁顶部的凹槽自由滑动，所述加载系统包括固定在垫板上的液压千斤顶和延伸杆，所述控制系统包括导管、阀门和固定在模型箱顶部的监控相机，所述测量系统包括悬挂在模型箱侧壁的数据采集仪、用于测量桩身轴力和弯矩的应变片、用于测量地表沉降的地表位移传感器、用于测量桩基沉降的桩顶位移传感器、用于测量桩顶荷载的压力传感器以及用于控制模型基坑开挖的孔隙水压力计。

作为优选：所述应变片沿桩身竖向等间距分布，应变片沿桩身横截面呈十字型对称粘贴，十字型结构的纵横向分别平行和垂直于模型隧道的开挖方向。

作为优选：所述模型桩的桩身外侧还均匀涂有一层保护应变片的环氧树脂胶。

作为优选：所述导管密封连接在环形橡胶袋和敞口橡胶袋的底部，导管依次穿过隔板底部的通孔并与附属试验箱内的阀门连接形成并联通路，并且导管与重液收集筒连接。

作为优选：所述敞口橡胶袋紧贴模型基坑的支护结构内部，敞口橡胶袋高出地表部分通过夹具固定。

作为优选：所述桩头夹具的半圆弧开口直径与模型桩直径一致。

作为优选：所述地表位移传感器的波导管通过夹具块固定在横向支架上，波导管下部的活动磁环与模型用土的地表接触。

作为优选：所述桩顶位移传感器的波导管通过夹具块固定在横向支架上的垫板上，波导管下部的活动磁环抵在液压千斤顶的延伸杆上的横肋板表面，并随延伸杆同步移动。

作为优选：所述压力传感器和孔隙水压力计分别粘贴在液压千斤顶的延伸杆表面和放置在敞口橡胶袋的底部。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型能够真实再现既有桩基在近接隧道和基坑多重开挖作用下的受力特性和变形规律，获取地表沉降、桩基附加沉降、桩身弯矩和轴力等数据，同时可以考虑桩顶工作荷载、桩头约束条件、隧道体积损失、基坑支护结构刚度、隧道-基坑-桩三者相对位置和开挖顺序等多种因素对桩基响应的影响，为桩基建(构)筑物的保护提供了科学准确的试验数据。

2.本实用新型中的桩头约束装置采用可伸缩立杆和桩头夹具，可有效约束桩头的侧向变形，灵活调节桩头约束的位置，模拟高低承台、桩筏基础等多种桩基型式，适用范围广泛。

附图说明

图1是离心模型试验装置的正视图。

图2是离心模型试验装置的俯视图。

图3是模型桩的结构示意图(其中图a是模型桩的正视图，图b是图a的A-A截面图)。

图4是用于测量模型桩弯矩和轴力的应变片粘贴方法示意图(其中图a是用于测量模型桩弯矩的应变片粘贴方法示意图，图b是用于测量模型桩轴力的应变片粘贴方法示意图)。

图5是模型隧道的结构示意图(其中图a是模型隧道的俯视图，图b是图a的B-B截面图)。

图6是模型基坑的结构示意图(其中图a是模型基坑的俯视图，图b是图a的C-C截面图)。

图7是桩头约束装置的结构示意图(其中图a是桩头约束装置的正视图，图b是图a的D-D截面图)。

图8是离心模型试验装置在土工离心机上的安装示意图。

附图标记说明：1-模型箱，2-模型桩，3-模型隧道，4-模型基坑，5-模型用土，6-重液，7-桩头约束装置，8-横向支架，9-加载系统，10-控制系统，11-测量系统，12-隔板，13-横向支撑，14-主体试验箱，15-附属试验箱，16-桩身，17-桩帽，18-衬砌，19-环形橡胶袋，20-支护结构，21-敞口橡胶袋，22-可伸缩立杆，23-桩头夹具，24-凹槽，25-垫板，26-液压千斤顶，27-延伸杆，28-导管，29-阀门，30-监控相机，31-数据采集仪，32-应变片，33-地表位移传感器，34-桩顶位移传感器，35-压力传感器，36-孔隙水压力计，37-环氧树脂胶，38-通孔，39-重液收集筒，40-夹具，41-波导管，42-夹具块，43-活动磁环，44-横肋板，45-土工离心机，46-挂篮平台，47-配重。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

本实用新型提供一种隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，本实施例的具体实施方法包括如下步骤：

步骤一，前期准备。

如图1和图2所示，在模型箱1内安装隔板12将其分隔为主体试验箱14和附属试验箱15，在附属试验箱15内安装多道横向支撑13以保证隔板12的垂直稳定，隔板12与箱壁、箱底之间的缝隙采用玻璃胶密封。优选的，模型箱可采用铝合金材质制成，四周侧壁铝板呈格栅型，以提高模型箱的整体刚度，避免其在土工离心机高速运转过程中产生自身变形。

步骤二，模型制作。

制作模型桩2：如图3所示，桩身16采用标准铝合金管制成，桩顶锚固有铝合金制的圆形桩帽17，用于均布传导液压千斤顶26施加的工作荷载。为了研究多重开挖卸荷作用下既有桩基的内力响应，在桩身均布粘贴应变片对桩身弯矩和轴力进行测量。应变片32沿桩身16竖向等间距分布，沿桩身16横截面呈十字型对称粘贴。如图3中的截面A-A所示，其中x轴方向的成对应变片32垂直于模型隧道3的开挖方向，用于测量桩身弯矩；y轴方向的成对应变片32平行于模型隧道3的开挖方向，用于测量桩身轴力。优选的，为了减小温度对应变片测量结果的影响，应变片连接方式采用惠斯登电桥布置，每个电桥由四个半导体应变片组成，其电路连通方式分别如图4(a)和图4(b)所示。为了保护应变片不与外界发生直接接触，防止其摩擦或受潮失效，在桩身16外侧均匀涂抹一层环氧树脂胶37覆盖应变片32。

制作模型隧道3：如图5所示，采用液体硅橡胶和催化剂混合液浇筑出内径与衬砌18外径一致的环形橡胶袋19，底部密封连通安装导管28，随后将环形橡胶袋19分节依次紧密嵌套在铝合金制衬砌18的外围。

制作模型基坑4：如图6所示，支护结构20采用四块铝合金板拼接成型。根据典型基坑工程设计，支护结构的插入比优选在0.5至2.0之间。为了防止模型用土5在离心机启动过程中落入基坑开挖区域，支护结构一般要高出地表一定距离。制作与模型基坑4开挖尺寸相匹配的敞口橡胶袋21，底部密封连通安装导管28。

采用氯化锌粉末加水溶解搅拌，配制与模型用土5密度一致的重液6。根据模型隧道3开挖引起的土体损失设计值向环形橡胶袋19内注入相应体积的重液6，临时密封导管28端口。优选的，隧道开挖引起的土体损失一般在1％至4％之间。

步骤三，模型安装。

如图1和图2所示，本实施例中模型隧道3的中心埋深与模型桩2桩底齐平，五节环形橡胶袋19对称于x轴分布；模型基坑4位于模型桩2的另一侧，同样对称于x轴分布。如图2中虚线所示，模型桩2均位于模型隧道3和模型基坑4的主要影响区内(图中

为土的内摩擦角)。

首先，根据三者之间的相对位置，在主体试验箱14内壁标记尺寸刻度作为基准线，在主体试验箱14内分层铺设均质的模型用土5，期间依次安装定位模型桩2、模型隧道3和模型基坑4。安装模型桩2时，采用水平尺辅助确保其垂直度；安装模型隧道3时，将连有导管28一侧朝下，导管28依次穿过隔板12底部的通孔38预留在附属试验箱15内；安装模型基坑4时，先定位支护结构20，随后将敞口橡胶袋21紧贴其内部，高出地表部分采用夹具40固定，底部的导管28同样穿过隔板12的通孔38后预留在附属试验箱15内。

沿箱壁顶部的凹槽24滑移由钢板桁架焊接而成的横向支架8至模型桩2正上方后锚固，安装垫板25。在桩头夹具23夹紧模型桩2之前，半圆弧开口和桩身接触面均匀涂抹一层润滑剂，优选可用凡士林。随后，在垫板25上调节锚固四根可伸缩立杆22至桩头夹具23固定在设计位置，完成图7所示桩头约束装置7的安装。优选的，本实用新型通过调节可伸缩立杆22改变桩头夹具23的位置，可模拟高低承台、桩筏基础等多种桩基型式。

在垫板25上锚固下端连接有延伸杆27的液压千斤顶26，使其与模型桩2位于同一中轴线，以增大液压千斤顶的位移量程和防止轴向压力的偏载，完成加载系统9的安装。

步骤四，铺设导管。

如图2所示，在附属试验箱内15，将预先穿过隔板12底部的通孔38的环形橡胶袋19和敞口橡胶袋21的导管28与阀门29一一相连形成并联通路，最后汇集于一条主路与重液收集筒39连接。向模型基坑4的敞口橡胶袋21内注入重液6直至与模型用土5的地表齐平，保证所有阀门29呈关闭状态。

步骤五，测量系统安装。

如图1、图2和图8所示，将模型箱1移至土工离心机45的挂篮平台46上，在模型箱1顶部安装监控相机30，调整相机角度至画面覆盖主体试验箱14，在模型箱1外侧悬挂安装数据采集仪31，标定并安装地表位移传感器33、桩顶位移传感器34、压力传感器35和孔隙水压力计36等测量系统，依次将监控相机30和各类传感器的导线连接在数据采集仪31的通道上。为了防止传感器导线在高速旋转时发生拉断，采用束线带进行绑扎固定。

其中，地表位移传感器33的波导管41通过夹具块42固定在横向支架8上，活动磁环43上段嵌入波导管41内部且可滑动，底部与模型用土5的地表接触并随地表同步位移，此时活动磁环43的嵌入深度发生变化，传感器电压也随之变化，通过标定得到的位移与电压的线性关系可计算得到地表沉降。

桩顶位移传感器34的波导管41通过夹具块42固定在横向支架8的垫板25上，活动磁环43抵在液压千斤顶26的延伸杆27上的横肋板44表面，随延伸杆27同步移动。

压力传感器35粘贴在延伸杆27表面。孔隙水压力计36在抽真空饱和后放置于敞口橡胶袋21的底部。

步骤六，桩顶工作荷载施加。

如图8所示，根据模型箱1的总重量和力矩平衡关系，计算配重47并固定在土工离心机45另一侧的挂篮平台46上。调试加载系统9、控制系统10和测量系统11，确保全部正常后，启动土工离心机45，逐渐加速旋转至所需的重力加速度，实时监控离心机的工作状态。待测量系统11的读数稳定，通过远程计算机控制加载系统10，启动液压千斤顶26，延伸杆27向下移动直至与桩帽17接触，此时压力传感器35读数开始变化。随后，通过读取压力传感器35数据逐级加压至桩顶工作荷载设计值，记录测量系统中各类传感器读数作为初始值。

步骤七，多重开挖模拟。

根据试验方案确定的开挖顺序依次进行隧道和基坑的模拟开挖。模拟隧道开挖时，通过远程计算机控制开启与模型隧道3的第一节环形橡胶袋19连接的阀门29，重液6在自重作用和覆土压力作用下排放并最终流入重液收集筒39内。待测量系统读数稳定后，沿y轴方向，继续开启下一节环形橡胶袋19的阀门29，直至模型隧道3分节开挖完毕。模拟基坑开挖时，通过远程计算机控制开启与敞口橡胶袋21连接的阀门29，根据孔隙水压力计36读数，通过压力变化控制开挖进度，逐步排出重液6，直至模型基坑4分层开挖完毕。

步骤八，试验结束。

待多重开挖结束，测量系统11读数稳定后，关闭土工离心机45，降速至常重力状态，拆除清理模型箱1，处理试验数据。

本实用新型中的多重开挖卸荷采用排液法进行模拟，其中模型隧道采用环形橡胶袋排除一定体积的重液来模拟隧道开挖引起的土体损失，模型基坑采用敞口橡胶袋排除重液和压力控制的方法来模拟分层开挖，通过考虑开挖卸荷的关键影响因素，有效保证了离心模型试验的可操作性和精确性。

Claims (9)

1.隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)、模型桩(2)、模型隧道(3)、模型基坑(4)、模型用土(5)、重液(6)、桩头约束装置(7)、横向支架(8)、加载系统(9)、控制系统(10)及测量系统(11)；所述模型箱(1)通过隔板(12)和横向支撑(13)分隔为主体试验箱(14)和附属试验箱(15)，所述模型桩(2)包括桩身(16)和设置于桩身顶部的桩帽(17)，模型桩(2)位于所述模型隧道(3)和模型基坑(4)的主要影响区内，所述模型隧道(3)包括衬砌(18)和分节设置于衬砌外围的环形橡胶袋(19)，所述模型基坑(4)包括支护结构(20)和敞口橡胶袋(21)，所述重液(6)与所述模型用土(5)密度一致，模型桩(2)顶端设置桩头约束装置(7)，所述桩头约束装置(7)包括固定在垫板(25)上的可伸缩立杆(22)和设有半圆弧开口的桩头夹具(23)，所述横向支架(8)沿箱壁顶部的凹槽(24)自由滑动，所述加载系统(9)包括固定在垫板(25)上的液压千斤顶(26)和延伸杆(27)，所述控制系统(10)包括导管(28)、阀门(29)和固定在模型箱顶部的监控相机(30)，所述测量系统(11)包括悬挂在模型箱侧壁的数据采集仪(31)、用于测量桩身轴力和弯矩的应变片(32)、用于测量地表沉降的地表位移传感器(33)、用于测量桩基沉降的桩顶位移传感器(34)、用于测量桩顶荷载的压力传感器(35)以及用于控制模型基坑开挖的孔隙水压力计(36)。

2.根据权利要求1所述的隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，其特征在于，所述应变片(32)沿桩身(16)竖向等间距分布，应变片(32)沿桩身(16)横截面呈十字型对称粘贴，十字型结构的纵横向分别平行和垂直于模型隧道(3)的开挖方向。

3.根据权利要求1所述的隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，其特征在于，所述模型桩的桩身(16)外侧还均匀涂有一层保护应变片(32)的环氧树脂胶(37)。

4.根据权利要求1所述的隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，其特征在于，所述导管(28)密封连接在环形橡胶袋(19)和敞口橡胶袋(21)的底部，导管(28)依次穿过隔板(12)底部的通孔(38)并与附属试验箱(15)内的阀门(29)连接形成并联通路，并且导管(28)与重液收集筒(39)连接。

5.根据权利要求1所述的隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，其特征在于，所述敞口橡胶袋(21)紧贴模型基坑(4)的支护结构(20)内部，敞口橡胶袋(21)高出地表部分通过夹具(40)固定。

6.根据权利要求1所述的隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，其特征在于，所述桩头夹具(23)的半圆弧开口直径与模型桩(2)直径一致。

7.根据权利要求1所述的隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，其特征在于，所述地表位移传感器(33)的波导管(41)通过夹具块(42)固定在横向支架(8)上，波导管(41)下部的活动磁环(43)与模型用土(5)的地表接触。

8.根据权利要求1所述的隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，其特征在于，所述桩顶位移传感器(34)的波导管(41)通过夹具块(42)固定在横向支架(8)上的垫板(25)上，波导管(41)下部的活动磁环(43)抵在液压千斤顶(26)的延伸杆(27)上的横肋板(44)表面，并随延伸杆(27)同步移动。

9.根据权利要求1所述的隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置，其特征在于，所述压力传感器(35)和孔隙水压力计(36)分别粘贴在液压千斤顶(26)的延伸杆(27)表面和放置在敞口橡胶袋(21)的底部。

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