CN216428356U - 一种模拟基坑协调变形的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模拟基坑协调变形的实验装置，包括模型箱、围护结构、支撑结构、变形监测系统，模型箱中填筑砂土，砂土中开挖实验基坑，支撑结构包括水平设置的多个支撑杆，多个支撑杆对称设置在基坑的两侧，支撑杆的一端与地连墙连接，伸缩结构的伸缩端与支撑杆背离地连墙的一端连接，变形监测系统设置在模型箱中，本实用新型通过在基坑的支撑结构中设置伸缩结构，可以控制地连墙变形和支撑杆轴力大小，在支撑杆和地连墙上贴有应变片，可以第一时间得到支撑杆轴力大小和地连墙水平位移数值，结合土压力监测系统和地表沉降监测系统的监测结果，可以探究基坑围护体系的协调变形规律，解决了传统实验装置无法模拟基坑协调变形的问题。

Description

一种模拟基坑协调变形的实验装置

技术领域

本实用新型涉及土木工程深基坑实验装置技术领域，特别涉及一种模拟基坑协调变形的实验装置。

背景技术

受力变形机理复杂的超大超深开挖坑体地连墙支护结构，其自身拥有显著的复杂时间和空间效应，受力变形机理复杂的超大超深开挖坑体地连墙支护结构在施工过程中的实测变形与理论设计两者之间存在不可兼容差异，有着因轴力不足引发侧移增大(甚至坍塌)或因支护结构局部应力集中引发轴力急剧增大(甚至支撑系统失稳破坏)的破坏趋势。在实际工程中基于常规“地连墙+支撑杆”的组合支撑围护的这种差异确实难以被兼容调整和彻底化解，这不仅会导致基坑变形难以满足规范要求，而且很可能导致基坑支护体系失稳破坏。

现有技术针对基坑支护变形已经有大量的实验研究，运用了各类实验装置，但针对基坑协调变形规律研究并没有一种可以自由伸缩的支撑杆实验装置可供选用，传统的支撑杆实验装置长度都是固定不可调节的，无法用于探究围护结构的协调变形规律，因此，需要一种模拟基坑协调变形的实验装置来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决传统的支撑杆实验装置长度都是固定不可调节的，无法用于探究围护结构的协调变形规律的问题，提供一种模拟基坑协调变形的实验装置。

本实用新型提供的一种模拟基坑协调变形的实验装置，包括：

模型箱，模型箱中填筑有砂土，砂土中开挖实验基坑；

围护结构，包括设置在基坑两侧的地连墙；

支撑结构，其包括：水平设置的多个支撑杆，多个支撑杆对称设置在基坑的两侧，支撑杆的一端与地连墙连接；

伸缩结构，设置在对称的两个支撑杆之间，其伸缩端与支撑杆背离地连墙的一端连接；

变形监测系统，设置在模型箱中，用于监测基坑变形。

优选的，支撑结构还包括围檩，围檩与位于基坑同一侧且位于同一水平线的支撑杆的端部连接。

优选的，伸缩结构包括：

两组连杆结构，连杆结构包括两个连杆，两个连杆互相靠近的一端通过轴杆铰接，另外一端通过铰接座与对应的围檩连接，轴杆上开设有螺纹孔；

螺杆，其两端的螺纹方向相反，两端分别穿设在两个轴杆上对应的螺纹孔中。

优选的，变形监测系统包括：

地表沉降监测系统，其包括多个千分表，设置在砂土的上表面；

地连墙变形监测系统，其包括多个应变片I，设置在其中一个地连墙的两个侧面；

支撑轴力监测系统，其包括多个应变片II，设置在支撑杆的表面；

土压力监测系统，其包括多个土压力盒，设置在其中一个地连墙背离基坑的一侧，与地连墙连接。

优选的，地表沉降监测系统还包括多个刚性垫片，其设置在砂土的上表面，千分表的测头与刚性垫片保持接触。

优选的，模型箱的其中一个侧面由透明材料制成。

优选的，模型箱的内壁涂有润滑涂层。

现有技术相比，本实用新型提供的一种模拟基坑协调变形的实验装置，其有益效果是：

本实用新型提供的实验装置，在基坑的支撑结构中设置伸缩结构，可以根据实际情况自由调节伸长和收缩支撑杆的长度，从而达到控制地连墙变形和支撑杆轴力大小的目的，此外在支撑杆和地连墙上贴有应变片，可以第一时间得到支撑杆轴力大小和地连墙水平位移数值，从而根据结果选择是否对支撑长度进行调整，结合土压力监测系统和地表沉降监测系统的监测结果，可以探究基坑围护体系的协调变形规律，解决了传统实验装置无法模拟基坑协调变形的问题。

附图说明

图1为本实用新型整体结构主视方向的结构示意图；

图2为本实用新型的俯视图；

图3为本实用新型中伸缩结构的俯视图；

图4为本实用新型中伸缩结构的主视图。

附图标记说明：

1、模型箱；2、砂土；3、千分表；4、应变片I；5、地连墙；6、应变片II；7、伸缩结构；8、支撑杆；9、土压力盒；10、围檩；11、螺杆；12、连杆；13、铰接座；14、轴杆。

具体实施方式

下面结合附图1至图4，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1至图4所示，本实用新型提供的一种模拟基坑协调变形的实验装置，包括模型箱1、围护结构、支撑结构、变形监测系统，模型箱1中填筑有砂土2，砂土2中开挖实验基坑，围护结构包括预埋在基坑两侧的地连墙5，支撑结构包括水平设置的多个支撑杆8，多个支撑杆8对称设置在基坑的两侧，支撑杆8的一端与地连墙5连接，伸缩结构7设置在对称的两个支撑杆8之间，其伸缩端与支撑杆8背离地连墙5的一端连接，变形监测系统设置在模型箱1中，用于监测基坑变形。

其中，模型箱1选用Q235钢质板材焊接制作而成箱体结构，其中一面为选用高刚度、小变形有机透明玻璃材料制作安装而成的观测面。

为了尽可能地减小模型箱1内壁和实验用砂土之间的相互摩擦所引起的边界效应，在实验前对模型箱1内壁进行特殊处理，具体处理方法为在其内壁均匀涂抹一层具有润滑效果的化学物质凡士林。

其中，地连墙5根据等效抗弯刚度原则选用厚钢板代替实际情况中的钢筋混凝土围护结构。

进一步地，支撑结构还包括围檩10，围檩10与位于基坑同一侧且位于同一水平线的支撑杆8的端部连接，支撑结构由水平等间距的圆型钢管、纵向截面单边尺寸略大于圆型钢管的方形钢管作为围檩10焊接而成，围檩10的作用是可以达到连接和稳固零散支撑杆8的作用，且围檩还具备均匀地传递地连墙5荷载至内部对撑杆件和长度伸缩实时调整装置的能力和特性。

进一步地，为了精准控制支撑杆8的纵向伸缩长度，合理调节支撑体系的轴力，使地连墙5水平位移能被实时动态调整，达到支撑杆8、地连墙5及墙后土体充分变形协调的目的，伸缩结构7包括两组连杆结构，连杆结构包括两个连杆12，两个连杆12互相靠近的一端通过轴杆14铰接，另外一端通过铰接座13与对应的围檩10连接，轴杆14上开设有螺纹孔，螺杆11的两端的螺纹方向相反，两端分别穿设在两个轴杆14上对应的螺纹孔中，轴杆14可以选用螺栓，伸缩结构7可以通过控制螺杆11旋转实现长度增加或减少。

进一步地，变形监测系统包括地表沉降监测系统、地连墙变形监测系统、支撑轴力监测系统、土压力监测系统，地表沉降监测系统包括多个千分表3，等距布置在砂土2的上方的表架上，并且在砂土表面铺设尺寸为20mm×20mm的刚性垫片，刚性垫片选择不锈钢金属材质的薄片，千分表3的测头挤压在刚性垫片的表面；

地连墙变形监测系统包括多个应变片I4，设置在其中一个地连墙5的两个侧面；

支撑轴力监测系统包括多个应变片II6，设置在支撑杆8的表面；

土压力监测系统包括多个土压力盒9，设置在其中一个地连墙5背离基坑的一侧，与地连墙5连接；

千分表、应变片I4、应变片II6、土压力盒9均与数据测试仪电连接。

使用方法及工作原理

本实用新型提供的一种模拟基坑协调变形的实验装置，具体实验步骤如下：

①在地连墙内外侧表面和支撑杆表面上安置预定数量和位置的测量应变片及温度补偿性质的应变片，在地连墙墙后预定位置布置预定数量的土压力盒，在实验开始时，连接数据测试仪并记录初始数据；

②在实验模型箱底部开始填筑预定重量的砂土，并在填筑过程中及时压实到实验方案中所要求的既定的密度，直到填砂高度达到44cm；

③按预定方案安放地连墙，再依照顺序分别分层填砂、运用物理方法挤压砂土到既定的实验密度，并且在相应的地连墙墙后位置安放微型土压力盒，直至填土顶面与地连墙顶部达到同一水平面；

④填砂结束后，5只千分表按实验方案被依次布设在压实后的模型箱实验填土上方，并有5张几何尺寸为20mm×20mm的不锈钢金属材质薄片被依次铺设在千分表的测头位置，保持测头与金属片实验全过程接触，依次记录每个千分表的初始数据；

⑤基坑开挖过程，工况A，第一步(A-W1)开挖土体至-0.03m处，安放S1作为第一道杆件支撑，等待1个小时，记录相关数据；第二步(A-W2)开挖土体至-0.13m处，安放S2作为第2道杆件支撑，等待1个小时，记录相关数据；第三步(A-W3)开挖土体至-0.23m处，安放S3作为第3道杆件支撑，等待1个小时，记录相关数据；第四步(A-W4)开挖土体至-0.33m处，安放S4作为第4道杆件支撑，等待1个小时，记录相关数据；第五步(A-W5)开挖土体至-0.40m处，等待1个小时，记录相关数据；(设置等待时间的目的主要是使土体变形达到稳定和支护体系内力达到稳定，等待时间依据预实验数据和作者经验综合确定，进行了开挖和支撑预实验，来判断多长时间后监测数据能够保持稳定，砂土条件下，预实验结果表明基坑开挖各工况下，1小时内监测数据能达到稳定，内支撑伸缩工况下，监测数据在6小时以内可以达到稳定，从而综合确定了等待时间)；

⑥内支撑位移调整阶段，通过主动调节一道或几道支撑杆结构的纵向长度达到控制支撑杆结构、地连墙墙体和地连墙后方的土体等三者之间的协同兼容受力变形的效果，工况B1，通过伸缩结构控制第二道内支撑S2缩短1mm，等待6个小时，记录相关数据。

综上所述，本实用新型提供的实验装置，在基坑的支撑结构中设置伸缩结构，可以根据实际情况自由调节伸长和收缩支撑杆的长度，从而达到控制地连墙变形和支撑杆轴力大小的目的，此外在支撑杆和地连墙上贴有应变片，可以第一时间得到支撑杆轴力大小和地连墙水平位移数值，从而根据结果选择是否对支撑长度进行调整，结合土压力监测系统和地表沉降监测系统的监测结果，可以探究基坑围护体系的协调变形规律，解决了传统实验装置无法模拟基坑协调变形的问题，为探究基坑协调变形规律提供了一种模型实验思路。

以上公开的仅为本实用新型的较佳的具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种模拟基坑协调变形的实验装置，其特征在于，包括：

模型箱(1)，模型箱(1)中填筑有砂土(2)，砂土(2)中开挖实验基坑；

围护结构，包括设置在基坑两侧的地连墙(5)；

支撑结构，其包括：水平设置的多个支撑杆(8)，多个支撑杆(8)对称设置在基坑的两侧，支撑杆(8)的一端与地连墙(5)连接；

伸缩结构(7)，设置在对称的两个支撑杆(8)之间，其伸缩端与支撑杆(8)背离地连墙(5)的一端连接；

变形监测系统，设置在模型箱(1)中，用于监测基坑变形。

2.如权利要求1所述的一种模拟基坑协调变形的实验装置，其特征在于，所述支撑结构还包括围檩(10)，所述围檩(10)与位于基坑同一侧且位于同一水平线的支撑杆(8)的端部连接。

3.如权利要求1所述的一种模拟基坑协调变形的实验装置，其特征在于，所述伸缩结构(7)包括：

两组连杆结构，连杆结构包括两个连杆(12)，两个连杆(12)互相靠近的一端通过轴杆(14)铰接，另外一端通过铰接座(13)与对应的围檩(10)连接，所述轴杆(14)上开设有螺纹孔；

螺杆(11)，其两端的螺纹方向相反，两端分别穿设在两个轴杆(14)上对应的螺纹孔中。

4.如权利要求1所述的一种模拟基坑协调变形的实验装置，其特征在于，所述变形监测系统包括：

地表沉降监测系统，其包括多个千分表(3)，设置在砂土(2)的上表面；

地连墙变形监测系统，其包括多个应变片I(4)，设置在其中一个地连墙(5)的两个侧面；

支撑轴力监测系统，其包括多个应变片II(6)，设置在支撑杆(8)的表面；

土压力监测系统，其包括多个土压力盒(9)，设置在其中一个地连墙(5)背离基坑的一侧，与地连墙(5)连接。

5.如权利要求4所述的一种模拟基坑协调变形的实验装置，其特征在于，所述地表沉降监测系统还包括多个刚性垫片，其设置在砂土(2)的上表面，所述千分表(3)的测头与刚性垫片保持接触。

6.如权利要求1所述的一种模拟基坑协调变形的实验装置，其特征在于，所述模型箱(1)的其中一个侧面由透明材料制成。

7.如权利要求1所述的一种模拟基坑协调变形的实验装置，其特征在于，所述模型箱(1)的内壁涂有润滑涂层。

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