超重力条件下的基坑开挖模拟装置.pdf

本发明公开了一种超重力条件下的基坑开挖模拟装置。将模型箱安装在刚性支架内，刚性支上布置摄像头和两根主梁，主梁上有主梁导轨，其中一根主梁安装有与主梁导轨平行的主梁螺杆，主梁螺杆与主梁电机连接，两根一级次梁垂直布置在两根主梁导轨上并构成滑动副，次梁上面有次梁导轨，装在主梁螺杆中的主梁侧螺母与其中一根一级次梁连接，其中一根一级次梁安装有与次梁导轨平行的次梁螺杆，次梁螺杆与次梁电机连接，两根二级次梁垂直布置在两根次梁导轨上并构成滑动副，两根二级次梁上面的电动葫芦支架内安装电动葫芦。本发明适用于基坑工程超重力模型试验在非停机状态下的基坑开挖；保证坑底土体应力和支护结构所受土体侧压力与实际相一致。

1.  一种超重力条件下的基坑开挖模拟装置，其特征在于：包括模型箱(1)，且模型箱(1) 安装在刚性支架(2)内，刚性支架(2)上表面布置监控装置，刚性支架(2)上表面设有 平行的两根主梁(4)，两根主梁(4)上面各自有主梁导轨(5)，其中一根主梁(4)侧面安 装有与主梁导轨(5)平行的主梁螺杆(14)，主梁螺杆(14)的一端与安装在其中一根主梁 (4)一端的主梁电机(13)连接，主梁螺杆(14)的另一端与安装在同一根主梁(4)另一 端的主梁端板(19)轴承孔转动连接，两根一级次梁(7)垂直布置在两根主梁导轨(5)上， 并与两根主梁导轨(5)构成滑动副，两根一级次梁(7)上面各自有次梁导轨(8)，装在主 梁螺杆(14)中的主梁侧螺母(15)与其中一根一级次梁(7)连接，其中一根一级次梁(7) 侧面安装有与次梁导轨(8)平行的次梁螺杆(17)，次梁螺杆(17)的一端与安装在其中一 根一级次梁(7)一端的次梁电机(16)连接，次梁螺杆(17)的另一端与同一根一级次梁 (7)另一端的次梁端板(20)轴承孔转动连接，两根二级次梁(10)垂直布置在两根次梁 导轨(8)上，并与两根次梁导轨(8)构成滑动副，两根二级次梁(10)上面装有电动葫芦 支架(11)，电动葫芦(12)安装在电动葫芦支架(11)内。

2.  根据权利要求1所述的一种超重力条件下基坑开挖模拟装置，其特征在于：所述模型 箱(1)，包括模型仓(21)和弃土仓(22)，模型仓(21)填充土体，土体插入围护结构(23)， 将模型仓(21)隔成两个部分，靠近弃土仓一侧上部为基坑开挖部分，基坑开挖部分放置数 个开挖土袋(24)。

3.  根据权利要求1所述的一种超重力条件下基坑开挖模拟装置，其特征在于：所述围护 结构(23)为隔离板或隔离桩。

4.  根据权利要求1所述的一种超重力条件下基坑开挖模拟装置，其特征在于：所述数个 开挖土袋(24)上部均设有弹簧环(25)，弹簧环(25)能被电动葫芦(12)的吊钩(26) 吊起。

5.  根据权利要求1所述的一种超重力条件下基坑开挖模拟装置，其特征在于：所述监 控装置为摄像头，用于监控和辅助调节电动葫芦(12)的吊钩(26)位置。

6.  根据权利要求4所述的一种超重力条件下基坑开挖模拟装置，其特征在于：所述弹簧 环(25)在上层开挖土袋(24)调出后自行弹起。

7.  根据权利要求1所述的一种超重力条件下基坑开挖模拟装置，其特征在于：所述两根 一级次梁(7)通过第一滑块(6)与两根主梁导轨(5)构成滑动副，两根二级次梁(10) 通过第二滑块(9)与两根次梁导轨(8)构成滑动副，使电动葫芦(12)的吊钩(26)实现 水平方向上的运动。

8.  根据权利要求7所述的一种超重力条件下基坑开挖模拟装置，其特征在于：所述第一 滑块(6)通过主梁侧螺母(15)与主梁螺杆(14)连接，所述第二滑块(9)通过次梁侧螺 母(18)与次梁螺杆(17)连接。

9.  根据权利要求2所述的一种超重力条件下基坑开挖模拟装置，其特征在于：所述开挖 土袋(24)的尺寸与开挖层配合，材质为帆布。

10.  根据权利要求2所述的一种超重力条件下基坑开挖模拟装置，其特征在于：所述基 坑开挖部分设置有力传感器和位移传感器，用于测量土体由于围护结构(23)在基坑开挖过 程中产生内力和变形而随之生成的相应内力大小与形变大小。

超重力条件下的基坑开挖模拟装置
技术领域
本发明涉及一种基坑开挖模拟装置，特别是涉及一种超重力条件下的基坑开挖模拟装置。
背景技术
土工超重力模型试验相对于原型观测、室内常重力场试验及数值模拟方法具有其独特优 势，因而是目前进行岩土工程技术研究中最先进、最有效的试验方法。随着地下工程的大型 化、复杂化，以往依赖工程经验的做法将不能满足设计、施工要求，开展基坑工程离心模型 试验能有效地研究基坑工程问题，促进基坑工程理论和数值模拟的完善。由于基坑工程工况 复杂，模拟困难，尤其是基坑开挖模拟，对实际工况模拟的好坏，将直接影响试验的结果。
现有的超重力模型试验中基坑开挖方式大体可归纳为以下几种：
(1)停机开挖方法，即在停机状态下完成开挖，后增大离心加速度来研究应力提高情况 下土体或挡土结构的反应。但是停机再开机对地基土有卸载再加载的过程，与实际工况不同， 土体应力路径发生改变，对模型试验结果的影响不可忽视。
(2)排放代土液体开挖方法，即在离心机运转状态下逐步排出代土液体来模拟基坑开挖 过程，一般是在常重力条件下采用与土体重度相当的重液取代基坑开挖部分的土体，提供给 坑底土体竖向力和支护结构侧向力，但是由于液体相同深度上各向压强相等，该方法不能准 确模拟土体的侧压力。
(3)微型机器人开挖方法，即在离心机运转状态下采用先进的微型自动开挖装置进行基 坑开挖。该方法虽是最理想的开挖模拟方法，但是开发成本高，技术难度大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超重力条件下的基坑开挖模拟装置，尤其适用于超重力模型 试验在非停机状态下，模拟基坑分数层开挖的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明包括模型箱，模型箱安装在刚性支架内，刚性支架上表面布置监控装置，刚性支 架上表面设有平行的两根主梁，两根主梁上面各自有主梁导轨，其中一根主梁侧面安装有与 主梁导轨平行的主梁螺杆，主梁螺杆的一端与安装在其中一根主梁一端的主梁电机连接，主 梁螺杆的另一端与安装在同一根主梁另一端的主梁端板轴承孔转动连接，两根一级次梁垂直 布置在两根主梁导轨上，并与两根主梁导轨构成滑动副，两根一级次梁上面各自有次梁导轨， 装在主梁螺杆中的主梁侧螺母与其中一根一级次梁连接，其中一根一级次梁侧面安装有与次 梁导轨平行的次梁螺杆，次梁螺杆的一端与安装在其中一根一级次梁一端的次梁电机连接， 次梁螺杆的另一端与同一根一级次梁另一端的次梁端板轴承孔转动连接，两根二级次梁垂直 布置在两根次梁导轨上，并与两根次梁导轨构成滑动副，两根二级次梁上面装有电动葫芦支 架，电动葫芦安装在电动葫芦支架内。
所述模型箱，包括模型仓和弃土仓，模型仓填充土体，土体插入围护结构，将模型仓隔 成两个部分，靠近弃土仓一侧上部为基坑开挖部分，基坑开挖部分放置数个开挖土袋。
所述围护结构为隔离板或隔离桩。
所述数个开挖土袋上部均设有弹簧环，弹簧环能被电动葫芦的吊钩吊起。
所述监控装置为摄像头，用于监控和辅助调节电动葫芦的吊钩位置。
所述弹簧环在上层开挖土袋调出后自行弹起。
所述两根一级次梁通过第一滑块与两根主梁导轨构成滑动副，两根二级次梁通过第二滑 块与两根次梁导轨构成滑动副，使电动葫芦的吊钩实现水平方向上的运动。
所述第一滑块通过主梁侧螺母与主梁螺杆连接，所述第二滑块通过次梁侧螺母与次梁螺 杆连接。
所述开挖土袋的尺寸与开挖层配合，材质为帆布。
所述基坑开挖部分设置有力传感器和位移传感器，用于测量土体由于围护结构在基坑开 挖过程中产生内力和变形而随之生成的相应内力大小与形变大小。
本发明具有的有益效果是：
(1)本发明适用于基坑工程超重力模型试验在非停机状态下的基坑开挖。
(2)能同时保证坑底土体应力和支护结构所受土体侧压力与实际相一致。
(3)模拟基坑分数层开挖，与实际施工工况一致，符合土体实际应力变化。
(4)整个装置原理简单，结构构造清晰，易于安装，造价低。
附图说明
图1是本发明的俯视图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是图1的B-B剖视图。
图中：1、模型箱；2、刚性支架；3、摄像头；4、主梁；5、主梁导轨；6、第一滑块； 7、一级次梁；8、次梁导轨；9、第二滑块；10、二级次梁；11、电动葫芦支架；12、电动 葫芦；13、主梁电机；14、主梁螺杆；15、主梁侧螺母；16、次梁电机；17、次梁螺杆；18、 次梁侧螺母；19、主梁端板；20、次梁端板；21、模型仓；22、弃土仓；23、围护结构；24、 开挖土袋；25、弹簧环；26、吊钩；27、内角螺栓。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明的具体实施方案。
如图1、图2、图3所示，将模型箱1安装在刚性支架2内，刚性支架2上表面布置摄 像头3，用于监控和辅助调节电动葫芦12的吊钩26位置；刚性支架2上表面设有平行的两 根主梁4，两根主梁4上面各自以内角螺栓27固定主梁导轨5，其中一根主梁4侧面安装有 与主梁导轨5平行的主梁螺杆14，主梁螺杆14的一端与安装在其中一根主梁4一端的主梁 电机13连接，主梁螺杆14的另一端与安装在同一根主梁4另一端的主梁端板19轴承孔转 动连接，两根一级次梁7垂直布置在两根主梁导轨5上，并通过第一滑块6与两根主梁导轨 5构成滑动副，两根一级次梁7上面各自以内角螺栓27固定次梁导轨8，装在主梁螺杆14 中的主梁侧螺母15与其中一根一级次梁7连接，其中一根一级次梁7侧面安装有与次梁导 轨8平行的次梁螺杆17，次梁螺杆17的一端与安装在其中一根一级次梁7一端的次梁电机 16连接，次梁螺杆17的另一端与同一根一级次梁7另一端的次梁端板20轴承孔转动连接， 两根二级次梁10垂直布置在两根次梁导轨8上，并通过第二滑块9与两根次梁导轨8构成 滑动副，两根二级次梁10上面装有电动葫芦支架11，电动葫芦12安装在电动葫芦支架11 内。
如图2所示，模型箱1分割为模型仓21和弃土仓22，模型仓21填充土体，土体插入 围护结构23，将模型仓21隔成两个部分，靠近弃土仓一侧为基坑开挖部分。基坑开挖部分 土体在制模过程中以数层开挖土袋24替换，每层土袋上装有弹簧环25，在上层开挖土袋24 吊出后能自行弹起，因此电动葫芦吊钩26能顺利勾起弹簧环25，吊出开挖土袋24。所述开 挖土袋24的制作方法是首先按照开挖层尺寸设计土袋，选帆布为制作材料，通过缝制，之后 采用与地基制备相同的方法制备替换土层块。
所述围护结构23为隔离板或隔离桩。
所述数个开挖土袋24上部均设有弹簧环25，弹簧环25能被电动葫芦12的吊钩26吊 起。
本发明的工作原理如下：
将本装置安装在离心机吊篮内，分别打开主梁4的主梁电机13和一级次梁7的次梁电 机16，主梁螺杆14和次梁螺杆17旋转，致使主梁侧螺母15和次梁侧螺母18前进或后退， 并带动与其相连的第一滑块6和第二滑块9往复运动，从而实现电动葫芦12的吊钩26在水 平方向上的运动，同时以摄像头3监控吊钩26位置，至开挖土袋24对应弹簧环25上方； 关闭主梁电机13和次梁电机16，打开电动葫芦12开关，调节吊钩26上下运动，起吊开挖 土袋24至模型仓21上方一定高度；关闭电动葫芦12开关，分别打开主梁电机13和次梁电 机16，起吊的开挖土袋24便随吊钩26移动到弃土仓22上方；关闭主梁电机13和次梁电 机16，打开电动葫芦12开关，吊钩26向下运动，将开挖土袋24放置于弃土仓22内，吊 钩26再次起升至弃土仓22上方，相应土层开挖完成，其它土层的开挖同样步骤进行，直至 基坑开挖完成，基坑开挖过程中围护结构23将产生内力和变形，地基土体随之变形，通过力 传感器和位移传感器测定相关内力和变形。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。