离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统及模拟方法技术方案

一种离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统及模拟方法，模拟系统包括模型箱、隧道模型组件及步进电机；模型箱顶部通过撑板安装有线性滑台，线性滑台上安装有滚珠丝杆、步进电机和行星减速机，滚珠丝杆上套装的螺母滑块的内端固定有立轴安装块，立轴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，立轴下端依次连接有力传感器、单桩；两步进电机、位移测量仪、力传感器分别与数据采集控制仪连接，数据采集控制仪与控制电脑连接。模拟方法包括土层固结、单桩预先施加应力、群桩基础与隧道地层损失相互作用以及后期数据处理四个阶段。本发明专利技术真实模拟隧道开挖土层损失对群桩基础的影响。

【技术实现步骤摘要】
离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统及模拟方法
：本专利技术属于隧道开挖对桩基础影响模拟
，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及模拟方法。
技术介绍
：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。
技术实现思路
：本专利技术提供一种离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统及模拟方法，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。本专利技术的技术解决方案是：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。所述的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，包括下述步骤：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、第二步进电机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，通过外部控制电脑控制数据采集控制仪第一次向第二步进电机发出脉冲信号，第二步进电机转动通过滚珠丝杆带动螺母滑块沿线性滑台上的直线导轨向下运动压缩缓冲弹簧驱使每个单桩深入土层中，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，当单桩底部土层向单桩施加的反向压力通过力传感器检测达到实验设定的压力后，外部控制电脑控制数据采集控制仪停止向第二步进电机发出脉冲信号，第二步进电机停止转动，与此同时，外部控制电脑通过数据采集控制仪和位移测量仪记录单桩竖直方向的位移，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：外部控制电脑通过数据采集控制仪向第一步进电机发出脉冲信号，使第一步进电机转动一定角度，第一步进电机带动隧道模型组件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，外部控制电脑控制数据采集控制仪第二次向第二步进电机发出脉冲信号，从而驱使单桩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、力传感器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中；在此过程中，由于群桩基础的每一根单桩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；外部电脑通过控制数据采集控制仪第三次向第二步进电机发出脉冲信号，驱使单桩再次向下移动，直至所需施加应力通过力传感器检测达到外部电脑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，单桩又会产生相应的位移，外部控制电脑通过数据采集控制仪和位移测量仪记录单桩的竖直方向的位移，此位移数据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；外部电脑通过控制数据采集控制仪第四次向第二步进电机发出脉冲信号，驱使单桩再次向下移动，直至所需施加应力达到外部电脑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，直至通过力传感器测量得到的每一根单桩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：外部控制电脑通过数据采集控制仪向第一步进电机再次发出脉冲信号，使第一步进电机再次转动一定角度，第一步进电机带动隧道模型组件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。相比于现有技术，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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。2.一种权利要求1所述的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，其特征是包括下述步骤：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋戈阳，马楠，冯宜乐，宋涛，
申请(专利权)人：宋戈阳，
类型：发明
国别省市：陕西,61