一种基坑开挖过程的模拟方法技术

本发明专利技术针对目前基坑支护桩的问题，为了实现更好的理论分析和模拟教学，也为了完成合理支护设计和最优的经济效益，公开一种设计合理、使用灵活、成本低的基坑开挖过程的模拟方法；根据假定的基坑开挖前支护桩侧壁土压力分布形式，对任意高度位置的施压组件进行加压，然后依据设计工况，依次分步卸载模拟装置一侧的施压组件荷载，其他位置的传压组件通过各自施压组件中的弹簧自动实现相应的应力及位移变化，实时模拟基坑土体开挖过程及桩侧土压力的变化，而无需进行人工调节；本发明专利技术可广泛应用于土木工程设计和施工领域。

A simulation method for excavation process of foundation pit

Aiming at the problem of supporting pile in foundation pit at present, in order to achieve better theoretical analysis and simulation teaching, and to complete reasonable supporting design and optimal economic benefit, the invention discloses a simulation method of excavation process of foundation pit with reasonable design, flexible use and low cost; according to the presumed soil of side wall of supporting pile before excavation of foundation pit Pressure distribution forms are used to pressurize the pressure components at any height, and then unload the load of the pressure components at one side of the simulator step by step according to the design conditions. The pressure components at other positions automatically realize the corresponding stress and displacement changes through the springs in the pressure components, and simulate the excavation of foundation pit soil in real time. The invention can be widely used in the field of civil engineering design and construction.

【技术实现步骤摘要】
一种基坑开挖过程的模拟方法
本专利技术一种基坑开挖过程的模拟方法，属于土木工程设计与施工

技术介绍
现代城市在不断发展过程中，建筑物趋于密集化，高层建筑及地下设施增多，在建筑密集区高层建筑下部结构施工中将存在着深基坑开挖及稳定问题。由于支护工程计算随土层的变化而更趋复杂，设计过程中常将多个土层简化，而且深基坑施工和支护往往以经验和工程类比法为主，尤其对支护方案的优选和支护构件的优化研究的并不深入系统。实际上，在基坑支护结构内力计算中，首先需要确定支护结构的计算简化模型、假定支护结构外侧土压力的分布、基坑开挖过程中土压力的变化，现有的《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120)在计算悬臂支档结构和锚拉式支档结构时，把支护桩外侧的土压力看作是主动土压力，把基坑内侧土反力采用线弹性模型，支护桩看着弹性梁进行计算，在计算中也没有考虑土压力是动态变化。如何采用物理模型直观地、可视化地表现这种计算过程中，而且合理的考虑基坑开挖过程土压力的变化，是土木工程教学和工程计算必须面对的问题。
技术实现思路
本专利技术针对目前基坑支护桩的问题，为了实现更好的理论分析和模拟教学，也为了完成合理支护设计和最优的经济效益，公开一种设计合理、使用灵活、成本低的基坑开挖过程的模拟方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基坑开挖过程的模拟方法，按下述步骤实施：第一步：安装反力框架；将反力框架固定于地面，确保底部横梁水平布置，侧梁垂直布置；第二步：模型桩参数的确定；确定模型桩的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为支护桩的桩顶到桩底之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩的宽度、桩侧土层开挖前的沿计算桩长侧向土压力曲线形态和静止土压力的形态；第三步：安装定位调节组件；支撑板布置于顶部横梁和底部横梁之间，且支撑板的上、下端均固定于凹槽内，并确保支撑板的竖向轴线与铅垂线重合；在每个横梁槽口内的插孔内安装调节杆，调节杆穿过调节螺母，调节杆上端固定在定位横梁上，通过旋转调节螺母使同一高度的所有定位横梁在同一水平面；第四步：在模型桩侧安装施压组件和传压组件；预先加工施压组件，把套筒两端穿过反力框架的侧梁，定位杆外置弹簧，且定位杆一端依次与活塞和传力杆连接，传力杆穿过限位板插入连接板的U型槽内，且与U型槽底平面接触，并通过连接销与连接板固定，定位杆另一端插入空心螺纹杆中，且空心螺纹杆通过丝扣与套筒连接，并在外端加装加载把手；在传压组件的承压板几何中心预留位置安装压力传感器，压力传感器面向模型桩表面与承压板表面齐平，然后在承压板面向模型桩一侧表面安装垫块，把每一个传压组件均通过定位板连接在相应的定位横梁上；第五步：模型桩的制作与安装；在反力框架的底孔填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩通过顶部横梁预留的送桩孔吊入反力框架内，模型桩底端插入底孔中，并根据模型桩嵌固条件，确定模型桩插入底孔的深度，调节模型桩的垂直度使模型桩纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔与模型桩之间的空隙；第六步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；确保分布在模型桩两侧对称布置的承压板的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，通过确定每一套传压组件左右对称的两块承压板水平轴线与传力杆水平向轴线之间的高度偏差，确定每一套传压组件左右对称两块承压板的偏心距，然后调整传力杆端部在U型槽的竖向位置，使两侧对称传力杆轴线重合，通过连接销贯穿定位孔和传力杆的连接通孔将传力杆固定在连接板上，确保可靠连接，这样就完成套桩侧施压组件和传压组件的水平调节，如此循环，直至完成所有桩长范围内的桩侧施压组件和传压组件的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，通过对施压组件的加载把手进行旋转对模型桩桩侧施加初始土压力；第七步：对任意高度位置的施压组件进行加压与卸载，其他位置的传压组件通过各自施压组件中的弹簧自动实现相应的应力及位移变化，实时模拟基坑土体开挖应力和位移变化过程，而无需进行人工调节。本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是：本专利技术把基坑支档结构简化为平面应变情况，把支档结构两侧土压力均简化为弹簧，在基坑开挖前对支档结构两侧按假定的桩侧为静止土压力，然后卸载一侧弹簧，相当于桩侧土层开挖，随之，支护结构两侧静力平衡被破坏，支护桩未开挖一侧土压力由静止土压力转化为主动土压力，支护桩开挖一侧下部未开挖部分土压力由静止土压力转化为被动土压力，随支护桩的变形，以支护桩为对象重新建立新的平衡，从而实现了基坑开挖模拟和支护桩内、外侧土压力的动态变化模拟，因此，该模拟装置实现了对基坑支档结构受力过程的物理模拟和过程可视化，同时可以实现土压力动态变化，与基坑实际受力情况更加接近，对基坑工程研究具有一定的指导意义。附图说明下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术中由施压组件和传压组件组成的加载装置示意图。图3为图1中A-A截面的剖视图。图4为本专利技术中定位调节组件的结构示意图。图5为本专利技术中施压组件的结构示意图。图中：1为反力框架、11为顶部横梁、12为底部横梁、13为侧梁、14为凹槽、15为送桩孔、16为底孔、2为施压组件、21为空心螺纹杆、22为弹簧、23为套筒、24为传力杆、25为限位板、26为活塞、27为加载把手、28为定位杆、3为传压组件、31为承压板、32为连接板、33为传力板、34为U型槽、35为垫块、36为定位孔、37为连接销、4为定位调节组件、41为定位板、42为支撑板、43为预留孔、44为定位横梁、45为调节螺母、46为调节杆、47为插孔、5为模型桩、6为测试系统、61为压力传感器、62为位移传感器、63为压力传感器控制系统，64位移传感器控制系统。具体实施方式如图1～图5所示，本专利技术涉及一种基坑开挖过程模拟装置，包括反力框架1、施压组件2、传压组件3、定位调节组件4、模型桩5和测试系统6；多个所述施压组件2对称设置在反力框架1的两侧侧面上，所述传压组件3和定位调节组件4对应施压组件2且均位于反力框架1内，所述施压组件2和传压组件3对应连接在一起对设置在反力框架1内的模型桩5施加载荷，所述测试系统6用于测试模型桩5侧面受到的压力及偏移的位移；所述反力框架1为矩形封闭框架，且所述反力框架1包括顶部横梁11、底部横梁12和侧梁13，所述顶部横梁11和底部横梁12均水平设置，两个所述侧梁13竖直设置在顶部横梁11和底部横梁12之间，与顶部横梁11和底部横梁12配合形成矩形框体结构，所述顶部横梁11和底部横梁12的内侧均设置有凹槽14，且所述凹槽14相对设置，所述顶部横梁11的中部在竖直方向设置有送桩孔15，所述送桩孔15为通孔，所述送桩孔15正下方对应的底部横梁12上设置有底孔16，所述底孔16为盲孔；所述施压组件2的结构为：包括空心螺纹杆21、弹簧22、套筒23、传力杆24、限位板25、活塞26、加载把手27和定位杆28，所述套筒23横向贯穿反力框架1一侧的侧梁13，且所述套筒23的两端均设置有内螺纹，所述套筒23相对侧梁13的外端连接有空心螺纹杆21，所述套筒23相对侧梁13的内端设置有限位板25，所述空心螺纹杆21的一端通过螺纹连接在套筒23上，所述空心螺纹杆2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基坑开挖过程的模拟方法，其特征在于，按下述步骤实施：第一步：安装反力框架(1)；将反力框架(1)固定于地面，确保底部横梁(12)水平布置，侧梁(13)垂直布置；第二步：模型桩(5)参数的确定；确定模型桩(5)的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为支护桩的桩顶到桩底之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩的宽度、桩侧土层开挖前的沿计算桩长侧向土压力曲线形态和静止土压力的形态；第三步：安装定位调节组件(4)；支撑板(42)布置于顶部横梁(11)和底部横梁(12)之间，且支撑板(42)的上、下端均固定于凹槽(14)内，并确保支撑板(42)的竖向轴线与铅垂线重合；在每个横梁槽口内的插孔(47)内安装调节杆(46)，调节杆(46)穿过调节螺母(45)，调节杆(46)上端固定在定位横梁(44)上，通过旋转调节螺母(45)使同一高度的所有定位横梁(44)在同一水平面；第四步：在模型桩(5)侧安装施压组件(2)和传压组件(3)；预先加工施压组件(2)，把套筒(23)两端穿过反力框架(1)的侧梁(13)，定位杆(28)外置弹簧(22)，且定位杆(28)一端依次与活塞(26)和传力杆(24)连接，传力杆(24)穿过限位板(25)插入连接板(32)的U型槽(34)内，且与U型槽(34)底平面接触，并通过连接销与连接板(32)固定，定位杆(28)另一端插入空心螺纹杆(21)中，且空心螺纹杆(21)通过丝扣与套筒(23)连接，并在外端加装加载把手(27)；在传压组件(3)的承压板(31)几何中心预留位置安装压力传感器，压力传感器面向模型桩(5)表面与承压板(31)表面齐平，然后在承压板(31)面向模型桩(5)一侧表面安装垫块(35)，把每一个传压组件(3)均通过定位板(41)连接在相应的定位横梁(44)上；第五步：模型桩的制作与安装；在反力框架(1)的底孔(16)填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩(5)通过顶部横梁(11)预留的送桩孔(15)吊入反力框架(1)内，模型桩(5)底端插入底孔(16)中，并根据模型桩(5)嵌固条件，确定模型桩(5)插入底孔(16)的深度，调节模型桩(5)的垂直度使模型桩(5)纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔(16)与模型桩(5)之间的空隙；第六步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；确保分布在模型桩(5)两侧对称布置的承压板(31)的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，调整传力杆(24)端部在U型槽(34)的竖向位置，使两侧对称传力杆(24)轴线重合，通过连接销(37)贯穿定位孔(36)和传力杆(24)的连接通孔将传力杆(24)固定在连接板(32)上，确保可靠连接，这样就完成(1)套桩侧施压组件(2)和传压组件(3)的水平调节，如此循环，直至完成所有计算桩长范围内的桩侧施压组件(2)和传压组件(3)的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，通过对施压组件(2)的加载把手(27)进行旋转对模型桩(5)桩侧施加初始土压力；第七步：对任意高度位置的施压组件(2)进行加压与卸载，其他位置的传压组件(3)通过各自施压组件(2)中的弹簧(22)自动实现相应的应力及位移变化，实时模拟基坑土体开挖应力和位移变化过程，而无需进行人工调节。...

【技术特征摘要】
1.一种基坑开挖过程的模拟方法，其特征在于，按下述步骤实施：第一步：安装反力框架(1)；将反力框架(1)固定于地面，确保底部横梁(12)水平布置，侧梁(13)垂直布置；第二步：模型桩(5)参数的确定；确定模型桩(5)的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为支护桩的桩顶到桩底之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩的宽度、桩侧土层开挖前的沿计算桩长侧向土压力曲线形态和静止土压力的形态；第三步：安装定位调节组件(4)；支撑板(42)布置于顶部横梁(11)和底部横梁(12)之间，且支撑板(42)的上、下端均固定于凹槽(14)内，并确保支撑板(42)的竖向轴线与铅垂线重合；在每个横梁槽口内的插孔(47)内安装调节杆(46)，调节杆(46)穿过调节螺母(45)，调节杆(46)上端固定在定位横梁(44)上，通过旋转调节螺母(45)使同一高度的所有定位横梁(44)在同一水平面；第四步：在模型桩(5)侧安装施压组件(2)和传压组件(3)；预先加工施压组件(2)，把套筒(23)两端穿过反力框架(1)的侧梁(13)，定位杆(28)外置弹簧(22)，且定位杆(28)一端依次与活塞(26)和传力杆(24)连接，传力杆(24)穿过限位板(25)插入连接板(32)的U型槽(34)内，且与U型槽(34)底平面接触，并通过连接销与连接板(32)固定，定位杆(28)另一端插入空心螺纹杆(21)中，且空心螺纹杆(21)通过丝扣与套筒(23)连接，并在外端加装加载把手(27)；在传压组件(3)的承压板(31)几何中心预留位置安装压力传感器，压力传感器面向模型桩(5)表面与承压板(31)表面齐平，然后在承压板(31)面向模型桩(5)一侧表面安装垫块(35)，把每一个传压组件(3)均通过定位板(41)连...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建军，徐鹏程，耿少波，常慧，连勇，裴勇，李剑锋，刘亚玲，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14