隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及隧道‑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。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术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。

Centrifugal model test device and method for the influence of multiple excavation of tunnel foundation pit on existing pile foundation

【技术实现步骤摘要】
隧道-基坑多重开挖影响既有桩基的离心模型试验装置及方法
本专利技术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及方法。
技术介绍
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及方法。
技术实现思路
本专利技术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及方法，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。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的试验方法，包括以下步骤：步骤一，前期准备：安装隔板和横向支撑，将模型箱分隔为主体试验箱和附属试验箱，隔板与箱壁、箱底之间的缝隙采用玻璃胶密封；步骤二，模型制作：制作模型桩、模型隧道和模型基坑，配制与模型用土密度一致的重液，根据土体损失设计值向模型隧道的环形橡胶袋内注入相应体积的重液；步骤三，模型安装：在主体试验箱内分层铺设模型用土，期间依次安装定位模型桩、模型隧道和模型基坑，滑移横向支架至模型桩正上方后锚固，安装桩头约束装置和加载系统；其中桩头约束装置的桩头夹具和模型桩的接触面涂有润滑剂；步骤四，铺设导管：在附属试验箱内，将预先穿过隔板底部的通孔的导管与阀门对应相连形成并联通路，导管最后与重液收集筒连接；向模型基坑的敞口橡胶袋内注入重液直至与模型用土的地表齐平，使阀门呈关闭状态；步骤五，测量系统安装：将模型箱移至土工离心机的挂篮平台上，在模型箱顶部安装监控相机并调整相机角度至画面覆盖主体试验箱，在模型箱外侧悬挂安装数据采集仪，标定并安装地表位移传感器、桩顶位移传感器、压力传感器和孔隙水压力计，依次将监控相机和各类传感器的导线连接在数据采集仪的通道上；步骤六，桩顶工作荷载施加：计算安装配重，调试加载系统、控制系统和测量系统，启动土工离心机，逐渐加速旋转至所需的重力加速度；待测量系统的读数稳定，通过远程计算机控制加载系统，启动液压千斤顶，延伸杆向下移动直至与桩帽接触，通过读取压力传感器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：模拟隧道开挖时，通过远程计算机控制开启与模型隧道的第一节环形橡胶袋连接的阀门，待重液全部排出，测量系统读数稳定后，继续开启下一节环形橡胶袋的阀门，直至模型隧道分节开挖完毕；模拟基坑开挖时，通过远程计算机控制开启与敞口橡胶袋连接的阀门，根据孔隙水压力计读数逐步排出重液，直至模型基坑分层开挖完毕；步骤八，试验结束：待测量系统读数稳定后，关闭土工离心机，降速至常重力状态，拆除清理模型箱。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术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.本专利技术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。3.本专利技术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，通过考虑开挖卸本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刁红国，王新泉，张天赐，崔允亮，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33