开挖可控的基坑模型试验装置的制作方法

1.本实用新型属于基坑工程领域，尤其涉及一种开挖可控的基坑模型试验装置。


背景技术：

2.受场地环境及施工条件的限制，很多学者通过模型试验研究不同形式的基坑在开挖过程中围护结构、周边地层及邻近建构筑物的变形及内力。基坑开挖的模型试验包含两个步骤，一是坑内土体的开挖，二是围护结构的支撑架设，这两个步骤对模型试验的结果影响很大。基坑开挖往往是分层分块进行的，由于土体力学特性的非线性以及土体开挖往往需要人工用铲子进行开挖，这两个因素使得模型试验时每块土体的开挖存在很多的不可控，比如每次土体开挖量的大小控制，每块土体开挖时间的控制，每块土体开挖时，铲土作业对周边土体及围护结构的扰动。围护结构的支撑架设也是模型试验中的难点，支撑架设时通过人力将支撑杆件顶在围护结构上会对围护结构产生扰动，架设后支撑杆件对围护结构存在一定预加应力，以往的模型试验缺乏预加应力的控制措施。
3.现有的原位测试技术已经能够准确的测试基坑开挖期间围护结构及周边环境的内力及变形情况。只是很多新的工艺在实际工地现场实施前需要进行模型试验论证，为此需要通过模型试验进行对比研究。在模型试验中想通过对比试验来研究某种工艺的效果需要排除其他非工艺因素的干扰。比如，为了研究某工艺的效果需要进行两组对比试验，其中一组采用了该工艺，而另一组没有采用该工艺。那么是两组试验的实施过程中应该确保非工艺因素的相同，这些非工艺因素包括基坑开挖后预顶的支撑轴力、坑内挖土时的人工干扰、挖土时坑内土体的相互影响、坑内土体的强度等。所以为了确保模型试验结果的有效性，有必要设计一种的新的模型试验箱，该模型试验箱能够实现基坑开挖时无人工干扰及支撑预加轴力的可控。
4.模型试验中围护结构的变形测量也是一个难点，有些学者在围护结构上了粘贴应变片，通过应变换算得到围护结构的变形，但是这种测试方法受到温度及测点数量的限制，很难准确测量围护结构的实际变形。有些学者在围护结构上安装了百分表，虽然百分表可以准确测得围护结构的变形，但是百分表需要用连杆与表座相连，受模型箱尺寸限制，实际试验时只能对围护结构的个别部位进行位移监测。
5.相关专利文献如下：
6.申请号为201610205963.4的《可模拟基坑开挖过程中地下水位变化的基坑模型试验装置》，该装置包括模型箱、水箱、对称面挡土单元和基坑支护结构；模型箱由模型箱框架、钢化玻璃、模型箱底板、反力板、顶框和模型箱底座组成；水箱设置在模型箱内的右上方，用于控制和观测土体中的水位变化；对称面挡土单元为u型不锈钢条，用于临时支挡基坑被动侧未开挖土体，通过螺栓固定在模型箱框架上；基坑支护结构包括挡土墙和支撑。该发明可模拟地下水位动态变化下基坑开挖工程的各个施工工况，确保了模拟试验的准确性。
7.申请号为201610204554.2的《一种基于基坑开挖模型试验的可调节防水基坑支护
装置》，该装置包括挡土墙和支撑。挡土墙上部设有多道螺栓，通过螺栓固定挡土墙支架；挡土墙中部预留有若干固定螺栓，两侧设有止水橡胶条；止水橡胶条保证挡土墙移动过程中与模型箱接触面不发生漏水；支撑的一端具有内螺纹口，内螺纹口与固定螺栓螺纹连接，实现支撑的安装。该装置结构合理，安装操作方便，可用于模拟地下水环境下基坑开挖模型试验中柔性挡土墙的位移和变形。
8.申请号为202010820261.3的《一种基坑开挖模型试验的模型箱及试验方法》，该专利特征在于，所述箱体形成有一开口向上的腔体；围护结构，两所述围护结构竖直设置在所述腔体内，将所述腔体分成三个容纳腔；以及支撑结构，连接在两所述围护结构之间；在两所述围护结构两侧的所述容纳腔内填筑相同或不同高度的土体来进行基坑两侧等压或偏压的模型试验。同时还提供一种基坑开挖模型试验的方法。
9.申请号为201910213283.0的《基于地表水渗透的基坑开挖模型试验装置及使用方法》，该专利包括模型箱、人工湖设计水槽、基坑支护结构、角钢架和量测系统；模型箱为透明的正方形箱体，方便观测试验中地表水对基坑围护壁的渗透情况以及基坑支护结构的位移和土体的变形；人工湖设计水槽用于模拟人工湖的渗透；基坑支护结构通过角钢架与模型箱连接固定，其上布置监测仪器连接量测系统；模拟受地表水渗透作用下基坑开挖变形的响应情况，观察和研究地表水对基坑围护壁的渗水影响范围及对支护结构开挖变形的影响。
10.申请号为201610259592.8的《双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置》，该专利涉及一种双地连墙基坑开挖对隧道收敛变形影响的模型试验装置，模型箱顶面设为开口，隧道衬砌模型放置于模型箱中土体内部，与模型箱短边平行；地下连续墙模型放置于模型箱右侧；横向支撑模型固定于地下连续墙模型内部；基坑底板模型固定于基坑底部；红外线测距装置固定在隧道衬砌模型内壁上，两两为一对；通过导线预埋入隧道衬砌模型内，并连接到红外线测距输出系统，用于实时导出测点准确的收敛变形情况。


技术实现要素：

11.本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种开挖可控的基坑模型试验装置，不仅可以方便的测量围护结构的变形，还可以避开基坑开挖时因人工挖土带来的干扰，还能根据需要预加设定的支撑轴力。
12.这种开挖可控的基坑模型试验装置，包括模型箱外框架、模拟土、支撑挡板部件、支撑部件及测试仪器组件。
13.所述的模型箱外框架由底座、前立柱、后立柱、围护挡板、有机玻璃侧板、背板、侧板加强肋条、背板加强肋条和前部拉杆组成。所述的底座由若干块钢板及若干根工字钢通过焊接拼接而成。所述前立柱设有围护挡板及有机玻璃侧板的插槽。所述前立柱上布设有孔洞，该孔洞与围护挡板两侧边缘的孔洞相对应，前立柱与围护挡板通过螺钉固定。所述后立柱设有背板及有机玻璃侧板的插槽。所述的围护挡板采用有机玻璃板制成，围护挡板上设有钻孔。支撑部件与围护挡板之间设置支撑部件钢垫板，支撑部件钢垫板与围护挡板通过螺钉连接。所述的背板设置于两根后立柱之间，位于模型箱的后部。所述的侧板加强肋条焊接在前立柱与后立柱之间。所述的背板上设置背板加强肋条。所述的前部拉杆设置于两根前立柱之间。
14.所述的模拟土由石膏、粉煤灰、沙子、重晶石粉、水组成。
15.所述的支撑挡板部件主要由支撑挡板、支撑挡板加强肋条及支撑挡板立柱组成。支撑挡板两侧通过支撑挡板立柱固定，支撑挡板立柱设有用于固定支撑挡板的插槽，支撑挡板上设置支撑挡板加强肋条，支撑挡板立柱与前立柱之间设置支撑挡板侧部连杆。
16.所述的支撑部件主要由转动手柄、丝杆、支撑挡板丝杆固定件、滑移外套筒、滑移内套筒、弹簧内套筒、位移测量板、弹簧外套筒、限位梢、百分表、百分表连接件和支撑部件连接端板组成。弹簧内套筒设于弹簧外套筒内部，弹簧外套筒的侧部设有一个槽，弹簧内套筒的端部设有一个孔，限位梢穿过该槽和该孔。弹簧设于弹簧内套筒内。弹簧外套筒的外端设有支撑部件连接端板，弹簧内套筒的外端设有一块铁板。弹簧外套筒上设有百分表连接件，百分表通过螺钉安装在百分表连接件上。弹簧内套筒的外露段设有位移测量板，百分表的测头顶住位移测量板。丝杆的一头顶在弹簧内套筒外端，另一头设有转动手柄。支撑挡板上安装支撑挡板丝杆固定件，支撑挡板内侧安装滑移外套筒，滑移内套筒设于滑移外套筒内，滑移内套筒焊接在弹簧内套筒外端。丝杆设于支撑挡板丝杆固定件内，并穿过支撑挡板内侧的滑移外套筒和滑移内套筒。支撑部件连接端板与围护挡板及支撑部件钢垫板通过螺钉连接。
17.所述的测试仪器组件包括顶部沉降基准杆、顶部沉降百分表、微型土压力计、微型孔隙水压力计、信号采集仪及电脑。顶部沉降百分表通过表座放置在顶部沉降基准杆上，顶部沉降基准杆通过顶部沉降基准杆支座固定在模型箱外框架上方。模拟土内设有微型土压力计和微型孔隙水压力计。微型土压力计与微型孔隙水压力计的传感器导线连接信号采集仪，信号采集仪连接电脑。
18.作为优选：所述的模拟土的沙子、石膏、水、粉煤灰及重晶石粉的质量比为200：6：130： 80：60。
19.作为优选：所述的百分表，其量程为50mm，测量精度0.01mm。
20.作为优选：所述的微型土压力计，量程1000kpa，直径16mm，厚度4.8mm，灵敏度系数约2mv/mpa，精度≤0.5％f
·
s，满量程输出(με)：2000左右，接桥方式：全桥，桥路电阻 (ω)：350。
21.作为优选：所述的微型孔隙水压力计，量程500pa，直径15.8mm，高度21mm，分辨率 0.05kpa，灵敏度系数约0.02mv/kpa，精度≤0.3％f
·
s。接桥方式：全桥，桥路电阻(kω)： 10。
22.本实用新型的有益效果是：
23.1、本模型装置设置了在围护挡板与支撑挡板之间设置了支撑部件，可以通过支撑部件卸荷实现基坑开挖，方便了基坑开挖的模拟，避免了人工开挖时的人为扰动。
24.2、本模型装置的支撑部件设置了丝杆，通过旋转手柄拧紧丝杆实现支撑架设，方便了支撑架设的模拟，避免了人工架设支撑时的人为扰动。
25.3、本模型装置可以通过旋转手柄拧紧丝杆实现支撑预加轴力的施加，通过观察百分表的数值实现预加轴力的精准施加。
26.4、本模型装置可以通过测量丝杆的伸缩量实现围护结构的位移测量，操作简单。
27.5、本模型装置的支撑部件设置了百分表，可以通过观察支撑部件上的百分表数据掌握坑外附加外力对支撑轴力的影响。
附图说明
28.图1为模型试验箱前部结构示意图；
29.图2为模型试验箱后部结构示意图；
30.图3为支撑部件拼装示意图；
31.图4为模型试验箱俯视平面图；
32.图5为围护挡板钻孔示意图；
33.图6为围护挡板与支撑部件钢垫板连接孔示意图；
34.图7为围护挡板与支撑部件连接孔示意图；
35.图8为支撑部件钢垫板钻孔示意图；
36.图9为前立柱截面示意图；
37.图10为后立柱截面示意图；
38.图11为支撑挡板立柱截面示意图；
39.图12为百分表连接件示意图；
40.图13为弹簧外套筒示意图；
41.图14为弹簧内套筒示意图；
42.图15为滑移外筒示意图；
43.图16为滑移内筒示意图；
44.图17为支撑部件连接端板示意图；
45.图18为顶部沉降基准杆支座截面示意图；
46.图19为顶部沉降基准杆截面示意图；
47.图20为加强肋条截面示意图。
48.附图标记说明：1-底座、2-围护挡板、3-支撑部件钢垫板、4-支撑挡板、5-支撑挡板加强肋条、6-支撑挡板立柱、7-支撑部件、8-支撑挡板侧部连杆、9-前立柱、10-后立柱、11
‑ꢀ
有机玻璃侧板、12-背板、13-侧板加强肋条、14-背板加强肋条、15-模拟土、16-微型土压力计、17-微型孔隙水压力计、18-传感器导线、19-信号采集仪、20-电脑、21-顶部沉降百分表、22-顶部沉降基准杆、23-顶部沉降基准杆支座、24-前部拉杆、25-前部拉杆支座、26-转动手柄、27-丝杆、28-支撑挡板丝杆固定件、29-滑移外套筒、30-滑移内套筒、31-弹簧内套筒、 32-位移测量板、33-弹簧外套筒、34-限位梢、35-百分表、36-百分表连接件、37-支撑部件连接端板、38-弹簧、39-模型箱外框架、40-支撑挡板部件、41-弹性压杆。
具体实施方式
49.下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
50.实施例一
51.本技术实施例一提供一种开挖可控的基坑模型试验装置，包括模型箱外框架39、模拟土15、支撑挡板部件40、支撑部件7及测试仪器组件。
52.所述的模型箱外框架39由底座1、前立柱9、后立柱10、围护挡板2、有机玻璃侧板
11、背板12、侧板加强肋条13、背板加强肋条14、前部拉杆24组成。所述的底座1由4块2m
ꢀ×
1.25m钢板及11根高度10cm工字钢通过焊接拼接而成。该底座1作为模型试验的平台，确保模型试验各部件的平稳。所述的前立柱9是为了连接围护挡板2与有机玻璃侧板11，所以前立柱9含有围护挡板2及有机玻璃侧板11的插槽，前立柱高1.1m，截面如附图9所示。另外为了防止围护挡板2因变形过大脱出前立柱9的插槽，在前立柱9上布设有一定数量的孔洞，这些孔洞与围护挡板2两侧边缘的孔洞相一致，这样可以通过螺钉将前立柱9与围护挡板2相互固定。所述的后立柱10是为了连接背板12与有机玻璃侧板11，所以后立柱10 含有背板12及有机玻璃侧板11的插槽。后立柱高1.1m，截面如附图10所示。所述的围护挡板2用于模拟基坑开挖时候的围护结构，该围护挡板采用有机玻璃板制作，该有机玻璃板厚度为8mm，有机玻璃板及钻孔位置如附图5所示。为了便于与支撑部件通过螺钉连接，在围护挡板上进行钻孔，如附图7所示。同时为了防止支撑部件直接顶在围护挡板上造成围护挡板的损坏，在支撑部件与围护挡板之间设置钢垫板，钢垫板与围护挡板采用螺钉连接，连接孔位置如附图6及附图8所示。所述的有机玻璃侧板11厚度2cm，长1.5m，高1.1m。该尺寸可以确保模型试验时的侧向土压力不会造成有机玻璃侧板11变形，另外透明的有机玻璃侧板11便于观察模型箱内土体的变形情况。所述的背板12位于模型箱的后部，该背板12由厚6mm的铁板制成。所述的侧板加强肋条13焊接在前立柱9与后立柱10之间，不仅能增强有机玻璃侧板11的侧向抗变形能力，还能防止前后侧立柱因土压力产生弯曲。所述的背板加强肋条14不仅能增强背板12的侧向抗变形能力，还能防止后立柱10因土压力产生弯曲。所述的前部拉杆24用于提高两根前立柱9的抗弯曲性能。
53.所述的模拟土15用于模拟饱和软土，该模拟土15由石膏、粉煤灰、沙子、重晶石粉、水五种材料混合而成。其中沙子作为主骨料，石膏用于调节模拟土15的粘聚力，粉煤灰用于填充骨料的缝隙，重晶石粉用于调节模拟土15的比重，水用于饱和模拟土15。该模拟土15 相比实际软土透水性好，饱和快，失水也快，可根据含水量的调整配制出各种所需特性的土，且该土容易翻铲能够节省模型试验时间。
54.所述的支撑挡板部件40由支撑挡板4、支撑挡板加强肋条5及支撑挡板立柱6组成。所述的支撑挡板4是一块6mm厚，2m
×
1.1m的铁板。所述的支撑挡板加强肋条5是长2m的方钢，该支撑挡板加强肋条5用于增加支撑挡板4的抗变形能力。所述的支撑挡板立柱6用于固定支撑挡板，该立柱上有用于固定支撑挡板的插槽，支撑挡板立柱6的截面如附图11所示。
55.所述的支撑部件7如附图3所示，由转动手柄26、丝杆27、支撑挡板丝杆固定件28、滑移外套筒29、滑移内套筒30、弹簧内套筒31、位移测量板32、弹簧外套筒33、限位梢34、百分表35、百分表连接件36、支撑部件连接端板37组成。考虑弹簧38的变形与受力线性相关，利用弹簧38的这一特性制成弹性压杆41。由于弹簧内套筒31的长度超过了车床的钻进距离，所以需要加工两根套管，再将两根套管通过螺纹连接，至此制成弹簧内套筒31。在弹簧外套筒33的侧部割出一个槽，在弹簧内套筒31的端部钻一个孔，这个孔用来安装限位梢 34。将弹簧38塞入弹簧内套筒31，再将弹簧内套筒31塞入弹簧外套筒33，塞入后将限位梢 34安装在弹簧内套筒31上，如此弹簧内套筒31的一端就卡在弹簧外套筒33内，在弹簧外套筒33的端部焊上支撑部件连接端板37，在弹簧内套筒31的另一端焊一块铁板，这样就完成了弹性压杆41的制作。想要了解弹性压杆41的压力，需要测量弹性压杆41的压缩量。在弹簧外套筒33上焊接百分表连接件36，用螺钉将百分表35安装在百分表连接件36上。在弹簧内
套筒31的外露段焊接位移测量板32，百分表35的测头顶住位移测量板32就能测量弹性压杆41的压缩量了。为了能够精确控制弹性压杆41的压缩量，将丝杆27的一头顶在弹性压杆41上，通过旋转丝杆27实现丝杆27的顶进，为了实现丝杆27顶进的功能在支撑挡板4上安装支撑挡板丝杆固定件28，在支撑挡板4内侧安装滑移外套筒29，将滑移内套筒 30焊接在弹性压杆41上。将丝杆27装入支撑挡板丝杆固定件28，并从支撑挡板4内侧的滑移外套筒29穿出，再塞入滑移内套筒30。将支撑部件连接端板37与围护挡板2及支撑部件钢垫板3通过螺钉连接。至此，完成支撑部件的安装。通过丝杆的拧紧或拧松实现支撑的架设及基坑开挖。丝杆通过与支撑挡板丝杆固定件、滑移外套筒、滑移内套筒的组合实现了丝杆顶进支撑施加轴力或开挖卸载的功能。通过测量丝杆的顶进量及弹簧的压缩量可以算出支撑轴力及围护挡板的位移。通过百分表测量位移测量板的位移掌握弹簧的压缩量。由弹簧的压缩量进而掌握支撑轴力。
56.所述的测试仪器主要包括顶部沉降基准杆22、顶部沉降百分表21(含表座)、微型土压力计16、微型孔隙水压力计17、信号采集仪19及电脑20。将顶部沉降百分表21通过表座放置在顶部沉降基准杆22上，以此测量模拟土15的顶面沉降。微型土压力计16用于测试模拟土15不同位置处的土压力变化。微型孔隙水压力计17用于测试模拟土15不同位置处的孔隙水压力变化。微型土压力计16与微型孔隙水压力计17的传感器导线18接到信号采集仪 19，信号采集仪19再接到电脑20。这样就完成了测试仪器的准备。
57.实施例二
58.本技术实施例二提供一种开挖可控的基坑模型试验装置的拼装及试验方法，步骤如下：
59.s1、用铁板及工字钢完成底座1的施工。焊上支撑挡板立柱6、前立柱9及后立柱10。焊上侧板加强肋条13，插入有机玻璃侧板11。前立柱9顶部焊上前部拉杆支座25，将前部拉杆24的两头插入前部拉杆支座25的插槽中。插入背板12，焊上背板加强肋条14。在支撑挡板立柱6的插槽内插入支撑挡板4，焊上支撑挡板加强肋条5。在前立柱9的插槽内插入围护挡板2，在围护挡板2上安装支撑部件钢垫板3，安装支撑部件7，安装支撑挡板侧部连杆 8，以提高支撑挡板立柱的抗变形能力，在模型箱内垫好防水的膜，焊接顶部沉降基准杆支座 23，再安装顶部沉降基准杆22，将顶部沉降百分表21通过表座安装在顶部沉降基准杆22上，至此完成模型箱的拼装工作。
60.s2、模型试验开始前，确保围护挡板2安装稳固，对于围护挡板2两端及底部做好防水处理，通过转动手柄26使支撑部件7的丝杆27逐渐顶进，当支撑部件7的百分表35有数字变动时说明支撑部件7与围护挡板2已经相互顶上。记录所有支撑部件7上的百分表35数据，这个百分表35数据以b1表示。将模拟土15填入模型箱内，填土过程中根据试验需要将微型土压力计16及微型孔隙水压力计17埋设好并将传感器导线18从模型箱侧部引出连接信号采集仪19，信号采集仪19再连接电脑20。填土完成后受土压力的作用围护挡板会发生变形进而顶推支撑部件7，这时候支撑部件7上的百分表35数据会有所变动，记录此时的百分表35 数据，这个百分表35数据以b2表示，设支撑部件7的弹性系数为k，则已有的支撑部件7 在坑外土体荷载作用下产生的支撑轴力f＝k
·
|(b2-b1)|，这时的支撑轴力与坑外土压力相平衡，要模拟基坑开挖只要松开某一层的支撑部件7就行。
61.s3、基坑开挖后需要了解围护挡板2的变形，基坑围护挡板2的变形测量分为三种
情况，第一种是支撑部件7的丝杆27松开后，即开挖面的变形测量，第二种是支撑部件7未松开及开挖面以下的变形测量，第三种是支撑部件7的丝杆27松开后又重新拧紧时的变形测量。
62.第一种情况下的围护挡板2变形测量需要用游标卡尺测量丝杆27的外露端部到支撑挡板 4的之间的距离，即通过测量丝杆27的拧紧线程了解丝杆27的顶进距离。设丝杆27松开前外露长度为s1，丝杆27松开前支撑部件7的百分表35的读数变化量为b2-b1，要测量这时的围护挡板2变形量需要将丝杆27再次拧紧，拧到百分表35读数有数据变动时就立即停止，记录此时的丝杆27外露长度为s2，则丝杆27的移动距离就是s2-s1，再减去弹簧卸荷的线程b2-b1就是围护挡板2的变形量，则第一种情况的围护挡板2的变形计算公式为(s2-s1)-(b2-b1)。需要注意的是丝杆27重新顶在支撑部件7上时，记录此刻的百分表35 读数为b3，理论上b3应等于b1，设δb＝b1-b3，试验时应尽量减小δb。
63.第二种情况下的围护挡板2变形测量较为简单，直接读取开挖后百分表35上的数据，记为b3，则第二种情况下围护挡板2的变形计算公式为b3-b2。
64.第三种情况下的围护挡板2变形测量是建立在第一种情况的基础上，即先要完成第一种情况的测量后再进行第三种情况下的测量。当丝杆27重新拧紧时，记录此时的丝杆27外露长度为s3，百分表35的读数为b4，则第三种情况相较于第一种情况的围护挡板2变形量为(s3-s2)-(b4-b3)。加上第一种情况的围护挡板2变形量，则第三种情况的围护挡板2 变形量为s3-s1-b4-b2+b3+b1。
65.s4、要模拟支撑架设时，只要将某道支撑的丝杆27通过转动手柄26拧紧就行，转动手柄时需观察百分表35，当百分表35数据开始变动时记录此刻的读数，这个百分表35数据依旧以b1表示，根据支撑轴力计算式f＝k
·
|(b2-b1)|由预设的支撑轴力f反算b2，当百分表35数值达到b2的时候停止拧紧丝杆，这样就完成了支撑的架设。
66.s5、要想了解基坑模型试验时基坑外部的附加荷载对基坑变形及轴力的影响只要观察支撑部件7的百分表35的读数就行，百分表35的读数的变化量就是围护挡板2的变形，而支撑部件7的轴力变化量可根据计算公式f＝k
·
|(b2-b1)得到。