[發明專利]基于四軸全電驅土工離心機器人的基坑開挖系統

有效

• 申請號: 201310284852.3
• 申請日: 2013-07-09
• 公開（公告）號: CN103334468A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 冉光斌;洪建忠;余小勇;陳磊;趙寶忠;栗慶
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院總體工程研究所
• 主分類號: E02F5/00
• 分類號: E02F5/00
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 楊春

技術領域

本發明涉及一種離心場條件下的基坑開挖系統，尤其涉及一種基于四軸全電驅土工離心機器人的基坑開挖系統。

背景技術

在巖土工程領域，離心模型試驗是解決巖土工程問題和進行科學研究的有力手段。離心模型試驗是根據相似理論實施的，它通過離心機高速旋轉所產生的慣性離心力場來模擬自重應力場，將相對于原型縮小了n倍的模型在n倍重力加速度的空間中進行試驗，則作用在模型上的體積力增加n倍。這樣在原型與模型材料及邊界應力相同的前提下，離心模型與原型各相應點不但應力狀態完全相同，其應變也相同，變形相似，破壞機理相同，能再現原型特性。這樣，便可通過對離心機上運轉中模型性狀的量測來預測原型的性狀變化規律。

隨著建筑物向高、大、重等方向發展，以及城市地區地鐵車站、碼頭等市政工程的持續建設，使得需進行深基坑開挖的工程不斷涌現。由于受周邊環境和工程地質、水文條件的影響，在基坑施工過程中常常會遇到各種各樣的復雜問題。為確保基坑及周圍建筑物的安全，基坑開挖前需了解施工現場不同的施工參數及加固方式對軟土基坑開挖周邊土體沉降的影響，以便選用安全合理的施工方案。由于土體的非彈線性特性，這些信息無法通過理論計算獲得，而利用土工離心試驗模擬基坑開挖，根據相似理論可很好解決此類工程問題。

在高離心場下實現基坑開挖比較困難，主要是缺少既能滿足離心試驗設備結構限制又能適應高離心場的合理基坑開挖系統。目前，土工離心試驗模擬基坑開挖主要采用以下幾種方法：①在重力場下將土體挖掉，然后用增大離心加速度來研究應力提高的情況下土體或擋土結構的反應（見《土木工程學報》2009，42（12）：154-161頁，徐前衛、馬險峰、朱合華等撰寫的科技論文——軟土地基超深基坑開挖的離心模型試驗研究）；②將與土體密度相當的代土液體預先裝入需要開抗的空間，試驗時利用閥控制液體排放而實現基坑開挖的模擬（見《地下空間與工程學報》2010.12(6)：1142-1145頁，冉光斌、寧張偉、洪建忠等撰寫的科技論文——具有多道支撐的深基坑開挖離心模擬試驗方法）；③采用高精密特種機械設備在離心機高速運轉的情況下實現自動開挖（見《Geotechnique》1998，48(6)：833-846頁，Richards?D?J、Powrie?W撰寫的科技論文——Centrifuge?model?tests?on?doubly?propped?embedded?retaining?walls?in?verconsolidated?kaolin?clay）。

上述方法①中，采用“開機-停機開挖-再開機試驗”模式，土體的應力路徑與實際情況不符，得到的試驗結果與實際情況相差較大，失去工程指導意義；上述方法②中，采用排放代土液體進行基坑開挖模擬的方法，要使代土液體在離心場下產生的壓力與土體側向壓力相等，就必須合理調配代土液體，而且還需設計專用的試驗裝置，操作難度很大；上述方法③中，采用特種開挖設備雖可實現深基坑開挖，但開挖設備結構復雜且昂貴，通用性差，不能被大多數實驗者采用。另外，上述方法①和②中，由于真實模擬深基坑開挖過程的土工離心試驗難度很大，而實現其操作的土工離心機器人發展較晚，高效多功能土工離心機器人近年來才有問世，與機器人配套的高效基坑開挖系統在國內還是空白，為此大多數試驗者采用近似試驗方法，所以得到的試驗結果與實際情況相差較大。

另外，經搜索專利文獻資料，未見公開的關于離心場環境下的基坑開挖系統的文獻，更未見相關產品在實際應用中使用。

發明內容

本發明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于四軸全電驅土工離心機器人的基坑開挖系統。

為了達到上述目的，本發明采用了以下技術方案：

本發明所述基于四軸全電驅土工離心機器人的基坑開挖系統，包括四軸全電驅土工離心機器人、挖斗和連接裝置，所述四軸全電驅土工離心機器人包括水平方向的X軸驅動系統、水平方向的Y軸驅動系統、垂直方向的Z軸驅動系統和垂直方向的θ軸驅動電機，所述θ軸驅動電機與所述Z軸驅動系統的Z軸移動塊連接；所述挖斗包括挖斗殼體、斗瓣、斗瓣拉桿和挖斗垂直拉桿，所述斗瓣為兩個并分別旋轉安裝于所述挖斗殼體下部的對稱兩側，所述斗瓣拉桿為兩根，兩根所述斗瓣拉桿的一端分別與兩個所述斗瓣的內側旋轉連接，兩根所述斗瓣拉桿的另一端分別與所述挖斗垂直拉桿的下端旋轉連接；所述連接裝置安裝于所述θ軸驅動電機和所述挖斗之間，所述連接裝置上端的旋轉運動輸入端與所述θ軸驅動電機下端的轉軸連接，所述連接裝置下端的直線運動輸出端與所述挖斗垂直拉桿的上端連接。