[發明專利]一種超重力環境下卷板式基坑開挖模擬裝置

有效

• 申請號: 201811519796.6
• 申請日: 2018-12-12
• 公開（公告）號: CN109356209B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 張宇亭;安曉宇;夏偉;呂強;夏高響;汪昊;王斐
• 申請（專利權）人: 交通運輸部天津水運工程科學研究所;安徽省引江濟淮集團有限公司;安徽省交通勘察設計院有限公司
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;E02D33/00
• 代理公司: 天津濱海科緯知識產權代理有限公司 12211
• 代理人: 楊慧玲

本發明提供了一種超重力環境下卷板式基坑開挖模擬裝置，包括模型箱體和卷板式模擬結構，模型箱體為上端開口的矩形箱體，卷板式模擬結構設置在模型箱體內，且將模型箱體分割成左右兩部分，模型箱體左部分放置土體，卷板式模擬結構包括平行設置的卷板支撐板和閘門支撐板以及位于兩者之間的活動閘門，卷板支撐板上設置有若干可轉動的卷板結構，活動閘門可在鋼絲繩導向機構的帶動下上升和下降，隨著活動閘門向下移動，位于其左邊的卷板結構依次向右轉動，土體通過卷板結構轉動后產生的縫隙掉落進入到模型箱體右側。本發明能夠滿足不同工況下的基坑開挖需求尤其是超重力環境下的基坑開挖試驗模擬需求。

技術領域

本發明屬于超重力離心模型試驗裝置領域，尤其是涉及一種超重力環境下卷板式基坑開挖模擬裝置。

背景技術

在深基坑土方開挖施工過程中，需要充分考慮時空效應，土方應分層、分區、對稱、勻衡的開挖，來防止土體應力、強度急劇降低，使基坑邊坡發生局部破壞或整體失穩、滑移，支護結構傾斜、下陷以致倒塌。在土工模型試驗過程中，怎樣精確模擬分層開挖的過程成為影響此類基坑開挖試驗結果的重要環節。

傳統的基坑開挖模擬方法可歸納為抓斗法、排重液法和砂囊法三種，但都存在各自的問題和局限性，具體說明如下：

(1)抓斗法。抓斗的形狀與港口爪機的抓斗類似，存在的缺點有：①由于機械抓斗結構形式的限制，造成底部開挖面凹凸不平；②時空上由于開挖區域存在先后順序，造成整個開挖面應力分布不均；③開挖深度難以精確控制，難以模擬薄層開挖的施工狀態；④整個開挖過程耗時較長，試驗效率較低。

(2)排重液法。排重液法一般需要按照設計尺寸，在土體模型表面預先挖出基坑，并制作柔性硅膠盒放入基坑中，并使用排液管路將硅膠囊連接到模型箱外，通過排空硅膠囊內重液的方法試驗基坑開挖的模擬。此種做法存在很多缺點：①重液為ZnCl₂液體，具有毒性，對人體健康損害較大；②此方法僅適用于特殊的模型土，如具有一定強度的粘土；③排液管路貫穿于土體模型中，對土體強度影響較大；④需要另外的閥門來控制管路的通斷，試驗中可能存在無法打開的風險，降低了試驗的成功率。

(3)砂囊法。砂囊法與排重液法相似，需要預先挖出基坑，制作有硬質外殼的沙袋放入其中，試驗中通過將沙袋逐一吊出而實現基坑的分層開挖。此種方法的缺點是：①僅適用于特殊的模型土，如具有一定強度的粘土；②開挖的深度固定，且較大，無法實現動態或者較小深度的開挖。

綜上所述，在土工離心模型試驗領域急需研制一套能靈活調節開挖深度、可適應多種土質、符合現場實際情況、簡單可靠的基坑開挖模擬裝置。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提出一種超重力環境下卷板式基坑開挖模擬裝置，針對超重力環境下基坑開挖模擬的試驗要求，通過控制活動閘門的高度靈活調節基坑開挖時每層的深度；在有限的工作空間下，通過滑輪組牽引的方式實現了閘門大行程的開啟，有利于模擬更大深度的基坑開挖；卷板結構既能在超重力環境下克服巨大土壓力帶來的形變又能靈活的實現卷板結構的翻轉，滿足不同工況下的基坑開挖需求尤其是超重力環境下的基坑開挖試驗模擬需求。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種超重力環境下卷板式基坑開挖模擬裝置，包括模型箱體和卷板式模擬結構，模型箱體為上端開口的矩形箱體，卷板式模擬結構設置在模型箱體內，且將模型箱體分割成左右兩部分，模型箱體左部分放置土體，卷板式模擬結構包括平行設置的卷板支撐板和閘門支撐板以及位于兩者之間的活動閘門，卷板支撐板上設置有若干可轉動的卷板結構，活動閘門可在鋼絲繩導向機構的帶動下上升和下降，隨著活動閘門向下移動，位于其左邊的卷板結構依次向右轉動，土體通過卷板結構轉動后產生的縫隙掉落進入到模型箱體右側。通過控制活動閘門的高度可以靈活調節基坑開挖時每層的高度。