[發明專利]隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202010134702.4
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111206627A
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發明（設計）人: 刁紅國;王新泉;張天賜;崔允亮
• 申請（專利權）人: 浙江大學城市學院
• 主分類號: E02D33/00
• 分類號: E02D33/00
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司 33101
• 代理人: 張羽振

1.隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置，其特征在于，包括模型箱(1)、模型樁(2)、模型隧道(3)、模型基坑(4)、模型用土(5)、重液(6)、樁頭約束裝置(7)、橫向支架(8)、加載系統(9)、控制系統(10)及測量系統(11)；所述模型箱(1)通過隔板(12)和橫向支撐(13)分隔為主體試驗箱(14)和附屬試驗箱(15)，所述模型樁(2)包括樁身(16)和設置于樁身頂部的樁帽(17)，模型樁(2)位于所述模型隧道(3)和模型基坑(4)的主要影響區內，所述模型隧道(3)包括襯砌(18)和分節設置于襯砌外圍的環形橡膠袋(19)，所述模型基坑(4)包括支護結構(20)和敞口橡膠袋(21)，所述重液(6)與所述模型用土(5)密度一致，模型樁(2)頂端設置樁頭約束裝置(7)，所述樁頭約束裝置(7)包括固定在墊板(25)上的可伸縮立桿(22)和設有半圓弧開口的樁頭夾具(23)，所述橫向支架(8)沿箱壁頂部的凹槽(24)自由滑動，所述加載系統(9)包括固定在墊板(25)上的液壓千斤頂(26)和延伸桿(27)，所述控制系統(10)包括導管(28)、閥門(29)和固定在模型箱頂部的監控相機(30)，所述測量系統(11)包括懸掛在模型箱側壁的數據采集儀(31)、用于測量樁身軸力和彎矩的應變片(32)、用于測量地表沉降的地表位移傳感器(33)、用于測量樁基沉降的樁頂位移傳感器(34)、用于測量樁頂荷載的壓力傳感器(35)以及用于控制模型基坑開挖的孔隙水壓力計(36)。

2.根據權利要求1所述的隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置，其特征在于，所述應變片(32)沿樁身(16)豎向等間距分布，應變片(32)沿樁身(16)橫截面呈十字型對稱粘貼，十字型結構的縱橫向分別平行和垂直于模型隧道(3)的開挖方向。

3.根據權利要求1所述的隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置，其特征在于，所述模型樁的樁身(16)外側還均勻涂有一層保護應變片(32)的環氧樹脂膠(37)。

4.根據權利要求1所述的隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置，其特征在于，所述導管(28)密封連接在環形橡膠袋(19)和敞口橡膠袋(21)的底部，導管(28)依次穿過隔板(12)底部的通孔(38)并與附屬試驗箱(15)內的閥門(29)連接形成并聯通路，并且導管(28)與重液收集筒(39)連接。

5.根據權利要求1所述的隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置，其特征在于，所述敞口橡膠袋(21)緊貼模型基坑(4)的支護結構(20)內部，敞口橡膠袋(21)高出地表部分通過夾具(40)固定。

6.根據權利要求1所述的隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置，其特征在于，所述樁頭夾具(23)的半圓弧開口直徑與模型樁(2)直徑一致。

7.根據權利要求1所述的隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置，其特征在于，所述地表位移傳感器(33)的波導管(41)通過夾具塊(42)固定在橫向支架(8)上，波導管(41)下部的活動磁環(43)與模型用土(5)的地表接觸。

8.根據權利要求1所述的隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置，其特征在于，所述樁頂位移傳感器(34)的波導管(41)通過夾具塊(42)固定在橫向支架(8)上的墊板(25)上，波導管(41)下部的活動磁環(43)抵在液壓千斤頂(26)的延伸桿(27)上的橫肋板(44)表面，并隨延伸桿(27)同步移動。

9.根據權利要求1所述的隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置，其特征在于，所述壓力傳感器(35)和孔隙水壓力計(36)分別粘貼在液壓千斤頂(26)的延伸桿(27)表面和放置在敞口橡膠袋(21)的底部。

10.一種如權利要求1所述的隧道-基坑多重開挖影響既有樁基的離心模型試驗裝置的試驗方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，前期準備：安裝隔板(12)和橫向支撐(13)，將模型箱(1)分隔為主體試驗箱(14)和附屬試驗箱(15)，隔板與箱壁、箱底之間的縫隙采用玻璃膠密封；

步驟二，模型制作：制作模型樁(2)、模型隧道(3)和模型基坑(4)，配制與模型用土(5)密度一致的重液(6)，根據土體損失設計值向模型隧道(3)的環形橡膠袋(19)內注入相應體積的重液(6)；

步驟三，模型安裝：在主體試驗箱(14)內分層鋪設模型用土(5)，期間依次安裝定位模型樁(2)、模型隧道(3)和模型基坑(4)，滑移橫向支架(8)至模型樁(2)正上方后錨固，安裝樁頭約束裝置(7)和加載系統(9)；其中樁頭約束裝置(7)的樁頭夾具(23)和模型樁(2)的接觸面涂有潤滑劑；

步驟四，鋪設導管：在附屬試驗箱(15)內，將預先穿過隔板(12)底部的通孔(38)的導管(28)與閥門(29)對應相連形成并聯通路，導管(28)最后與重液收集筒(39)連接；向模型基坑(4)的敞口橡膠袋(21)內注入重液(6)直至與模型用土(5)的地表齊平，使閥門(29)呈關閉狀態；

步驟五，測量系統安裝：將模型箱(1)移至土工離心機(45)的掛籃平臺(46)上，在模型箱(1)頂部安裝監控相機(30)并調整相機角度至畫面覆蓋主體試驗箱(14)，在模型箱(1)外側懸掛安裝數據采集儀(31)，標定并安裝地表位移傳感器(33)、樁頂位移傳感器(34)、壓力傳感器(35)和孔隙水壓力計(36)，依次將監控相機(30)和各類傳感器的導線連接在數據采集儀(31)的通道上；

步驟六，樁頂工作荷載施加：計算安裝配重(47)，調試加載系統(9)、控制系統(10)和測量系統(11)，啟動土工離心機(45)，逐漸加速旋轉至所需的重力加速度；待測量系統(11)的讀數穩定，通過遠程計算機控制加載系統(10)，啟動液壓千斤頂(26)，延伸桿(27)向下移動直至與樁帽(17)接觸，通過讀取壓力傳感器(35)數據逐級加壓至樁頂工作荷載設計值，記錄測量系統中各類傳感器讀數作為初始值；

步驟七，多重開挖模擬：模擬隧道開挖時，通過遠程計算機控制開啟與模型隧道(3)的第一節環形橡膠袋(19)連接的閥門(29)，待重液(6)全部排出，測量系統讀數穩定后，繼續開啟下一節環形橡膠袋(19)的閥門(29)，直至模型隧道(3)分節開挖完畢；模擬基坑開挖時，通過遠程計算機控制開啟與敞口橡膠袋(21)連接的閥門(29)，根據孔隙水壓力計(36)讀數逐步排出重液(6)，直至模型基坑(4)分層開挖完畢；

步驟八，試驗結束：待測量系統(11)讀數穩定后，關閉土工離心機(45)，降速至常重力狀態，拆除清理模型箱(1)。