一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置

本发明涉及土木工程领域，属于岩土工程领域，具体来说，涉及到一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置。

背景技术：

1、基坑支护是为保护地下主体结构施工和基坑周边环境的安全，对基坑采用的支挡、加固、保护与地下水控制的措施。基坑在开挖过程中，基坑支护结构将产生相应的内力和位移变化，基坑开挖引起的基坑变形和失稳问题是基坑设计和施工中被高度关注和重视的工程问题。当前形势下，深大基坑越来越多，在进行工程设计时通常采用数值模拟与模型实验两种方法对基坑支护结构进行评价分析。其中数值模拟虽然不受模型实验条件限制，但参数的调整对模拟计算结果影响巨大。因此，在进行深大基坑的工程建设时，常常需要进行模型实验进行综合分析。

2、通过物理模拟模型实验，可以有效的对深大基坑施工过程进行模拟。如果采取按照1：1的实际尺度来进行物理模拟模型实验，虽然可以有效的反应基坑开挖的变形和内力实际情况，但是需要大型的场地和高昂的费用，且模型无法重复利用。传统的物理模拟模型实验结构相对简单，设置时通常采用砂土进行土层模拟，使用铁片、木材、空心铁管等材料进行支护结构模拟。传统的模型实验仅在几何上相似，在材料和力学上未遵循相似定理，造成模型实验的试验结果无法回溯真实的力学现象，无法有效反应深大基坑开挖的变形和内力变化规律；更重要的是现有的物理模拟方法在内力和变形精度的测量上，仍然采用了传统的测量方法，没有按照相似原理提高精度。譬如现有微型土压力盒的尺寸精度在1mm，压力测量精度为0.01kpa，无法达到严格相似比的尺寸精度，传感器本身将影响支护结构的刚度；同样的问题也存在模型的位移和沉降测量精度上。针对以上所述问题，暂未有十分行之有效的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，该装置根据模型箱的尺寸和实际基坑的尺寸计算出相似比λ，通过相似原理，可以确定材料、应力、应变、时间等比例系数β；根据计算的比例系数来选取合适的模型实验材料，采用相应精度的监测系统，克服现有模型实验装置的不足和缺陷。从而可以有效的模拟深大基坑的开挖过程，获得深大基坑开挖过程中的变形和内力变化规律，对施工过程中可能遇到的相关问题进行有效预测和预防，对工程开挖做出合理化建议，并评价深大基坑的施工组织设计，为更好的确定施工过程中的重点难点提供参考意见，进一步增加基坑开挖过程中的安全性。

2、为实现上述的目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，包括模型箱、支护结构模拟系统、可拆卸加荷系统、分布式光纤监测系统和计算机处理系统。

4、所述模型箱由四面墙体和底部的底板构成，墙体和底板可以根据需要采用透明有机玻璃或钢板；所述模型箱的尺寸按照计算出的相似比λ确定几何模型的大小；所述的模型箱上部为开口设置；所述的模型箱箱内填满重晶石粉、石英砂及凡士林模拟的土层材料，重晶石粉、石英砂及凡士林的重量比根据计算出的相似比λ和比例系数β进行确定；

5、所述的支护结构模拟系统位于模型箱内部，所述的支护结构包含由一定水膏比的硬化石膏模拟的支护桩、地连墙、搅拌桩，由碳酸钙与水胶结模拟的钢筋砼内支撑，由纵纹竹材模拟的钢支撑，锚索等，材料的选用根据计算出的相似比λ和比例系数β进行确定；

6、所述的支护结构围成的区域为拟开挖的深基坑；

7、所述的可拆卸加荷系统为附加系统，根据深大基坑的周边建构筑物情况进行设置；所述的加荷系统由加荷板和加压系统组成，加荷系统可模拟均布荷载，非均匀荷载；所述的加荷板采用钢板，并通过传力装置与液压系统相连；所述的传力装置为钢柱；所述的液压系统为千斤顶；

8、所述的分布式光纤监测系统由光纤传感器和监测系统组成，所述的传感器分散布置于需要监测的支护结构上；所述的监测系统位移监测精度达到0.01mm，压力监测精度达到0.001kpa；所述的监测系统监测的内容包括支撑系统内力监测，支护桩桩顶水平位移及沉降监测，桩身内力监测，支护桩外侧土体的深层位移监测，地下水位的监测及周边环境的监测等；

9、所述的计算机处理系统包括光栅调制解调仪和计算机处理系统组成，所述的光栅调制解调仪通过光纤与传感器相连；所述的计算机处理系统通过线缆与光纤光栅调制解调仪相连接，所述的计算机处理系统统一接收和处理光纤光栅调制解调仪传输过来数据。

10、本发明的技术方案具有以下有益效果：

11、本发明基于相似理论，在给定几何相似系数的基础上，通过相似原理，采用相当相似比的材料进行模型实验，试验准确性高，数据采集可靠，能较好的还原深大基坑变形和内力的变化规律，该模型实验装置操作方便简洁，便于重复设置条件进行试验。

技术特征：

1.一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，其特征在于，包括模型箱（1）支护结构模拟系统；（2）可拆卸加荷系统；（3）分布式光纤监测系统；（4）计算机处理系统。

2.根据权利要求1所述的一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，其特征是：所述的模型箱（1）箱内填满由重晶石粉、石英砂及凡士林按计算的比例进行混合模拟的土层材料（17）。

3.根据权利要求1所述的一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，其特征是：所述的支护结构模拟系统（2）的内部为拟开挖的深基坑。

4.根据权利要求1所述的一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，其特征是：所述的支护结构模拟系统主要由石膏和水按计算的比例混合硬化模拟的支护桩（6），按计算的比例设置的碳酸钙与水胶结模拟的圈梁（7）和支撑（8）系统，纵纹竹材模拟的锚索等常见支护结构组成。

5.根据权利要求1所述的一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，其特征是：所述的可拆卸加荷系统为附加系统，主要由加荷板（9）、传动装置（10）、液压系统（11）等组成。

6.根据权利要求1所述的一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，其特征是：所述的分布式光纤感测系统，主要由应力传感器（12）、应变传感器（13）、光纤传输系统（14）、光纤光栅调制解调仪（15）等组成，位移监测精度达到0.01mm，压力监测精度达到0.001kpa。

7.根据权利要求1所述的一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，其特征是：所述的计算机处理系统，主要由主机（5）、显示器（16）等组成。

技术总结本发明公开了一种深大基坑变形内力物理模拟模型实验装置，包括模型箱，支护结构模拟系统，可拆卸加荷系统，分布式光纤监测系统和计算机处理系统。其中模型箱内部布置有支护结构模拟系统；支护结构模拟系统主要模拟支护桩，冠梁、内支撑系统及锚杆索系统；支护结构外部设置有可拆卸的加荷系统，加荷系统可模拟均布荷载，非均匀荷载；分布式光纤监测系统设置在支护结构上，分布式光纤监测系统监测内容主要包括支撑系统内力监测，支护桩桩顶水平位移及沉降监测，桩身内力监测，支护桩外侧土体的深层位移监测，地下水位及周边环境的监测，其位移监测精度达到0.01mm，压力监测精度达到0.001kPa。外接的计算机处理系统进行数据采集和分析处理。技术研发人员：董平,蔡彤,顾凯,吴咏敬,娄梦函受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29