研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统及试验方法技术方案

本发明专利技术公开了研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统及方法，包括模型箱，在模型箱内设有地基土，地基土内竖直嵌有用于模拟支护桩的支护板，在模型箱内支护板的一侧竖直设有多个基桩模型桩，嵌有基桩模型桩的地基土顶部设置褥垫层，地基土、基桩模型桩和褥垫层共同形成复合地基，在支护板的另一侧设置用于模拟开挖的开挖区，在基桩模型桩与支护板上分别布设有与计算机连接的测试装置，在复合地基的上部设置荷载加压装置；整个试验系统可根据需求设置用于测试在基坑开挖时，复合地基中地基土变形位移数据等的测试系统；这样在开挖区进行开挖时，研究复合地基与支护结构的力或者位移产生的变化，从而更好的指导实践。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地基模型的试验，特别是研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统及试验方法。
技术介绍
传统岩土工程室内试验是在常重力条件下进行的，由于无法或很难再现现场实际尺寸条件，因此常为缩尺模型，依据土体自重应力，缩尺模型带来的是土体深度h的倍缩，进而改变土体自重应力场，对以自重为主要荷载的结构，不能反映原型应力状态，导致模型试验无法模拟原型所发生的现象。土工离心模型试验能够真实模拟重力场的存在，再现工程实际应力状态，被广大学者公认是目前进行岩土工程技术研究中最先进、最有效的试验方法，土工离心模型试验相对于原型观测、室内常重力场试验机数值分析模拟方法具有不可替代和独特的优势。随复合地基理论日渐成熟，大量多高层建筑采用了CFG桩复合地基。目前，国内外缺乏针对侧向开挖条件下对既有复合地基力学性状及其基坑支护结构理论的研究，使工程界缺乏正确进行此类基坑工程设计的理论和方法，设计人员一般忽略既有复合地基增强体，无视既有群桩能够减少支护结构位移的有利作用，而把复合地基看成原状土，保守的进行基坑工程设计，造成了大量的资源浪费，同时，这样的设置所测得数据准确性较低，不能更为实际地反映实际工程问题；此外，现有的测试系统中荷载系统比较复杂，开挖装置及模拟开挖区的土层通常也较为复杂，不能有效快速地实现侧向开挖。测量装置是试验取得成功的前提保证，其工作状态和性能直接关系试验结果的准确性和可靠性，甚至决定一次试验的成败，量测仪器的发展除了表现为功能的增强外，还表现为体积和质量的减少，这些发展大大地降低了其自身对试验结果的影响。综上所述，随着地下工程的大型化、复杂化，以往依赖工程经验的做法将不能满足设计、施工要求，开展基坑工程离心模型试验能有效地研究基坑工程问题，促进基坑工程理论和数值模拟的完善。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供了研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统及试验方法，通过设置模型装置以及测试系统，用于对临近复合地基基坑开挖力学性能的研究，对建立以保证复合地基安全为目标的基坑支护设计理论和方法，具有紧迫的工程价值和长
远的理论意义。为了达成上述目的，本专利技术采用如下技术方案：研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统，包括模型箱，在模型箱内设有地基土，地基土内竖直嵌有用于模拟支护桩的支护板，在模型箱内支护板的一侧竖直设有多个基桩模型桩，嵌有基桩模型桩的地基土顶部设置垫层，地基土、基桩模型桩和垫层共同形成复合地基，由此复合地基与支护板共同存在更加符合实际施工环境，在支护板的另一侧设置用于模拟开挖的开挖区，在基桩模型桩与支护板上分别布设有与计算机连接的测试装置，在复合地基的上部设置荷载加压装置；整个试验系统可根据需求设置用于测试在基坑开挖时，复合地基中地基土变形位移数据等的测试系统；这样在开挖区进行开挖时，研究复合地基与支护结构的力或者位移产生的变化，从而更好的指导实践。进一步地，所述测试装置包括在基桩模型桩上设置的用于辅助获得荷载施加过程中基桩模型桩轴力分布和地基土荷载分担的轴力应变片和用于辅助获得基桩模型桩弯矩分布及变化规律的弯矩应变片，还包括在支护板中间位置地正反两侧设置的弯矩应变片；通过布置在基桩模型桩上的轴力应变片，获得荷载施加过程中桩轴力分布和桩土荷载分担，基坑开挖引起的复合地基基桩模型桩轴力变化，研究开挖对复合地基承载力影响；通过布置在基桩模型桩上的弯矩应变片，获得基坑开挖引起的基桩模型桩弯矩分布及变化规律，进而分析基桩模型桩随开挖的变形规律；通过布置在支护板上的应变片，获得基坑开挖引起的挡墙内力和支护结构变形，并可推导支护板后土压力分布规律。此外，轴力应变片在基桩模型桩两侧对称设置，弯矩应变片布置在基桩模型桩桩身两侧。进一步地，所述测试装置还包括在所述的地基土中设置的多个用于测量地基土压力值的土压力传感器；所述土压力传感器为T型土压力传感器，在地基土分层浇置过程中根据试验目的和需要以一定间距竖直布置于复合地基中间位置处和靠近支护板处各一排，根据试验目的和需要确定T型土压力传感器的朝向以便测得试验需要方向的土压力值。进一步地，为了便于观察，模型箱为透明材料制成，模型箱厚度为3～5mm，所述基桩模型桩的底部呈圆锥状，为配合CFG桩，垫层为褥垫层。进一步地，在模型箱的外侧设置多个用于提供定位参考的PIV标记点，便于分析照相片中土颗粒像素的实际位置，还包括安装于离心机大梁和模型箱内开挖区的多个摄像机，根据摄像装置所得照片像素分析即可得出土体的位移情况。进一步地，所述褥垫层为粗砂层。进一步地，在基桩模型桩的表面涂覆有增加摩擦系数的环氧涂层，环氧涂层中带有砂子，为了增加基桩模型桩表面的摩擦系数，需要在其表面涂一层厚度在0.5mm左右厚度的环氧涂层，在环氧涂层干凝前洒上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系数，其间距根据实际间距按照加速度比例系数确定或根据实验需要确定，加速度比例系数就是离心机加速度值，试验前综合考虑后确定的离心机加速度值，确定这个加速度值后模型试验中的各个单位需按照规定以这个比例缩小，比如加速度大小为40，模型长度尺寸单位就应该是原型的1/40大小。进一步地，用于模拟开挖的开挖区为内部装有土的土袋，土袋外表面设有便于移出土袋的吊环，这样的设置大大方便了开挖装置对土层的开挖。进一步地，所述支护板为铝板，根据抗弯刚度等效原则制作，用于模拟支护桩。进一步地，所述基桩模型桩为CFG桩，由铝合金管按照抗压刚度等效制成。进一步地，所述基桩模型桩的底部呈圆锥状，便于插入地基土中，上端封口，其长度根据离心机离心加速度比例大小确定。所述荷载加压系统包括加载气囊，加载气囊的充气孔外露与充气装置连接，充气装置安装有气压传感器通过控制气压大小实现控制均布载荷的大小。所述的离心模型试验系统的试验方法，具体步骤如下：1)制备复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验装置，制备的同时布设测量装置；2)安装试验加载系统及基坑开挖装置；3)对步骤1)中离心模型试验装置、步骤2)中基坑开挖装置进行称重；4)将步骤1)中离心模型试验装置吊装至离心机吊篮，安装摄像机与步骤1)中测量装置连接；5)启动离心机，由测试系统开始采集数据；6)分级施加荷载，逐层进行开挖并采集每次的试验数据；7)荷载稳定后，基坑开挖装置开始开挖，逐次进行多次开挖并采集每次的试验数据；8)试验完成后，进行试验加载系统、基坑开挖装置的逐个拆除。进一步地，所述步骤1)中复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验装置的制备方法如下：1-1)在模型箱内采用砂雨法设置设定厚度的地基土；1-2)在地基土中竖直设置支护板，在支护板的一侧继续设置地基土到设定的厚度；1-3)在地基土中设置多根基桩模型桩并继续采用砂雨法至地基土高度与基桩模型桩的顶端齐平；1-4)在步骤1)至步骤3)进行的同时，根据挖斗土方制作土袋；1-5)将土袋放置于支护板的另一侧作为开挖区；1-6)在步骤3)完成后或者在步骤5)完成后，嵌有基桩模型桩的地基土顶部采用砂雨法设置粗砂作为褥垫层。进一步地，所述步骤2)中加载系统的安装方法的具体步骤如下：2-1)将加载气囊置于褥垫层的上方来对基桩模型桩施加均布荷载；2-2)将反力板固定在加载气囊上方对加载气囊进行约束，反力板上方本文档来自技高网...

【技术保护点】
研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统，其特征在于，包括模型箱，在模型箱内设有地基土，地基土内竖直嵌有用于模拟支护桩的支护板，在模型箱内支护板的一侧竖直设有多个基桩模型桩，嵌有基桩模型桩的地基土顶部设置垫层，地基土、基桩模型桩和垫层共同形成复合地基，在支护板的另一侧设置用于模拟开挖的开挖区，在基桩模型桩与支护板上分别布设有与计算机连接的测试装置，还包括设于复合地基的上部的荷载加压系统。

【技术特征摘要】
1.研究复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验系统，其特征在于，包括模型箱，在模型箱内设有地基土，地基土内竖直嵌有用于模拟支护桩的支护板，在模型箱内支护板的一侧竖直设有多个基桩模型桩，嵌有基桩模型桩的地基土顶部设置垫层，地基土、基桩模型桩和垫层共同形成复合地基，在支护板的另一侧设置用于模拟开挖的开挖区，在基桩模型桩与支护板上分别布设有与计算机连接的测试装置，还包括设于复合地基的上部的荷载加压系统。2.如权利要求1所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述测试装置包括在基桩模型桩上设置的用于辅助获得荷载施加过程中基桩模型桩轴力分布和地基土荷载分担的轴力应变片和用于辅助获得基桩模型桩弯矩分布及变化规律的弯矩应变片，还包括在支护板中间位置地正反两侧设置的弯矩应变片。3.如权利要求1或2所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述测试装置还包括在所述的地基土中设置的多个用于测量地基土压力值的土压力传感器，所述垫层为褥垫层。4.如权利要求1所述的离心模型试验装置，其特征在于，在模型箱的外侧设置多个用于提供定位参考的PIV标记点，还包括安装于离心机大梁和模型箱内开挖区的多个摄像机。5.如权利要求1或2所述的离心模型试验装置，其特征在于，用于模拟开挖的开挖区为内部装有土的土袋，土袋外表面设有便于移出土袋的吊环。6.如权利要求1或2所述的离心模型试验装置，其特征在于，所述荷载加压系统包括加载气囊，加载气囊的充气孔外露与充气装置连接，充气装置安装有气压传感器用于控制均布载荷的大小。7.如权利要求1-6中任一项所述的离心模型试验系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：1)制备复合地基与支护结构共同性状的离心模型试验装置，制备的同时布设测量装置；2)安装试验加载系统及基坑开挖装置；3)对步骤1)中离心模型试验装置、步骤2)中基坑开挖装置进行称重；4)将步骤1)中离心模型试验装置吊装至离心机吊篮...

【专利技术属性】
技术研发人员：李连祥，黄佳佳，符庆宏，胡峰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37