[发明专利]超深开挖离心模型试验模拟设备及其测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于土工离心机上的辅助设备，具体涉及一种可用于模拟超深开挖工况离心模型试验的设备，特别适用于开展诸如超深挖方渠道、深基坑等挖深较大的工程试验模拟，以研究因深挖方引起的卸荷而导致的土体回弹变形机理。本设备通过控制驱动装置反向加载，也可以适用于超高填方工程的离心模型试验模拟，以研究因高填方引起的荷载而导致的土体压缩变形机理。

背景技术

随着中国社会经济的飞速发展，岩土工程遭遇到了越来越多的技术难题，其中超深开挖工程近年来越来越多，在南水北调中线工程的渠道施工中，就有挖深达到49 m的超深挖方渠道；在很多城市的建设中，也有大量的深基坑开挖工程，如地铁、高楼大厦的地下空间等，往往挖深达到20~40 m，甚至超过40 m[1]。这样的超深开挖工程，对于下卧土层引起了较大的卸荷，将导致下卧土层的回弹变形。以往的开挖工程挖深较小，引起的卸荷量不大，产生的下卧土层回弹变形可以忽略；而对于超深开挖工程，已有的实测结果表明，开挖产生的隆起变形及其引起的支护结构和周围土体的附加变形较为显著，目前尚没有较好的、被广泛认同的回弹变形计算方法，急需开展试验研究超深开挖引起的卸荷而导致的土体回弹变形机理。

离心模型试验中模拟开挖卸荷目前主要有以下方法：

（1）排液法——该方法通过液体模拟被开挖的土体，在离心力场中排出液体即实现了模拟土体的挖除[2、3]。液体的密度需要等于或尽量接近挖除土体的密度，常采用氯化锌等盐溶液，但这些溶液往往具有强烈的腐蚀性甚至毒性，非常不安全，且容易腐蚀排液管路和阀门，试验中往往出现失控的情况。有时也采用熔蜡法模拟隧道的开挖，但蜡的本构关系与土差别很大，且熔化需要在蜡块中布置发热电阻，很难完全熔化，即使蜡熔化也不易排出。根据开挖型式，蜡块可以做成某种形状，液体则需制备相应型式的皮囊，但都无法做出精确的开挖土体的形状；而且排液法残留皮囊，熔蜡法残留发热电阻，均不理想。

（2）采用离心机机器人系统——通过机器人系统，理论上可以在离心力场中实现开挖、填筑、测量等动作[4、5]，从原理上是最佳的在离心模型试验中模拟开挖的方法。但由于机器人系统的精度要求高，在高重力场下产生的系统挠曲变形对各种动作的实现影响很大，往往达不到要求的精度；另外机器人系统的机械臂出力较小，只能通过多次少量的方法模拟开挖，开挖的速度非常慢，而且开挖量小，试验耗时往往难以忍受。

参考文献：

[1] 郑刚，焦莹. 深基坑工程设计理论及工程应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] MARSHALL A M. Tunnelling in sand and its effect on pipelines and piles [D]. London: University of Cambridge, 2009.

[3] 马险峰，陈斌，田小芳等. 盾构隧道注浆对既有隧道影响的离心模拟研究 [J]. 岩土力学. 2012,33(12): 3604-3610.

[4] 吴宏伟，徐光明. 地基应力解除法纠偏机理的离心模型试验研究 [J]. 岩土工程学报. 2003,25(3): 299-303.

[5] 任国峰. 基于离心机机器人的港池开挖相似性研究 [D]. 南京, 南京水利科学研究院, 2012.。

发明内容

本发明的目的是提供一种超深开挖离心模型试验模拟设备，旨在解决离心机高重力加速度场下的以下关键问题：1，现有技术能够模拟的开挖深度较小、开挖量不大、开挖型式控制不便；2，现有技术不利于土工离心模型的布置；3，现有技术不安全；4，现有技术难以实现精确控制。本发明还将提供这种超深开挖离心模型试验模拟设备的测试方法。

完成上述发明任务的技术方案是：一种超深开挖离心模型试验模拟设备，本设备由两部分组成；开挖驱动部分和开挖模型部分，其特征在于，所述开挖驱动部分的结构是，模型箱的顶部固定有支撑板，该支撑板上固定有：由大功率单相电机通过减速机驱动的升降电机和线性轴承；所述开挖模型部分的结构是：所述导向杆穿过线性轴承并可在线性轴承内竖向自由移动；所述导向杆上端安装有提升横梁；该提升横梁的下面固定有载荷传感器；所述导向杆下端固定有提升模型。

以上设备的优化方案有：

所述的提升模型设有多种形状与规格；每种形状与规格与实验中需要挖除的土体采用符合开挖形状的提升模型相对应。每次实验中需要挖除的土体采用符合开挖形状的提升模型来替代。