[发明专利]一种单支撑式结构基坑开挖过程的模拟方法

摘要

本发明公开一种设计合理、使用灵活、成本低的单支撑式结构基坑开挖过程的模拟方法；首先按设定的侧静止土压力形式施加支护桩桩侧初始土压力，然后对模拟装置中一侧的最顶层的加载装置a1的加载把手进行旋转，布置在模型桩右侧的对称加载装置的套数b1对模拟桩继续作用，根据模拟工况依次卸载至单支撑加载位置以上所有加载装置ai，使模拟桩两侧力达到平衡后，把与单支撑加载位置对应的已卸载的右侧施压组件按需加载的内支撑力大小对支护桩再次加载，实现单支撑加载模拟，最后按预定工况依次卸载单支撑下部右侧的施压组件，直至完成基坑开挖侧所有范围内土体卸载，从而实现单支撑支档结构桩侧内、外侧土压力变化的动态模拟。

主权项

1.一种单支撑式结构基坑开挖过程的模拟方法，其特征在于，按下述步骤实施：第一步：安装反力框架(1)；将反力框架(1)固定于地面，确保底部横梁(12)水平布置，侧梁(13)垂直布置；第二步：模型桩(5)参数的确定；确定模型桩(5)的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为支护桩的桩顶到桩端之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩的宽度、桩侧土层开挖前的沿计算桩长侧向土压力曲线形态和静止土压力的形态；第三步：安装定位调节组件(4)；支撑板(42)布置于顶部横梁(11)和底部横梁(12)之间，且支撑板(42)的上、下端均固定于凹槽(14)内，并确保支撑板(42)的竖向轴线与铅垂线重合；在每个横梁槽口内的插孔(47)内安装调节杆(46)，调节杆(46)穿过调节螺母(45)，调节杆(46)上端固定在定位横梁(44)上，通过旋转调节螺母(45)使同一高度的所有定位横梁(44)在同一水平面；第四步：在模型桩(5)侧安装施压组件(2)和传压组件(3)；预先加工施压组件(2)，把套筒(23)两端穿过反力框架(1)的侧梁(13)，定位杆(28)外置弹簧(22)，且定位杆(28)一端依次与活塞(26)和传力杆(24)连接，传力杆(24)穿过限位板(25)插入连接板(32)的U型槽(34)内，且与U型槽(34)底平面接触，并通过连接销与连接板(32)固定，定位杆(28)另一端插入空心螺纹杆(21)中，且空心螺纹杆(21)通过丝扣与套筒(23)连接，并在外端加装加载把手(27)；在传压组件(3)的承压板(31)几何中心预留位置安装压力传感器，压力传感器面向模型桩(5)表面与承压板(31)表面齐平，然后在承压板(31)面向模型桩(5)一侧表面安装垫块(35)，把每一个传压组件(3)均通过定位板(41)连接在相应的定位横梁(44)上；第五步：模型桩的制作与安装；在反力框架(1)的底孔(16)填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩(5)通过顶部横梁(11)预留的送桩孔(15)吊入反力框架(1)内，模型桩(5)底端插入底孔(16)中，并根据模型桩(5)嵌固条件，确定模型桩(5)插入底孔(16)的深度，调节模型桩(5)的垂直度使模型桩(5)纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔(16)与模型桩(5)之间的空隙；第六步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；确保分布在模型桩(5)两侧对称布置的承压板(31)的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，调整传力杆(24)端部在U型槽(34)的竖向位置，使两侧对称传力杆(24)轴线重合，通过连接销(37)贯穿定位孔(36)和传力杆(24)的连接通孔将传力杆(24)固定在连接板(32)上，确保可靠连接，这样就完成一套桩侧施压组件(2)和传压组件(3)的水平调节，如此循环，直至完成所有计算桩长范围内的桩侧施压组件(2)和传压组件(3)的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，对施压组件(2)的加载把手(27)进行旋转对模型桩(5)桩侧施加初始土压力；第七步：根据基坑开挖实际工况开挖第一层土体，也就是对模拟装置中一侧的最顶层的加载装置a1的加载把手(27)进行旋转，使该加载装置的传力杆(24)向所在侧梁(13)外侧移动，随之拖拽传压组件(3)的传力板(33)脱离模拟桩(5)，这样原先作用在模拟桩(5)上的反力F1＝0，相当于第一层土层被开挖，由于原先的对称受力平衡状态被破坏，布置在模型桩(5)右侧的对称加载装置的套数b1对模拟桩(5)继续作用，相当于基坑外侧土体的主动土压力作用在支护桩上，模拟桩(5)顶部向左弯曲变形，随之右侧的加载装置b1中弹簧(22)伸长，由静止土压力转化为主动土压力，沿模拟桩(5)桩长其他部位都会发生相应的弯曲变形，直至最后重新达到力的平衡状态，从而实现基坑第一步开挖模拟；第八步、记录沿桩长范围两侧的位移传感器(62)的读数和压力传感器(61)的读数，并对数据进行处理，就可以得出该开挖工况支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移；第九步：同第七步，旋转加载装置a2的加载把手(27)，使该加载装置的传力杆(24)向所在侧梁(13)外侧移动，随之拖拽传压组件(3)的传力板(33)脱离模拟桩(5)，这样原先作用在模拟桩(5)上的反力F2＝0，同时记录沿桩长范围两侧的位移传感器(62)的读数和压力传感器(61)的读数，实现基坑第二步开挖模拟；第十步：旋转加载装置a2的加载把手(27)，使该加载装置的传力杆(24)向模拟桩(5)移动，随之推动传压组件(3)的传力板(33)接触模拟桩(5)，并继续旋转加载装置a2的加载把手(27)，使作用在模拟桩(5)上的反力F2＝F2＇，F2＇为锚杆对模拟桩(5)作用力，同时记录沿桩长范围两侧的位移传感器(62)的读数和压力传感器(61)的读数，实现基坑单层锚杆支护的模拟；第十一步：同第七步，依次旋转加载装置a3和a4的加载把手(27)，使该加载装置的传力杆(24)向所在侧梁(13)外侧移动，随之拖拽传压组件(3)的传力板(33)脱离模拟桩(5)，这样原先作用在模拟桩(5)上的反力F3＝0，同时记录沿桩长范围两侧的位移传感器(62)的读数和压力传感器(61)的读数，实现基坑第四步和第五步开挖模拟；如此循环，直至完成基坑开挖侧所有范围内土体卸载，并记录每一步开挖土体后对应支护桩桩身不同截面的水平土压力和水平位移；第十二步：对数据进行处理，就能计算各步工况所对应支护桩的内力和桩长不同位置的水平位移，由此实现对单支撑式结构基坑开挖全过程的模拟。