一种基坑开挖支护室内物理模型试验装置的制作方法

1.本实用新型属于基坑支护结构技术领域，更具体涉及一种基坑开挖支护室内物理模型试验装置，它适用于基坑开挖支护物理模型试验，研究基坑支护结构的作用机理。


背景技术：

2.近年来，随着我国经济飞速发展，城市化进程加快，城市人口爆发式增长，导致城市资源消耗加剧，城市空间的不足导致交通拥堵，人们生活空间不断缩小。因此，为了解决城市用地紧张，合理利用地上和地下空间资源，高层、超高层建筑、城市轨道交通工程、地下商场、停车场等地下工程迅速增多，导致大量的深大基坑工程出现。在城市建筑设施密集以及地质环境复杂区域，基坑开挖引起的变形对周围建筑物、地下管线造成影响和破坏，导致重大经济损失甚至人员伤亡，造成社会恶劣影响。因此研究基坑开挖过程中支护结构作用机理、开挖扰动对周围既有建(构)筑物的影响十分重要。
3.基坑支护结构作用机理以及开挖扰动引起的变形对周围建筑物的影响研究方法包括经验分析法、理论分析法、室内物理模型试验法和现场试验法、数值分析法等。其中室内物理模型试验法可以比较准确还原基坑开挖过程中的应力和变形分布特征，因此被广泛应用于基坑开挖支护技术研究。近年来，众多学者针对不同的基坑模型研发了多种室内物理模型试验装置。其中现有技术中授权公布号为cn214614228u的中国专利文件公开了一种多功能装配式地铁车站试验模型箱。该模型箱采用装配式结构，能够模拟多种工况基坑开挖，但是该模型箱并未考虑基坑开挖过程中地基土体的开挖与清理，也并未设计基坑模型开挖过程中的变形监测装置。现有技术中授权公布号为cn113668619a的中国专利文件公开了一种基坑模型试验的竖向围护结构水平位移监测装置，但是该水平位移监测装置未考虑土体沉降变形可能带动钢丝及空心铝管竖直方向移动，导致测量结果不准。
4.因此，研发一种便于基坑模型土体开挖、模型箱内余土清理，并监测支护结构不同深度水平向位移以及坑顶地表沉降变形，对于研究基坑开挖过程中支护结构作用机理、开挖扰动对周围既有建(构)筑物的影响具有重要意义。


技术实现要素：

5.针对以上基坑开挖支护模型试验装置存在的不足，本实用新型的目的在于提供了一种基坑开挖支护室内物理模型试验装置。这种模型试验装置即便于基坑模型土体开挖、模型箱内余土清理，同时可以准确测量支护结构不同深度水平向位移以及坑顶地表沉降变形。
6.为了实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案来实现：
7.一种基坑开挖支护室内物理模型试验装置，包括模型箱、出土漏斗、支护系统、坑顶地表沉降监测系统和水平向位移监测系统。其特征在于：模型箱左端外侧安装出土漏斗，方便基坑模型试验开挖过程中渣土清理，模型箱右端底部预留出土口和滑动式开关门，便于试验完成后模型箱内余料清理。模型箱内中部安装支护系统，用于模拟基坑开挖过程中
围护结构挡土作用。模型箱顶部安装地表沉降监测系统，可精确获得基坑模型开挖过程中坑顶地表沉降变形值；模型箱右端安装支护结构水平向位移监测系统，用于水平向位移监测系统的布设。
8.所述模型箱的尺寸大小可根据实际需要设计，一长边侧面作为观察面。
9.可选的，所述观察面采用透明有机玻璃或者钢化玻璃等材料加工而成，便于试验过程中观察模型箱内基坑工况，其他侧面采用砌体结构、钢板等材料加工而成。
10.进一步，所述的模型箱顶部安装环梁，用于加固箱体，减小试验过程箱体自身变形对基坑变形的影响。
11.进一步，所述的模型箱右侧面沿中线等间距预留一列直径5mm的测量孔，间距5cm，便于水平向位移监测系统的安装。
12.进一步，所述的模型箱右侧面距离底部30cm位置设置出土口并配套滑动式开关门，所述出土口由安装在所述模型箱右侧面且方向斜向下圆管制作而成，便于试验完成后清理模型箱内余料。
13.所述的出土漏斗采用漏斗结构制成，安装在模型箱左端基坑开挖端头外侧，便于基坑开挖过程中渣土向外清理。
14.所述的支护系统为常规基坑桩(墙)支护结构模型，包括冠梁模型和围护桩模型，安装在所述模型箱中间位置，用于模拟基坑开挖中的土体支护。
15.所述的坑顶地表沉降监测系统包括固定支架、支架梁、活动锁扣、顶紧螺钉、固定杆、位移传感器组成，用于监测基坑模型开挖过程中坑顶地表沉降。
16.进一步，所述的固定支架由两个u型钢架组成，采用螺栓方式固定在模型箱的顶部环梁上，两者之间的间距及位置可根据实际试验需要进行调整。
17.进一步，所述的活动锁扣由两个长度5cm的不锈钢管焊接而成，两者轴线相互垂直。所述的活动锁扣两钢环内径分别大于固定支架和支架梁直径2mm，分别套在固定支架和支架梁上，实现支架梁在水平面两个方向上移动，监测不同基坑断面沉降地表监测，满足不同试验测试要求。
18.进一步，所述的活动锁扣的两个钢环上分别预留螺孔，并安装顶紧螺钉，当所述活动锁扣滑动到试验设计位置的时候，通过顶紧螺钉将固定支架、支架梁和活动锁扣固定为整体。
19.可选的，所述的位移传感器可采用常规激光位移计或者千分表等设备，通过固定杆固定在支架梁上，用于监测基坑开挖模型试验过程中坑顶地表沉降变形。
20.所述的水平向位移监测系统由测量表、表座、引线、套管、定位梁和定位杆组成，共同作用测量基坑开挖过程中围护结构向变形。
21.进一步，所述的表座焊接在所述模型箱右侧面，安装位置与所述模型箱上测量孔位置一致。
22.可选的，所述的测量表为常规百分表或者千分表。
23.进一步，所述的测量表安装数量根据实际试验需要确定，间距为5cm的倍数，与测量孔位置对应，且测量表垂直于所述的模型箱右侧面，安装在表座上，防尘帽端对准所述的测量孔上。
24.进一步，所述的定位梁固定在模型箱顶部，距离围护桩模型右侧10cm位置处。
25.进一步，所述的定位杆为直径3mm的金属杆焊接定位环制成，所述的定位环为内径3.5mm的钢圆环，中心距5cm，圆环数量与测量孔的数量一致；所述的定位杆竖直放在所述的模型箱内，顶端与所述的定位梁固定连接，圆环正对所述的测量孔，用于固定所述的套管。
26.进一步，所述的引线采用直径0.18mm钼丝材料制成，右端连接在测量表的防尘帽端，左端穿过套管并连接到围护桩模型测试桩上，安装过程中保证引线两端连接在同一高度位置，且与测量孔高度一致。基坑开挖试验过程中围护桩模型产生水平向位移时牵拉引线，通过引线拉动测量表，获取围护桩模型水平向位移。
27.所述的套管右端插入所述的测量孔，左穿入所述定位杆上的圆环内，且圆环与所述的测量孔位于同一高度，从而保证基坑开挖试验过程中，所述套管不会因土层移动发生位置变化，保证所述引线能准确将所述围护桩模型水平位移导入所述的测量表上。
28.通过采用上述技术方案，主要解决了以下技术问题和难点：通过在模型箱左端设置漏斗形出土管，右端设置出土口，解决了基坑开挖试验过程中土体的外运以及试验结束后模型箱内余土清理问题；通过设置活动锁扣调整支架梁位置，从而测量不同纵断面坑顶地表沉降值；通过设置活动锁扣调整支架梁位置，从而测量不同纵断面坑顶地表沉降值；通过设置水平位移监测系统，可以测量围护结构模型不同深度水平向变形，同时解决了基坑内土体沉降位移对水平位移测量结果的影响。本实用新型结构简单、操作简单、适用性强。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
30.图1为一种基坑开挖支护室内物理模型试验装置侧视图；
31.图2为一种基坑开挖支护室内物理模型试验装置纵向剖面图；
32.图3为一种基坑开挖支护室内物理模型试验装置爆炸示意图；
33.图4为图1中a处放大图；
34.图5为图2中b处放大图；
35.图6为图3中c处放大图；
36.图7为活动锁扣示意图；
37.其中：10－模型箱、11－观察面、12－环梁、13－测量孔、14－出土口、15－滑动式开关门、20－出土漏斗、30－支护系统、31－冠梁模型、32－围护桩模型、40－坑顶地表沉降监测系统、41－固定支架、42－支架梁、43－活动锁扣、44－顶紧螺钉、45－螺孔、46－固定杆、47－位移传感器、50－水平向位移监测系统、51－测量表、52－表座、53－引线、54－套管、55－定位梁、56－定位杆、57－定位孔。
具体实施方式
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图和具体实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
39.本实用新型的描述中，需要说明的是，出现的“左端”、“右段”、“顶部”、“外侧”、“外侧”、“外部”等方位名词均是基于附图所示方位或者位置，仅是为了便于描述本实用新型，
而不是指示或者暗示所指的装置和设备具有特定的方位，或者装置和设备必须具有特定方位，因此不能理解为对本实用新型的限制。
40.参照图1、图2可知，一种基坑开挖支护室内物理模型试验装置，主要包括模型箱10、出土漏斗20、支护系统30、坑顶地表沉降监测系统40、水平向位移监测系统50构成。其特征在于：模型箱10左端外部安装出土漏斗20，方便基坑模型试验开挖过程中渣土清理，模型箱右端底部预留出土口14和滑动式开关门15，便于试验完成后模型箱10内余料清理；模型箱顶部安装地表沉降监测系统40，可精确获得基坑模型开挖过程中坑顶地表沉降变形值；模型箱10右端安装支护结构水平向位移监测系统50，并在模型箱10该侧面预留测量孔13，便于水平向位移监测系统50的布设。
41.所述的模型箱10右侧沿中线等间距预留一列直径5mm的测量孔13，间距5cm，便于水平向位移监测系统50的安装。
42.所述的模型箱10右侧距离底部30cm位置设置出土口14以及配套滑动式开关门15，所述出土口14由安装在所述模型箱10右侧面且方向斜向下的圆管制作而成，便于试验完成后清理模型箱10内余料。
43.所述的出土漏斗20采用漏斗结构制成，安装在模型箱左端开挖端头外侧，便于基坑开挖过程中渣土向外清理。
44.参照图3，所述的支护系统30为常规基坑桩墙支护结构模型，包括冠梁模型31和围护桩模型32，安装在所述模型箱10中间位置，用于模拟基坑开挖中的土体支护。
45.所述的坑顶地表沉降监测系统40包括固定支架41、支架梁42、活动锁扣43、顶紧螺钉44、固定杆46、位移传感器47组成，用于监测基坑模型开挖过程中坑顶地表沉降。
46.所述的固定支架41由两个u型钢架组成，采用螺栓方式固定在模型箱10的顶部环梁上，两者之间的间距及位置可根据实际试验需要进行调整。
47.参照图1、图4和图7，所述的活动锁扣43由两个长度5cm的不锈钢管焊接而成，两者轴线相互垂直。所述的活动锁扣43的两钢环内径分别大于固定支架41和支架梁42直径2mm，分别套在固定支架41和支架梁42上，实现支架梁42在水平面两个方向上移动，监测不同基坑断面沉降地表监测，满足不同试验测试要求。
48.所述的活动锁扣43的两个钢环上分别预留螺孔45，并安装顶紧螺钉44，当所述活动锁扣43滑动到试验设计位置的时候，通过顶紧螺钉44将固定支架41、支架梁42和活动锁扣43固定为整体。
49.所述的位移传感器47可采用常规激光位移计或者千分表等设备，通过固定杆46固定在支架梁42，用于监测基坑开挖模型试验过程中坑顶地表沉降变形。
50.参照图1、图2和图3，所述的水平向位移监测系统50由测量表51、表座52、引线53、套管54、定位梁55、定位杆56和定位环57组成，共同作用测量基坑开挖过程中围护结构向变形。
51.所述的表座52焊接在所述模型箱10右侧面，安装位置与所述模型箱10上测量孔13位置一致；所述的测量表51为常规百分表或者千分表，安装数量根据实际试验需要确定，间距为5cm的倍数，与测量孔位置对应，且测量表51垂直于所属模型箱10右侧面，防尘帽端对准所述的测量孔13上，安装在表座52上。
52.所述的定位梁55固定在模型箱顶部，距离围护桩模型32右侧10cm位置处。
53.所述的定位杆56为直径3mm的金属杆焊接定位环57制成，所述定位环57为内径3.5mm的钢圆环，其中心距5cm，数量和位置与测量孔13一致。
54.所述的定位杆56竖直放在所述的模型箱10内，圆环正对所述的测量孔13，顶端与所述的定位梁55固定连接，用于固定所述的套管56。
55.所述的引线53采用直径0.18mm钼丝材料制成，右端连接在测量表51的防尘帽端，左端穿过套管54并连接到围护桩模型32测试桩上，安装过程中保证引线53两端连接在同一高度位置，与测量孔13高度一致。基坑开挖试验过程中围护桩模型32产生水平向位移时牵拉引线53，通过引线53拉动测量表51。
56.所述的套管54的采用外径3mm，壁厚0.2mm的不锈钢管制成，长度等于0.55倍模型箱长度。所述的套管54右端插入所述测量孔13，左端穿入所述的定位环57内，且定位环57与所述的测量孔13位于同一高度，从而保证基坑开挖试验过程中，所述的套管54不会因土层移动发生位置变化，保证所述引线53能准确将围护桩模型32水平位移导入所述测量表51。
57.通过采用上述技术措施，在模型箱10左端设置漏斗形出土管20，右端设置出土口14，解决了基坑开挖试验过程中土体的外运以及试验结束后模型箱内余土清理问题；通过设置活动锁扣43调整支架梁42位置，实现测量不同纵断面坑顶地表沉降值；通过设置水平位移监测系统40，可以测量围护结构模型不同深度水平向变形，通过设置引线53、套管54、定位梁55、定位杆56和定位环57，解决了基坑内土体沉降位移对水平位移测量结果的影响。
58.本实用新型适用于基坑开挖支护物理模型试验，既能满足基坑内部土体开挖支护，又能根据实际需要，监测支护结构不同深度水平位移和不同断面地表沉降。
59.本具体实施例仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。