超深開挖離心模型試驗模擬設備及其測試方法
【專利摘要】超深開挖離心模型試驗模擬設備及其測試方法，本設備由兩部分組成；開挖驅動部分和開挖模型部分，特征是開挖驅動部分的結構是，模型箱的頂部固定有支撐板，支撐板上固定有：由大功率單相電機通過減速機驅動的升降電機和線性軸承；開挖模型部分的結構是：導向桿穿過線性軸承并可在線性軸承內豎向自由移動；導向桿上端安裝有提升橫梁；提升橫梁的下面固定有載荷傳感器；導向桿下端固定有提升模型。本發(fā)明能在離心機高重力場下正常運行；能夠模擬的開挖深度與開挖量較大；開挖型式的控制與變換方便；有利于土工離心模型的布置；本發(fā)明的操作十分安全；并能夠實現精確控制。還可模擬多種型式的開挖工程（或填筑工程）。
【專利說明】超深開挖離心模型試驗模擬設備及其測試方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應用于土工離心機上的輔助設備，具體涉及一種可用于模擬超深開挖工況離心模型試驗的設備，特別適用于開展諸如超深挖方渠道、深基坑等挖深較大的工程試驗模擬，以研究因深挖方引起的卸荷而導致的土體回彈變形機理。本設備通過控制驅動裝置反向加載，也可以適用于超高填方工程的離心模型試驗模擬，以研究因高填方引起的荷載而導致的土體壓縮變形機理。

【背景技術】
[0002]隨著中國社會經濟的飛速發(fā)展，巖土工程遭遇到了越來越多的技術難題，其中超深開挖工程近年來越來越多，在南水北調中線工程的渠道施工中，就有挖深達到49 m的超深挖方渠道；在很多城市的建設中，也有大量的深基坑開挖工程，如地鐵、高樓大廈的地下空間等，往往挖深達到2(T40 m，甚至超過40 m[l]。這樣的超深開挖工程，對于下臥土層引起了較大的卸荷，將導致下臥土層的回彈變形。以往的開挖工程挖深較小，引起的卸荷量不大，產生的下臥土層回彈變形可以忽略；而對于超深開挖工程，已有的實測結果表明，開挖產生的隆起變形及其引起的支護結構和周圍土體的附加變形較為顯著，目前尚沒有較好的、被廣泛認同的回彈變形計算方法，急需開展試驗研究超深開挖引起的卸荷而導致的土體回彈變形機理。
[0003]離心模型試驗中模擬開挖卸荷目前主要有以下方法:
(I)排液法——該方法通過液體模擬被開挖的土體，在離心力場中排出液體即實現了模擬土體的挖除[2、3]。液體的密度需要等于或盡量接近挖除土體的密度，常采用氯化鋅等鹽溶液，但這些溶液往往具有強烈的腐蝕性甚至毒性，非常不安全，且容易腐蝕排液管路和閥門，試驗中往往出現失控的情況。有時也采用熔蠟法模擬隧道的開挖，但蠟的本構關系與土差別很大，且熔化需要在蠟塊中布置發(fā)熱電阻，很難完全熔化，即使蠟熔化也不易排出。根據開挖型式，蠟塊可以做成某種形狀，液體則需制備相應型式的皮囊，但都無法做出精確的開挖土體的形狀；而且排液法殘留皮囊，熔蠟法殘留發(fā)熱電阻，均不理想。
[0004](2)采用離心機機器人系統(tǒng)一通過機器人系統(tǒng)，理論上可以在離心力場中實現開挖、填筑、測量等動作[4、5]，從原理上是最佳的在離心模型試驗中模擬開挖的方法。但由于機器人系統(tǒng)的精度要求高，在高重力場下產生的系統(tǒng)撓曲變形對各種動作的實現影響很大，往往達不到要求的精度；另外機器人系統(tǒng)的機械臂出力較小，只能通過多次少量的方法模擬開挖，開挖的速度非常慢，而且開挖量小，試驗耗時往往難以忍受。
[0005]參考文獻:
[1]鄭剛，焦瑩.深基坑工程設計理論及工程應用[M].北京:中國建筑工業(yè)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]馬險峰，陳斌，田小芳等.盾構隧道注漿對既有隧道影響的離心模擬研究[J].巖土力學.2012, 33(12): 3604-3610.[4]吳宏偉，徐光明.地基應力解除法糾偏機理的離心模型試驗研究[J].巖土工程學報.2003, 25(3): 299-303.[5]任國峰.基于離心機機器人的港池開挖相似性研究[D].南京，南京水利科學研究院，2012.。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種超深開挖離心模型試驗模擬設備，旨在解決離心機高重力加速度場下的以下關鍵問題:1，現有技術能夠模擬的開挖深度較小、開挖量不大、開挖型式控制不便；2，現有技術不利于土工離心模型的布置；3，現有技術不安全；4，現有技術難以實現精確控制。本發(fā)明還將提供這種超深開挖離心模型試驗模擬設備的測試方法。
[0007]完成上述發(fā)明任務的技術方案是:一種超深開挖離心模型試驗模擬設備，本設備由兩部分組成；開挖驅動部分和開挖模型部分，其特征在于，所述開挖驅動部分的結構是，模型箱的頂部固定有支撐板，該支撐板上固定有:由大功率單相電機通過減速機驅動的升降電機和線性軸承；所述開挖模型部分的結構是:所述導向桿穿過線性軸承并可在線性軸承內豎向自由移動；所述導向桿上端安裝有提升橫梁；該提升橫梁的下面固定有載荷傳感器；所述導向桿下端固定有提升模型。
[0008]以上設備的優(yōu)化方案有:
所述的提升模型設有多種形狀與規(guī)格；每種形狀與規(guī)格與實驗中需要挖除的土體采用符合開挖形狀的提升模型相對應。每次實驗中需要挖除的土體采用符合開挖形狀的提升模型來替代。
[0009]所述多種形狀與規(guī)格，圖3列出了一些提升模型的型式，可以是:渠道開挖模型、基坑開挖模型或道路邊坡開挖模型。
[0010]同時提升模型可視為一個容器，通過在提升模型內增減鐵砂、砝碼等配重，可以調整提升模型的質量，從而模擬需要的開挖量。
[0011]該提升模型與導向桿下端采用螺紋連接，可以根據不同試驗需要進行更換不同形狀的提升模型。
[0012]線性軸承是中間開孔的。
[0013]導向桿上端與提升橫梁通過鎖緊螺母相固定。
[0014]完成本申請第二個發(fā)明任務的技術方案是:使用上述超深開挖離心模型試驗模擬設備的測試方法，其特征在于，步驟如下，
(1).首先確定需要挖除土體的開挖形狀與開挖質量；
(2).將符合上述土體開挖形狀的提升模型安裝固定到導向桿下端；
⑶.在該提升模型內增減鐵砂、砝碼等配重，以調整提升模型的質量，從而模擬需要的開挖質量；
(4).將以上設備置于離心機高重力場下；
(5).接通電源，啟動大功率單相電機，通過減速機驅動升降電機；
(6).升降電機向上頂起的提升橫梁；
(7).提升橫梁被頂起時，將通過導向桿帶動提升模型一同被頂起，離開土體； (8).完成上述步驟時，提升橫梁下面的荷載傳感器輸出測試數據；
(9).記錄上述荷載傳感器輸出測試數據，并對該數據進行分析，即完成了開挖卸荷模擬。
[0015]上述方法的優(yōu)化方案中，增加或替換有以下步驟:
CO).通過控制直流電機反轉、配置相應形狀和質量的提升模型(此時作為填筑模型使用)，可實現不同型式的高填方填筑工程離心模型試驗模擬。
[0016]以上步驟(10)可以在步驟(9)以后進行，也可以是步驟(9)的替換步驟(g卩，不做步驟⑶，直接進行步驟(10))。
[0017]換言之，本項發(fā)明是通過以下關鍵技術得以實現(請參見圖1):
1，本設備由2部分組成:開挖驅動部分和開挖模型部分。
[0018]2，開挖驅動部分包括附圖1中的升降電機5、線性軸承6、支撐板7和圖2中的減速機9、單相電機10。其中，其他各部件均固定安裝在支撐板7上，而支撐板7則固定于圖2中的模型箱11頂部。如圖1、2所示，單相電機與減速機相連，再與升降電機相連接，線性軸承是中間開孔的。
[0019]3，開挖模型部分包括附圖1中的鎖緊螺母1、提升橫梁2、載荷傳感器3、導向桿4、提升模型8。其中，提升模型8與導向桿4下端相連，導向桿4穿過開挖驅動部分中的線性軸承6上的開孔，導向桿4上端與提升橫梁2通過鎖緊螺母I相固定，提升橫梁2下方固定荷載傳感器3。
[0020]4，試驗時，在離心機高重力場下，接通電源，啟動大功率單相電機10，通過減速機9驅動升降電機5，向上頂起附帶荷載傳感器3的提升橫梁2，提升橫梁被頂起時，將通過導向桿4帶動提升模型8 一同被頂起，離開土體，即完成了開挖卸荷模擬。
[0021]5，需要挖除的土體采用符合開挖形狀的提升模型來替代，提升模型與導向桿下端采用螺紋連接，可以根據不同試驗需要進行更換不同形狀的提升模型；同時提升模型可視為一個容器，通過在提升模型內增減鐵砂、砝碼等配重，可以調整提升模型的質量，從而模擬需要的開挖量，附圖3列出了一些提升模型的型式，根據具體的工程研究需要，還可能有其他型式的提升模型。
[0022]6，通過控制直流電機反轉、配置相應形狀和質量的提升模型(此時作為填筑模型使用)，也可實現不同型式的高填方填筑工程離心模型試驗模擬。
[0023]本發(fā)明的設備與方法具有以下特點:
1，能在離心機高重力場下正常運行。本發(fā)明能夠模擬的開挖深度與開挖量都較大；開挖型式的控制與變換都很方便；本發(fā)明的設備與方法有利于土工離心模型的布置；本發(fā)明的操作十分安全；并能夠實現精確控制。
[0024]2，采用大功率直流電機驅動，實現最大提升力250kN ;配備長1100 mm、寬200 mm的專用模型箱，能夠模擬的卸荷量約1136 kPa，相當于約60 m深度的超深開挖量；反轉電機可實現最大約60 m的超高填筑量。
[0025]3，通過更換不同形狀和質量的提升模型(或作為填筑模型)，可模擬多種型式的開挖工程(或填筑工程)。
[0026]本發(fā)明能夠模擬的開挖深度與開挖量都較大；開挖型式的控制方便；有利于土工離心模型的布置；本發(fā)明的操作十分安全；本發(fā)明能夠實現精確控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為設備結構圖的正視圖；
圖2為設備結構圖的俯視圖；
圖3為提升模型的幾種型式:其中a為渠道開挖模型，b為基坑開挖模型，c為道路邊坡開挖模型。

【具體實施方式】
[0028]實施例1——渠道開挖離心模型試驗研究。
[0029]請參見圖1、2所示，本設備由2部分組成:開挖驅動部分和開挖模型部分。開挖驅動部分包括升降電機5、線性軸承6、支撐板7和圖2中的減速機9、單相電機10。其他各部件均固定安裝在支撐板7上，而支撐板7則固定于圖2中的模型箱11頂部。單相電機與減速機相連，再與升降電機相連接，線性軸承是中間開孔的。開挖模型部分包括鎖緊螺母1、提升橫梁2、載荷傳感器3、導向桿4、提升模型8。其中，提升模型8與導向桿4下端相連，導向桿4穿過開挖驅動部分中的線性軸承6上的開孔，導向桿4上端與提升橫梁2通過鎖緊螺母I相固定，提升橫梁2下方固定荷載傳感器3。
[0030]試驗時，在離心機高重力場下，接通電源，啟動大功率單相電機10，通過減速機9驅動升降電機5，向上頂起附帶荷載傳感器3的提升橫梁2，提升橫梁被頂起時，將通過導向桿4帶動提升模型8 一同被頂起，離開土體，即完成了開挖卸荷模擬。
[0031]圖中的提升模型即為渠道開挖斷面以上的挖除部分。試驗布置為:(1)制備模型渠道；(2)將提升模型(模擬開挖部分土體)置于渠道上，調節(jié)提升模型的質量等于開挖卸荷的土體質量；(3)將模型及該設備置于離心機中，升高離心加速度，施加超重力場；(4)啟動該設備，單相電機通過減速機驅動升降電機、升降電機接觸到安裝有荷載傳感器的提升橫梁后，頂起橫梁，通過導向桿和線性軸承頂起提升模型，提升模型脫離模型渠道即模擬了渠道的開挖卸荷；(5)通過其他輔助設備記錄并分析渠道抬升變形機理。
[0032]實施例2，與實施例1基本相同，但通過控制直流電機反轉，實現不同型式的高填方填筑工程模擬。
【權利要求】
1.一種超深開挖離心模型試驗模擬設備，本設備由兩部分組成；開挖驅動部分和開挖模型部分，其特征在于，所述開挖驅動部分的結構是，模型箱的頂部固定有支撐板，該支撐板上固定有:由大功率單相電機通過減速機驅動的升降電機和線性軸承；所述開挖模型部分的結構是:所述導向桿穿過線性軸承并可在線性軸承內豎向自由移動；所述導向桿上端安裝有提升橫梁；該提升橫梁的下面固定有載荷傳感器；所述導向桿下端固定有提升模型。
2.根據權利要求1所述的超深開挖離心模型試驗模擬設備，其特征在于，所述的提升模型設有多種形狀與規(guī)格；每種形狀與規(guī)格與實驗中需要挖除的土體采用符合開挖形狀的提升模型相對應。
3.根據權利要求2所述的超深開挖離心模型試驗模擬設備，其特征在于，所述多種形狀與規(guī)格的提升模型是指:渠道開挖模型、基坑開挖模型或道路邊坡開挖模型。
4.根據權利要求1所述的超深開挖離心模型試驗模擬設備，其特征在于，所述的提升模型設計為一個容器，該提升模型容器內能夠增減配重。
5.根據權利要求1所述的超深開挖離心模型試驗模擬設備，其特征在于，所述的提升模型與導向桿下端采用螺紋連接。
6.根據權利要求1所述的超深開挖離心模型試驗模擬設備，其特征在于，所述的線性軸承中間開孔。
7.根據權利要求1-6之一所述的超深開挖離心模型試驗模擬設備，其特征在于，所述的導向桿上端與提升橫梁通過鎖緊螺母相固定。
8.使用權利要求1所述的超深開挖離心模型試驗模擬設備的測試方法，其特征在于，步驟如下， (1).首先確定需要挖除土體的開挖形狀與開挖質量； (2).將符合上述土體開挖形狀的提升模型安裝固定到導向桿下端； ⑶.在該提升模型內增減鐵砂、砝碼等配重，以調整提升模型的質量，從而模擬需要的開挖質量； (4).將以上設備置于離心機高重力場下； (5).接通電源，啟動大功率單相電機，通過減速機驅動升降電機； (6).升降電機向上頂起的提升橫梁； (7).提升橫梁被頂起時，將通過導向桿帶動提升模型一同被頂起，離開土體； (8).完成上述步驟時，提升橫梁下面的荷載傳感器輸出測試數據； (9).記錄上述荷載傳感器輸出測試數據，并對該數據進行分析，即完成開挖卸荷模擬。
9.根據權利要求8所述的超深開挖離心模型試驗模擬設備的測試方法，其特征在于，增加或替換有以下步驟: CO).通過控制直流電機反轉、配置相應形狀和質量的提升模型，實現不同型式的高填方填筑工程離心模型試驗模擬。
【文檔編號】G01N33/24GK104132833SQ201410333582
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權日:2014年4月30日
【發(fā)明者】顧行文, 章為民, 茅加峰, 武穎利, 任國鋒 申請人:水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院