本發(fā)明涉及巖土工程物理模擬領(lǐng)域，特別是涉及一種模擬隧道與埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用的離心試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)準(zhǔn)備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著城市化的快速推進(jìn)，城市地面可用空間日趨緊張，以隧道為代表的地下空間得到了大規(guī)模的開發(fā)和利用。在地面建筑密集、地下結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)施遍布的城市地區(qū)建設(shè)隧道時(shí)，以盾構(gòu)機(jī)為代表的隧道掘進(jìn)技術(shù)得到大規(guī)模的采用。盡管盾構(gòu)隧道建設(shè)技術(shù)突飛猛進(jìn)，但當(dāng)遇到特殊地質(zhì)狀況或由于操作失誤時(shí)，地層大面積下沉甚至塌陷災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，對(duì)公共安全和社會(huì)穩(wěn)定造成極大的負(fù)面影響。因此，研究隧道施工對(duì)臨近建構(gòu)筑物的作用機(jī)制，預(yù)測(cè)評(píng)估建筑變形具有重要的工程價(jià)值和社會(huì)發(fā)展意義。

2、評(píng)估隧道施工對(duì)臨近結(jié)構(gòu)變形影響貫穿隧道工程的設(shè)計(jì)和施工階段。在設(shè)計(jì)階段，評(píng)價(jià)隧道施工對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的影響可有助于優(yōu)化隧道線路，從而避免隧道施工階段對(duì)環(huán)境帶來的不利影響。在盾構(gòu)隧道施工階段，當(dāng)遇到特殊地質(zhì)狀況或由于操作失誤時(shí)易引起周圍結(jié)構(gòu)的變形破壞，如何評(píng)估此種情況建筑的變形程度，對(duì)后期的維修與加固至關(guān)重要。然而，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道施工對(duì)周圍建筑的影響仍然面臨諸多困難，例如復(fù)雜的土層特性、高度非線性的土與結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制，以及各種類型的建筑基礎(chǔ)類型與建筑材料等。

3、目前研究隧道施工對(duì)周圍建筑影響的方法主要分為三種。一是數(shù)值模擬或簡(jiǎn)化的理論計(jì)算方法，雖然該方法研究成本低，但研究結(jié)果的可靠性比較低。其次是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或者足尺試驗(yàn)，該方法可以考慮復(fù)雜的因素并獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，然而相關(guān)的研究成本較高，無法進(jìn)行大范圍的預(yù)測(cè)評(píng)估。物理模型試驗(yàn)提供了較為可靠的研究手段，可較為準(zhǔn)確的研究隧道施工對(duì)周圍建筑的影響規(guī)律。為進(jìn)一步提高模型試驗(yàn)的精度，利用超重力環(huán)境模擬真實(shí)土體應(yīng)力的離心模型試驗(yàn)得到了廣泛的認(rèn)可。由于需要將整個(gè)模型箱的重力加速度提高到數(shù)十倍甚至數(shù)百倍于常規(guī)地球重力加速度，離心模型試驗(yàn)箱普遍較小，模型箱內(nèi)部的各類模型尺寸也較小。這給模型的制作和試驗(yàn)的準(zhǔn)備帶來較大的挑戰(zhàn)。

4、采用離心模型試驗(yàn)研究隧道施工對(duì)周圍建筑影響的研究普遍考慮二維平面應(yīng)變模型，然后利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)通過一側(cè)的透明窗對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。為模擬均勻的土層性質(zhì)，研究人員采用了撒砂法準(zhǔn)備砂土試樣，即通過一定高度將砂土勻速落入模型箱。因此，在二維平面應(yīng)變模型中，模型箱需傾倒放置，確保平面應(yīng)變的隧道模型或建筑模型平行于砂子下落方向(即豎直向下)。與此同時(shí)，模型箱頂部一側(cè)需要采用隔板進(jìn)行臨時(shí)支撐，該位置為模型箱豎直放置時(shí)的砂土試樣的頂部位置。對(duì)于位于地表的筏板基礎(chǔ)建筑模型，可待砂土試樣準(zhǔn)備完畢并將模型箱豎直放置時(shí)直接將建筑模型放置在土層的頂部。然而，對(duì)于諸如埋入式條形基礎(chǔ)建筑(埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu))等埋入式結(jié)構(gòu)而言，目前未有有效的離心模型試驗(yàn)裝置與準(zhǔn)備方法。現(xiàn)有研究普遍將埋入式基礎(chǔ)簡(jiǎn)化放置在地表，或在準(zhǔn)備好的砂土試樣上方將結(jié)構(gòu)壓入指定深度。這兩種方法均無法模擬出埋入式基礎(chǔ)周圍的均勻土層性質(zhì)，從而影響模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出模擬隧道與埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用的離心試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)準(zhǔn)備方法，所述試驗(yàn)裝置包括離心模型箱和透明側(cè)板，所述離心模型箱為有四個(gè)面的長方體箱體，包括底板和與底板連接的左側(cè)板、后側(cè)板和右側(cè)板，所述透明側(cè)板作為前側(cè)側(cè)板與離心模型箱的前側(cè)開口可拆卸連接；

2、還包括砂土試樣，所述砂土試樣填充于離心模型箱和透明側(cè)板組裝成的離心模型容器中，所述砂土試樣中埋置有前后方向設(shè)置的模型隧道；所述砂土試樣表層一定深度中沿左右方向間隔埋設(shè)有若干條形基礎(chǔ)，每個(gè)條形基礎(chǔ)上固定設(shè)置有一個(gè)基礎(chǔ)立柱，所述基礎(chǔ)立柱底部埋設(shè)于砂土試樣中，所述基礎(chǔ)立柱頂部固定設(shè)置一層水平層板，為下層水平層板，在下層水平層板上部對(duì)應(yīng)每個(gè)基礎(chǔ)立柱正上方分別固定設(shè)置一個(gè)層間立柱，所述層間立柱頂部再固定設(shè)置一層水平層板，為上層水平層板；

3、在第一狀態(tài)，所述第二狀態(tài)為試驗(yàn)裝置準(zhǔn)備過程中的狀態(tài)，最左側(cè)的基礎(chǔ)立柱和左側(cè)板之間設(shè)置外部擋板，最右側(cè)的基礎(chǔ)立柱和右側(cè)板之間設(shè)置外部擋板；在相鄰的基礎(chǔ)立柱之間設(shè)置內(nèi)部擋板；

4、在第二狀態(tài)，所述第二狀態(tài)為試驗(yàn)裝置準(zhǔn)備完畢時(shí)的狀態(tài)，還包括上部支撐塊和橡膠塊，在上層水平層板上部對(duì)應(yīng)每個(gè)層間立柱正上方分別設(shè)置一個(gè)橡膠塊，所述橡膠塊的左右寬度小于層間立柱寬度；相鄰的橡膠塊之間設(shè)置一個(gè)與橡膠塊緊貼的上部支撐塊；內(nèi)部擋板懸吊于下層水平層板和砂土試樣表層之間。

5、優(yōu)選的，所述模型隧道前端與透明側(cè)板抵接，后端與后側(cè)板抵接；所述條形基礎(chǔ)、基礎(chǔ)立柱、水平層板、層間立柱的前端與透明側(cè)板留設(shè)微小間距，后端與后側(cè)板留設(shè)微小間距。

6、優(yōu)選的，在后側(cè)板設(shè)置外徑與模型隧道內(nèi)徑一致的圓環(huán)凸起或者在后側(cè)板設(shè)置內(nèi)徑與模型隧道外徑一致的圓環(huán)凹槽。

7、優(yōu)選的，第一狀態(tài)中，通過泡沫膠帶將外部擋板、內(nèi)部擋板與其左右兩側(cè)的結(jié)構(gòu)密封固定。

8、優(yōu)選的，第一狀態(tài)中，還包括頂部擋板，所述頂部擋板分別可拆卸固定連接于左側(cè)板內(nèi)側(cè)和右側(cè)板內(nèi)側(cè)；采用螺紋絲桿將外部擋板固定于頂部擋板上，采用螺紋絲桿將內(nèi)部擋板固定于頂部擋板上，與內(nèi)部擋板連接的螺紋絲桿穿過水平層板。

9、優(yōu)選的，第一狀態(tài)中，所述外部擋板、內(nèi)部擋板前端與透明側(cè)板抵接，后端與后側(cè)板抵接。

10、優(yōu)選的，第二狀態(tài)中，所述上部支撐塊和橡膠塊的前端與透明側(cè)板留設(shè)微小間距，后端與后側(cè)板留設(shè)微小間距。

11、優(yōu)選的，第二狀態(tài)中，內(nèi)部擋板頂部固定連接有螺紋絲桿，螺紋絲桿上部穿出水平層板和上部支撐塊并通過螺帽定位。

12、基于上述模擬隧道與埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用的離心試驗(yàn)裝置，本發(fā)明還提出模擬隧道與埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用的離心試驗(yàn)準(zhǔn)備方法，包括如下步驟：

13、第一步：首先將離心模型箱向后推倒，使后側(cè)板平放于地面上，將模型隧道放置在設(shè)定位置，標(biāo)記砂土試樣所需達(dá)到的位置；將包含水平層板、層間立柱、基礎(chǔ)立柱和條形基礎(chǔ)的埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)放置于指定位置；將內(nèi)部擋板和外部擋板固定于砂土試樣所需達(dá)到的位置，外部擋板和內(nèi)部擋板起到頂側(cè)板作用；

14、第二步：通過撒砂法將干燥砂土從一定高度勻速落下，下落的方向與隧道模型軸向平行，待砂土試樣填充完畢后，固定透明側(cè)板；

15、第三步：將離心試驗(yàn)裝置正放，即底板平放于地面上；拆除外部擋板及其固定裝置，將內(nèi)部擋板懸吊于下層水平層板和砂土試樣表層之間。

16、優(yōu)選的，第三步中，將上部支撐塊放置于上層水平層板上，將螺帽從螺紋絲桿上方旋入上部支撐塊上方，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)逐步將內(nèi)部擋板吊起。

17、本發(fā)明具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

18、1.本發(fā)明突破了現(xiàn)有離心模型試驗(yàn)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型均勻土層布置的技術(shù)瓶頸，可準(zhǔn)確再現(xiàn)埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)周圍的土體性質(zhì)，避免傳統(tǒng)的插入式方式對(duì)土層的擾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)模擬隧道施工引起的埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)。

19、2.本發(fā)明的離心試驗(yàn)裝置在實(shí)現(xiàn)均勻土層布置的前提下，還確保了整體設(shè)計(jì)合理簡(jiǎn)單、易于操作，且貫穿的細(xì)長螺紋絲桿由于尺寸小、重量輕，對(duì)埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度均不會(huì)產(chǎn)生影響。

20、3.本發(fā)明通過貫穿的細(xì)長螺桿吊起內(nèi)部擋板，全部重量由上部支撐塊進(jìn)行支撐，實(shí)現(xiàn)了不改變埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自身剛度的目的，且上部支撐塊兩端放置在層間立柱正上方的水平層板上，相鄰支撐塊由壓縮性較好的橡膠塊進(jìn)行柔性連接，確保上部支撐塊隨埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方位，確保上部支撐塊對(duì)內(nèi)部擋板的恒定穩(wěn)定懸掛。

21、4.本發(fā)明設(shè)計(jì)的內(nèi)部擋板在吊起狀態(tài)后與基礎(chǔ)立柱設(shè)置有足夠的間隙，可確保離心試驗(yàn)過程中基礎(chǔ)立柱的水平位移不受內(nèi)部擋板的影響，可更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)模擬隧道與埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

22、5.本發(fā)明設(shè)計(jì)的上部支撐塊可作為調(diào)節(jié)埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自重荷載的平臺(tái)，可通過在上部支撐塊額外放置固定砝碼等重物來實(shí)現(xiàn)對(duì)埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的加載，且不改變埋入式條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自身的剛度，或影響其水平層板的受力狀態(tài)。