本發(fā)明涉及建筑工程施工試驗，特別是涉及一種圓筒形地下結(jié)構(gòu)的開挖試驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著城市化進程的不斷加速，地下空間的開發(fā)利用變得越來越重要。圓筒形地下結(jié)構(gòu)作為地下結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在城市建設(shè)中扮演著至關(guān)重要的角色。由于其獨特的結(jié)構(gòu)幾何特性，圓筒形地下結(jié)構(gòu)在地下空間開發(fā)中尤為常見。例如，地鐵站、深井和儲罐等設(shè)施都廣泛采用了這種結(jié)構(gòu)。這些圓筒形地下結(jié)構(gòu)不僅能夠有效地利用地下空間，還具有較高的穩(wěn)定性和安全性。它們在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著不可或缺的作用，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。

2、圓筒形地下結(jié)構(gòu)的開挖是一項復(fù)雜的工程任務(wù)，涉及多個步驟和技術(shù)的應(yīng)用。首先，需要進行詳細的地質(zhì)勘察，以了解地下土層的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。接著，設(shè)計出合適的圓筒形結(jié)構(gòu)方案，確保其在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和安全性。然后，在土體待開挖區(qū)域的邊緣施作圓形的地下連續(xù)墻(或稱地連墻)，以在后續(xù)的開挖過程中阻擋外圍土體向開挖區(qū)域側(cè)向移動；緊接著，采用現(xiàn)有的開挖方法(一般采用由上至下的明挖法)對待開挖區(qū)域的土體進行開挖，且在開挖過程中，需要嚴(yán)格控制開挖深度和速度，以防止地面嚴(yán)重的沉降以及地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重變形等。同時，還需要做好排水和支護工作，確保開挖區(qū)域的干燥和穩(wěn)定。最后，在完成開挖后，進行結(jié)構(gòu)的澆筑和養(yǎng)護，確保其達到設(shè)計要求的強度和耐久性。

3、圓筒形地下結(jié)構(gòu)的開挖過程會受土層性質(zhì)、地下水位、周邊環(huán)境等因素影響，而作為主要的防護及支撐結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻在外壓力作用(如外圍土體對地下連續(xù)墻的壓力作用、或者土體沉降等作用)下所產(chǎn)生的力學(xué)行為(如環(huán)向應(yīng)變和徑向應(yīng)變等力學(xué)行為)是影響開挖效率及安全性等的關(guān)鍵因素。因此，如能準(zhǔn)確模擬和測量圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖過程中地下連續(xù)墻在外壓力作用下的力學(xué)行為，對提高開挖效率和安全性具有重要意義。

4、在現(xiàn)有的技術(shù)中，圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖的試驗方法主要依賴于物理模型箱試驗和數(shù)值模擬分析。物理模型箱試驗?zāi)軌蛑庇^地反映土體的力學(xué)行為，但存在成本高、操作復(fù)雜、難以實現(xiàn)多因素綜合模擬等局限性。數(shù)值模擬分析雖然能夠模擬復(fù)雜的工程條件，但對土體本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確性要求較高，且難以直觀地驗證模擬結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種能夠準(zhǔn)確、便捷地進行圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗的裝置及方法，以更好地輔助圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖施工。

2、本發(fā)明提出的的圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置，包括：

3、試驗艙，所述試驗艙內(nèi)部限定有容納空間；

4、圓筒狀地連墻模型，置于容納空間中部，并將容納空間徑向內(nèi)外分隔成待開挖試驗土體區(qū)和外圍壓力加載區(qū)；

5、豎向引導(dǎo)軸，所述豎向引導(dǎo)軸設(shè)于待開挖試驗土體區(qū)中部，并與圓筒狀地連墻模型圍成環(huán)形的試驗土體填充空間；

6、多個環(huán)形分隔板，多個所述環(huán)形分隔板可豎向移動套設(shè)于豎向引導(dǎo)軸，且環(huán)形分隔板與試驗土體填充空間相適，以將試驗土體填充空間豎向分隔成多個子填充區(qū)，環(huán)形分隔板上方有用于提放環(huán)形分隔板的吊放部；以及

7、外圍壓力加載系統(tǒng)，外圍壓力加載系統(tǒng)設(shè)于外圍壓力加載區(qū)中，用于從外側(cè)對圓筒狀地連墻模型施加壓力，以模擬開挖過程中外圍土體對圓筒狀地連墻模型產(chǎn)生的壓力。

8、本發(fā)明提出的圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗方法，包括步驟：

9、s1、在試驗裝置設(shè)置相應(yīng)的傳感器后，將多個環(huán)形分隔板依次套于豎向引導(dǎo)軸并逐層填充壓實試驗土體；

10、s2、驅(qū)使外圍壓力加載系統(tǒng)對圓筒狀地連墻模型施加預(yù)定的壓力；

11、s3、根據(jù)預(yù)定的開挖速度，由上至下，在吊放部處將環(huán)形分隔板沿豎向引導(dǎo)軸上提，并將堆積于其上的試驗土體抬出待開挖試驗土體區(qū)，以模擬待開挖試驗土體區(qū)內(nèi)土體開挖過程中土體的卸荷效應(yīng)，直至所有的環(huán)形分隔板均為抬出待開挖試驗土體區(qū)。

12、本發(fā)明圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置由設(shè)置在試驗空間中的圓筒狀地連墻模型將容納空間徑向內(nèi)外分隔成待開挖試驗土體區(qū)和外圍壓力加載區(qū)，其中待開挖試驗土體區(qū)中設(shè)有豎向引導(dǎo)軸并與圓筒狀地連墻模型圍成環(huán)形的試驗土體填充區(qū)，該環(huán)形的試驗土體填充區(qū)由可豎向移動套設(shè)于豎向引導(dǎo)軸的環(huán)形分隔板豎向分隔成多個子填充區(qū)以供分層填充試驗土體，外圍壓力加載區(qū)中設(shè)置有外圍壓力加載系統(tǒng)以模擬外圍土體對圓筒狀地連墻模型的壓力作用。試驗時，先根據(jù)需求，在試驗裝置設(shè)置相應(yīng)的傳感器后，將多個環(huán)形分隔板依次套于豎向引導(dǎo)軸并逐層填充壓實試驗土體；接著使壓力加載系統(tǒng)對圓筒狀地連墻模型施加預(yù)定的壓力；緊接著，根據(jù)預(yù)定的開挖速度，由上至下，在吊放部處將環(huán)形分隔板沿豎向引導(dǎo)軸上提，并將堆積于其上方子填充區(qū)中的試驗土體抬出待開挖試驗土體區(qū)，以模擬待開挖試驗土體區(qū)內(nèi)土體開挖過程中土體的卸荷效應(yīng)，且通過由上至下依次上提環(huán)形分隔板并將相應(yīng)子填充區(qū)的試驗土體抬出待開挖試驗土體區(qū)，以模擬待開挖試驗土體區(qū)內(nèi)土體開挖過程中土體的卸荷效應(yīng)方式，開挖模擬過程十分方便及順暢；同時，外部的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各傳感器檢測的數(shù)據(jù)，以供研究人員進行詳細分析，以對整個開挖過程進行詳細的分析和評估，為實際的開挖工程提供可靠的參考依據(jù)。

技術(shù)特征：

1.一種圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置，其特征在于：外圍壓力加載系統(tǒng)包括多個千斤頂，多個千斤頂沿圓筒狀地連墻模型的環(huán)向和/或軸向方向分布，并抵于圓筒狀地連墻模型的外壁和試艙體的內(nèi)壁之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置，其特征在于：外圍壓力加載區(qū)中沿圓筒狀地連墻模型軸向設(shè)有多組千斤頂，每組千斤頂有多個沿圓筒狀地連墻模型環(huán)向分布的千斤頂。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置，其特征在于：千斤頂?shù)膬啥伺c圓筒狀地連墻模型和試驗艙之間分別設(shè)有襯墊，并通過襯墊與圓筒狀地連墻模型的外壁和試驗艙的內(nèi)壁相抵。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖模擬裝置，其特征在于：還包括多根設(shè)于試驗艙外壁并對應(yīng)千斤頂位置的第一撐桿以及上端與第一撐桿的上端連接的第一斜撐，第一撐桿的下端向延伸出試驗艙的底部并與地面固連，上端則伸出試驗艙，所述第一斜撐的下端固定于地面。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置，其特征在于：還包括排放系統(tǒng)，用于將盛裝于外圍壓力加載區(qū)中的水或者水溶液排出。

7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置，其特征在于：環(huán)形分隔板的內(nèi)緣有向上延伸的套體，所述導(dǎo)套可豎向移動套設(shè)于豎向引導(dǎo)軸上并與所述豎向引導(dǎo)軸相適配，所述環(huán)形分隔板垂直或者傾斜于套體的軸線設(shè)置。

8.采用如權(quán)利要求1-7中任意一項所述圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置的試驗方法，其特征在于，包括步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的試驗方法，其特征在于：驅(qū)使外圍壓力加載系統(tǒng)對圓筒狀地連墻模型施加預(yù)定的壓力的所述步驟s2包括通過繞圓筒狀地連墻模型環(huán)向分布和/或軸向分布的千斤頂在外側(cè)對圓筒狀地連墻模型施加預(yù)定壓力的過程。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的試驗方法，其特征在于：所述步驟s1中，還包括往外圍壓力加載區(qū)中注入預(yù)定量的水或者水溶液的過程；所述s3中，在每次上提環(huán)形分隔板之前，還包括通過排放系統(tǒng)將外圍壓力加載區(qū)中的水或者水溶液排出預(yù)定量，以將外圍壓力加載區(qū)中的水或者水溶液的水位降到預(yù)定位置的過程。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明了一種圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置及方法，其圓筒形地下結(jié)構(gòu)開挖試驗裝置由圓筒狀地連墻模型將容納空間徑向內(nèi)外分隔成待開挖試驗土體區(qū)和外圍壓力加載區(qū)，其中待開挖試驗土體區(qū)中設(shè)有豎向引導(dǎo)軸并與圓筒狀地連墻模型圍成環(huán)形的試驗土體填充區(qū)，該環(huán)形的試驗土體填充區(qū)由可豎向移動套設(shè)于豎向引導(dǎo)軸的環(huán)形分隔板豎向分隔成多個子填充區(qū)以供分層填充試驗土體，外圍壓力加載區(qū)中設(shè)置有外圍壓力加載系統(tǒng)以模擬外圍土體對圓筒狀地連墻模型的壓力作用。試驗時，通過由上至下依次上提環(huán)形分隔板并將相應(yīng)子填充區(qū)的試驗土體抬出待開挖試驗土體區(qū)，以模擬待開挖試驗土體區(qū)內(nèi)土體開挖過程中土體的卸荷效應(yīng)方式，開挖模擬過程十分方便及順暢。

技術(shù)研發(fā)人員：梁禹,黃彬杰,孫成果,李研,岳澤宇,陳瑜,黃林沖
受保護的技術(shù)使用者：中山大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28