[实用新型]基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种离心场条件下的基坑开挖系统，尤其涉及一种基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统。

背景技术

在岩土工程领域，离心模型试验是解决岩土工程问题和进行科学研究的有力手段。离心模型试验是根据相似理论实施的，它通过离心机高速旋转所产生的惯性离心力场来模拟自重应力场，将相对于原型缩小了n倍的模型在n倍重力加速度的空间中进行试验，则作用在模型上的体积力增加n倍。这样在原型与模型材料及边界应力相同的前提下，离心模型与原型各相应点不但应力状态完全相同，其应变也相同，变形相似，破坏机理相同，能再现原型特性。这样，便可通过对离心机上运转中模型性状的量测来预测原型的性状变化规律。

随着建筑物向高、大、重等方向发展，以及城市地区地铁车站、码头等市政工程的持续建设，使得需进行深基坑开挖的工程不断涌现。由于受周边环境和工程地质、水文条件的影响，在基坑施工过程中常常会遇到各种各样的复杂问题。为确保基坑及周围建筑物的安全，基坑开挖前需了解施工现场不同的施工参数及加固方式对软土基坑开挖周边土体沉降的影响，以便选用安全合理的施工方案。由于土体的非弹线性特性，这些信息无法通过理论计算获得，而利用土工离心试验模拟基坑开挖，根据相似理论可很好解决此类工程问题。

在高离心场下实现基坑开挖比较困难，主要是缺少既能满足离心试验设备结构限制又能适应高离心场的合理基坑开挖系统。目前，土工离心试验模拟基坑开挖主要采用以下几种方法：①在重力场下将土体挖掉，然后用增大离心加速度来研究应力提高的情况下土体或挡土结构的反应（见《土木工程学报》2009，42（12）：154-161页，徐前卫、马险峰、朱合华等撰写的科技论文——软土地基超深基坑开挖的离心模型试验研究）；②将与土体密度相当的代土液体预先装入需要开抗的空间，试验时利用阀控制液体排放而实现基坑开挖的模拟（见《地下空间与工程学报》2010.12(6)：1142-1145页，冉光斌、宁张伟、洪建忠等撰写的科技论文——具有多道支撑的深基坑开挖离心模拟试验方法）；③采用高精密特种机械设备在离心机高速运转的情况下实现自动开挖（见《Geotechnique》1998，48(6)：833-846页，RichardsDJ、PowrieW撰写的科技论文——Centrifugemodeltestsondoublyproppedembeddedretainingwallsin verconsolidatedkaolinclay）。

上述方法①中，采用“开机-停机开挖-再开机试验”模式，土体的应力路径与实际情况不符，得到的试验结果与实际情况相差较大，失去工程指导意义；上述方法②中，采用排放代土液体进行基坑开挖模拟的方法，要使代土液体在离心场下产生的压力与土体侧向压力相等，就必须合理调配代土液体，而且还需设计专用的试验装置，操作难度很大；上述方法③中，采用特种开挖设备虽可实现深基坑开挖，但开挖设备结构复杂且昂贵，通用性差，不能被大多数实验者采用。另外，上述方法①和②中，由于真实模拟深基坑开挖过程的土工离心试验难度很大，而实现其操作的土工离心机器人发展较晚，高效多功能土工离心机器人近年来才有问世，与机器人配套的高效基坑开挖系统在国内还是空白，为此大多数试验者采用近似试验方法，所以得到的试验结果与实际情况相差较大。

另外，经搜索专利文献资料，未见公开的关于离心场环境下的基坑开挖系统的文献，更未见相关产品在实际应用中使用。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统。

为了达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

本实用新型所述基于四轴全电驱土工离心机器人的基坑开挖系统，包括四轴全电驱土工离心机器人、挖斗和连接装置，所述四轴全电驱土工离心机器人包括水平方向的X轴驱动系统、水平方向的Y轴驱动系统、垂直方向的Z轴驱动系统和垂直方向的θ轴驱动电机，所述θ轴驱动电机与所述Z轴驱动系统的Z轴移动块连接；所述挖斗包括挖斗壳体、斗瓣、斗瓣拉杆和挖斗垂直拉杆，所述斗瓣为两个并分别旋转安装于所述挖斗壳体下部的对称两侧，所述斗瓣拉杆为两根，两根所述斗瓣拉杆的一端分别与两个所述斗瓣的内侧旋转连接，两根所述斗瓣拉杆的另一端分别与所述挖斗垂直拉杆的下端旋转连接；所述连接装置安装于所述θ轴驱动电机和所述挖斗之间，所述连接装置上端的旋转运动输入端与所述θ轴驱动电机下端的转轴连接，所述连接装置下端的直线运动输出端与所述挖斗垂直拉杆的上端连接。