[发明专利]爆破荷载下基坑施工过程稳定性研究模型试验系统及方法

说明书

本发明公开了爆破荷载下基坑施工过程稳定性研究模型试验系统及方法，该系统包括：试验模型的制作系统、模型卸载系统、加载系统、测量系统，模型制作系统包括相似岩土层和试验模型箱；模型试验卸载系统指试验箱模型参照现场工程基坑开挖设计步骤，按比例将需要开挖的部分轮廓画出并开挖；加载系统包括摆锤装置、频率调节器；测量系统包括应变片、微型压力盒、加速度计、激光测距仪、千分表、爆破振动测速仪传感器、高速摄像机、爆破参数校核仪、计算机。本试验系统具体操作方法包括以下步骤：制作试验模型、布置监测系统、模型卸载、加载试验模型、调试监测系统、模型试验测试与数据记录，本试验可以简单有效的模拟爆破振动作用下基坑施工过程。

技术领域

本发明涉及基坑开挖过程的物理模型试验，具体涉及爆破荷载下基坑施工过程稳定性研究模型试验系统及方法。

背景技术

爆破是破岩的重要手段，工程爆破在国民基础建设中发挥着不可替代的重要作用。在工程建设中，爆破作业产生振动荷载，并在岩体中以应力波的形式传播，其产生的惯性力增加了岩体的下滑力，而且频繁的震动引起岩体循环加载和卸载疲劳，加速了岩体的风化，降低了结构面的力学强度，导致结构体沿优势产状失稳，造成较大的经济损失和安全危害。

基坑工程是建筑工程施工的主要组成部分，特别是随着我国当前建筑规模越来越大，各种深基坑开挖施工越来越多。基坑工程在爆破开挖时，技术要求高，开挖难度大，因此找到模拟爆破荷载下基坑施工过程稳定性研究模型试验系统及方法不仅能为数值模拟的研究成果提供科学的参考及验证，所获得的数据又可用于指导实际施工中振动危害的控制，实现研究结果的定性与定量相结合的分析，因而具有重要的理论和实践意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种既可实现控制单一变量原则，又能够客观直接的反映出稳定性变化规律的爆破荷载下基坑施工过程稳定性研究模型试验系统及方法。

爆破荷载下基坑施工过程稳定性研究模型试验系统，包括：试验模型的制作系统、模型卸载系统、加载系统、模型检测系统；所述试验模型的制作系统包括以现场工程基坑为原型的试验模型箱3、箱体内壁粘贴的海绵4以及箱内分层锤击夯实的岩土相似材料验箱模型基坑开挖工具，模型卸载系统包括用于对试验模型箱参照现场工程基坑开挖，所述加载系统包括放置在试验模型箱3外一侧的摆锤装置以及安装在模型箱外所述一侧的频率调节器2；通过摆锤击打频率调节器2来模拟爆破振动波的效果，所述模型检测系统包括，在试验模型箱制作时埋置在边坡坡顶到边坡底部、坡脚、基坑周边地表及岩土相似材料中的多个应变片5以及多个微型压力盒6、预先埋置在岩土层中的加速度计7、安装在模型箱顶部岩土相似材料与海绵分界位置的多个激光测距仪9、对称安装在模型箱上表面左右两侧开挖位置处的两个千分表8、安装在模型箱岩土相似材料底部的爆破振动测速仪传感器13、固定在模型箱正前方的高速摄像机以及一台用于输出包括应变数据、土压力、加速度和振动速度的计算机。

进一步地，所述摆锤装置包括摆锤1、摆臂、传动轮、传动装置10、伺服电机11、伺服控制器12、门字形钢架；所述摆臂的一端安装摆锤，另一端安装在钢架上横梁中间位置，摆臂在钢架的安装位置处左右两侧依次对称安装有传动轮、传动装置10以及伺服控制器12，所述传动轮紧挨着所述摆臂在钢架的安装位置，所述传动轮、传动装置10以及伺服控制器12安装在与摆锤摆动面垂直的横梁上，伺服电机11设置在钢架横梁上表面，通过伺服控制器12来控制伺服电机11的转矩及速度，伺服电机11控制传动装置10及传动轮，通过传动轮转动进而改变摆锤1的摆动速度，使摆锤敲击模型箱外部安装的频率调节器2，达到模拟爆破振动波的效果，频率调节器2用来调节爆破荷载的频率。

爆破荷载下基坑施工过程稳定性研究模型试验方法，包括以下操作步骤：

1)制作试验模型：基于现场工程边坡与基坑之间的空间相对关系，并考虑模型试验相似理论和模型试验的可操作性，得出模型相似材料以及基本物理量相似比，根据所研究基坑开挖工程应力重分布影响范围，通过模型相似理论确定模型箱的规格与尺寸，并依据模型箱使用相似材料模拟岩土体来制作试验箱基坑的二维平面应变模型；