[发明专利]离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统及模拟方法

权利要求书

1.一种离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统，包括由安装在离心机上的模型箱(1)，模型箱(1)中设有的隧道模型组件(2)以及驱动隧道模型组件(2)工作的第一步进电机(3)构成的离心场中隧道地层损失模拟系统，其特征在于：所述模型箱(1)的顶部水平固定有撑板(4)，撑板(4)的外端固定有侧板(5)，所述侧板(5)的内侧并排垂直安装有一组线性滑台(9)，所述线性滑台(9)上均垂直安装有滚珠丝杆(6)，所述线性滑台(9)的顶端均安装有第二步进电机(7)和行星减速机(8)，所述第二步进电机(7)通过行星减速机(8)驱动滚珠丝杆(6)旋转；所述滚珠丝杆(6)上套装有螺母滑块(10)，通过滚珠丝杆(6)带动螺母滑块(10)沿线性滑台(9)上的直线导轨上下运动；所述螺母滑块(10)的内端固定有立轴安装块(11)，中部带有环形凸台(13)的立轴(12)的上部插装在立轴安装块(11)中，立轴(12)的下部插装在撑板(4)内端设有的直线轴承(14)中，缓冲弹簧(15)套装在立轴(12)的上部，且缓冲弹簧(15)的两端分别抵在环形凸台(13)和立轴安装块(11)上；所述撑板(4)内端的下方安装有位移测量仪(16)，且位移测量仪(16)的下端连接有伸长片(19)；所述立轴(12)的下端固定连接有力传感器(17)，力传感器(17)的下端固定连接有单桩(18)，所述伸长片(19)与单桩(18)顶端的基准面平齐固定连接；所述第一步进电机(3)、第二步进电机(7)、位移测量仪(16)、力传感器(17)分别与数据采集控制仪(20)连接，所述数据采集控制仪(20)与外部控制电脑(21)连接。

2.一种权利要求1所述的离心场中隧道地层损失对桩基础影响模拟系统的模拟方法，其特征是包括下述步骤：

第一步：将实验所需要的土样放入模型箱内部，离心机开始转动加速时保持第一步进电机(3)、第二步进电机(7)供电但不输入任何信号确保所有步进电机不发生任何转动；当离心机转速达到实验所要求转速时，通过停止增加离心机转速，等待一定时间后，再降低离心机转速，再等待一定时间后，重新让离心机加速到实验所要求转速，完成土层固结阶段的模拟；

第二步：当模型箱内加速度再次达到实验要求后，通过外部控制电脑(21)控制数据采集控制仪(20)第一次向第二步进电机(7)发出脉冲信号，第二步进电机(7)转动通过滚珠丝杆(6)带动螺母滑块(10)沿线性滑台(9)上的直线导轨向下运动压缩缓冲弹簧(15)驱使每个单桩(18)深入土层中，随着单桩向下运动的位移增加，土层施加的反向压力也会随之增加，当单桩(18)底部土层向单桩施加的反向压力通过力传感器(17)检测达到实验设定的压力后，外部控制电脑(21)控制数据采集控制仪(20)停止向第二步进电机(7)发出脉冲信号，第二步进电机(7)停止转动，与此同时，外部控制电脑(21)通过数据采集控制仪(20)和位移测量仪(16)记录单桩(18)竖直方向的位移，从而单桩预先施加应力步骤结束，此步骤的目的是模拟真实桩基础的应力分布；

第三步：外部控制电脑(21)通过数据采集控制仪(20)向第一步进电机(3)发出脉冲信号，使第一步进电机(3)转动一定角度，第一步进电机(3)带动隧道模型组件(2)工作导致隧道模型收缩，从而驱使隧道模型周围土层向隧道模型附近收缩靠拢，单桩(18)底部土层向单桩施加的反向压力也会随之减小，为了重新达到应力的平衡，外部控制电脑(21)控制数据采集控制仪(20)第二次向第二步进电机(7)发出脉冲信号，从而驱使单桩(18)再次向下移动增加单桩底部的反作用力直至通过力传感器(17)检测达到应力平衡，与此同时，通过离心场中隧道地层损失模拟系统计算得出隧道模型周围土层损失数据，通过位移测量仪(16)、力传感器(17)测量出由于隧道模型收缩所导致的单桩的位移数据以及应力数据，此位移数据立即输入外部电脑(21)中；在此过程中，由于群桩基础的每一根单桩(18)的位移和应力都受到了上层结构刚度的影响，所以每一根独立的单桩(18)所受到的应力会通过上层结构相互传递从而产生相应的位移和应力变化，外部电脑(21)通过数值模拟分析计算出由群桩上层结构引起的重新分配后的每一根独立单桩所需要再次施加的压力，此上层结构数值模拟，通过有限元软件ABAQUS进行分析，上层结构的刚度刚性以及尺寸大小几何结构可根据实验需要在有限元软件中进行修改；

外部电脑(21)通过控制数据采集控制仪(20)第三次向第二步进电机(7)发出脉冲信号，驱使单桩(18)再次向下移动，直至所需施加应力通过力传感器(17)检测达到外部电脑(21)通过数值模拟分析计算出由群桩上层结构引起的重新分配后的每一根独立单桩所需要再次施加的应力为止；与此同时，单桩(18)又会产生相应的位移，外部控制电脑(21)通过数据采集控制仪(20)和位移测量仪(16)记录单桩(18)的竖直方向的位移，此位移数据会再次通过外部控制电脑(21)导入到原先建立好的数值模拟上层机构当中去，从而计算出由群桩上层结构引起的重新分配后的每一根独立单桩所需要再次施加的应力；外部电脑(21)通过控制数据采集控制仪(20)第四次向第二步进电机(7)发出脉冲信号，驱使单桩(18)再次向下移动，直至所需施加应力达到外部电脑(21)通过数值模拟分析计算出由群桩上层结构引起的重新分配后的每一根独立单桩所需要再次施加的应力为止；

如上往复循环，直至通过力传感器(17)测量得到的每一根单桩(18)的应力与有限元分析计算的应力差值小于设定值为止；至此桩土相互作用模拟阶段结束，得到第一组桩土相互作用模拟数据；

第四步：外部控制电脑(21)通过数据采集控制仪(20)向第一步进电机(3)再次发出脉冲信号，使第一步进电机(3)再次转动一定角度，第一步进电机(3)带动隧道模型组件(2)工作导致隧道模型进一步收缩，从而驱使隧道模型周围土层向隧道模型附近进一步收缩靠拢；重复第三步循环过程，得到第二组桩土相互作用模拟数据；此过程会随着隧道模型周围土层收缩的增加往复循环，直至实验所需要的地层损失达到为止。

第五步：通过对实验得到的隧道模型周围土层损失数据，桩土相互作用模拟数据进行后期处理分析，从而预测和分析隧道开挖过程中对邻边桩基础结构的影响。