本发明涉及土木工程岩土测试领域，尤其涉及一种桩-土钉-面层组合支护体系及其使用方法。
背景技术：
近年来，随着社会人口的增加和城市化进程的加快，城市中的建设也随之快速发展，出现了大量的深基坑工程，其中面临着施工难度大，基坑周围环境的复杂性等众多挑战。同时也出现了各种形式的基坑支护形式，研究不同支护形式下基坑变形以及支护形式对周围环境的影响显得尤其重要。
为了研究不同组合支护体系对基坑的影响以及支护之间的受力过程，多种新型的支护组合体系应用到模型试验中来。公开号为cn211228632u的实用新型专利公开了一种基于相似理论的基坑桩锚支护体系物理模拟装置，但由于模型装置连接简单，桩可能会产生较大位移，也没有考虑面层对于整个支护体系受力的影响。公开号为cn207998876u的实用新型专利公开了一种桩-土-锚组合支护体系作用机理的模型试验装置，模型装置没有考虑冠梁、面层对整个支护体系产生的作用，对于结果的精确性会产生一定的影响。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种桩-土钉-面层组合支护体系及其使用方法，结构简单，组装方便，能够有效的模拟桩-土钉-面层组合支护体系；能够观察土钉和桩在不同间距下，随着基坑开挖面层和周围土体的位移变化规律、桩-土钉-面层的内力变化。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种桩-土钉-面层组合支护体系，包括面层，面层一侧沿其长度方向间隔设置多个支护桩，面层另一侧沿其高度方向间隔安装多个腰梁；所述支护桩通过u型螺栓与面层、腰梁相连，u型螺栓的封闭端与土钉转动连接。
作为进一步的实现方式，所述面层顶端安装冠梁，支护桩穿过所述冠梁。
作为进一步的实现方式，所述冠梁通过若干预紧力螺栓与面层连接。
作为进一步的实现方式，所述冠梁包括相互垂直的第一侧板和第二侧板，第一侧板与面层贴合，且面层的顶面与第二侧板表面相贴合。
作为进一步的实现方式，所述预紧力螺栓的头部朝向面层靠近支护桩的一侧安装。
作为进一步的实现方式，所述土钉通过销钉与u型螺栓连接。
作为进一步的实现方式，所述土钉沿支护桩的高度方向上间隔分布多个。
第二方面，本发明实施例还提供了一种桩-土钉-面层组合支护体系的使用方法，包括：
分别制作支护桩、土钉、面层、腰梁和冠梁，将制作好的面层在模型箱中固定；
将冠梁通过预紧力螺栓固定于面层顶部，并将支护桩插入冠梁中；
通过u型螺栓将支护桩、冠梁和面层固定在一起，将土钉通过销钉与u型螺栓连接；
将试验土体埋入模型箱中，静置设定时间；
分步对模型箱内土体开挖，同时监测土体位移和应变信息。
作为进一步的实现方式，分布开挖土体时，每次开挖至相应排的土钉处；在模型体系位移趋于稳定时，进行下一步开挖。
作为进一步的实现方式，将试验土体埋入模型箱中直至试验土体与模型箱顶部表面平齐，静置24h后进行土体开挖。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
(1)本发明的一个或多个实施方式的腰梁、支护桩与面层通过u型螺栓连接固定，土钉与u型螺栓通过销钉连接，腰梁、面层与土钉的受力过程与实际工程的受力过程相同，能够真实的反映土体开挖时腰梁、面层与土钉的受力过程；结构简单，组装方便、模型构件之间的连接效果好，能够有效的模拟桩-土钉-面层组合支护体系；
(2)本发明的一个或多个实施方式的u型螺栓头部(无螺纹的一端)通过销钉与土钉连接在一起，不会限制土钉在土体的位移，能够真实的模拟开挖过程土钉的受力过程；
(3)本发明的一个或多个实施方式能够通过调整模型中支护桩、土钉的间距来判断不用间距下的基坑的位移和桩、面层、土钉的内力变化；能够通过位移监测装置以及应变装置测试位移和内力，能够有效的观察基坑的位移和桩、面层、土钉随开挖内力的变化情况。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的整体结构示意图；
图2是本发明根据一个或多个实施方式的支护桩与面层连接示意图；
图3是本发明根据一个或多个实施方式的土钉、支护桩、面层连接示意图；
图4是本发明根据一个或多个实施方式的土钉与u型螺栓连接示意图；
其中，1-1、支护桩，1-2、腰梁，1-3、土钉，1-4、冠梁，1-5、面层，1-6、螺母，2-1、预紧力螺栓，2-2、u型螺栓，3-1、销钉。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
实施例一：
本实施例提供了一种桩-土钉-面层组合支护体系，适用于基坑模型试验，如图1-图3所示，包括支护组件、横向加固组件和面层1-5，其中，支护组件包括若干支护桩1-1和土钉1-3，横向加固组件包括冠梁1-4和多个腰梁1-2；面层1-5顶端与冠梁1-4可拆卸连接，多个支护桩1-1穿过冠梁1-4并与面层1-5平行设置。土钉1-3通过u型螺栓2-2与支护桩1-1、面层1-5及腰梁1-2可拆卸连接。
在本实施例中，面层1-5采用pvc板材，面层1-5表面预留有螺栓孔，以通过相应连接件将冠梁1-4、腰梁1-2、支护桩1-1固定于面层1-5上，从而形成一个完整的模型试验装置。
冠梁1-4采用角钢，所述冠梁1-4通过若干预紧力螺栓2-1与面层1-5连接。预紧力螺栓2-1头部(无螺纹的一侧)朝向面层1-5内侧(远离支护桩1-1一侧)，在土体开挖过程中通过观测螺母的松动情况来判断面层1-5与冠梁1-4的连接有无松动情况。
进一步的，冠梁1-4具有与面层1-5平行的第一侧板、与第一侧板垂直的第二侧板，其中，第一侧板与面层1-5贴合，且面层1-5的顶面与第二侧板表面相贴合，以使冠梁1-4与面层1-5连接稳定。所述第二侧板的长度方向间隔开设若干孔洞，支护桩1-1从孔洞中穿过，且支护桩1-1一端超出孔洞一定距离，另一端超出面层1-5底端一定距离。在本实施例中，所述支护桩1-1采用ppr板材。
多个腰梁1-2沿面层1-5高度方向间隔分布，所述腰梁1-2分布于面层1-5一侧表面；支护桩1-1设置于面层1-5另一侧；且支护桩1-1与腰梁1-2垂直。在本实施例中，腰梁采用pvc板材。
u型螺栓2-2沿支护桩1-1长度方向间隔设置，且每个支护桩1-1安装的u型螺栓2-2个数与腰梁1-2个数相同。u型螺栓2-2的u型开口端具有螺纹，其依次穿过面层1-5和腰梁1-2并通过螺母1-6固定，u型螺栓2-2的封闭端与土钉1-3转动连接；通过u型螺栓2-2实现土钉1-3与支护桩1-1、面层1-5的连接。通过u型螺栓2-2将腰梁1-2与面层1-5固定，能够有效模拟腰梁、面层和桩的整体受力过程。
进一步的，如图4所示，土钉1-3的一端通过销钉3-1与u型螺栓2-2连接，使土钉1-3能够相对u型螺栓2-2转动；通过销钉3-1连接不会限制土钉1-3在基坑开挖过程中的位移，能够真实的模拟基坑的开挖过程。在本实施例中，土钉1-3采用pvc管材，本实施例中各部件材料的选择均是按照相似理论考虑其力学与变形特征进行选取。
本实施例通过合理的构件连接方式使每个构件都能精确发挥作用，也可以观察土钉1-3和支护桩1-1在不同间距下，随着基坑开挖面层和周围土体的位移变化规律、桩-土钉-面层的内力变化，从而得到桩-土钉-面层组合支护体系下的作用机理。
本实施例对各种尺度的桩-土钉-面层组合支护体系都有较好的适应性；各构件之间连接操作方便，易拆卸，便于重复试验。
实施例二：
本实施例提供了实施例一所述的桩-土钉-面层组合支护体系的使用方法，包括以下步骤：
(1)分别制作支护桩1-1、土钉1-3、面层1-5、腰梁1-2和冠梁1-4。
(2)将制作好的面层1-5在模型箱中固定，冠梁1-4通过预紧力螺栓2-1固定于面层1-5顶部，并将支护桩1-1插入冠梁1-4顶部预留的孔洞中。
(3)通过u型螺栓2-2将支护桩1-1、冠梁1-4和面层1-5固定在一起。
(4)将制作好的土钉1-3通过销钉3-1与u型螺栓2-2连接。
(5)将试验土体埋入模型箱中，直至试验土体与模型箱顶部表面平齐；静置24h后开始进行土体开挖。
(6)分步对模型箱内土体开挖，先开挖至第一排土钉1-3处，在整个模型体系位移趋于稳定时，开始开挖至第二排土钉1-3处，以此类推，逐步开挖至基底位置处；从而可以模拟出支护桩-土钉-面层组合体系下基坑的变形特征以及支护桩-土钉-面层的受力机理。通过位移监测装置以及测试应变装置得到需要的内力以及位移数据。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
1.一种桩-土钉-面层组合支护体系，其特征在于，包括面层，面层一侧沿其长度方向间隔设置多个支护桩，面层另一侧沿其高度方向间隔安装多个腰梁；所述支护桩通过u型螺栓与面层、腰梁相连，u型螺栓的封闭端与土钉转动连接。
2.根据权利要求1所述的一种桩-土钉-面层组合支护体系，其特征在于，所述面层顶端安装冠梁，支护桩穿过所述冠梁。
3.根据权利要求2所述的一种桩-土钉-面层组合支护体系，其特征在于，所述冠梁通过若干预紧力螺栓与面层连接。
4.根据权利要求3所述的一种桩-土钉-面层组合支护体系，其特征在于，所述冠梁包括相互垂直的第一侧板和第二侧板，第一侧板与面层贴合，且面层的顶面与第二侧板表面相贴合。
5.根据权利要求3所述的一种桩-土钉-面层组合支护体系，其特征在于，所述预紧力螺栓的头部朝向面层靠近支护桩的一侧安装。
6.根据权利要求1所述的一种桩-土钉-面层组合支护体系，其特征在于，所述土钉通过销钉与u型螺栓连接。
7.根据权利要求1或6所述的一种桩-土钉-面层组合支护体系，其特征在于，所述土钉沿支护桩的高度方向上间隔分布多个。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种桩-土钉-面层组合支护体系的使用方法，其特征在于，包括：
分别制作支护桩、土钉、面层、腰梁和冠梁，将制作好的面层在模型箱中固定；
将冠梁通过预紧力螺栓固定于面层顶部，并将支护桩插入冠梁中；
通过u型螺栓将支护桩、冠梁和面层固定在一起，将土钉通过销钉与u型螺栓连接；
将试验土体埋入模型箱中，静置设定时间；
分步对模型箱内土体开挖，同时监测土体位移和应变信息。
9.根据权利要求8所述的一种桩-土钉-面层组合支护体系的使用方法，其特征在于，分布开挖土体时，每次开挖至相应排的土钉处；在模型体系位移趋于稳定时，进行下一步开挖。
10.根据权利要求8所述的一种桩-土钉-面层组合支护体系的使用方法，其特征在于，将试验土体埋入模型箱中直至试验土体与模型箱顶部表面平齐，静置24h后进行土体开挖。
技术总结