CN100582390C - 用于模型试验的微型预应力锚索及其埋设和加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于模型试验的微型预应力锚索，包括调节螺栓、钢绞线，调节螺栓的螺母固定在洞室边墙上，螺栓旋入螺母中，共同作为锚索头，钢绞线穿过螺栓，并通过一薄片固定在螺栓头上，钢绞线的另一端与设于模型里面的内锚固段里的弹簧相连接。本发明同时公开了微型预应力锚索的埋设和加载方法。本发明具有以下优点：(1)通过改变钢绞线和弹簧的长度，可以任意调节模型预应力锚索尺寸，满足模型试验相似率要求。(2)通过选择弹簧刚度，可以控制模型预应力锚索的预应力范围，满足模型试验要求。(3)模型锚索的预应力调控方便、准确，可以在较恶劣的工况下使用。(4)可应用于水利、交通、能源、矿山等工程领域岩土地质力学模型试验研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道、地铁、地下厂房等地下工程的地质力学模型试验的支护锚具，尤其是一种用于地下工程的地质力学模型试验的微型预应力锚索及其埋设和加载方法。
背景技术
以相似理论为基础的模型试验，起源于17世纪，经过几个世纪的发展和完善，到20世纪70年代，得到了空前的发展和广泛的应用，其应用领域几乎涉及科学研究的所有学科。地下洞室模型试验正是起始于这一时期，主要是由于交通、水电等工程中一些地下洞室的规模越来越大，需要认真研究其围岩的稳定性。这种需要有力地促进了地下洞室模型试验的发展；反过来，地下洞室模型试验解决了工程实际中的许多当时难以解决的问题，推动了大型地下洞室工程的建设。在国内，地下洞室模型试验开始于20世纪70年代末期80年代初期，也是由于工程建设的需要而发展起来的。要进行地质力学模型试验，就要有相应的模型锚固装置，因此，下面首先将国内一些主要地质力学模型试验的锚索装置简单说明一下：
(1)岩石力学与工程学报(2007年，第26期)介绍了一种由螺栓和铜丝组成的锚索系统，该装置由螺栓的进程来控制锚索拉力的大小。其存在的主要问题是：锚索材料的弹性模量不能任意调节，找到严格符合相似率要求的模型锚索材料是很困难的，在模型试验中需要把实际工程中的多根锚索合成一根，不能精确的模拟实际工程中的锚索分布；在相似率比较大的模型试验中难以使用；对模型锚索拉力的控制也不够精确。
(2)中国公路学报(2004，第3期)介绍了一种由螺栓和绳索组成的锚索系统，该装置由滑轮-重物系统施加在绳索上的力来控制锚索拉力的大小。其施加锚索拉力的方法操作复杂，在模型试验洞室开挖中很难使用。
(3)地下空间(2006，第6期)介绍了一种由螺栓和钢绞线组成的锚索系统，该装置由千斤顶来控制锚索拉力的大小。其施加锚索拉力的方法操作复杂，在模型试验洞室开挖中很难使用。
上述试验装置及加载系统普遍存在如下缺点：
(1)所选锚索材料刚度比较固定，不能满足各种相似率的要求。
(2)找到严格符合模型材料弹性模量相似率的锚索材料很困难，在模型试验中需要把实际工程中的多根锚索合成一根，不能精确的模拟实际工程中的锚索分布；在相似率比较大的模型试验中难以使用。
(3)所选锚索材料刚度一般比较大，在模型试验相似率比较大的情况下，锚索的刚度不能满足。
(4)锚索加载方法比较复杂，不能满足在模型试验洞室内施工的工况要求。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种能够满足各种模型试验工况要求，使模型试验中的锚索根数和位置能够与实际工程中一一对应，尺寸能够尽量小，也能够尽量大，锚索预应力的加载方法简单精确的用于模型试验的微型预应力锚索及其埋设和加载方法。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种用于模型试验的微型预应力锚索，包括调节螺栓、钢绞线，调节螺栓的螺母固定在洞室边墙上，螺栓旋入螺母中，共同作为锚索头；钢绞线穿过螺栓，并通过一薄片固定在螺栓头上。钢绞线的另一端与设于模型里面的内锚固段里的弹簧相连接。
所述的螺栓上设有轴向通孔。
所述的内锚固段由一个包有弹簧的封闭系统组成，封闭系统包括壳体、螺丝，壳体的两端通过螺丝密封，壳体内设有弹簧，弹簧的一端与其中一个螺丝固定连接，另一端与穿过另一螺丝的钢绞线连接。
所述的螺丝上设有轴向通孔。
一种用于模型试验的微型预应力锚索的埋设和加载方法，包括以下步骤：
1)预埋锚固段，在制作模型预制块的模具里钻孔，确定锚固段在模型预制块中的位置，往模具中填入试验材料，使用压力机进行压实成型，模型预制块压制成功后，锚固段就固定在指定位置；
2)安装锚索头，在将模型预制块砌筑成型模型体时，锚固段引出的钢丝绳依次穿过螺母、螺栓、塑料薄片，在螺栓和塑料薄片上设有小圆孔，小圆孔为钢丝绳通过的位置，使用胶水把钢丝绳的末端与塑料薄片粘结起来，就完成了安装锚索头的操作；
3)施加预应力，在模型试验的洞室开挖过程中，开挖到锚索头时，旋转螺栓，使锚索达到刚刚有力的状态，再根据锚索拉力与螺栓旋转圈数的关系旋转螺栓，使锚索预应力达到设计要求。
所述的步骤3)中的锚索预应力与螺栓旋转圈数的关系为：
F＝K×X；
式中，F是模型锚索的预应力，K是弹簧的刚度，X是螺栓在螺母中旋转n圈时螺栓的进程。
本发明具有以下优点：
(1)通过改变钢绞线和弹簧的长度，可以任意调节模型预应力锚索尺寸，长度最小可以做到1cm，能够最大可能的满足模型试验锚索和实际工程中的锚索一一对应的要求，满足模型试验相似率要求。
(2)通过选择弹簧刚度，可以控制模型预应力锚索的预应力范围，能够最大可能的满足模型试验锚索和实际工程中的锚索一一对应的要求，满足模型试验各种相似率要求。
(3)模型锚索预应力的控制方便、准确，可以在较恶劣的工况下使用。
(4)该系统可广泛应用于水利、交通、能源、矿山等工程领域的岩土地质力学模型试验研究。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
其中1.薄片，2.螺栓，3.螺母，4.钢绞线，5.螺丝，6.内锚固段，7.弹簧，8.壳体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1中，调节螺栓2的螺母3固定在洞室边墙上，螺栓2旋入螺母3中，共同作为锚索头，钢绞线4穿过带通孔的螺栓2，并通过一个小薄片1固定在螺栓2头上，钢绞线4的另一端与设于模型里面的内锚固段6里的弹簧7相连接。
内锚固段6由一个包有弹簧7的封闭系统组成，封闭系统包括壳体8、螺丝5，壳体8的两端通过螺丝5密封，壳体8内设有弹簧7，弹簧7的一端与其中一个螺丝5固定连接，另一端与穿过另一带轴向通孔的螺丝5的钢绞线4连接。
本模型锚索全长24cm(长度可以自由调节)，采用细钢绞线4与弹簧7串联的样式，钢绞线4与弹簧7的最大拉力满足模型试验锚索拉力要求。模型锚索的内锚固段6由一个包有弹簧7的封闭系统组成，预埋在模型里面，弹簧7的一端固定在内锚固段6上，另一端连接细钢绞线4。洞室边墙的锚索头采用尺寸按照相似率计算出来的调节螺栓2，调节螺栓2的螺母3固定在边墙上，再把带孔的螺栓2旋入螺母3中，共同作为锚索头。细钢绞线4穿过带孔的螺栓2，并用一个小薄片1固定在螺栓2头上。将预埋锚索按照模型设计要求埋设在预制模型块体内，锚索的内锚固段6和模型材料同时放入模具中，通过控制压力机的的压力和保压时间来压实模型材料定好锚固段的位置。把埋设有预埋锚索的块体按照施工方案安装在模型中。在模型试验的洞室开挖过程中，开挖到锚索头的时，旋转螺栓，使锚索达到刚刚有力的状态，再根据锚索拉力与螺栓旋转圈数的关系旋转螺栓，使锚索预应力达到设计要求。
本模型锚索的技术要求：
(1)模型锚索长度设计
根据相似理论，模型实验使用的锚索长度
l′＝l/c (1)
式(1)中，l′是模型锚索长度，l是实际锚索长度，c是模型试验与实际工程的几何相似率。
(2)模型锚索的预应力设计
根据相似理论，模型试验使用的锚索预应力为：
f′＝f/c (2)
式(2)中，f′是模型锚索的预应力，f是实际锚索的预应力，c是模型试验与实际工程的物理相似率。
(3)模型锚索预应力的加载。
根据式(2)中计算出来的模型试验锚索的预应力，选取相应刚度的弹簧，标定螺栓在螺母中旋转一圈时螺栓的进程，通过公式：
F＝K×X (3)
可以计算出螺栓旋转一圈时锚索产生的拉力，式(3)中，F是模型锚索的预应力，K是弹簧的刚度，X是螺栓在螺母中旋转n圈时螺栓的进程。据此，可以计算出锚索拉力与螺栓旋转的关系，通过这个关系来进行模型锚索预应力的加载控制。
(4)模型锚索预应力加载的操作方法
在模型试验的洞室开挖过程中，开挖到锚索头的时，旋转螺栓，使锚索达到刚刚有力的状态，再根据锚索拉力与螺栓旋转圈数的关系旋转螺栓，使锚索预应力达到设计要求。
Claims (5)
1.一种用于模型试验的微型预应力锚索，包括调节螺栓、钢绞线，其特征在于：调节螺栓的螺母固定在洞室边墙上，螺栓旋入螺母中，共同作为锚索头，钢绞线穿过螺栓，并通过一薄片固定在螺栓头上，钢绞线的另一端与设于模型里面的内锚固段里的弹簧相连接；所述内锚固段由一个包有弹簧的封闭系统组成，封闭系统包括壳体、螺丝，壳体的两端通过螺丝密封，壳体内设有弹簧，弹簧的一端与其中一个螺丝固定连接，另一端与穿过另一螺丝的钢绞线连接。
2.根据权利要求1所述的用于模型试验的微型预应力锚索，其特征在于：所述的螺栓上设有轴向通孔。
3.根据权利要求1所述的用于模型试验的微型预应力锚索，其特征在于：所述的螺丝上设有轴向通孔。
4.一种用于模型试验的微型预应力锚索的埋设和加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预埋锚固段，在制作模型预制块的模具里钻孔，确定锚固段在模型预制块中的位置，往模具中填入试验材料，使用压力机进行压实成型，模型预制块压制成功后，锚固段就固定在指定位置；
2)安装锚索头，在将模型预制块砌筑成型模型体时，把锚固段引出的钢丝绳依次穿过螺母、螺栓、塑料薄片，在螺栓和塑料薄片上设有小圆孔，小圆孔为钢丝绳通过的位置，使用胶水把钢丝绳的末端与塑料薄片粘结起来，就完成了安装锚索头的操作；
3)施加预应力，在模型试验的洞室开挖过程中，开挖到锚索头时，旋转螺栓，使锚索达到刚刚有力的状态，再根据锚索拉力与螺栓旋转圈数的关系旋转螺栓，使锚索预应力达到设计要求。
5.根据权利要求4所述的用于模型试验的微型预应力锚索的埋设和加载方法，其特征在于：所述的步骤3)中的锚索拉力与螺栓旋转圈数的关系为：
F＝K×X；
式中，F是模型锚索的预应力，K是弹簧的刚度，X是螺栓在螺母中旋转n圈时螺栓的进程，n大于或小于1。
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