CN105133673B - 一种用于边坡模型实验的加载测力装置及其加载固定方法 - Google Patents

Abstract

一种用于边坡模型实验的加载测力装置及其加载固定方法，包括支架，支架分为光滑杆和螺纹杆，光滑杆和螺纹杆相互平行，光滑杆和螺纹杆相互平行，光滑杆底端固定设置在底座，光滑杆和螺纹杆顶端之间设有水平板，水平板上设有刻度；螺纹杆底端与底座之间通过第二滚动轴承连接，螺纹杆顶端穿过水平板，螺纹杆顶端设有转盘，穿过水平板的位置设有第一滚动轴承；螺纹杆和光滑杆上设有调节平台，调节平台能够沿竖直方向上移动。采用上述结构，按照实际施工作业进行预应力锚固，实时测量锚索受力变化，保证了实验数据的稳定性，并且能够高精度的对实际施工现场的锚固效果、对边坡的稳定状态作出准确判断。

Description

一种用于边坡模型实验的加载测力装置及其加载固定方法

技术领域

本发明涉及边坡模型实验设备领域，特别是一种用于边坡模型实验的加载测力装置及其加载固定方法。

背景技术

当前，许多大型工程修筑在地质条件复杂的地基上，不良地质构造的存在成为影响工程的顺利建成和安全运行的关键因素。地质力学模型不仅能够模拟工程结构的特点而且能够近似模拟岩体断层、裂隙、节理等不良地质体对工程结构稳定性的影响。因此就要有相应的锚固装置。

在大型岩土工程建设，预应力锚固技术已成为最常见的岩土体加固技术，预应力锚索可以主动加固岩土体，有效增大岩体稳定安全系数，保证工程建设和运行期的安全。现有的模型试验中缺少对相似材料预应力锚固系统及其在边坡开挖及运行期锚固系统作用的模拟。

山东大学介绍了一种用于模型试验微型预应力锚索及其埋设和加载的方法(专利号为ZL101343882A)，在模型预制块中预制锚孔，并将其砌筑在模型体中，但其通过弹簧和螺栓作为其加载方式，在碰到边坡不规则或边坡内由断层的情况下，预制块制作会受限制,所以并不适用于分层分类浇筑的模型体，同时将弹簧埋设于模型体内部加载，由于弹簧的弹性，加载过程中弹簧可能会产生微小的晃动，进而对模型整体稳定性造成影响，检测得到的数据会产生一定的误差；岩石力学与工程学报(2007年，第26期)在模型试验中将实际工程中的多跟锚索合成一根不能准确模拟实际工程中锚索分布，其通过螺栓进程控制锚固力大小，不能真实模拟测量开挖进程中锚固力的变化。

本发明为克服现有技术的不足，需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，能完成锚索预应力的加载并且实时监测试验工况下锚索受力状态的用于边坡模型实验的锚索加载测力装置及其加载固定方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于边坡模型实验的加载测力装置及其加载固定方法，按照实际施工作业进行预应力锚固，实时测量锚索受力变化，保证了实验数据的稳定性，并且能够高精度的对实际施工现场的锚固效果、对边坡的稳定状态作出准确判断。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于边坡模型实验的加载测力装置，包括支架，支架分为光滑杆和螺纹杆，光滑杆和螺纹杆相互平行，光滑杆底端固定设置在底座上，光滑杆和螺纹杆顶端之间设有水平板，水平板上设有刻度；

螺纹杆底端与底座之间通过第二滚动轴承连接，螺纹杆顶端穿过水平板，螺纹杆顶端设有转盘，穿过水平板的位置设有第一滚动轴承；

螺纹杆和光滑杆上设有调节平台，调节平台能够沿竖直方向上移动。

优选的，所述的调节平台包括滑杆和固定装置，固定装置上设有光滑孔和第二螺纹孔，光滑杆穿过光滑孔，光滑杆上设有刻度，螺纹杆穿过第二螺纹孔，固定装置上还设有一个开口，滑杆穿过开口并能够在开口内滑动。

优选的，所述的固定装置上的开口顶面上设有多个滑轮，滑杆顶面上设有滑槽，滑轮用于控制滑杆滑动方向。

优选的，所述的固定装置上的开口顶面上还设有固定螺栓。

优选的，所述的滑杆一端与固定钢板连接，滑杆一端上设有第一螺纹孔，固定钢板上设有多个第三螺纹孔，对齐第一螺纹孔和第三螺纹孔后利用螺杆固定。

优选的，所述的固定钢板上设有传感器，传感器一端设有带孔螺栓，带孔螺栓上的通孔与锚索固定连接，锚索穿过锚索孔固定在边坡模型内，位于边坡模型内的锚索一端为锚索固定端。

优选的，所述的锚索孔位置设有木塞。

优选的，所述的传感器与数据采集仪连接。

优选的，所述的锚索的弹性模量、横截面积以及预应力值根据实际施工中所用锚索与相似比的比值计算得出，锚索孔位置可设置多根小直径锚索。

优选的，所述的传感器与固定钢板之间可采用螺栓穿过螺孔的方式固定连接，也可以采用磁力表的方式连接，采用磁力表的连接方式，对传感器在固定钢板上的位置限制更少，传感器可以固定在固定钢板上任意位置。

一种用于边坡模型实验的加载测力装置的加载固定方法，包括以下步骤：

1)埋设锚索固定端：先确定锚索的预锚固位置，在模型堆砌过程中将锚索的埋设锚索固定端穿过带有一定强度的光滑中空管，然后固定在预锚固位置上。

2)钻孔成型：模型堆筑完成养护后，开挖至锚索高程后，拔出中空管，作为钻孔，根据锚索位置组装加载测力装置，安装锚索传感器，将锚索固定在传感器(2)上，转动转盘调节滑杆竖直位置，使滑杆带动固定钢板与传感器在竖直方向上移动，并使传感器与锚索孔、锚索固定端在同一条直线上，保证锚索为直线形。

3)施加预应力、注浆与安装锚索：调节滑杆的水平位置，使与传感器连接的数据采集仪采集到的数据达到注浆压力后进行注浆，注浆完成后在锚索孔上安装圆孔木塞作为锚索头。

4)量测与数据整理：根据实际工程中边坡边开挖边支护的原则，边开挖边观察传感器采集仪数据，并在后期加载过程中持续观察锚索力的变化。

本发明提供的一种用于边坡模型实验的加载测力装置及其加载固定方法，通过采用上述结构，调节感应器与锚索端的位置，保证锚索位于边坡模型内部和边坡模型外部的两部分处于同一直线上，避免锚索产生弯折造成的数据检测不准确，减小了数据误差，使本装置能够根据锚孔的高程及倾斜度做出调节，以满足各个不同边坡模型的实验检测要求；

采用多根小直径的锚索，在同一位置预埋多根锚索的方式，能够有效避免边坡模型开挖过程中，因操作不当造成的锚索损坏；

采用预埋空中管的方式来形成锚索孔，能够避免因模型与实际情况之间相似比太大，模型太小而使锚孔开挖过程中造成模型损坏，保证边坡的完整性；

所采用的固定钢板上均匀分布大量第三螺纹孔，实现一个装置能够对多根锚索进行固定，能够使实验模型中的锚索数量与实际工程中一致，保证最大化还原施工情况，确保实验数据的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的加载测力装置结构示意图。

图3为本发明的支架结构示意图。

图4为本发明的滑杆与固定装置结构示意图。

图5为本发明的固定钢板的结构示意图。

图6为本发明的图5中A处放大图。

图中：支架1，传感器2，带孔螺栓3，锚索4，木塞5，锚索孔6，锚索固定端7，固定钢板8，滑杆9，第一螺纹孔10，滑轮11，固定螺栓12，滑槽13，光滑孔14，第二螺纹孔15，光滑杆16，转盘17，螺纹杆18，底座19，第一滚动轴承20，水平板21，第二滚动轴承22，数据采集仪23，第三螺纹孔24，固定装置25。

具体实施方式

如图中，一种用于边坡模型实验的加载测力装置，包括支架1，支架1分为光滑杆16和螺纹杆18，光滑杆16和螺纹杆18相互平行，光滑杆16底端固定设置在底座19上，光滑杆16和螺纹杆18顶端之间设有水平板21，水平板21上设有刻度；

螺纹杆18底端与底座19之间通过第二滚动轴承22连接，螺纹杆18顶端穿过水平板21，螺纹杆18顶端设有转盘17，穿过水平板的位置设有第一滚动轴承20；

螺纹杆18和光滑杆16上设有调节平台，调节平台能够沿竖直方向上移动。

优选的方案中，所述的调节平台包括滑杆9和固定装置25，固定装置25上设有光滑孔14和第二螺纹孔15，光滑杆16穿过光滑孔14，光滑杆16上设有刻度，螺纹杆18穿过第二螺纹孔15，固定装置25上还设有一个开口，滑杆9穿过开口并能够在开口内滑动。

优选的方案中，所述的固定装置25上的开口顶面上设有多个滑轮11，滑杆9顶面上设有滑槽13，滑轮11用于控制滑杆9滑动方向。

优选的方案中，所述的固定装置25上的开口顶面上还设有固定螺栓12。

优选的方案中，所述的滑杆9一端与固定钢板8连接，滑杆9一端上设有第一螺纹孔10，固定钢板8上设有多个第三螺纹孔24，对齐第一螺纹孔10和第三螺纹孔24后利用螺杆固定。

优选的方案中，所述的固定钢板8上设有传感器2，传感器2一端设有带孔螺栓3，带孔螺栓3上的通孔与锚索4固定连接，锚索4穿过锚索孔6固定在边坡模型内，位于边坡模型内的锚索一端为锚索固定端7。

优选的方案中，所述的锚索孔6位置设有木塞5。

优选的方案中，所述的传感器2与数据采集仪23连接。

优选的方案中，所述的锚索4的弹性模量、横截面积以及预应力值根据实际施工中所用锚索与相似比的比值计算得出，锚索孔6位置可设置多根小直径锚索4。

一种用于边坡模型实验的加载测力装置的加载固定方法，其特征在于包括以下步骤：

1)埋设锚索固定端：先确定锚索4的预锚固位置，在模型堆砌过程中将锚索4的埋设锚索固定端7穿过带有一定强度的光滑中空管，然后固定在预锚固位置上。

2)钻孔成型：模型堆筑完成养护后，开挖至锚索高程后，拔出中空管，作为钻孔，根据锚索位置组装加载测力装置，安装锚索传感器2，将锚索4固定在传感器2上，转动转盘17调节滑杆9竖直位置，使滑杆9带动固定钢板8与传感器2在竖直方向上移动，并使传感器2与锚索孔6、锚索固定端7在同一条直线上，保证锚索4为直线形。

3)施加预应力、注浆与安装锚索：调节滑杆9的水平位置，使与传感器2连接的数据采集仪23采集到的数据达到注浆压力后进行注浆，注浆完成后在锚索孔6上安装圆孔木塞5作为锚索头。

4)量测与数据整理：根据实际工程中边坡边开挖边支护的原则，边开挖边观察传感器采集仪23数据，并在后期加载过程中持续观察锚索力的变化。

根据以下步骤选定锚索的弹性模量、横截面积以及预应力值：

一、模型中锚索长度：

根据实际施工图纸结合模型相似理论通过相似坐标换算得到锚固端坐标点。f(x,y,z)＝F(x,y,z)/c式中f(x,y,z)是模型中锚索锚固端坐标，F(x,y,z)是实际锚索深入到基岩端部坐标，c是模型试验与实际工程的相似率。结合锚索倾角，计算出锚固端到开挖建基面加上建基面到传感器距离即为锚索长度。

二、锚索ea

将实际工程中N根锚索简化为实验中一根，根据相似理论，E'A'＝N*EA/c²,式中，E'A'是相似锚索弹性模量与横截面积，EA是实际锚索弹性模量与横截面积，c是模型试验与实际工程的相似率。

三、模型中锚索预应力设计

根据相似理论，模型中锚索预应力为f＝F/c，式中f是模型中锚索预应力，F是实际锚索预应力。

四、模型中锚索预应力加载

根据计算得出的模型中锚索预应力，调节9滑杆位置，观察传感器读数，当达到加载预定值后固定固定螺栓12，锚索预应力达到设计要求。

五、锚索受力状态监测

边开挖边采集数据采集仪23的读数,观察相似锚索的受力状况,对锚固效果进行评价、对不良地质体的稳定状况进行分析。

通过采用上述装置及装置加固方法，实现等比例对实际工程情况进行缩放，最大化还原实际情况，确保实验数据的准确性，提升评估结果的可靠性。

Claims (5)

1.一种用于边坡模型实验的加载测力装置，包括支架（1），其特征是：支架（1）分为光滑杆（16）和螺纹杆（18），光滑杆（16）和螺纹杆（18）相互平行，光滑杆（16）底端固定设置在底座（19）上，光滑杆（16）和螺纹杆（18）顶端之间设有水平板（21），水平板（21）上设有刻度；

螺纹杆（18）底端与底座（19）之间通过第二滚动轴承（22）连接，螺纹杆（18）顶端穿过水平板（21），螺纹杆（18）顶端设有转盘（17），穿过水平板的位置设有第一滚动轴承（20）；

螺纹杆（18）和光滑杆（16）上设有调节平台，调节平台能够沿竖直方向上移动；

所述的调节平台包括滑杆（9）和固定装置（25），固定装置（25）上设有光滑孔（14）和第二螺纹孔（15），光滑杆（16）穿过光滑孔（14），光滑杆（16）上设有刻度，螺纹杆（18）穿过第二螺纹孔（15），固定装置（25）上还设有一个开口，滑杆（9）穿过开口并能够在开口内滑动；

所述的滑杆（9）一端与固定钢板（8）连接，滑杆（9）一端上设有第一螺纹孔（10），固定钢板（8）上设有多个第三螺纹孔（24），对齐第一螺纹孔（10）和第三螺纹孔（24）后利用螺杆固定；

所述的固定钢板（8）上设有传感器（2），传感器（2）一端设有带孔螺栓（3），带孔螺栓（3）上的通孔与锚索（4）固定连接，锚索（4）穿过锚索孔（6）固定在边坡模型内，位于边坡模型内的锚索一端为锚索固定端（7）；

所述的固定装置（25）上的开口顶面上设有多个滑轮（11），滑杆（9）顶面上设有滑槽（13），滑轮（11）用于控制滑杆（9）滑动方向；

所述的锚索孔（6）位置设有木塞（5）。

2.根据权利要求1所述的一种用于边坡模型实验的加载测力装置，其特征是：所述的固定装置（25）上的开口顶面上还设有固定螺栓（12）。

3.根据权利要求1所述的一种用于边坡模型实验的加载测力装置，其特征是：所述的传感器（2）与数据采集仪（23）连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于边坡模型实验的加载测力装置，其特征是：所述的锚索（4）的弹性模量、横截面积以及预应力值根据实际施工中所用锚索与相似比的比值计算得出，锚索孔（6）位置可设置多根小直径锚索（4）。

5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的用于边坡模型实验的加载测力装置的加载固定方法，其特征在于包括以下步骤：

1）埋设锚索固定端：先确定锚索（4）的预锚固位置，在模型堆砌过程中将锚索（4）的埋设锚索固定端（7）穿过带有一定强度的光滑中空管，然后固定在预锚固位置上;

2）钻孔成型：模型堆筑完成养护后，开挖至锚索高程后，拔出中空管，作为钻孔，根据锚索位置组装加载测力装置，安装锚索传感器（2），将锚索（4）固定在传感器（2）上，转动转盘（17）调节滑杆（9）竖直位置，使滑杆（9）带动固定钢板（8）与传感器（2）在竖直方向上移动，并使传感器（2）与锚索孔（6）、锚索固定端（7）在同一条直线上，保证锚索（4）为直线形;

3）施加预应力、注浆与安装锚索：调节滑杆（9）的水平位置，使与传感器（2）连接的数据采集仪（23）采集到的数据达到注浆压力后进行注浆，注浆完成后在锚索孔（6）上安装圆孔木塞（5）作为锚索头;

4）量测与数据整理：根据实际工程中边坡边开挖边支护的原则，边开挖边观察传感器采集仪（23）数据，并在后期加载过程中持续观察锚索力的变化。