CN105241648A - 模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟锁脚锚管端头受力的加载装置及其使用方法，其基于杠杆原理，有针对性的提出了一种模拟隧道锁脚锚管端头受力的加载方法，来模拟钢架对锚管的作用力。利用此种方法通过油压千斤顶按一定应力等级加载，可以分析锁脚锚管在不同级别竖向荷载作用下的力学特性和破坏机理，且加载装置基础结构不会发生较大的倾覆及变形，有效的保证了加载的稳定性和可靠性。

Description

模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置及其使用方法

一、技术领域：

本发明涉及一种模拟锁脚锚管端头受力的加载装置及其使用方法，其利用一种加载装置对锁脚锚管端头施加竖向荷载来分析其力学特性。

二、背景技术：

近年来，锁脚锚管在软弱围岩隧道施工中应用越来越广泛。隧道开挖时，为防止基底软化及下台阶开挖引起支护结构的下沉，在距拱脚或墙脚一定距离处沿隧道横向按一定下插角打入相应规格的锁脚锚管，并将其端头与钢架焊接牢固，进而限制钢架的变形，以充分发挥其承载能力。为研究钢架作用在锁脚锚管端头的竖向荷载对锁脚锚管受力特性的影响。就需要对钢架的作用力进行模拟，来研究在不同荷载作用下锁脚锚管的受力特性。传统的加载通常采用悬挂重物法、动力加载法，但悬挂重物的方法加载角度难以有效控制,容易发生倾覆，造成加载结果缺乏科学性和准确性；又由于隧道环境和试验条件的限制，动力加载通常很难实现。因此，有必要寻求一种科学有效的加载方法，来模拟隧道中钢架对锁脚锚管端头的作用力。

三、发明内容：

为了解决上述背景技术中的不足之处，本发明提供一种模拟锁脚锚管端头受力的加载装置及其使用方法，来探知锁脚锚管受力特性及分布规律，得出不同围岩工况下锁脚锚管的最优物理参数，其应用于实际，可降低施工难度及成本，有利于保证施工安全和隧道结构稳定。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在于：包括加荷装置和反力装置，加荷装置的结构包括基础结构、斜撑和立柱，所述的立柱和支撑分别设置有两个，并且相垂直焊接，两个立柱之间还设置有支撑板，所述的两个立柱顶部中间设置有与其相活动连接的横梁，横梁的一端设置有连接件一，另一端设置有连接件二，所述的斜撑和立柱的底部与基础结构的上表面连接；

所述的反力装置的结构包括4个空心方钢和4个方形枕木，平行设置的4个方形枕木的两端分别对称设置有与其相垂直连接的2个空心方钢；

所述的反力装置的4个空心方钢设置于加荷装置的基础结构的上表面，基础结构上还设置有千斤顶，所述的4个空心方钢与千斤顶分别设置于基础结构的两侧，千斤顶的上端与连接件二连接。

所述的连接件一的结构包括“T”型柱一、空心圆柱与梯形板相连接为一体的异形体一、“T”型柱二、圆环一、圆环二和通过连接块连接两个相垂直圆环的异形体二，所述的“T”型柱一穿设于异形体一的空心圆柱内，圆环一和圆环二中穿设“T”型柱二并与异形体一的梯形板焊接相切，所述的异形体二中穿设“T”型柱二并设置于圆环一和圆环二的中间。

所述的连接件二的结构包括倒“T”型柱三，所述的倒“T”型柱三的上端穿设有与其相垂直连接的“T”型柱四。

所述的基础结构的形状的矩形箱，材质为钢。

所述的千斤顶为带油表的油压千斤顶。

所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力装置的使用方法，其特征在于：所述的使用方法的步骤为：

首先，孔位钻孔及锁脚锚管的安设；

孔位钻孔：在预先选定好的试验场地或隧道断面处，选择打孔位置，打孔的位置应与加载装置的高度一致，孔位之间的中心距离应保持在60cm以上，钻孔的深度为锚管长度减去35cm，然后采用洛阳铲或钻孔机械钻深孔，钻孔的角度通过扣件结合架管来实现，即每个孔位沿纵向搭设两道横梁，通过调整前后横梁之间的高度来确定锚管打设角度；

锁脚锚管安设：进行锁脚锚管安设时，应先将不粘贴电阻应变片的锚管人工插入钻孔内待孔腔顺直平滑后取出，再将贴有电阻应变片的锁脚锚管缓慢送入钻孔内，安放锁脚锚管时注意将管身圆周最上端、最下端平面与孔位最上端、最下端平面重合；

然后，用加载装置对锁脚锚管进行加载：

将加载装置连接件一的异形体二的上圆环穿入锁脚锚管的伸出端，用带油表的油压千斤顶顶起连接件二，根据千斤顶的油压表读数对锁脚锚管进行逐级加载，每级荷载增加0.5MPa，用电测法测定锁脚锚管在该荷载作用下的受力特性，然后进行下一级加载，当锁脚锚管的伸出端竖向位移急剧下降且累计竖向位移达20cm，或电阻应变片所测得的应变急剧变化时，即终止加载。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：本发明基于杠杆原理，有针对性的提出了一种模拟隧道锁脚锚管端头受力的加载方法，来模拟钢架对锚管的作用力。利用此种方法通过油压千斤顶按一定应力等级加载，可以分析锁脚锚管在不同级别竖向荷载作用下的力学特性和破坏机理，且加载装置基础结构不会发生较大的倾覆及变形，有效的保证了加载的稳定性和可靠性。

四、附图说明：

图1为本发明钻孔打设示意图；

图2为本发明加载装置及反力装置安装示意图；

图3为本发明加荷系统杠杆受力示意图；

图4为本发明现场锁脚锚管安装图；

图5为本发明现场锁脚锚管与加载装置连接图；

图6为本发明现场试验加载系统安装示意图；

图7为本发明现场试验千斤顶加载示意图；

图8为本发明现场试验加载后锁脚锚管变形图；

图9为本发明结构示意图；

图10为本发明加荷装置结构示意图；

图11为本发明连接件二结构件示意图；

图12为发明连接件一示意图；

其中，1—基础结构，2—斜撑，3—立柱，4—横梁，5—千斤顶，6—连接件二，7‐连接件一，8‐空心方钢，9—方形枕木，10—“T”型柱一，11—异形体一，12—“T”型柱二，13—圆环一，14—圆环二，15—异形体二，16—“T”型柱三，17—“T”型柱四。

五、具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

参见图9—图12：一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，包括加荷装置和反力装置，加荷装置的结构包括基础结构1、斜撑2和立柱3，所述的立柱3和支撑2分别设置有两个，并且相垂直焊接，两个立柱3之间还设置有支撑板，所述的两个立柱3顶部中间设置有与其相活动连接的横梁4，横梁4的一端设置有连接件一7，另一端设置有连接件二6，所述的斜撑2和立柱3的底部与基础结构1的上表面连接；

所述的反力装置的结构包括4个空心方钢8和4个方形枕木9，平行设置的4个方形枕木9的两端分别对称设置有与其相垂直连接的2个空心方钢8；

所述的反力装置的4个空心方钢8设置于加荷装置的基础结构1的上表面，基础结构1上还设置有千斤顶5，所述的4个空心方钢8与千斤顶5分别设置于基础结构1的两侧，千斤顶5的上端与连接件二6连接。

所述的连接件一7的结构包括“T”型柱一10、空心圆柱与梯形板相连接为一体的异形体一11、“T”型柱二12、圆环一13、圆环二14和通过连接块连接两个相垂直圆环的异形体二15，所述的“T”型柱一10穿设于异形体一11的空心圆柱内，圆环一13和圆环二14中穿设T”型柱二12并与异形体一11的梯形板焊接相切，所述的异形体二15中穿设T”型柱二12并设置于圆环一13和圆环二14的中间。

所述的连接件二6的结构包括倒“T”型柱三16，所述的倒“T”型柱一16的上端穿设有与其相垂直连接的“T”型柱四17。

所述的基础结构1的形状的矩形箱，材质为钢。

所述的千斤顶为带油表的油压千斤顶。

本实用新型加载装置加荷方式采用快速维持荷载法。参见图3，加荷系统杠杆的力臂长度之比为2：1，通过千斤顶给杠杆的右端一个竖直向上的顶力，然后杠杆左端给锁脚锚管一个竖直向下的拉力，最后通过千斤顶上顶力与油表压力对应关系可算得每级加载量。

加荷装置利用杠杆原理通过千斤顶5进行加载，千斤顶5采用油压千斤顶，杠杆由横梁4、立柱3和斜撑2三部分组成。其中横梁4和立柱3是整个加荷装置的主要受力部分，因此应保证其有足够的强度与刚度。对于基础结构1，为保证其结构的稳定，其构造采用方箱钢结构形式，采用6cm×8cm、壁厚为4mm的方钢，上下板面由长160cm、宽100cm、厚8mm的钢板组成。横梁‐4由两块长1.6m、宽0.16m、厚12mm的钢板组成，且沿横梁纵向每隔0.3m焊接一块厚度为10mm的钢板，使两块钢板有效的成为一体，立柱3由两块高0.5m、宽0.25m、厚20mm的厚钢板组成，且固定于基础结构1之上。斜撑2由两块高0.3m、宽0.15m、厚10mm的钢板组成，分别固定于立柱3结构的两侧，以防立柱3发生倾斜；立柱3与横梁4采用长18cm、直径为40mm的钢棒连接。如图11所示，采用连接件二6消除千斤顶与横梁的接触问题，倒“T”型柱三16为一个高120mm、直径70mm的实心不锈钢柱体，然后在倒“T”型柱三16上端位置制作直径为42mm的通心孔，最后通过直径为40mm的“T”型柱四17将千斤顶与横梁连接起来。如图12所示，横梁4与锁脚锚管端头采用连接件一7连接，其一端与锁脚锚管端头连接，另一端与横梁4连接。为确保锁脚锚管受力方向与横梁垂直，将连接件一7两端制作成铰接形式，即随着横梁的转动。

本次加载装置所用千斤顶最大起重高度为18cm，为确保锁脚锚管端头竖向位移满足最大预留变形量且满足堆载时所需要的空间，杠杆比例设计为1：2，即锁脚锚管端头到铰接点的距离为1.0m，千斤顶到铰接点的距离为0.5m，此时锁脚锚管竖向位移为千斤顶上顶距离的两倍，满足黄土隧道预留变形量的要求。

2、反力装置

本次加载装置采用空心方钢8与方形枕木9，结合堆载重物组成的结构体系作为配重反力装置，即先将方形枕木9对称置于基础结构1的两侧，然后将方钢8置于基础结构1与方形枕木9之上，通过方钢上堆载重物的重力平衡作用于锁脚锚管端头的作用力。对于反力装置，为充分发挥其承载特性，以备承受足够的堆载重物，空心方钢8结构尺寸为长450cm、宽10cm、高10cm、壁厚为4mm，方形枕木9结构尺寸为长100cm、宽10cm、高10cm。采用4根方钢同时放置在靠近锁脚锚管一端的基础结构上。

本发明加载装置用于给锁脚锚管进行加载，该加载方法的具体步骤为：

首先，孔位钻孔及锁脚锚管的安设。

孔位钻孔：在预先选定好的试验场地或隧道断面处，选择打孔位置，打孔的位置根据加载装置高度和锁脚锚管打设角度确定，孔位之间的中心距离应保持在60cm以上，钻孔深度根据试验用锁脚锚管的长度确定，钻孔的深度为锚管长度减去35cm，孔位定好后采用洛阳铲或钻孔机械钻深孔，为保证锁脚锚管打设角度与实验方案预设相同，可通过扣件结合架管来实现，即每个孔位沿纵向搭设两道横梁，通过调整前后横梁之间的高度确定锚管打设角度，如图1所示。钻孔时应保证孔腔顺直平滑，不应出现弯曲或偏位。

锁脚锚管安设：进行锁脚锚管安设时，应先将不设电阻应变片的锚管人工插入钻孔内，待孔腔顺直平滑后取出，以应变片受到杂物而损坏，再将贴有电阻应变片的锁脚锚管缓慢送入钻孔内，安放锁脚锚管时注意将管身圆周最上端、最下端平面与孔位最上端、最下端平面尽量重合，以便更好的反映管身横截面最大轴向应变和弯矩。

然后，用加载装置对锁脚锚管进行加载：

加载装置和反力装置是两个单独的构件，加载装置利用杠杆原理采用千斤顶进行加载，横梁和立柱是整个加载装置的主要受力部分。对于基础结构采用方箱钢结构形式来保证其结构的稳定；采用连接件二消除千斤顶与横梁的接触问题；横梁与锁脚锚管端头采用连接件一连接，其一端与锁脚锚管端头连接，另一端与横梁连接。为确保锁脚锚管受力方向与横梁垂直，将连接件一两端制作成铰接形式，即随着横梁的转动特制连接件一受力方向始终与横梁垂直。考虑到试验设计荷载及现场条件的要求，采用以配重反力为基础的反力装置。

如图2所示，试验时先将加载装置用重锤悬挂法置于锁脚锚管正下方，把横梁固定在立柱上，千斤顶就位，将加载装置连接件一7的异形体二15的上圆环穿入锁脚锚管的伸出端，用带油表的油压千斤顶顶起连接件二6；然后在反力装置的空心方钢上堆载重物组成配重反力装置，通过方钢上堆载重物的下压力平衡作用于锁脚锚管端头的作用力。此时整个加载系统组装完毕。

由于锁脚锚管试验多在黄土隧道中进行，在每级荷载作用下锁脚锚管很容易趋于稳定，因此试验加荷方式采用快速维持荷载法。试验时采用一台手动立式带表油压千斤顶提供外力，通过杠杆原理将千斤顶上顶力传递到锁脚锚管端头。根据千斤顶的油压表读数对锁脚锚管进行逐级加载，每级荷载增加0.5MPa，测定锁脚锚管在该荷载作用下的受力特性，然后进行下一级加载。当锁脚锚管端头竖向位移急剧下降且累计竖向位移达20cm，或电阻应变片所测得的应变急剧变化时，即终止加载。

锁脚锚管端头竖向荷载与油压千斤顶顶力关系如下：

假设油压千斤顶的上顶力为F_千，锁脚锚管端头作用力为F_锚，且F_千与F_锚力矩之比为2:1，其受力如图3所示，由结构力学可知：

其中θ为F_锚与F_千的夹角，θ由两部分组成，θ₁为锁脚锚管没有发生水平位移时的角度，此时sinθ₁为锁脚锚管端头竖向位移与杠杆杆臂2L的比值，在加载过程中，锁脚锚管端头竖向位移为变量，其量值随着加载的持续而变大，杠杆杆臂2L为定值，因此在加载过程中需对锁脚锚管端头竖向位移进行实时监测。对于θ₂，sinθ₂为锁脚锚管端头水平位移与开孔构件长度的比值，在加载过程中，锁脚锚管端头水平位移为变量，开孔特制构件为定值，因此在加载过程中需对锁脚锚管端头水平位移进行实时监测。F_锚竖、F_锚水分别为：

实施例：

本次试验主要测试锁脚锚管的受力特性及端头位移，试验在铜(铜川)旬(旬邑)高速上源子三号隧道附近现场高陡边坡进行，以土质边坡近似隧道中的围岩，以锁脚锚管端头加载模拟钢架对锚管的作用力，来研究空心锚管在外荷载作用下管身受力分布特性及变形规律，不考虑注浆效果的影响。本次试验加载的主要步骤如下：

步骤一：对现场场地进行布置。试验前首先对打孔处边坡进行适当刷坡处理，然后清除钻孔位置附近及下方的表层土，最后将地基夯实并整平，防止加载、堆载过程中基础结构下陷。

步骤二：进行孔位钻孔与锁脚锚管安设。本次试验锁脚锚管采用长度3.5m、直径42mm、壁厚为4mm的热轧无缝钢管，锚管预设下插角分别为0°、15°、30°、45°和60°，因试验现场没有成孔设备且高陡边坡坡脚下方为碎石土，最终采用洛阳铲钻孔，且下插角分别选取0°和15°。孔位定好后采用长3.8m的洛阳铲钻四个直径50mm、长3.3m的深孔，其中两个孔位下插角为0°，另两个孔位下插角为15°。然后待孔腔顺直平滑后再将贴有电阻应变片的锁脚锚管缓慢送入钻孔内，如图4所示。

步骤三：加载装置及反力装置组装。加载装置和反力装置是两个单独的构件，通过组合使两者成为一体。首先将基础结构采用重锤悬挂法置于锁脚锚管正下方，然后把横梁固定在立柱上，千斤顶就位。然后将方形枕木对称置于基础结构的两侧，同时将反力装置中的四根空心方钢固定在基础结构指定的位置，方钢沿基础结构两侧各伸出1.75m。最后在方钢两侧对称堆载重物以提供反压作用，堆载重物就地取材，采用编织袋装土提供反压，此时整个加载系统组装完毕，如图5、图6所示。

步骤四：对锁脚锚管进行加载。如图7所示，本次试验用一台QYL32手动立式带表油压千斤顶提供外力。带表油压千斤顶技术指标如下：最大起重量为32吨，最大起重高度为180mm，油表最小刻度尺为0.5MPa，量程为100MPa，精度为0.4级，标定后油表1MPa对应的荷载为0.4405吨。利用千斤顶对锁脚锚管进行分级加载，每级加载0.5MPa，当千斤顶油表示数增加到7MPa时，终止加载。

结论：随着加载等级的不断增大锚管端头竖向位移也随之增大，管周土出现剥离和变形，锚管开始发生弯曲变形。试验加载完毕后将锁脚锚管拔出，经测量对比可知，锁脚锚管仅在靠近端头位置发生严重的竖向变形，如图8所示。对于0°下插角从距端头45cm处开始发生屈曲变形，对于15°下插角从距端头37cm处开始发生屈曲变形。

Claims (6)

1.一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在于：包括加荷装置和反力装置，加荷装置的结构包括基础结构(1)、斜撑(2)和立柱(3)，所述的立柱(3)和支撑(2)分别设置有两个，并且相垂直焊接，两个立柱(3)之间还设置有支撑板，所述的两个立柱(3)顶部中间设置有与其相活动连接的横梁(4)，横梁(4)的一端设置有连接件一(7)，另一端设置有连接件二(6)，所述的斜撑(2)和立柱(3)的底部与基础结构(1)的上表面连接；

所述的反力装置的结构包括4个空心方钢(8)和4个方形枕木(9)，平行设置的4个方形枕木(9)的两端分别对称设置有与其相垂直连接的2个空心方钢(8)；

所述的反力装置的4个空心方钢(8)设置于加荷装置的基础结构(1)的上表面，基础结构(1)上还设置有千斤顶(5)，所述的4个空心方钢(8)与千斤顶(5)分别设置于基础结构(1)的两侧，千斤顶(5)的上端与连接件二(6)连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在于：所述的连接件一(7)的结构包括“T”型柱一(10)、空心圆柱与梯形板相连接为一体的异形体一(11)、“T”型柱二(12)、圆环一(13)、圆环二(14)和通过连接块连接两个相垂直圆环的异形体二(15)，所述的“T”型柱一(10)穿设于异形体一(11)的空心圆柱内，圆环一(13)和圆环二(14)中穿设“T”型柱二(12)并与异形体一(11)的梯形板焊接相切，所述的异形体二(15)中穿设“T”型柱二(12)并设置于圆环一(13)和圆环二(14)的中间。

3.根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在于：所述的连接件二(6)的结构包括倒“T”型柱三(16)，所述的倒“T”型柱三(16)的上端穿设有与其相垂直连接的“T”型柱四(17)。

4.根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在于：所述的基础结构(1)的形状的矩形箱，材质为钢。

5.根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在于：所述的千斤顶为带油表的油压千斤顶。

6.根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力装置的使用方法，其特征在于：所述的使用方法的步骤为：

首先，孔位钻孔及锁脚锚管的安设；

孔位钻孔：在预先选定好的试验场地或隧道断面处，选择打孔位置，打孔的位置应与加载装置的高度一致，孔位之间的中心距离应保持在60cm以上，钻孔的深度为锚管长度减去35cm，然后采用洛阳铲或钻孔机械钻深孔，钻孔的角度通过扣件结合架管来实现，即每个孔位沿纵向搭设两道横梁，通过调整前后横梁之间的高度来确定锚管打设角度；

锁脚锚管安设：进行锁脚锚管安设时，应先将不粘贴电阻应变片的锚管人工插入钻孔内待孔腔顺直平滑后取出，再将贴有电阻应变片的锁脚锚管缓慢送入钻孔内，安放锁脚锚管时注意将管身圆周最上端、最下端平面与孔位最上端、最下端平面重合；

然后，用加载装置对锁脚锚管进行加载：

将加载装置连接件一7的异形体二15的上圆环穿入锁脚锚管的伸出端，用带油表的油压千斤顶顶起连接件二6，根据千斤顶的油压表读数对锁脚锚管进行逐级加载，每级荷载增加0.5MPa，用电测法测定锁脚锚管在该荷载作用下的受力特性，然后进行下一级加载，当锁脚锚管的伸出端竖向位移急剧下降且累计竖向位移达20cm，或电阻应变片所测得的应变急剧变化时，即终止加载。