CN106013273A - 一种压力型锚杆模型在离心场中的工况模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力型锚杆模型在离心场中的工况模拟方法。通过辅助细钢丝将固定有光纤光栅传感器的锚杆及承载体相似材料布置在模型箱内；填土或浇筑后拔除辅助细钢丝形成基坑模型；通过张拉架及砝码进行预应力张拉，利用模拟开挖装置的加压板向模型开挖面加压使锚杆回到张拉前预应力为零的状态；开机试验中通过电机使加压板后撤，进而锚杆重新获得预应力，分级后撤加压板实现分级开挖、施加预应力的施工过程模拟。本发明可靠性强，技术性强，成本低；设备简单，实现了压力型锚杆在离心模型试验中的模拟；实用性强，能够较好地模拟不停机开挖、施加预应力的施工过程。

Description

一种压力型锚杆模型在离心场中的工况模拟方法
技术领域
本发明涉及一种应用于离心模型试验的压力型锚杆的模拟技术领域，具体及其在离心场中模拟分级开挖、分级施加预应力整个施工方法。
背景技术
条件的离心模型试验由于具有与原型相同边界与应力优点，在基坑工程的力学行为及破坏机理的研究方面得到了广泛的应用。而压力型锚杆因其可拔除性在城市土地资源和空间越发稀缺的情况下基坑工程得到了越来越多的应用。由于离心模型的尺寸小及离心试验的复杂性，目前仍无法在离心模型中模拟压力型锚杆；实现预应力的准确张拉亦是在离心模型试验成败的关键。模拟基坑的分级开挖及压力型锚杆的开挖后施加预应力的实际施工工况对该问题的研究也非常重要。目前，通过排放液体或用高精密机械设备模拟不停机开挖已经实现；而锚杆的预应力张拉只能够通过制备模型的同时在离心场外完成。分级开挖、分级施加预应力的复杂施工过程在不停机的离心实验中还没有实现。
发明内容
本发明提供了一种压力型锚杆模型在离心场中的工况模拟方法，以解决离心模型中压力型锚杆的模拟及准确的预应力张拉问题，并实现其在离心场中分级开挖、分级施加预应力整个施工过程的模拟。
一种压力型锚杆模型在离心场中的工况模拟方法，包括以下步骤：
A.按照分级开挖的级数，利用辅助细钢丝将固定有光纤光栅传感器的锚杆相似材料钢丝和承载体相似材料固定在模型箱左右壁板上，所述锚杆相似材料钢丝及辅助细钢丝端部用锚头锁紧装置锁紧分别固定在模型箱左右壁板上，所述模型箱中模型开挖部分与模型部分用薄钢板隔开。
B.在模型箱模型部分填满土或者浇筑岩石模拟材料，进行预压固结，固结结束后将辅助细钢丝端部的锚头锁紧装置取下，拉拽辅助细钢丝一端将辅助细钢丝从模型中全部抽出，将锚杆相似材料钢丝端部的锚头锁紧装置取下，将模型箱中模型开挖部分可拆卸的壁板拆下，在薄钢板上安装模拟混凝土喷层的有机玻璃薄板，利用张拉架、砝码及光纤光栅传感器进行预应力张拉，将锚头锁紧装置抵住有机玻璃板，当固定在锚杆上的光纤光栅传感器的数值达到预应力设计值时利用锚头锁紧装置固定锚杆相似材料钢丝，锁定预应力，逐个施加预应力。
C.利用分级开挖模拟装置向基坑模型开挖面施加压力，使锚杆相似材料钢丝处于零预应力状态，所述分级开挖模拟装置包括平台部分、加压部分和固定部分，所述平台部分包括模拟装置平台背板，按照分级开挖的级数将圆环柱形导轨通过螺母固定在平台背板上；所述加压部分包括一端插入圆环柱形导轨的圆柱形导杆，所述圆柱形导杆直径略小于圆环柱形导轨内径；在导杆的另一端垂直设置加压板，所述加压板在圆环柱形导轨和圆柱形导杆的引导下进行伸缩，所述圆柱形导杆及加压板的数量与开挖分级数一致；所述固定部分包括插入圆柱形导杆与导轨重叠部分设有的钻孔中的楔子。
D.开机试验，利用所述分级开挖装置配合电机实现分级开挖、分级施加预应力的施工过程模拟，所述每个楔子连接钢丝的一端，钢丝另一端与电机连接，通过电机的运动，楔子被逐一拔出，加压板逐一后撤，分级开挖、分级施加预应力完成。钢丝与电机的连接为每条钢丝另一端分别与同一台电机连接。
利用辅助细钢丝将固定有光纤光栅传感器的锚杆相似材料钢丝和承载体相似材料固定在模型箱内的具体步骤包括在模型箱两侧壁板对应开孔，对应两孔连线角度为锚杆相似材料钢丝设计的锚固角度。将光纤光栅传感器固定在锚杆相似材料钢丝上，将锚杆相似材料钢丝末端穿过承载体相似材料并固定。将辅助细钢丝穿过承载体相似材料，并折返回侧壁。
导轨与导杆也可以用其他形状代替，本发明选择圆环柱形导轨，圆柱形导杆，这样更加有利于减小导杆插入导轨过程中的摩擦力，可以更好地保证
优选所述模拟装置平台背板同时也用作中模型开挖部分可拆卸的壁板。
优选步骤B还包括利用光纤光栅传感器监测钢丝松弛导致的预应力损失，进行二次张拉并超拉5％，再锁定预应力，这样保证试验中预应力值尽量接近设计值。
所述步骤C利用分级开挖模拟装置向基坑模型开挖面施加压力的步骤包括移去张拉架，将模拟装置平台背板固定在模型箱中模型开挖部分，调节导杆使加压板恰好与基坑模型开挖面接触，在导杆与导轨重叠部分垂直于杆体钻孔，楔子插入钻孔使加压板固定在恰好与基坑模型开挖面接触的位置；旋转模螺母微调加压板使其慢慢向开挖面推进或缩回，利用光纤光栅传感器监测这一过程中锚杆相似材料钢丝预应力值的变化，待预应力变为零时停止旋转螺母。
优选所述钢丝另一端分别与同一台电机连接，与每个楔子连接的钢丝总长度＝每一级楔子端部距电机的距离+前一级电机向后运动的距离+楔子长度，在电机向后运动一定距离后，第一个楔子被拔出，加压板随着后撤；分级使电机向后运动，楔子被逐一拔出，加压板逐一后撤，分级开挖完成。优选在每块加压板的四角与平台背板之间布置各布置一个拉簧，这样楔子被拔出后，圆柱形导杆向圆环柱形导轨内运动，加压板被拉回，保证加压板不偏出圆环柱形导轨轨道。
本发明的有益效果是：
(1)本发明可靠性强，成本低；
(2)技术性强，实现了压力型锚杆在离心模型试验中的模拟，实现了预应力的准确张拉，并监测了钢丝松弛导致的预应力损失并进行二次张拉；
(3)设备简单，操作简便，通过上述工况模拟方法在离心场中，仅通过一系列电机后移动作，开挖模拟设备即可实现分级开挖、分级施加预应力整个施工过程的模拟；
(4)实用性强，能够较好地模拟不停机分级开挖、分级施加预应力的施工过程，进而更好地为利用离心机在基坑工程的力学行为及破坏机理方面的研究提供技术支持。
附图说明
图1.压力型锚杆相似材料在模型箱内的布置图。
图2.辅助连接放大示意图。
图3.锚头锁定装置示意图。
图4.锚杆预应力张拉示意图。
图5.分级开挖模拟装置示意图。
附图标号
(1)辅助细钢丝、(2)光纤光栅传感器、(3)锚杆相似材料钢丝、(4)承载体相似材料、(5)模型箱、(6)锚头锁紧装置、(7)薄钢板、(8)模型箱中模型开挖部分可拆卸的壁板、(9)张拉架、(10)砝码、(11)模拟装置平台背板、(12)圆环柱形导轨、(13)螺母、(14)圆柱形导杆、(15)加压板、(16)楔子、(17)拉簧。
具体实施方式
本发明提供了压力型锚杆模型在离心场中的工况模拟方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种压力型锚杆模型在离心场中的工况模拟方法，包括以下步骤：
1.按照分级开挖的级数，利用辅助细钢丝1将固定有光纤光栅传感器2的锚杆相似材料钢丝3和承载体相似材料4固定在模型箱5内，所述模型箱5中模型开挖部分与模型部分用薄钢板7隔开。整体如图1所示，在模型箱两侧壁板对应开孔，对应两孔连线角度为锚杆相似材料钢丝3设计的锚固角度。将光纤光栅传感器2固定在锚杆相似材料钢丝3上，将锚杆相似材料钢丝3末端穿过承载体相似材料4并固定。将辅助细钢丝1穿过承载体相似材料4，并折返回侧壁。锚杆相似材料钢丝3及辅助细钢丝1端部分别用锚头锁紧装置6锁紧固定在模型箱5的左右壁板上，辅助连接放大图如图2所示。锚头锁定装置6示意图如图3所示。
2.在模型箱5中模型部分填满土或者浇筑岩石模拟材料，进行预压固结，固结结束后将辅助细钢丝1端部的锚头锁紧装置6取下，拉拽辅助细钢丝1一端将辅助细钢丝1从模型中全部抽出，将模型箱5中模型开挖部分可拆卸的壁板8拆下，在薄钢板7上安装模拟混凝土喷层的有机玻璃薄板，通过在锚杆相似材料钢丝3钢丝一端悬挂砝码实现预应力张拉。如图4所示，利用张拉架9、砝码10及光纤光栅传感器2进行预应力张拉，将锚头锁紧装置6抵住有机玻璃薄板，当固定在锚杆上的光纤光栅传感器2的数值达到预应力设计值时利用锚头锁紧装置6固定锚杆相似材料钢丝3，锁定预应力，逐个施加预应力。
3.利用分级开挖模拟装置向基坑模型开挖面施加压力，使锚杆相似材料钢丝3处于零预应力状态，所述分级开挖模拟装置如图5所示，包括平台部分、加压部分和固定部分，所述平台部分包括模拟装置平台背板11，同时也用作中模型开挖部分可拆卸的壁板。按照分级开挖的级数将圆环柱形导轨12通过螺母13固定在平台背板11上；所述加压部分包括一端插入圆环柱形导轨12的圆柱形导杆14，所述圆柱形导杆14直径略小于圆环柱形导轨12内径，在圆柱形导杆14的另一端垂直固定加压板15，所述加压板15在圆环柱形导轨12和圆柱形导杆14的引导下进行伸缩，所述导杆14及加压板15的数量与开挖分级数一致；所述固定部分包括插入圆柱形导杆14与圆环柱形导轨12重叠部分设有的钻孔中的楔子16，在每块加压板15的四角与平台背板11之间布置各布置一个拉簧17。利用分级开挖模拟装置向基坑模型开挖面施加压力的步骤包括移去张拉架9，将模拟装置平台背板11固定在模型箱5中模型开挖部分，调节圆柱形导杆14使加压板15恰好与基坑模型开挖面接触，在圆柱形导杆14与圆环柱形导轨12重合的位置垂直于杆体钻孔，楔子16插入钻孔使加压板固定在恰好与基坑模型开挖面接触的位置；旋转模螺母13微调加压板15位置使其慢慢向开挖面推进或缩回，利用光纤光栅传感器2监测这一过程中锚杆相似材料钢丝3预应力值的变化，待预应力变为零时停止拧紧螺母，此时模型开挖面回到预应力张拉前的应力状态。
4.开机试验，利用所述分级开挖装置配合电机实现分级开挖、分级施加预应力的施工过程模拟，所述每个楔子16连接钢丝一端，钢丝另一端分别与同一台电机连接，与每个楔子16连接的钢丝总长度＝每一级楔子端部距电机的距离+前一级电机向后运动的距离+楔子长度，在电机向后运动一定距离后，第一个楔子被拔出，加压板15随着后撤；分级使电机向后运动，楔子16被逐一拔出，加压板15逐一后撤，开挖面应力及变形得到释放，预应力得以再次施加，模拟分级开挖、分级施加预应力完成。
所述楔子16被拔出后，导杆14在拉簧17收缩作用下向圆环柱形导轨12内运动，加压板15被拉回。
开机试验前可以利用光纤光栅传感器监测钢丝松弛导致的预应力损失，进行二次张拉并超拉5％，保证试验中预应力值尽量接近设计值。

Claims (5)

1.一种压力型锚杆模型在离心场中的工况模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.按照分级开挖的级数，利用辅助细钢丝(1)将固定有光纤光栅传感器(2)的锚杆相似材料钢丝(3)和承载体相似材料(4)固定在模型箱(5)内，所述锚杆相似材料钢丝(3)和辅助细钢丝(1)的端部分别用锚头锁紧装置(6)锁紧固定在模型箱(5)的左右壁板上，所述模型箱(5)中模型开挖部分与模型部分用薄钢板(7)隔开。
B.在模型箱(5)中模型部分填满土或者浇筑岩石模拟材料，进行预压固结，固结结束后将辅助细钢丝(1)端部的锚头锁紧装置(6)取下，拉拽辅助细钢丝(1)一端将辅助细钢丝(1)从模型中全部抽出，将模型箱(5)中模型开挖部分可拆卸的壁板(8)拆下，在薄钢板(7)上安装模拟混凝土喷层的有机玻璃薄板，利用张拉架(9)、砝码(10)及光纤光栅传感器(2)进行预应力张拉，将锚头锁紧装置(6)抵住有机玻璃板，当固定在锚杆上的光纤光栅传感器(2)的数值达到预应力设计值时利用锚头锁紧装置(6)固定锚杆相似材料钢丝(3)，锁定预应力，按照分级开挖的级数，逐个施加预应力。
C.利用分级开挖模拟装置向基坑模型开挖面施加压力，使锚杆相似材料钢丝(3)处于零预应力状态，所述分级开挖模拟装置包括平台部分、加压部分和固定部分，所述平台部分包括模拟装置平台背板(11)，按照分级开挖的级数将圆环柱形导轨(12)通过螺母(13)固定在平台背板(11)上；所述加压部分包括一端插入圆环柱形导轨导轨(12)的圆柱形导杆(14)，所述圆柱形导杆(14)直径略小于圆环柱形导轨(12)内径，圆柱形导杆(14)的另一端垂直固定加压板(15)，所述加压板(15)在圆环柱形导轨(12)和圆柱形导杆(14)的引导下进行伸缩，所述导杆(14)及加压板(15)的数量与开挖分级数一致；所述固定部分包括楔子(16)，插入导杆(14)与导轨(12)重叠部分设有的钻孔中。
D.开机试验，利用所述分级开挖装置配合电机实现分级开挖、分级施加预应力的施工过程模拟，所述每个楔子(16)连接钢丝一端，所述钢丝另一端与电机连接，通过电机的运动，楔子(16)被逐一拔出，加压板(15)逐一后撤，分级开挖、分级施加预应力完成。
2.如权利要求1所述的一种压力型锚杆离心模型在离心场中的工况模拟方法，其特征在于，步骤B还包括利用光纤光栅传感器监测钢丝松弛导致的预应力损失，进行二次张拉并超拉5％，再锁定预应力。
3.如权利要求1所述的一种压力型锚杆离心模型在离心场中的工况模拟方法，其特征在于，所述步骤C利用分级开挖模拟装置向基坑模型开挖面施加压力的步骤包括移去张拉架(9)，将模拟装置平台背板(11)固定在模型箱(5)中模型开挖部分，调节导杆(14)使加压板(15)恰好与基坑模型开挖面接触，在导杆(14)与导轨(12)重叠部分垂直于杆体钻孔，楔子(16)插入钻孔使加压板固定在恰好与基坑模型开挖面接触的位置；旋转模螺母(13)微调加压板(15)，利用光纤光栅传感器监测这一过程中锚杆相似材料钢丝(3)预应力值的变化，待预应力变为零时停止旋转螺母。
4.如权利要求1所述的一种压力型锚杆离心模型在离心场中的工况模拟方法，其特征在于，步骤D所述钢丝另一端分别与同一台电机连接，与每个楔子(16)连接的钢丝总长度＝每一级楔子端部距电机的距离+前一级电机向后运动的距离+楔子长度，在电机向后运动一定距离后，第一个楔子被拔出，加压板(15)随着后撤；分级使电机向后运动，楔子(16)被逐一拔出，加压板(15)逐一后撤，分级开挖完成。
5.如权利要求1所述的一种压力型锚杆离心模型在离心场中的工况模拟方法，其特征在于，在每块加压板(15)的四角与平台背板(11)之间布置各布置一个拉簧(17)，楔子(16)被拔出后，导杆(14)在拉簧(17)收缩作用下向圆环柱形导轨(12)内运动，加压板(15)被拉回。
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