CN109269743A - 一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置及试验方法，其试验装置包括试验箱，所述试验箱中设置有定位试样用的定位箱，所述试验箱中设置有地震波加载装置，所述地震波加载装置对试样施加双向地震波载荷，所述试验箱的上部敞开端设置有锚杆动态拉拔装置；其试验方法，包括以下步骤：安装试验箱、定位箱、放置试样、安装地震波加载装置、调试地震波加载装置、在锚杆上安装监测装置、安装锚杆动态拉拔装置、开启Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器、作动器。本发明采用激振器对岩土体进行地震波的施加，解决了以往锚杆拉拔装置不能施加地震荷载的问题，并且可以改变输入的荷载时程曲线施加不同大小的地震波，可对锚杆在地震载荷作用下的变形进行观察。

Description

一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于岩土锚固工程技术领域，具体涉及一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置及试验方法。

背景技术

锚杆支护因具有支护成本低、劳动强度小、支护速度快等优点，被广泛应用于地下工程、边坡工程和深基坑工程。随着锚杆应用范围的不断扩大，地震效应对锚杆的影响也被提出，锚杆承受地震效应时其所处岩土体应力状态会发生剧烈变化，其锚固性能也不同于静力荷载作用下岩土体的锚固性能。

在土工抗震领域，地震波引起岩土体及支护结构的破坏是重要的研究方向，特别是针对锚杆边坡支护结构的失效破坏机理，缺乏有效的物理相似模拟试验方案和试验设备。当针对该问题展开相似模型试验研究时，如何充分考虑地震波对锚杆及其岩土体的动力特性响应成为问题研究的关键。因此在相似模型试验当中实现地震波引起岩土体及锚杆破坏的有效模拟，并充分考虑锚杆及岩土体在地震波作用下，锚固于岩土体中的锚杆锚固性能和动态响应具有重要的研究价值。

开展地震波荷载下的锚杆拉拔试验主要难点是使岩土体处于地震波作用时的应力状态，并开展动态拉拔试验。公开号为CN103698215A，公开日期为2014年4月02日的中国专利锚索拉拔试验装置，采用预压装置对岩土体进行加压；公开号为CN103398901A，公开日期为2013年11月22日的中国专利一种锚杆室内拉拔试验装置，通过千斤顶对试样加载，能够使其试样主应力大小不同，但上述专利针难以使岩土体处于地震波荷载作用下的应力状态。公开号为105510158A，公开日期为2016年4月20日的中国专利锚固体动态拉伸实验装置及实验方法，可通过重锤-杠杆装置对锚杆施加冲击荷载，但该装置在施加复杂动态荷载时存在有局限性。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置及试验方法，解决了相似模型试验中岩土体内的锚杆在地震波作用下的锚固性能和动态响应，而且具有地震波加载装置，配合布设的传感器、应变片，用于研究处于地震波作用下岩土体中锚杆的锚固性能和动力响应特性。

本发明的技术方案是：一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，包括试验箱，所述试验箱中设置有定位试样用的定位箱，所述试验箱中设置有地震波加载装置，所述地震波加载装置对试样施加双向地震波载荷，所述试验箱的上部敞开端设置有锚杆动态拉拔装置。

所述定位箱位于试验箱的边角处，所述定位箱包括四根角柱，所述角柱上端设置有钢质的盖板。

所述地震波加载装置包括Ⅰ号地震波输出装置、Ⅱ号地震波输出装置，所述Ⅰ号地震波输出装置与Ⅰ号激振器相连，所述Ⅰ号激振器的输出端与Ⅰ号加载板相连，所述Ⅰ号加载板作用在试样一侧；所述Ⅱ号地震波输出装置与Ⅱ号激振器相连，所述Ⅱ号激振器的输出端与Ⅱ号加载板相连，所述Ⅱ号加载板作用在试样一侧。

所述Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器的轴向垂直，Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器输出相互垂直的两向地震波载荷。

所述Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器的固定端均通过螺栓固定在试验箱的内壁处。

所述锚杆动态拉拔装置包括作动器，所述作动器与动态荷载输出装置相连，所述作动器的输出端设置有固定锚杆的锚杆夹具，锚杆下端穿过盖板后设置在试样中，所述锚杆中设置有试验用的监测装置，所述监测装置包括位移传感器、加速度传感器、应变片。

所述定位箱底部设置有下承压板，所述试样两侧与试验箱内壁之间设置有填充海绵。

所述作动器设置在支架板上，所述试验箱上端设置有支撑柱，所述支架板固定在支撑柱上。

一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置的试验方法，包括以下步骤：

ⅰ.安装试验箱、定位箱

由混凝土浇筑制作试验箱，并在试验箱内拐角处浇筑定位箱，将下承压板安装在定位箱内。

ⅱ.放置试样

将岩土体试样放置在下承压板上，将填充海绵布置在试样与试验箱的内壁之间，将盖板固定在角柱上，并使盖板的中心圆孔与试样的钻孔中心对齐。

ⅲ.安装地震波加载装置

分别在Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器的输出端分别安装Ⅰ号加载板、Ⅱ号加载板，然后将Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器分别固定于试验箱两个垂直的内侧壁上，Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器分别外接连接于Ⅰ号地震波输出装置、Ⅱ号地震波输出装置。

ⅳ.调试地震波加载装置

对Ⅰ号地震波输出装置、Ⅱ号地震波输出装置进行地震波输入，分别测试Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器的耦合情况。

ⅴ.在锚杆上安装监测装置

沿锚杆杆身布置应变片，并对应变片进行防水处理，锚杆外露部分安放位移传感器、加速度传感器。

ⅵ.安装锚杆动态拉拔装置

将支架板固定在支撑柱上的合适高度，支架板下固定连接作动器，锚杆依次穿过盖板、试样，灌注胶结料，锚杆上端固定连接在作动器6内，将锚杆放置在作动器的锚杆夹具上，拧紧固定。

ⅶ.开启Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器、作动器

作动器按照设定的加载方式施加荷载，并保持荷载稳定，其采用位移控制方式或者荷载控制方式逐步施加拉拔力，同时启动Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器，通过Labview软件进行地震波的输出，通过监测装置实现同步监测岩土体内的锚杆在地震波载荷作用下锚杆的锚固性能和动力响应。

本发明的有益效果如下：

本发明设计的地震波加载系统可以模拟地震对岩土体以及锚杆的作用力，防止地震波施加过程中试样的滑动，为定量监测锚杆位移做好了铺垫；又可以通过Labview软件调节地震波的频率及幅值来控制地震对岩土体以及锚杆的作用力，可以实现不同地震波作用下锚杆的锚固性能和动力响应特性分析。

本发明采用激振器对岩土体进行地震波的施加，不仅解决了以往锚杆拉拔装置不能施加地震荷载的问题，而且可以改变输入的荷载时程曲线施加不同大小的地震波，并可对锚杆在地震载荷作用下的变形进行观察，为锚杆支护理论研究和复杂应力条件下的锚杆支护设计提供依据。

附图说明

图1是本发明中锚杆动态拉拔试验装置的结构示意图；

图2是本发明中锚杆动态拉拔试验装置的内部示意图；

图3是本发明中锚杆安装放大示意图；

其中：

1 支架板 2 支撑柱

31 Ⅰ号地震波输出装置 32 Ⅱ号地震波输出装置

33 动态荷载输出装置 4 Ⅰ号激振器

5 Ⅱ号激振器 6 作动器

71 Ⅰ号加载板 72 Ⅱ号加载板

8 试验箱 9 定位箱

10 下承压板 11 试样

12 角柱 13 锚杆

14 锚杆夹具 15 填充海绵

16 位移传感器 17 加速度传感器

18 应变片。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1～3所示，一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，包括试验箱8，所述试验箱8中设置有定位试样11用的定位箱9，所述试验箱2中设置有地震波加载装置，所述地震波加载装置对试样11施加双向地震波载荷，所述试验箱8的上部敞开端设置有锚杆动态拉拔装置。

所述定位箱9位于试验箱8的边角处，所述定位箱9包括四根角柱12，所述角柱12上端设置有钢质的盖板。

所述地震波加载装置包括Ⅰ号地震波输出装置31、Ⅱ号地震波输出装置32，所述Ⅰ号地震波输出装置31与Ⅰ号激振器4相连，所述Ⅰ号激振器4的输出端与Ⅰ号加载板71相连，所述Ⅰ号加载板71作用在试样11一侧；所述Ⅱ号地震波输出装置32与Ⅱ号激振器5相连，所述Ⅱ号激振器5的输出端与Ⅱ号加载板72相连，所述Ⅱ号加载板72作用在试样11一侧。

所述Ⅰ号激振器4、Ⅱ号激振器5的轴向垂直，Ⅰ号激振器4、Ⅱ号激振器5输出相互垂直的两向地震波载荷。

所述Ⅰ号激振器4、Ⅱ号激振器5的固定端均通过螺栓固定在试验箱8的内壁处。

所述锚杆动态拉拔装置包括作动器6，所述作动器6与动态荷载输出装置33相连，所述作动器6的输出端设置有固定锚杆13的锚杆夹具14，锚杆13下端穿过盖板后设置在试样11中，所述锚杆13中设置有试验用的监测装置，所述监测装置包括位移传感器16、加速度传感器17、应变片18。

所述定位箱9底部设置有下承压板10，所述试样11两侧与试验箱8内壁之间设置有填充海绵15。

所述作动器6设置在支架板1上，所述试验箱8上端设置有支撑柱2，所述支架板1固定在支撑柱2上。

所述支架板1架在支撑柱2上为作动器6的加载时提供反力，支架板1上预留螺栓口，用于固定作动器6，作动器6的端头固定连接锚杆夹具14，可以将作动器6的拉拔力作用在锚杆上，所述的支撑柱2固定于试验箱8的侧壁上。作动器6连接于动态荷载输出装置33。

所述试验箱8、角柱12均为混凝土浇筑而成，四根角柱12上边开有螺栓孔，盖板由钢板制作而成，用于连接在角柱12上固定试样，防止试样在动态拉拔时滑动，在钢板的中心开有圆孔，用于穿过试样11的锚杆，将试样11放进定位箱9，用螺栓将定位箱的盖板固定。

填充海绵15，用以吸收地震波，防止地震波反射，影响测试，在定位箱9的法向中心轴线与作动器6、锚杆夹具14的轴线重合，下承压板10布置在定位箱9内。

本发明原理如下：

安装地震波加载装置，分别在Ⅰ号激振器4、Ⅱ号激振器5的端头安装加载板，然后将其分别固定于试验箱8的两个内侧壁上，第一激振器4、第二激振器5分别外接连接于Ⅰ号地震波输出装置31、Ⅱ号地震波输出装置32，进行地震波输入，分别测试第一激振器4、第二激振器5的耦合情况。

安装测试锚杆，锚杆13依次穿过试样11、定位箱9盖板的圆心通孔，上端固定连接在作动器6内，将锚杆放置在作动器6的锚杆夹具14上，拧紧锚杆的紧固螺母。

试样加载，将下承压板10安装在定位箱9内，试样11放置在下承压板10之上，将填充海绵布置在试样11与试验箱8的内壁之间，将盖板放置在试样11之上，并使盖板的中心圆孔与试样11的钻孔中心对齐，作动器6按照一定的加载速率施加荷载，荷载值由动态荷载输出装置33控制，至此，完成了试样的加载。

地震波加载试验，作动器6按照设定的加载方式施加荷载，并保持荷载稳定，其采用位移控制方式或者荷载控制方式逐步施加拉拔力，同时启动激振器，通过Labview软件进行地震波的输出，通过监测实现同步监测岩土体内的锚杆13在地震波作用下锚杆的锚固性能和动力响应。

一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置的试验方法，包括以下步骤：

ⅰ.安装试验箱、定位箱

由混凝土浇筑制作试验箱8，并在试验箱8内拐角处浇筑定位箱9，将下承压板10安装在定位箱9内。

ⅱ.放置试样

将岩土体试样11放置在下承压板10上，将填充海绵15布置在试样11与试验箱8的内壁之间，将盖板固定在角柱12上，并使盖板的中心圆孔与试样11的钻孔中心对齐。

ⅲ.安装地震波加载装置

分别在Ⅰ号激振器4、Ⅱ号激振器5的输出端分别安装Ⅰ号加载板71、Ⅱ号加载板72，然后将Ⅰ号激振器4、Ⅱ号激振器5分别固定于试验箱8两个垂直的内侧壁上，Ⅰ号激振器4、Ⅱ号激振器5分别外接连接于Ⅰ号地震波输出装置31、Ⅱ号地震波输出装置32。

ⅳ.调试地震波加载装置

对Ⅰ号地震波输出装置31、Ⅱ号地震波输出装置32进行地震波输入，分别测试Ⅰ号激振器4、Ⅱ号激振器5的耦合情况。

ⅴ.在锚杆上安装监测装置

沿锚杆13杆身布置应变片18，并对应变片18进行防水处理，锚杆13外露部分安放位移传感器16、加速度传感器17。

ⅵ.安装锚杆动态拉拔装置

将支架板1固定在支撑柱3上的合适高度，支架板1下固定连接作动器6，锚杆13依次穿过盖板、试样11，灌注胶结料，锚杆13上端固定连接在作动器6内，将锚杆13放置在作动器6的锚杆夹具14上，拧紧固定。

ⅶ.开启Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器、作动器

作动器6按照设定的加载方式施加荷载，并保持荷载稳定，其采用位移控制方式或者荷载控制方式逐步施加拉拔力，同时启动Ⅰ号激振器4、Ⅱ号激振器5，通过Labview软件进行地震波的输出，通过监测装置实现同步监测岩土体内的锚杆13在地震波载荷作用下锚杆的锚固性能和动力响应。

实施例一

由混凝土浇筑试验箱8，并在试验箱8拐角处浇筑定位箱9。将岩土体试样11放置在定位箱9内。

沿测试锚杆13杆身布置应变片18，并对其进行防水处理，将测试锚杆13放置在圆形通孔9，灌注胶结料，养护至指定强度。锚杆13外露部分安放加速度传感器17。

将支架板1固定在支撑柱2上的合适高度，固定连接作动器6，并给其提供反力。

将测试锚杆13端部用作动器6施加荷载，并在锚杆13上布设位移传感器17。使试样11以及锚杆处于不同应力状态，同时读取位移传感器16和加速度传感器17数据对锚杆进行监测。

开启激振器，对激振器输入地震波荷载时程函数，以研究地震波荷载对锚杆位移的影响，此时需要读取位移传感器16数据，通过改变荷载振幅输出振幅-位移曲线，也可研究地震波荷载作用下锚杆应变沿长度分布。

以上所述，仅为本发明一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，包括试验箱(8)，其特征在于：所述试验箱(8)中设置有定位试样(11)用的定位箱(9)，所述试验箱(2)中设置有地震波加载装置，所述地震波加载装置对试样(11)施加双向地震波载荷，所述试验箱(8)的上部敞开端设置有锚杆动态拉拔装置。

2.根据权利要求1所述的一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，其特征在于：所述定位箱(9)位于试验箱(8)的边角处，所述定位箱(9)包括四根角柱(12)，所述角柱(12)上端设置有钢质的盖板。

3.根据权利要求1所述的一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，其特征在于：所述地震波加载装置包括Ⅰ号地震波输出装置(31)、Ⅱ号地震波输出装置(32)，所述Ⅰ号地震波输出装置(31)与Ⅰ号激振器(4)相连，所述Ⅰ号激振器(4)的输出端与Ⅰ号加载板(71)相连，所述Ⅰ号加载板(71)作用在试样(11)一侧；所述Ⅱ号地震波输出装置(32)与Ⅱ号激振器(5)相连，所述Ⅱ号激振器(5)的输出端与Ⅱ号加载板(72)相连，所述Ⅱ号加载板(72)作用在试样(11)一侧。

4.根据权利要求3所述的一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，其特征在于：所述Ⅰ号激振器(4)、Ⅱ号激振器(5)的轴向垂直，Ⅰ号激振器(4)、Ⅱ号激振器(5)输出相互垂直的两向地震波载荷。

5.根据权利要求4所述的一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，其特征在于：所述Ⅰ号激振器(4)、Ⅱ号激振器(5)的固定端均通过螺栓固定在试验箱(8)的内壁处。

6.根据权利要求5所述的一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，其特征在于：所述锚杆动态拉拔装置包括作动器(6)，所述作动器(6)与动态荷载输出装置(33)相连，所述作动器(6)的输出端设置有固定锚杆(13)的锚杆夹具(14)，锚杆(13)下端穿过盖板后设置在试样(11)中，所述锚杆(13)中设置有试验用的监测装置，所述监测装置包括位移传感器(16)、加速度传感器(17)、应变片(18)。

7.根据权利要求6所述的一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，其特征在于：所述定位箱(9)底部设置有下承压板(10)，所述试样(11)两侧与试验箱(8)内壁之间设置有填充海绵(15)。

8.根据权利要求7所述的一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置，其特征在于：所述作动器(6)设置在支架板(1)上，所述试验箱(8)上端设置有支撑柱(2)，所述支架板(1)固定在支撑柱(2)上。

9.一种地震波作用下锚杆动态拉拔试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(ⅰ)安装试验箱、定位箱

由混凝土浇筑制作试验箱(8)，并在试验箱(8)内拐角处浇筑定位箱(9)，将下承压板(10)安装在定位箱(9)内；

(ⅱ)放置试样

将岩土体试样(11)放置在下承压板(10)上，将填充海绵(15)布置在试样(11)与试验箱(8)的内壁之间，将盖板固定在角柱(12)上，并使盖板的中心圆孔与试样(11)的钻孔中心对齐；

(ⅲ)安装地震波加载装置

分别在Ⅰ号激振器(4)、Ⅱ号激振器(5)的输出端分别安装Ⅰ号加载板(71)、Ⅱ号加载板(72)，然后将Ⅰ号激振器(4)、Ⅱ号激振器(5)分别固定于试验箱(8)两个垂直的内侧壁上，Ⅰ号激振器(4)、Ⅱ号激振器(5)分别外接连接于Ⅰ号地震波输出装置(31)、Ⅱ号地震波输出装置(32)；

(ⅳ)调试地震波加载装置

对Ⅰ号地震波输出装置(31)、Ⅱ号地震波输出装置(32)进行地震波输入，分别测试Ⅰ号激振器(4)、Ⅱ号激振器(5)的耦合情况；

(ⅴ)在锚杆上安装监测装置

沿锚杆(13)杆身布置应变片(18)，并对应变片(18)进行防水处理，锚杆(13)外露部分安放位移传感器(16)、加速度传感器(17)；

(ⅵ)安装锚杆动态拉拔装置

将支架板(1)固定在支撑柱(3)上的合适高度，支架板(1)下固定连接作动器(6)，锚杆(13)依次穿过盖板、试样(11)，灌注胶结料，锚杆(13)上端固定连接在作动器6内，将锚杆(13)放置在作动器(6)的锚杆夹具(14)上，拧紧固定；

(ⅶ)开启Ⅰ号激振器、Ⅱ号激振器、作动器

作动器(6)按照设定的加载方式施加荷载，并保持荷载稳定，其采用位移控制方式或者荷载控制方式逐步施加拉拔力，同时启动Ⅰ号激振器(4)、Ⅱ号激振器(5)，通过Labview软件进行地震波的输出，通过监测装置实现同步监测岩土体内的锚杆(13)在地震波载荷作用下锚杆的锚固性能和动力响应。