CN109580373A - 扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置及其试验方法，所述装置包括试验箱和扩大头锚杆模型。扩大头锚杆模型包括管状的锚固段模型和杆状的自由段模型；试验箱包括箱体，箱体的顶面配有密封用的盖板和第一伺服液压加载装置；箱体内填埋有土体。锚固段模型埋设于土体的正中间，自由段模型的右端连接有第二伺服液压加载装置拉压力传感器和第一位移计；锚固段模型的左端通过金属丝与第二位移计相连；锚固段模型的中心点所在的竖直平面和水平平面内的土体上等间距布设有若干个土压力盒；数据采集仪、第一位移计、第二位移计、第一伺服液压加载装置和第二伺服液压加载装置均与控制器信号相连。

Description

扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置及其试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程领域，具体涉及一种扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置及其试验方法。
背景技术
在东南沿海的软土地区，由于地基土的强度低，普通锚杆的极限抗拔力较小，制约了其在软土地基中的应用。为提高锚杆在软土地地基中的抗拔力，工程人员研发了扩大头锚杆。该锚杆采用高压旋喷工艺，在锚杆底部一定范围内形成直径较大的圆柱状锚固段，显著地提高了锚杆的抗拔力。
采用扩大头锚杆具有施工速度快、质量优、对周围环境影响小、可有效地提高锚固体的抗拔能力等优点。但是，由于人们对于扩大头锚杆作用机理还不清楚，导致其目前还停留在经验设计阶段。因此，通过室内模型试验进一步研究其作用机理，这对于扩大头锚杆的安全应用及推广具有十分重要的意义。
但市面上还没有扩大头锚杆抗拔模拟试验装置。
发明内容
为克服背景技术中存在的缺陷，本申请实施例提供一种扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置及其试验方法。
本发明采用的技术方案是：
本申请实施例提供一种扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，所述装置包括试验箱和扩大头锚杆模型；
所述扩大头锚杆模型包括管状的锚固段模型和杆状的自由段模型，所述自由段模型外同轴固定套设有第一套管，且所述锚固段模型固定套设在所述套管的左端上；
所述试验箱包括箱体，所述箱体的顶面开设有用于填入土体的开口，所述开口配有密封用的盖板，所述盖板覆盖在所述箱体的顶面上；所述箱体上架设有第一反力架，所述第一反力架上设有垂直向下延伸以向所述盖板加载施压的第一伺服液压加载装置，且所述第一伺服液压加载装置的底端与所述盖板上表面接触；
所述箱体内填埋有土体，所述箱体的左侧设有第二反力架，所述箱体的右侧设有第三反力架，所述箱体的左侧面上设有第一通孔，所述箱体的右侧面上设有第二通孔，且所述第一通孔和所述第二通孔的中心轴相重合；
所述扩大头锚杆模型自所述第二通孔沿所述第二通孔的中心轴方向水平穿设至所述箱体内，且所述锚固段模型埋设于所述土体的正中间，所述第一套管分隔所述土体和所述自由段模型，所述自由段模型的右端水平贯穿所述第二通孔和所述第三反力架；所述自由段模型的右端连接有用于水平牵拉所述扩大头锚杆模型的第二伺服液压加载装置；所述自由段模型的右端还连接有用于测量所述扩大头锚杆模型所受水平拉力大小的拉压力传感器和用于测量所述自由段模型的弹性位移信息的第一位移计；
所述锚固段模型的左端与金属丝的右端相连，所述金属丝的左端依次贯穿所述第一通孔和所述第二反力架，且所述金属丝的左端与用于测量所述扩大头锚杆模型的水平位移信息的第二位移计相连，且所述金属丝上还套设有用于隔离所述金属丝和所述土体的第二套管；
所述锚固段模型的中心点所在的竖直平面和水平平面内的土体上等间距布设有若干个用于探测土压力信息的土压力盒，且各土压力盒均与数据采集仪信号相连，以收集所述土体的土压力信息；
所述数据采集仪与控制器信号相连，以将所述土压力信息输送给所述控制器；
所述第一位移计和所述第二位移计分别与所述控制器信号相连，以分别将检测到的所述弹性位移信息和所述水平位移信息输送给所述控制器；
所述第一伺服液压加载装置和所述第二伺服液压加载装置均与所述控制器信号相连，且所述控制器控制所述第一伺服液压加载装置和所述第二伺服液压加载装置。
进一步的，所述锚固段模型是橡胶管，所述自由段模型是螺纹杆。
进一步的，所述第一套管和所述第二套管均为塑料套管。
进一步的，相邻两所述土压力盒之间的间距是10cm。
进一步的，所述箱体的壁面均为钢化玻璃
进一步的，所述锚固段模型的外表面上涂覆有环氧树脂层。
进一步的，所述自由段模型的右端上设有铁片，所述第一位移计与所述小铁片固定相连。
进一步的，所述盖板为铁板。
本发明所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，连接所述锚固段模型和所自由段模型，以组成一个所述的扩大头锚杆模型；
步骤2，向所述箱体内填充第一预定量的土体并压实，以使土体的顶面平整，且使土体的顶面与所第二通孔的中心轴之间的距离等于所述锚固段模型的半径；
步骤3，自所述第二通孔沿所述第二通孔的轴向向所述箱体内插入所述扩大头锚杆模型，所述锚固段模型位于所述箱体内的的土体的正中间，所述自由段模型水平贯穿所述第二通孔；
步骤4，将所述锚固段模型的左端与金属丝相接，且使所述金属丝的右端水平贯穿所述第一通孔；
步骤5，向所述箱体内继续填充第二预定量的土体并压实，确保所述土体的上表面与所述箱体顶面平齐，并盖上所述盖板；
步骤6，在所述扩大头锚杆模型上固定小铁片并连接第一位移计，在所述金属丝的左端连接第二位移计；
步骤7，在所述锚固段模型的中心点所在的竖直平面和水平平面内的土体上间隔10cm布设土压力盒，且各土压力盒均与数据采集仪信号相连；
步骤8，将所述扩大头锚杆模型与拉压力传感器连接，所述扩大头锚杆模型右端连接第二伺服液压加载装置，所述第一伺服液压加载装置与所述盖板连接；
步骤9，分别开启所述第一伺服液压加载装置和所述第二伺服液压加载装置并加载至设定值；
步骤10，所述控制器控制所述第一伺服液压加载装置向所述土体加载；
所述控制器控制所述第二伺服液压加载装置牵拉所述扩大头锚杆模型，并由所述拉压力传感器计量所述扩大头锚杆模型的实际承载量；
所述第一位移计检测所述自由段模型的弹性位移信息，并将所述弹性位移信息输送给所述控制器；
所述第二位移计检测所述所述扩大头锚杆模型的水平位移信息，并将所述水平位移信息输送给所述控制器；
所述数据采集仪收集各土压力盒的压力信息，并将所述土压力信息输送给所述控制器；
所述控制器根据所述实际承载量、所述弹性位移信息、所述水平位移信息和所述土压力信息模拟所述扩大头锚杆模型抗拔过程中所述扩大头锚杆模型周围土体应力应变过程。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明所述的试验装置结构简单，造价低廉，方便好用。
(2)利用本发明所述的试验装置实施所述的试验方法，可在实验室模拟扩大头锚杆抗拔试验周围土体应力应变的过程，以便了解扩大头锚杆使用阶段锚固段周边土体应力应变的影响规律。
(3)本发明利用螺纹杆和橡胶管组成扩大头锚杆模型，更贴合实际，模拟效果更准确。
附图说明
图1是一实施例中扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置的整体结构示意图；
图2是一实施例中扩大头锚杆模型的结构示意图；
图3是一实施例中金属丝与第二位移计的配合结构示意图；
图4是一实施例中自由段模型与第一位移计的配合结构示意图；
图5是一实施例中锚固段模型的中心点所在的竖直平面和水平平面的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照附图1～5，本实施例提供一种扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，所述装置包括试验箱和扩大头锚杆模型；
所述扩大头锚杆模型包括管状的锚固段模型8和杆状的自由段模型10，所述自由段模型10外同轴固定套设有第一套管9，且所述锚固段模型固定套设在所述套管9的左端上；
所述试验箱包括箱体1，所述箱体1的顶面开设有用于填入土体的开口，所述开口配有密封用的盖板3，所述盖板3覆盖在所述箱体1的顶面上；所述箱体1上架设有第一反力架4，所述第一反力架4上设有垂直向下延伸以向所述盖板3加载施压的第一伺服液压加载装置5，且所述第一伺服液压加载装置的底端与所述盖板3上表面接触；
具体的，所述箱体1为长方体或立方体状。
所述箱体1内填埋有土体，所述箱体1的左侧设有第二反力架15，所述箱体1的右侧设有第三反力架16，所述箱体1的左侧面上设有第一通孔，所述箱体1的右侧面上设有第二通孔，且所述第一通孔和所述第二通孔的中心轴相重合；
所述扩大头锚杆模型自所述第二通孔沿所述第二通孔的中心轴方向水平穿设至所述箱体1内，且所述锚固段模型8埋设于所述土体的正中间，所述第一套管9分隔所述土体和所述自由段模型10，所述自由段模型10的右端水平贯穿所述第二通孔和所述第三反力架16；所述自由段模型10的右端连接有用于水平牵拉所述扩大头锚杆模型的第二伺服液压加载装置20；所述自由段模型10的右端还连接有用于测量所述扩大头锚杆模型所受水平拉力大小的拉压力传感器19和用于测量所述自由段模型10的弹性位移信息的第一位移计13；
所述锚固段模型8的左端与金属丝18的右端相连，所述金属丝18的左端依次贯穿所述第一通孔和所述第二反力架15，且所述金属丝18的左端与用于测量所述扩大头锚杆模型的水平位移信息的第二位移计14相连，且所述金属丝18上还套设有用于隔离所述金属丝18和所述土体的第二套管17；
具体的，所述第一位移计13、所述拉压力传感器19和所述第二位移计14均位于所述箱体1外。
所述锚固段模型8的中心点所在的竖直平面和水平平面内的土体上等间距布设有若干个用于探测土压力信息的土压力盒，且各土压力盒均与数据采集仪22信号相连，以收集所述土体的土压力信息；
具体的，所述锚固段模型8的中心点指的是所述锚固段模型8沿中心轴方向的中间的圆心处。
所述数据采集仪22与控制器21信号相连，以将所述土压力信息输送给所述控制器21；所述第一位移计13和所述第二位移计14分别与所述控制器21信号相连，以分别将检测到的所述弹性位移信息和所述水平位移信息输送给所述控制器21；
所述第一伺服液压加载装置5和所述第二伺服液压加载装置20均与所述控制器21信号相连，且所述控制器21控制所述第一伺服液压加载装置5和所述第二伺服液压加载装置20。
具体的，所述锚固段模型8是橡胶管，所述自由段模型10是螺纹杆。
具体的，所述第一套管9和所述第二套管17均为塑料套管。
具体的，相邻两所述土压力盒之间的间距是10cm。
具体的，所述箱体1的壁面2均为钢化玻璃
具体的，所述锚固段模型8的外表面上涂覆有环氧树脂层，所述环氧树脂层便于所述锚固段模型8粘贴所述土体颗粒。
具体的，所述自由段模型10的右端上设有铁片12，所述第一位移计13与所述小铁片12固定相连。
具体的，所述盖板3为铁板。
本发明所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤1，连接所述锚固段模型8和所自由段模型10，以组成一个所述的扩大头锚杆模型；
步骤2，向所述箱体1内填充第一预定量的土体并压实，以使土体的顶面平整，且使土体的顶面与所第二通孔的中心轴之间的距离等于所述锚固段模型的半径；
步骤3，自所述第二通孔沿所述第二通孔的轴向向所述箱体1内插入所述扩大头锚杆模型，所述锚固段模型位于所述箱体1内的的土体的正中间，所述自由段模型10水平贯穿所述第二通孔；
步骤4，将所述锚固段模型8的左端与金属丝18相接，且使所述金属丝18的右端水平贯穿所述第一通孔；
步骤5，向所述箱体1内继续填充第二预定量的土体并压实，确保所述土体的上表面与所述箱体1顶面平齐，并盖上所述盖板3；
步骤6，在所述扩大头锚杆模型上固定小铁片12并连接第一位移计13，在所述金属丝18的左端连接第二位移计14；
步骤7，在所述锚固段模型的中心点所在的竖直平面和水平平面内的土体上间隔10cm布设土压力盒，且各土压力盒均与数据采集仪信号相连；
步骤8，将所述扩大头锚杆模型与拉压力传感器19连接，所述扩大头锚杆模型右端连接第二伺服液压加载装置20，所述第一伺服液压加载装置5与所述盖板3连接；
步骤9，分别开启所述第一伺服液压加载装置5和所述第二伺服液压加载装置20并加载至设定值；
步骤10，所述控制器21控制所述第一伺服液压加载装置5向所述土体加载；
所述控制器21控制所述第二伺服液压加载装置牵拉所述扩大头锚杆模型，并由所述拉压力传感器19计量所述扩大头锚杆模型的实际承载量；
所述第一位移计13检测所述自由段模型10的弹性位移信息，并将所述弹性位移信息输送给所述控制器21；
所述第二位移计14检测所述所述扩大头锚杆模型的水平位移信息，并将所述水平位移信息输送给所述控制器21；
所述数据采集仪22收集各土压力盒的压力信息，并将所述土压力信息输送给所述控制器21；
所述控制器21根据所述实际承载量、所述弹性位移信息、所述水平位移信息和所述土压力信息模拟所述扩大头锚杆模型抗拔过程中所述扩大头锚杆模型周围土体应力应变过程，从而便于研究扩大头锚杆的作用机理，以促进扩大头锚杆的安全应用及推广。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的例举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，其特征在于：所述装置包括试验箱和扩大头锚杆模型；
所述扩大头锚杆模型包括管状的锚固段模型和杆状的自由段模型，所述自由段模型外同轴固定套设有第一套管，且所述锚固段模型固定套设在所述套管的左端上；
所述试验箱包括箱体，所述箱体的顶面开设有用于填入土体的开口，所述开口配有密封用的盖板，所述盖板覆盖在所述箱体的顶面上；所述箱体上架设有第一反力架，所述第一反力架上设有垂直向下延伸以向所述盖板加载施压的第一伺服液压加载装置，且所述第一伺服液压加载装置的底端与所述盖板上表面接触；
所述箱体内填埋有土体，所述箱体的左侧设有第二反力架，所述箱体的右侧设有第三反力架，所述箱体的左侧面上设有第一通孔，所述箱体的右侧面上设有第二通孔，且所述第一通孔和所述第二通孔的中心轴相重合；
所述扩大头锚杆模型自所述第二通孔沿所述第二通孔的中心轴方向水平穿设至所述箱体内，且所述锚固段模型埋设于所述土体的正中间，所述第一套管分隔所述土体和所述自由段模型，所述自由段模型的右端水平贯穿所述第二通孔和所述第三反力架；所述自由段模型的右端连接有用于水平牵拉所述扩大头锚杆模型的第二伺服液压加载装置；所述自由段模型的右端还连接有用于测量所述扩大头锚杆模型所受水平拉力大小的拉压力传感器和用于测量所述自由段模型的弹性位移信息的第一位移计；
所述锚固段模型的左端与金属丝的右端相连，所述金属丝的左端依次贯穿所述第一通孔和所述第二反力架，且所述金属丝的左端与用于测量所述扩大头锚杆模型的水平位移信息的第二位移计相连，且所述金属丝上还套设有用于隔离所述金属丝和所述土体的第二套管；
所述锚固段模型的中心点所在的竖直平面和水平平面内的土体上等间距布设有若干个用于探测土压力信息的土压力盒，且各土压力盒均与数据采集仪信号相连，以收集所述土体的土压力信息；
所述数据采集仪与控制器信号相连，以将所述土压力信息输送给所述控制器；
所述第一位移计和所述第二位移计分别与所述控制器信号相连，以分别将检测到的所述弹性位移信息和所述水平位移信息输送给所述控制器；
所述第一伺服液压加载装置和所述第二伺服液压加载装置均与所述控制器信号相连，且所述控制器控制所述第一伺服液压加载装置和所述第二伺服液压加载装置。
2.如权利要求1所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，其特征在于：所述锚固段模型是橡胶管，所述自由段模型是螺纹杆。
3.如权利要求1所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，其特征在于：所述第一套管和所述第二套管均为塑料套管。
4.如权利要求1所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，其特征在于：相邻两所述土压力盒之间的间距是10cm。
5.如权利要求1所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，其特征在于：所述箱体的壁面均为钢化玻璃
6.如权利要求1所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，其特征在于：所述锚固段模型的外表面上涂覆有环氧树脂层。
7.如权利要求1所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，其特征在于：所述自由段模型的右端上设有铁片，所述第一位移计与所述小铁片固定相连。
8.如权利要求1所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置，其特征在于：所述盖板为铁板。
9.如权利要求1～8任一项所述的扩大头锚杆周围土体应力应变模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，连接所述锚固段模型和所自由段模型，以组成一个所述的扩大头锚杆模型；
步骤2，向所述箱体内填充第一预定量的土体并压实，以使土体的顶面平整，且使土体的顶面与所第二通孔的中心轴之间的距离等于所述锚固段模型的半径；
步骤3，自所述第二通孔沿所述第二通孔的轴向向所述箱体内插入所述扩大头锚杆模型，所述锚固段模型位于所述箱体内的的土体的正中间，所述自由段模型水平贯穿所述第二通孔；
步骤4，将所述锚固段模型的左端与金属丝相接，且使所述金属丝的右端水平贯穿所述第一通孔；
步骤5，向所述箱体内继续填充第二预定量的土体并压实，确保所述土体的上表面与所述箱体顶面平齐，并盖上所述盖板；
步骤6，在所述扩大头锚杆模型上固定小铁片并连接第一位移计，在所述金属丝的左端连接第二位移计；
步骤7，在所述锚固段模型的中心点所在的竖直平面和水平平面内的土体上间隔10cm布设土压力盒，且各土压力盒均与数据采集仪信号相连；
步骤8，将所述扩大头锚杆模型与拉压力传感器连接，所述扩大头锚杆模型右端连接第二伺服液压加载装置，所述第一伺服液压加载装置与所述盖板连接；
步骤9，分别开启所述第一伺服液压加载装置和所述第二伺服液压加载装置并加载至设定值；
步骤10，所述控制器控制所述第一伺服液压加载装置向所述土体加载；
所述控制器控制所述第二伺服液压加载装置牵拉所述扩大头锚杆模型，并由所述拉压力传感器计量所述扩大头锚杆模型的实际承载量；
所述第一位移计检测所述自由段模型的弹性位移信息，并将所述弹性位移信息输送给所述控制器；
所述第二位移计检测所述所述扩大头锚杆模型的水平位移信息，并将所述水平位移信息输送给所述控制器；
所述数据采集仪收集各土压力盒的压力信息，并将所述土压力信息输送给所述控制器；
所述控制器根据所述实际承载量、所述弹性位移信息、所述水平位移信息和所述土压力信息模拟所述扩大头锚杆模型抗拔过程中所述扩大头锚杆模型周围土体应力应变过程。
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