CN109946176B - 基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，包括试样制作装置、应力加载装置、振动扰动装置、应变测试装置和反力架；所述反力架内底部固定有振动扰动装置，振动扰动装置上部固定有试样制作装置，试样制作装置内设有试样和锚杆，锚杆下部与试样固定连接，锚杆顶端与传动装置的一端相连接，传动装置固定在反力架顶部，传动装置的另一端与应力加载装置相连接；所述锚杆下部和试样四周均设有应变片，应变片与应变测试装置相连接，应变测试装置设置在反力架外部。本发明通过各个装置之间的有效连接模拟分析了锚固工程在不同振动条件下的蠕变特性，为解决在间歇性振动扰动条件下锚固工程的蠕变特性问题提供技术支撑。

Description

基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统

技术领域

本发明属于检测设备技术领域，特别是指一种基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统。

背景技术

当前，地下工程的发展迅猛，大、中城市相继开始兴建地铁，地铁不仅可以减缓城市拥堵问题还可以减小交通对大气产生的污染。随着大、中城市地铁的开通与运营，地铁列车振动问题也普遍存在。地铁列车的振动对周围锚固工程的影响，不仅关系着整个隧道的安全，而且对地铁的正常运行也起决定性作用。目前对锚固工程的蠕变特性多集中在静载的研究，而对振动扰动荷载下锚固工程的蠕变特性研究甚少。

发明内容

针对目前难以模拟出地铁列车的振动对锚固工程产生的蠕变特性所产生的应力变化的技术问题，本发明提出一种基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，能够模拟在不同振动频率和不同振动时间条件下锚固工程的应力变化情况，为解决在间歇性振动扰动条件下锚固工程的蠕变特性问题提供技术支撑。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，包括试样制作装置、应力加载装置、振动扰动装置、应变测试装置和反力架；所述反力架内底部固定有振动扰动装置，振动扰动装置上部固定有试样制作装置，试样制作装置内设有试样和锚杆，锚杆下部与试样固定连接，锚杆顶端与传动装置的一端相连接，传动装置固定在反力架顶部，传动装置的另一端与应力加载装置相连接；所述锚杆下部和试样四周均设有应变片，应变片与应变测试装置相连接，应变测试装置设置在反力架外部。

优选地，所述试样制作装置包括模具，模具内设有试样，试样为设有钻孔的岩石相似材料，锚杆固定在钻孔中，锚杆的上部固定在模具的上部，应变片通过导线I与应变测试装置相连接。

优选地，所述锚杆上部通过螺纹与螺母I相连接，螺母I与模具之间设有压力枕，压力枕上设有应力测试计。

优选地，所述锚杆顶端设有套管，套管内设有套管壁，套管壁内部设有螺纹I，套管通过螺纹I与锚杆相连接，套管上设有挂环I，挂环I与传动装置的一端相连接。

优选地，所述传动装置包括吊杆A、吊杆B、吊杆C、导轮和钢丝，吊杆A、吊杆B和吊杆C下部均活动设有导轮，相邻导轮之间通过钢丝相连接，钢丝两端分别设有挂钩I和挂钩II，挂钩I与套管上的挂环I活动连接，挂钩II与应力加载装置相连接。

优选地，所述吊杆A和吊杆C的长度相同，且吊杆C的长度是吊杆B的1/2，吊杆A与吊杆C关于吊杆B对称。

优选地，所述应力加载装置包括重物室，重物室包括底板、固定钢板和立柱，底板和立柱的下部固定连接，立柱的上部与固定钢板螺纹连接，固定钢板顶部设有挂环II，挂环II与传动装置的挂钩II活动连接。

优选地，所述振动扰动装置包括容器和振动控制装置，容器内填充有密实土，密实土内设有振动盒，振动盒与检波器相连接，检波器与容器外侧的显示器相连接；振动控制装置包括振动盒开关和计时器，计时器设置于振动控制装置的上部，振动盒开关与振动盒通过导线II相连接。

优选地，所述振动盒的数量设有4个，相邻振动盒之间设有间隙，且每个振动盒距离容器底部的距离不同。

优选地，所述应变测试装置包括计算机和应变仪，计算机与应变仪相连接，应变仪与应变片通过导线I相连接。

本技术方案能产生的有益效果：本发明通过应力加载装置对锚杆施加不同的拉拔力和振动扰动装置对试样装置提供不同的振动频率，再通过应力测试装置收集数据分析锚固工程在振动条件下的蠕变特性。通过本发明可以模拟锚固工程在振动扰动条件下的损伤情况，根据得到的试验数据分析锚固工程在振动扰动条件下的蠕变特性，对分析锚固工程的长期稳定性具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的试样制作装置的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为图2的模具与锚杆的连接示意图。

图5为本发明的应力加载装置的结构示意图。

图6为图4的俯视图。

图7为本发明的振动扰动装置的结构示意图。

图8为图7中容器的俯视图。

图9为本发明的应变测试装置的结构示意图。

图10为本发明的反力架的结构示意图。

图11为图10的左视图。

图12为本发明的传动装置的结构示意图。

图13为本发明的锚杆拉拔套管图。

图14为图13的套管结构图。

图中，1为试样制作装置，2为应力加载装置，3为振动扰动装置，4为应变测试装置、5为反力架，6为应变片，7为模具，8为套管壁，9为螺纹I，11为锚杆，12为挂环I，13为套管，14为应力测试计，15为岩石相似材料，16为固定螺钉I，17为树脂锚固剂，18为螺母I，19为压力枕，21为砝码，22为支柱，23为挂环II，24为固定螺母II，25为固定钢板，31为振动盒开关，32为计时器，33为导线II，34为振动盒，35为密实土，36为检波器，37为固定螺母III，38为显示器，41为导线I，42为应变仪，43为计算机，51为吊杆A，52为吊杆B，53为吊杆C，54为滑轮，55为钢板，56为固定螺钉IV，57为螺孔V。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付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。

如图1所示，一种基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，包括试样制作装置1、应力加载装置2、振动扰动装置3、应变测试装置4和反力架5；所述反力架5底部设有螺孔V 57，螺钉通过螺孔V 57与固定螺母V相匹配将振动扰动装置3加固安装在反力架5底部上，振动扰动装置3上部与试样制作装置1通过螺钉与固定螺母III 37加固安装，试样制作装置1内设有试样和锚杆11，锚杆11下部与试样固定连接，锚杆11顶端与传动装置的一端相连接，传动装置固定在反力架5顶部，传动装置的另一端与应力加载装置2相连接；所述锚杆11下部和试样四周均设有应变片6，应变片6通过导线I 41与应变测试装置4相连接，应变测试装置4设置于反力架5外部。

如图2、图3和图4所示，试样制作装置1包括模具7，模具7为150mm

150mm

150mm大小的立方体铁质箱体，铁质箱体包括底座、顶盖和铁板，底座与铁板螺纹连接，铁板与顶盖螺纹连接，便于试样制作完成后铁板的拆除。顶盖上部设有直径为20mm孔洞，便于锚杆11通过；模具7内设有试样，试样为设有钻孔的岩石相似材料15，钻孔内设有锚杆11，锚杆11上部通过螺纹与螺母I 18相连接，螺母I 18与模具7的顶盖之间设有压力枕19，压力枕19上设有应力测试计14，应力测试计14用来测试应力加载装置2施加的应力值。如图13所示，锚杆11顶端设有套管13，套管13顶部设有挂环I 12，挂环I 12与传动装置的挂钩I相连接，如图14所示，套管13内设有套管壁8，套管壁8内部设有螺纹I 9，套管13与锚杆11通过螺纹I 9相连接。

试样制作的具体实施方式为：

S11、凝固前的岩石相似材料的制作：将水泥、河砂、橡胶粉、早强防冻剂、减水剂、水和防水剂按相同比例称取，并用搅拌机搅拌均匀；其中，橡胶粉是经强碱溶液处理过的橡胶粉，河砂和橡胶粉作为骨料，减水剂、早强防冻剂和防水剂作为外加剂以减小周围环境对岩石相似材料的物理和力学性质的影响。

S12、锚杆11的材质为钢筋，试验前对锚杆11进行拉拔试验，测试其性能，保证后面试验的顺利进行。

S13、在模具7表面喷入一些脱模剂，然后将凝固前的岩石相似材料倒入模具7中，当灌入的岩石相似材料15达到模具7体积的一半位置时，将锚杆11插入岩石相似材料15中，锚杆11的下部设有预设位置，预设位置上贴上相应的应变片6，锚杆11顶部的三分之一长度伸出模具7顶盖。

S14、把锚杆11放入模具7中后，在锚杆11周围涂有添加有缓凝剂的树脂锚固剂17，使锚杆11与岩石相似材料15有机的结合在一起，为后面的试验做准备，然后将岩石相似材料15灌入并充满模具7，模具7的顶盖上设有螺孔I，固定螺钉I 16通过螺孔I将模具7的顶盖固定在模具7的铁板上，然后再用螺母I 18将压力枕19固定于模具7的孔洞上，压力枕19上设有应力测试计14，用来测试锚杆11在被缓慢拉拔时锚杆11受到的压力。此时岩石相似材料15紧密的固定在模具7内，开始进行常温养护。其中，锚杆11固定在试样内部的部分称为锚固段，锚固段四周贴有应变片6，应变片6和应变仪42相连接，锚杆11顶端到锚固段的部分称为锚杆自由段，锚杆自由段与螺母I 18固定连接。

S15、养护7天后，待模具7内的岩石相似材料15和树脂锚固剂17都达到预期强度后，拆除模具7的铁板，保留模具7的顶盖和底座。在锚固体（锚固体是拆除模具后的试样）四周贴上垂直和水平方向的应变片6，连接好仪器的各个部位，调试稳固后，准备进行试验。

如图10、图11和图12所示，反力架5是由钢制品制成的矩形的主体框架，主体框架包括四块钢板55，两两钢板55之间通过固定螺钉IV 56与螺母IV相配合固定连接，保证反力架5整体稳定，具有良好的承重作用。反力架5内设有传动装置，传动装置包括吊杆A 51、吊杆B 52、吊杆C 53、导轮54和钢丝，吊杆A 51、吊杆B 52和吊杆C 53下端活动设有导轮54，相邻导轮54之间通过钢丝相连接。吊杆A 51和吊杆C 53的长度相同，且吊杆C 53的长度是吊杆B 52的1/2，吊杆A 51与吊杆C 53关于吊杆B 52对称。钢丝两端设有挂钩I和挂钩II，挂钩I与套管13上的挂环I 12活动连接，挂钩II与应力加载装置2相连接，应力加载装置2和锚固体通过反力架5上的传动装置活动连接。反力架5内设有螺孔V 57，螺钉通过螺孔V 57与固定螺母V相匹配将振动扰动装置3固定在反力架5底部上，保证振动扰动装置3的稳定，为模拟试验排除干扰因素。

如图5和图6所示，应力加载装置2包括重物室，重物室包括底板、固定钢板25和立柱22，底板和立柱22固定连接，固定钢板25四个角具有四个通孔，立柱22上端具有螺纹II，立柱22拥有螺纹II的端头部分切面直径稍小于立柱22中部切面直径，端头直径与固定钢板25四角通孔直径相同，固定钢板25通孔外侧加装四个固定螺母II 24进行固定，保证重物室的承重程度。重物室的底板、固定钢板25和立柱22形成一个开放立体空间，用于放置试验所需的砝码21，砝码21为自订制圆饼状钢材，固定钢板25顶部设有挂环II 23，挂环II 23设置在25的中部保证重物室的平稳，挂环II 23与传动装置的挂钩II相匹配；应力加载装置2通过增减砝码21来控制荷载，利用砝码21的重力，通过传动装置对锚杆11施加恒定拉拔力。

如图7和图8所示，振动扰动装置3包括容器和振动控制装置，容器内填充有密实土35，密实土35内设有振动盒34，振动盒34与检波器36相连接，检波器36用于测试振动盒34传递给锚固体的振动频率，检波器36与容器外侧的显示器38相连接，将检波器36检测到的数据传递给显示器38并显示在屏幕上，容器顶部设有螺孔III，螺钉通过螺孔III与固定螺母III 37相匹配将模具7的底座和容器的顶盖紧密连接。振动控制装置内设有振动盒开关31，振动盒开关31与振动盒34通过导线II 33相连接，可控制振动盒34的振动。所述振动盒34设有四个，相邻振动盒34之间有间隙，每个振动盒34距离容器底部的距离都不相同，从左到右振动盒34距离容器底部的距离依次增大或减小，为试验提供了不同的振动条件，能够更全面地模拟出锚固工程的蠕变特性。振动扰动装置3内还设有计时器32，计时器32设置于振动控制装置的上部，计时器32用来控制振动盒34的振动时间，通过振动盒开关31、振动盒34、检波器36和计时器32之间的相互配合模拟出间歇的振动情况，并呈现在显示器38上，然后再分析各种振动情况下对锚固工程的蠕变特性。

如图9所示，应变测试装置4包括计算机43和应变仪42，应变仪42的一端通过导线I41与锚固体上的应变片6相连接，应变仪42的另一端与计算机43相连接，能够实时监测应力应变数据，进而分析间歇性振动扰动条件下锚固工程的蠕变特征。

锚固工程受地铁影响作用最大的频率为40—60Hz，高峰时段时地铁通过的时间间隔为4分钟，正常时段时地铁通过的时间间隔为6分钟，本实施例中利用振动盒34提供控制振动频率和振动时间的振动荷载来进行模拟试验，具体实施方式为：

S21、观察振动时间间隔分别为4分钟和6分钟下的锚固体的损伤状态；

S22、观察振动时间间隔分别为4分钟和6分钟下的锚杆11的变化规律；

S23、实时记录应变仪42所得到的数据；

S24、对试验试样制作装置和试验过程进行拍照记录，及时保存原始数据。

锚固工程蠕变特征的试验数据的分析与处理的具体实施方式为：

S31、根据试验过程记录的应力应变数据以及原始数据分析锚固体在间歇性振动条件下的蠕变特性；

S32、分析试验中不确定因素所导致的数据变化，具体分析产生的原因和影响；

S33、针对工程现场的监测数据调整和修改试验方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，其特征在于，包括试样制作装置（1）、应力加载装置（2）、振动扰动装置（3）、应变测试装置（4）和反力架（5）；所述反力架（5）内底部固定有振动扰动装置（3），振动扰动装置（3）上部固定有试样制作装置（1），试样制作装置（1）内设有试样和锚杆（11），锚杆（11）下部与试样固定连接，锚杆（11）顶端与传动装置的一端相连接，传动装置固定在反力架（5）顶部，传动装置的另一端与应力加载装置（2）相连接；所述锚杆（11）下部和试样四周均设有应变片（6），应变片（6）与应变测试装置（4）相连接，应变测试装置（4）设置在反力架（5）外部；

所述振动扰动装置（3）包括容器和振动控制装置，容器内填充有密实土（35），密实土（35）内设有振动盒（34），振动盒（34）与检波器（36）相连接，检波器（36）与容器外侧的显示器（38）相连接；振动控制装置包括振动盒开关（31）和计时器（32），计时器（32）设置于振动控制装置的上部，振动盒开关（31）与振动盒（34）通过导线II（33）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，其特征在于，所述试样制作装置（1）包括模具（7），模具（7）内设有试样，试样为设有钻孔的岩石相似材料（15），锚杆（11）固定在钻孔中，锚杆（11）的上部固定在模具（7）的上部，应变片（6）通过导线I（41）与应变测试装置（4）相连接。

3.根据权利要求2所述的基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，其特征在于，所述锚杆（11）上部通过螺纹与螺母I（18）相连接，螺母I（18）与模具（7）之间设有压力枕（19），压力枕（19）上设有应力测试计（14）。

4.根据权利要求2或3所述的基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，其特征在于，所述锚杆（11）顶端设有套管（13），套管（13）内设有套管壁（8），套管壁（8）内部设有螺纹I（9），套管（13）通过螺纹I（9）与锚杆（11）相连接，套管（13）上设有挂环I（12），挂环I（12）与传动装置的一端相连接。

5.根据权利要求1所述的基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，其特征在于，所述传动装置包括吊杆A（51）、吊杆B（52）、吊杆C（53）、导轮（54）和钢丝，吊杆A（51）、吊杆B（52）和吊杆C（53）下部均活动设有导轮（54），相邻导轮（54）之间通过钢丝相连接，钢丝两端分别设有挂钩I和挂钩II，挂钩I与套管（13）上的挂环I（12）活动连接，挂钩II与应力加载装置（2）相连接。

6.根据权利要求5所述的基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，其特征在于，所述吊杆A（51）和吊杆C（53）的长度相同，且吊杆C（53）的长度是吊杆B（52）的1/2，吊杆A（51）与吊杆C（53）关于吊杆B（52）对称。

7.根据权利要求1所述的基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，其特征在于，所述应力加载装置（2）包括重物室，重物室包括底板、固定钢板（25）和立柱（22），底板和立柱（22）的下部固定连接，立柱（22）的上部与固定钢板（25）螺纹连接，固定钢板（25）顶部设有挂环II（23），挂环II（23）与传动装置的挂钩II活动连接。

8.根据权利要求1所述的基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，其特征在于，所述振动盒（34）的数量设有4个，相邻振动盒（34）之间设有间隙，且每个振动盒（34）距离容器底部的距离不同。

9.根据权利要求1所述的基于反力架的振动扰动锚固工程蠕变特性试验系统，其特征在于，所述应变测试装置（4）包括计算机（43）和应变仪（42），计算机（43）与应变仪（42）相连接，应变仪（42）与应变片（6）通过导线I（41）相连接。

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